南水北调中线工程陶岔—沙河段混凝土碱骨料反应试验研究

　　摘要：南水北调中线工程陶岔—沙河段路线长，涉及料场多，骨料品种杂。碱—骨料反应具有反应缓慢、持续时间长的特点。碱—骨料反应十分复杂，需用不同的试验方法进行综合评定。通过岩相法、砂浆棒快速法、碳酸盐圆柱体法等不同试验方法对碱活性进行了研究，试验结果表明：料场部分骨料具有潜在危害性反应的碱活性。为确保混凝土的耐久性和工程安全，应严格控制工程所用水泥的碱含量及采取其它工程措施来抑制碱—骨料反应。 

　　关键词：南水北调中线工程；碱—骨料反应；混凝土；骨料 

　　南水北调中线工程从丹江口水库陶岔闸引水，经长江流域与淮河流域的分水岭方城垭口，沿唐白河流域和黄淮海平原西部边缘开挖渠道，在郑州以西孤柏咀处用隧洞或渡槽穿过黄河，沿京广铁路西侧北上，自流到北京、天津。输水总干渠从陶岔闸至北京全长约1 276 km，中线工程多年平均调水量宜为130～140亿m3，过黄河80～90亿m3，除补充海河平原城市供水50～60亿m3外，可补充生态环境和农业用水。干旱年份(p=90%)汉江的可调水量约65～70亿m3，可保证京津及华北地区城市用水。根据对目前初步选定混凝土料场情况进行的了解，部分骨料具有碱活性危害。为保证工程的高质量和安全耐久，对南水北调中线干线工程陶岔—沙河段混凝土骨料料场的骨料采用岩相法、砂浆棒快速法、碳酸盐圆柱体法等方法进行碱活性试验，以判定该骨料用于混凝土是否会出现危害性的碱—骨料反应。 
　　 
　　1 碱—骨料反应及试验方法 
　　 
　　具有碱活性的骨料与水泥中的碱发生化学反应，引起混凝土膨胀、开裂，甚至破坏，这种化学反应称碱—骨料反应。混凝土的碱—骨料的反应成为混凝土耐久性的重要课题之一。自从1940年美国T.E Stanton提出此问题以来，已有不少国家出现碱—骨料反应破坏的工程实例，国外巴西Moxot’o坝、法国的Sambon坝等由于使用了黑云母花岗岩、片麻岩等作为混凝土骨料，而出现了明显的碱—骨料反应，使混凝土产生膨胀开裂，不得不投入大量资金，对大坝进行修补加固[1]。 
　　按与碱反应的岩石类型，可将碱—骨料反应划分为3种类型，即碱—硅酸反应、碱—碳酸盐反应和碱—硅酸盐反应；也有将碱—硅酸盐反应归入碱—硅酸反应。碱—硅酸反应，即碱与骨料中活性SiO2发生反应，生成硅酸凝胶，吸水肿胀，引起混凝土膨胀、开裂损坏。骨料中活性SiO2包括无定形、结晶程度差、受应力形变大的SiO2以及玻璃体，如蛋白石、玉髓、玛瑙、鳞石英、方石英、非常细小的微晶石英、具有较强波状消光的石英及火山玻璃体。在所有碱—骨料反应事例中，硅质骨料引起的破坏最多。硅质骨料中非晶质的蛋白石碱活性最高，纤维状玉髓和隐晶质石英次之，微晶石英的碱活性相对较弱，结晶完整和晶粒粗大的石英是非活性的。波状消光的石英是否具有碱活性，则不很确定；专家们认为，波状消光角小于15°是不具有碱活性的。碱—碳酸盐反应是指碱与某些泥质石灰质白云岩或泥质白云质石灰岩发生脱白云化反应，引起混凝土膨胀、开裂损坏。这种反应首先在加拿大出现，国际上出现的受害工程事例不少，但较前一种出现为晚。其中碱—硅酸反应是迄今对工程损坏最多、分布最广、研究得最多的一种碱—骨料反应类型[2]。 

　　对骨料碱活性的评定，至今国际上尚无一个一致认可的普遍方法。岩相法对选择合适的检测方法有重要指导作用，一直是作为骨料碱活性鉴定的首选方法，它是通过显微镜观察来鉴定骨料的种类和成分，特别是那些已知活性矿物存在与否的骨料，以此来判断其是否存在碱活性，但其缺点是得不到活性组分含量与膨胀率的定量关系，并且，此方法需要有相当熟练的技术；化学法是和砂浆长度法配合使用的，是国际上公认的传统方法，但它的缺点是不能鉴定由于微晶石英或变形石英所导致的慢膨胀骨料，另一个缺点是存在非SiO2物质如碳酸盐、石膏、黏士等的干扰，这些干扰常常造成根本性的错误；砂浆长度法是与ASTM C227类同的比较经典的方法，但它的缺点是仅适用于一些高活性的快膨胀的岩石和矿物，对慢膨胀骨料则不适用；砂浆棒快速法是于1994年同时被美国和加拿大定为标准的方法(ASTM1260和 CSA A23·2—14A)，研究结果与工程记录的对比表明，该方法对硅质骨料，尤其是慢膨胀骨料与工程使用记录具有很好的一致性，被认为是比较精确可靠的，但它的问题是过于严格，某些工程被证明是无害的骨料可能被判为有害[3]。由于碱—骨料反应的复杂性，在试验时采用了多种方法进行综合评定。

　　2 人工骨料碱活性试验研究
　　
　　对灵山、汤山、牡丹垛、荆山寨山4个料场的人工骨料，采用岩相法、化学全分析、岩石圆柱体法、砂浆棒快速法等方法，对骨料进行碱活性试验，以了解骨料的碱活性特性。

　　2.1 岩相法

　　对灵山、汤山、牡丹垛、荆山寨山4个料场的岩石样品在显微镜下进行岩相鉴定，试验结果见表1。化学全分析结果见表2。从料场岩石主岩相鉴定和化学全分析的结果看，灵山料场的岩石主要是白云质白云岩角砾岩和白云岩，汤山料场的岩石主要是白云岩和含白云质石灰岩，牡丹垛料场的岩石主要是含石墨含白云质大理岩、白云石大理岩、含透辉石白云石大理岩、大理岩、花岗岩质粗糜棱岩，荆山寨山料场的岩石主要是含白云石含石英大理岩和含石英大理岩，灵山、汤山、牡丹垛、荆山寨山4个料场的碳酸盐岩石不是泥质石灰质白云岩或泥质白云质石灰岩，为非碱—碳酸盐活性骨料。牡丹垛料场的花岗岩质粗糜棱岩和荆山寨山料场的含白云石含石英大理岩和含石英大理岩中的石英颗粒细小，含有一定量的微晶石英，且受到应变作用，其碱活性还需通过其它试验进行论证。

[Page]
　　2.2 碳酸盐圆柱体法

　　试验按《水工混凝土砂石骨料试验规程》DL/T5151-2001的方法进行。这种方法测定骨料碱—碳酸盐反应，即将碳酸盐岩石按规定制成3个直径9 mm高35 mm的圆柱体。浸泡在1N的NaOH溶液中，试件储存及观测均在20℃的恒温室中进行，取其膨胀值最大的一个，其余弃之；如84 d龄期内试件的膨胀率大于0.1%，则骨料具有潜在危害性反应的碱活性，小于0.1%则为非活性，岩石的试验结果见表3。从岩石圆柱体试验结果看，灵山、汤山、牡丹垛、荆山寨山4个料场的碳酸盐岩石均为非活性。

　　2.3 砂浆棒快速法

　　本试验按《水工混凝土砂石骨料试验规程》DL/T5151-2001方法进行。试验的评定标准为：14 d的砂浆膨胀率小于0.1%，则骨料是无害的，膨胀率大于0.2%，则表明骨料具有潜在危害性反应的碱活性；膨胀率在0.1%和0.2%之间为可疑骨料，需进行其他必要的辅助试验，也可将试件延至28 d观测来作最后定论。砂浆棒快速法评判标准通常认为是比较严格的，骨料的砂浆棒快速法试验结果见表4。14 d试验结果表明：荆山寨山料场4种岩石均为非活性骨料，牡丹垛的花岗岩质粗糜棱岩为可疑骨料，岩相法的试验结果表明，花岗岩质粗糜棱岩含有一定量的微晶石英，综合判断花岗岩质粗糜棱岩具有潜在危害性反应的碱活性。

　　2.4 人工骨料碱活性试验小结

　　灵山料场的岩石主要是白云质白云岩角砾岩和白云岩，汤山料场的岩石主要是白云岩和含白云质石灰岩，牡丹垛料场的岩石主要是含石墨含白云质大理岩、白云石大理岩、含透辉石白云石大理岩、大理岩、花岗岩质粗糜棱岩，荆山寨山料场的岩石主要是含白云石含石英大理岩和含石英大理岩。从岩相鉴定的结果看，灵山、汤山、牡丹垛、荆山寨山4个料场的碳酸盐岩石不是泥质石灰质白云岩或泥质白云质石灰岩，为非活性骨料。荆山寨山料场4种岩石和牡丹垛的花岗岩质粗糜棱岩中均含有一定量的石英，用砂浆棒快速法检验，综合岩相法判断，荆山寨山料场4种岩石均为非活性骨料，牡丹垛的花岗岩质粗糜棱岩具有潜在危害性反应的碱活性。
　　
　　3 天然骨料的碱活性检验
　　
　　对澧河、贾河、湍河、白河4个天然砂砾石料场的天然骨料，采用岩相法、砂浆棒快速法等方法，对天然骨料的碱活性进行试验，以了解澧河、贾河、湍河、白河4个天然砂砾石料场骨料的碱活性特性。

　　3.1 岩相法

　　本次试验主要对澧河、贾河、湍河、白河4个天然砂砾石料场进行了碱活性试验，岩相法的试验结果见表5—表6。从澧河、贾河、湍河、白河4个天然砂砾石料场从岩相鉴定的结果看，碎裂状泥质页岩的含量很少，碎裂花岗岩、石英岩中的石英颗粒均较大，不属于碱活性骨料；4个天然料场砂样中的石英颗粒均较大，不具有潜在的碱活性。硅质岩是典型的活性骨料，石英砂岩、岩屑长石石英砂岩中部分石英为胶结物，颗粒细小，可能具有潜在的碱活性，但还需用其它方法进行鉴定。

[Page]
　　3.2 砂浆棒快速法

　　试验按《水工混凝土砂石骨料试验规程》DL/T5151-2001方法进行。砂浆棒快速法试验的试验结果见表7。砂浆棒快速法试验的评定标准为：14 d的砂浆膨胀率小于0.1%，则骨料是无害的，膨胀率大于0.2%，则表明骨料具有潜在危害性反应的碱活性；膨胀率在0.1%和0.2%之间为可疑骨料，需进行其他必要的辅助试验，也可将试件延至28 d观测来作最后定论。砂浆棒快速法评判标准通常认为比较严格，试验结果表明：4个砂砾石料场的砂料、碎裂花岗岩、石英岩均为非活性骨料；4个料场的粗骨料、4%燧石、石英砂岩、岩屑长石石英砂岩为可疑骨料；试验延至28 d后，4个砂砾石料场的粗骨料、燧石、石英砂岩、岩屑长石石英砂岩具有潜在危害性反应的碱活性。

　　3.3 天然骨料碱实验小结

　　澧河天然砂砾石料场的岩石主要是石英岩、石英砂岩、燧石、碎裂状泥质页岩；贾河天然砂砾石料场的岩石主要是石英岩、石英砂岩、碎裂状泥质页岩；湍河天然砂砾石料场的岩石主要是石英岩、岩屑长石石英砂岩、碎裂花岗岩、燧石、碎裂状泥质页岩；白河天然砂砾石料场的岩石主要是石英岩、岩屑长石石英砂岩、碎裂花岗岩、燧石、碎裂状泥质页岩。从岩相鉴定的结果看，燧石是典型的活性骨料，石英砂岩、岩屑长石石英砂岩中部分石英为胶结物，颗粒细小，具有一定的碱活性。碎裂状泥质页岩的含量很少，碎裂花岗岩、石英岩中的石英颗粒均较大，不属于碱活性骨料；料场砂样中的石英颗粒均较大，不具有潜在的碱活性。14 d砂浆棒快速法检验结果表明：砂砾石料场的砂料、碎裂花岗岩、石英岩均为非活性骨料；料场的粗骨料、燧石、岩屑长石石英砂岩为可疑骨料；28 d后综合岩相法的试验结果判断，料场的粗骨料、燧石、岩屑长石石英砂岩具有潜在危害性反应的碱活性。

　　4 结 语
　　
　　灵山、汤山、牡丹垛、荆山寨山4个料场的碳酸盐岩石不是泥质石灰质白云岩或泥质白云质石灰岩，为非活性骨料。荆山寨山料场4种岩石和牡丹垛的花岗岩质粗糜棱岩中含有一定量的石英，用砂浆棒快速法检验，综合岩相法判断，荆山寨山料场4种岩石均为非活性骨料。牡丹垛的花岗岩质粗糜棱岩具有潜在危害性反应的碱活性。澧河、贾河、湍河、白河4个天然砂砾石料场中的燧石、石英砂岩、岩屑长石石英砂岩具有潜在危害性反应的碱活性。由于碱—骨料反应的复杂性，目前国际上还没有一个一致认可的检验方法，料场活性骨料成因复杂，种类繁多，在被选作混凝土骨料时，对其碱活性应十分慎重。为确保混凝土的耐久性和工程安全，应严格控制工程所用水泥的碱含量、限制混凝土的总碱量不大于2.5 kg/m3及采取其它工程措施来抑制碱—骨料反应。
　　
　　参考文献：

　　[1] A.J.C.T.Cavalcanti，Alkali-Aggregate Reaction at Moxoto Dam，Brazil[C]. Proceedings of the 7th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete.Ottawa city，1986，168-172.

　　[2] 马赛尔·阿罗德(法国).法国硅碱骨料中碱骨料反应的最新研究[J].中国三峡工程建设，1998，(5).

　　[3] 杨华全，王迎春，曹鹏举，等.三峡工程混凝土的碱—骨料反应试验研究[J].水利学报，2003，(1).