摘要：南水北調(diào)中線工程陶岔—沙河段路線長(zhǎng)，涉及料場(chǎng)多，骨料品種雜。堿—骨料反應(yīng)具有反應(yīng)緩慢、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。堿—骨料反應(yīng)十分復(fù)雜，需用不同的試驗(yàn)方法進(jìn)行綜合評(píng)定。通過巖相法、砂漿棒快速法、碳酸鹽圓柱體法等不同試驗(yàn)方法對(duì)堿活性進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：料場(chǎng)部分骨料具有潛在危害性反應(yīng)的堿活性。為確保混凝土的耐久性和工程安全，應(yīng)嚴(yán)格控制工程所用水泥的堿含量及采取其它工程措施來抑制堿—骨料反應(yīng)。
關(guān)鍵詞：南水北調(diào)中線工程；堿—骨料反應(yīng)；混凝土；骨料
南水北調(diào)中線工程從丹江口水庫陶岔閘引水，經(jīng)長(zhǎng)江流域與淮河流域的分水嶺方城埡口，沿唐白河流域和黃淮海平原西部邊緣開挖渠道，在鄭州以西孤柏咀處用隧洞或渡槽穿過黃河，沿京廣鐵路西側(cè)北上，自流到北京、天津。輸水總干渠從陶岔閘至北京全長(zhǎng)約1 276 km，中線工程多年平均調(diào)水量宜為130～140億m3，過黃河80～90億m3，除補(bǔ)充海河平原城市供水50～60億m3外，可補(bǔ)充生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)用水。干旱年份(p=90%)漢江的可調(diào)水量約65～70億m3，可保證京津及華北地區(qū)城市用水。根據(jù)對(duì)目前初步選定混凝土料場(chǎng)情況進(jìn)行的了解，部分骨料具有堿活性危害。為保證工程的高質(zhì)量和安全耐久，對(duì)南水北調(diào)中線干線工程陶岔—沙河段混凝土骨料料場(chǎng)的骨料采用巖相法、砂漿棒快速法、碳酸鹽圓柱體法等方法進(jìn)行堿活性試驗(yàn)，以判定該骨料用于混凝土是否會(huì)出現(xiàn)危害性的堿—骨料反應(yīng)。
1 堿—骨料反應(yīng)及試驗(yàn)方法
具有堿活性的骨料與水泥中的堿發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起混凝土膨脹、開裂，甚至破壞，這種化學(xué)反應(yīng)稱堿—骨料反應(yīng)?；炷恋膲A—骨料的反應(yīng)成為混凝土耐久性的重要課題之一。自從1940年美國T.E Stanton提出此問題以來，已有不少國家出現(xiàn)堿—骨料反應(yīng)破壞的工程實(shí)例，國外巴西Moxot’o壩、法國的Sambon壩等由于使用了黑云母花崗巖、片麻巖等作為混凝土骨料，而出現(xiàn)了明顯的堿—骨料反應(yīng)，使混凝土產(chǎn)生膨脹開裂，不得不投入大量資金，對(duì)大壩進(jìn)行修補(bǔ)加固[1]。
按與堿反應(yīng)的巖石類型，可將堿—骨料反應(yīng)劃分為3種類型，即堿—硅酸反應(yīng)、堿—碳酸鹽反應(yīng)和堿—硅酸鹽反應(yīng)；也有將堿—硅酸鹽反應(yīng)歸入堿—硅酸反應(yīng)。堿—硅酸反應(yīng)，即堿與骨料中活性SiO2發(fā)生反應(yīng)，生成硅酸凝膠，吸水腫脹，引起混凝土膨脹、開裂損壞。骨料中活性SiO2包括無定形、結(jié)晶程度差、受應(yīng)力形變大的SiO2以及玻璃體，如蛋白石、玉髓、瑪瑙、鱗石英、方石英、非常細(xì)小的微晶石英、具有較強(qiáng)波狀消光的石英及火山玻璃體。在所有堿—骨料反應(yīng)事例中，硅質(zhì)骨料引起的破壞最多。硅質(zhì)骨料中非晶質(zhì)的蛋白石堿活性最高，纖維狀玉髓和隱晶質(zhì)石英次之，微晶石英的堿活性相對(duì)較弱，結(jié)晶完整和晶粒粗大的石英是非活性的。波狀消光的石英是否具有堿活性，則不很確定；專家們認(rèn)為，波狀消光角小于15°是不具有堿活性的。堿—碳酸鹽反應(yīng)是指堿與某些泥質(zhì)石灰質(zhì)白云巖或泥質(zhì)白云質(zhì)石灰?guī)r發(fā)生脫白云化反應(yīng)，引起混凝土膨脹、開裂損壞。這種反應(yīng)首先在加拿大出現(xiàn)，國際上出現(xiàn)的受害工程事例不少，但較前一種出現(xiàn)為晚。其中堿—硅酸反應(yīng)是迄今對(duì)工程損壞最多、分布最廣、研究得最多的一種堿—骨料反應(yīng)類型[2]。
對(duì)骨料堿活性的評(píng)定，至今國際上尚無一個(gè)一致認(rèn)可的普遍方法。巖相法對(duì)選擇合適的檢測(cè)方法有重要指導(dǎo)作用，一直是作為骨料堿活性鑒定的首選方法，它是通過顯微鏡觀察來鑒定骨料的種類和成分，特別是那些已知活性礦物存在與否的骨料，以此來判斷其是否存在堿活性，但其缺點(diǎn)是得不到活性組分含量與膨脹率的定量關(guān)系，并且，此方法需要有相當(dāng)熟練的技術(shù)；化學(xué)法是和砂漿長(zhǎng)度法配合使用的，是國際上公認(rèn)的傳統(tǒng)方法，但它的缺點(diǎn)是不能鑒定由于微晶石英或變形石英所導(dǎo)致的慢膨脹骨料，另一個(gè)缺點(diǎn)是存在非SiO2物質(zhì)如碳酸鹽、石膏、黏士等的干擾，這些干擾常常造成根本性的錯(cuò)誤；砂漿長(zhǎng)度法是與ASTM C227類同的比較經(jīng)典的方法，但它的缺點(diǎn)是僅適用于一些高活性的快膨脹的巖石和礦物，對(duì)慢膨脹骨料則不適用；砂漿棒快速法是于1994年同時(shí)被美國和加拿大定為標(biāo)準(zhǔn)的方法(ASTM1260和 CSA A23·2—14A)，研究結(jié)果與工程記錄的對(duì)比表明，該方法對(duì)硅質(zhì)骨料，尤其是慢膨脹骨料與工程使用記錄具有很好的一致性，被認(rèn)為是比較精確可靠的，但它的問題是過于嚴(yán)格，某些工程被證明是無害的骨料可能被判為有害[3]。由于堿—骨料反應(yīng)的復(fù)雜性，在試驗(yàn)時(shí)采用了多種方法進(jìn)行綜合評(píng)定。
2 人工骨料堿活性試驗(yàn)研究
對(duì)靈山、湯山、牡丹垛、荊山寨山4個(gè)料場(chǎng)的人工骨料，采用巖相法、化學(xué)全分析、巖石圓柱體法、砂漿棒快速法等方法，對(duì)骨料進(jìn)行堿活性試驗(yàn)，以了解骨料的堿活性特性。
2.1 巖相法
對(duì)靈山、湯山、牡丹垛、荊山寨山4個(gè)料場(chǎng)的巖石樣品在顯微鏡下進(jìn)行巖相鑒定，試驗(yàn)結(jié)果見表1。化學(xué)全分析結(jié)果見表2。從料場(chǎng)巖石主巖相鑒定和化學(xué)全分析的結(jié)果看，靈山料場(chǎng)的巖石主要是白云質(zhì)白云巖角礫巖和白云巖，湯山料場(chǎng)的巖石主要是白云巖和含白云質(zhì)石灰?guī)r，牡丹垛料場(chǎng)的巖石主要是含石墨含白云質(zhì)大理巖、白云石大理巖、含透輝石白云石大理巖、大理巖、花崗巖質(zhì)粗糜棱巖，荊山寨山料場(chǎng)的巖石主要是含白云石含石英大理巖和含石英大理巖，靈山、湯山、牡丹垛、荊山寨山4個(gè)料場(chǎng)的碳酸鹽巖石不是泥質(zhì)石灰質(zhì)白云巖或泥質(zhì)白云質(zhì)石灰?guī)r，為非堿—碳酸鹽活性骨料。牡丹垛料場(chǎng)的花崗巖質(zhì)粗糜棱巖和荊山寨山料場(chǎng)的含白云石含石英大理巖和含石英大理巖中的石英顆粒細(xì)小，含有一定量的微晶石英，且受到應(yīng)變作用，其堿活性還需通過其它試驗(yàn)進(jìn)行論證。
2.2 碳酸鹽圓柱體法
試驗(yàn)按《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》DL/T5151-2001的方法進(jìn)行。這種方法測(cè)定骨料堿—碳酸鹽反應(yīng)，即將碳酸鹽巖石按規(guī)定制成3個(gè)直徑9 mm高35 mm的圓柱體。浸泡在1N的NaOH溶液中，試件儲(chǔ)存及觀測(cè)均在20℃的恒溫室中進(jìn)行，取其膨脹值最大的一個(gè)，其余棄之；如84 d齡期內(nèi)試件的膨脹率大于0.1%，則骨料具有潛在危害性反應(yīng)的堿活性，小于0.1%則為非活性，巖石的試驗(yàn)結(jié)果見表3。從巖石圓柱體試驗(yàn)結(jié)果看，靈山、湯山、牡丹垛、荊山寨山4個(gè)料場(chǎng)的碳酸鹽巖石均為非活性。
2.3 砂漿棒快速法
本試驗(yàn)按《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》DL/T5151-2001方法進(jìn)行。試驗(yàn)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為：14 d的砂漿膨脹率小于0.1%，則骨料是無害的，膨脹率大于0.2%，則表明骨料具有潛在危害性反應(yīng)的堿活性；膨脹率在0.1%和0.2%之間為可疑骨料，需進(jìn)行其他必要的輔助試驗(yàn)，也可將試件延至28 d觀測(cè)來作最后定論。砂漿棒快速法評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)通常認(rèn)為是比較嚴(yán)格的，骨料的砂漿棒快速法試驗(yàn)結(jié)果見表4。14 d試驗(yàn)結(jié)果表明：荊山寨山料場(chǎng)4種巖石均為非活性骨料，牡丹垛的花崗巖質(zhì)粗糜棱巖為可疑骨料，巖相法的試驗(yàn)結(jié)果表明，花崗巖質(zhì)粗糜棱巖含有一定量的微晶石英，綜合判斷花崗巖質(zhì)粗糜棱巖具有潛在危害性反應(yīng)的堿活性。
2.4 人工骨料堿活性試驗(yàn)小結(jié)
靈山料場(chǎng)的巖石主要是白云質(zhì)白云巖角礫巖和白云巖，湯山料場(chǎng)的巖石主要是白云巖和含白云質(zhì)石灰?guī)r，牡丹垛料場(chǎng)的巖石主要是含石墨含白云質(zhì)大理巖、白云石大理巖、含透輝石白云石大理巖、大理巖、花崗巖質(zhì)粗糜棱巖，荊山寨山料場(chǎng)的巖石主要是含白云石含石英大理巖和含石英大理巖。從巖相鑒定的結(jié)果看，靈山、湯山、牡丹垛、荊山寨山4個(gè)料場(chǎng)的碳酸鹽巖石不是泥質(zhì)石灰質(zhì)白云巖或泥質(zhì)白云質(zhì)石灰?guī)r，為非活性骨料。荊山寨山料場(chǎng)4種巖石和牡丹垛的花崗巖質(zhì)粗糜棱巖中均含有一定量的石英，用砂漿棒快速法檢驗(yàn)，綜合巖相法判斷，荊山寨山料場(chǎng)4種巖石均為非活性骨料，牡丹垛的花崗巖質(zhì)粗糜棱巖具有潛在危害性反應(yīng)的堿活性。
3 天然骨料的堿活性檢驗(yàn)
對(duì)澧河、賈河、湍河、白河4個(gè)天然砂礫石料場(chǎng)的天然骨料，采用巖相法、砂漿棒快速法等方法，對(duì)天然骨料的堿活性進(jìn)行試驗(yàn)，以了解澧河、賈河、湍河、白河4個(gè)天然砂礫石料場(chǎng)骨料的堿活性特性。
3.1 巖相法
本次試驗(yàn)主要對(duì)澧河、賈河、湍河、白河4個(gè)天然砂礫石料場(chǎng)進(jìn)行了堿活性試驗(yàn)，巖相法的試驗(yàn)結(jié)果見表5—表6。從澧河、賈河、湍河、白河4個(gè)天然砂礫石料場(chǎng)從巖相鑒定的結(jié)果看，碎裂狀泥質(zhì)頁巖的含量很少，碎裂花崗巖、石英巖中的石英顆粒均較大，不屬于堿活性骨料；4個(gè)天然料場(chǎng)砂樣中的石英顆粒均較大，不具有潛在的堿活性。硅質(zhì)巖是典型的活性骨料，石英砂巖、巖屑長(zhǎng)石石英砂巖中部分石英為膠結(jié)物，顆粒細(xì)小，可能具有潛在的堿活性，但還需用其它方法進(jìn)行鑒定。
3.2 砂漿棒快速法
試驗(yàn)按《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》DL/T5151-2001方法進(jìn)行。砂漿棒快速法試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果見表7。砂漿棒快速法試驗(yàn)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)為：14 d的砂漿膨脹率小于0.1%，則骨料是無害的，膨脹率大于0.2%，則表明骨料具有潛在危害性反應(yīng)的堿活性；膨脹率在0.1%和0.2%之間為可疑骨料，需進(jìn)行其他必要的輔助試驗(yàn)，也可將試件延至28 d觀測(cè)來作最后定論。砂漿棒快速法評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)通常認(rèn)為比較嚴(yán)格，試驗(yàn)結(jié)果表明：4個(gè)砂礫石料場(chǎng)的砂料、碎裂花崗巖、石英巖均為非活性骨料；4個(gè)料場(chǎng)的粗骨料、4%燧石、石英砂巖、巖屑長(zhǎng)石石英砂巖為可疑骨料；試驗(yàn)延至28 d后，4個(gè)砂礫石料場(chǎng)的粗骨料、燧石、石英砂巖、巖屑長(zhǎng)石石英砂巖具有潛在危害性反應(yīng)的堿活性。
3.3 天然骨料堿實(shí)驗(yàn)小結(jié)
澧河天然砂礫石料場(chǎng)的巖石主要是石英巖、石英砂巖、燧石、碎裂狀泥質(zhì)頁巖；賈河天然砂礫石料場(chǎng)的巖石主要是石英巖、石英砂巖、碎裂狀泥質(zhì)頁巖；湍河天然砂礫石料場(chǎng)的巖石主要是石英巖、巖屑長(zhǎng)石石英砂巖、碎裂花崗巖、燧石、碎裂狀泥質(zhì)頁巖；白河天然砂礫石料場(chǎng)的巖石主要是石英巖、巖屑長(zhǎng)石石英砂巖、碎裂花崗巖、燧石、碎裂狀泥質(zhì)頁巖。從巖相鑒定的結(jié)果看，燧石是典型的活性骨料，石英砂巖、巖屑長(zhǎng)石石英砂巖中部分石英為膠結(jié)物，顆粒細(xì)小，具有一定的堿活性。碎裂狀泥質(zhì)頁巖的含量很少，碎裂花崗巖、石英巖中的石英顆粒均較大，不屬于堿活性骨料；料場(chǎng)砂樣中的石英顆粒均較大，不具有潛在的堿活性。14 d砂漿棒快速法檢驗(yàn)結(jié)果表明：砂礫石料場(chǎng)的砂料、碎裂花崗巖、石英巖均為非活性骨料；料場(chǎng)的粗骨料、燧石、巖屑長(zhǎng)石石英砂巖為可疑骨料；28 d后綜合巖相法的試驗(yàn)結(jié)果判斷，料場(chǎng)的粗骨料、燧石、巖屑長(zhǎng)石石英砂巖具有潛在危害性反應(yīng)的堿活性。
4 結(jié) 語
靈山、湯山、牡丹垛、荊山寨山4個(gè)料場(chǎng)的碳酸鹽巖石不是泥質(zhì)石灰質(zhì)白云巖或泥質(zhì)白云質(zhì)石灰?guī)r，為非活性骨料。荊山寨山料場(chǎng)4種巖石和牡丹垛的花崗巖質(zhì)粗糜棱巖中含有一定量的石英，用砂漿棒快速法檢驗(yàn)，綜合巖相法判斷，荊山寨山料場(chǎng)4種巖石均為非活性骨料。牡丹垛的花崗巖質(zhì)粗糜棱巖具有潛在危害性反應(yīng)的堿活性。澧河、賈河、湍河、白河4個(gè)天然砂礫石料場(chǎng)中的燧石、石英砂巖、巖屑長(zhǎng)石石英砂巖具有潛在危害性反應(yīng)的堿活性。由于堿—骨料反應(yīng)的復(fù)雜性，目前國際上還沒有一個(gè)一致認(rèn)可的檢驗(yàn)方法，料場(chǎng)活性骨料成因復(fù)雜，種類繁多，在被選作混凝土骨料時(shí)，對(duì)其堿活性應(yīng)十分慎重。為確?；炷恋哪途眯院凸こ贪踩?，應(yīng)嚴(yán)格控制工程所用水泥的堿含量、限制混凝土的總堿量不大于2.5 kg/m3及采取其它工程措施來抑制堿—骨料反應(yīng)。
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