摘要：本文詳細(xì)介紹了南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程漕河段嶺東料場(chǎng)天然砂礫石骨料堿－硅酸反應(yīng)活性的研究結(jié)果。巖相法檢測(cè)顯示卵石樣品主要由石英、鈉長(zhǎng)石及白云石和少量云母類(lèi)礦物組成，砂樣品主要由石英、鈉長(zhǎng)石等礦物組成，重要的堿活性物質(zhì)玉髓主要出現(xiàn)在白云巖裂隙和硅質(zhì)灰?guī)r的基質(zhì)中；“砂漿棒快速法”檢測(cè)結(jié)果顯示砂、小石、中石樣品14天的膨脹率均不超過(guò)0.1％，為非堿－硅酸反應(yīng)活性骨料，但卵石樣品仍具有一定的堿活性，且后期膨脹率一直持續(xù)增長(zhǎng)。綜合“巖相法”和“砂漿棒快速法”的試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為漕河嶺東料場(chǎng)的砂礫石骨料在工程中使用時(shí)必須采取有效的抑制措施。堿－硅酸反應(yīng)抑制試驗(yàn)結(jié)果表明在混凝土中摻加20％～25％的粉煤灰抑制堿－硅酸反應(yīng)是有效的。嶺東料場(chǎng)的白云巖為不具有潛在堿－碳酸鹽反應(yīng)活性骨料。本文的研究結(jié)果為漕河工程的料場(chǎng)選定及混凝土的配制提供了技術(shù)支持，為保證工程質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：南水北調(diào) 天然骨料 堿－硅酸反應(yīng) 堿－碳酸鹽反應(yīng)
中圖分類(lèi)號(hào)：TU528.041
Research on AAR of Natural Aggregate Produced by Lingdong Stockyard and used in South-to-North Water Diversion Project
Abstract: This article presents in detail on ASR research results of natural sand and gravel samples produced by Lingdong stockyard supplying aggregates for construction of Caohe Project, a key project in the middle route of South-to-North Water Transfer project. According to petrographic facies test, gravel sample mainly consists of quartz, albite, dolomite, and minor biotite; and sand sample is mainly made up of quartz and albite. As an important ASR active mineral, chalcedonite exists in fractures of dolomite and in matrix of cherty limestone. In rapid mortar bar test, expansion of sand, small gravel and middle gravel at 14 day are less than 0.1%, but keep increasing in long term. Synthesized previous results, the natural sand and gravel samples should be treated as ASR active aggregate, and effectively inhibitive measures MUST be applied. Addition of 20%~25% fly ash in cement would effectively inhibit ASR of the aggregates. Dolomite in the aggregates is not active in ACR test.
Key Words: South-to-North Water Transfer Project, natural aggregates, alkali-silica reaction (ASR), alkali-carbonate reaction (ACR)
前言
堿骨料反應(yīng)是影響混凝土耐久性的一個(gè)重要方面。施工中若不可避免采用含有活性的骨料，堿骨料反應(yīng)一旦發(fā)生，特別是對(duì)于薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，將無(wú)法補(bǔ)救，給工程帶來(lái)的危害相當(dāng)嚴(yán)重。 因此，必須進(jìn)行骨料的堿活性檢驗(yàn)和堿活性骨料的抑制試驗(yàn)，使南水北調(diào)工程混凝土結(jié)構(gòu)不發(fā)生堿骨料反應(yīng)，對(duì)延長(zhǎng)工程使用壽命具有重要意義。
漕河段工程是南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程的組成部分，位于河北省保定市滿城縣城西北，起點(diǎn)為吳莊隧洞進(jìn)口，終點(diǎn)為崗頭隧洞出口，線路全長(zhǎng)9319.7米。該段主要建筑物包括吳莊隧洞、漕河渡槽、崗頭隧洞等７座大小建筑物?？缭戒詈拥木扌投刹蹫?300米長(zhǎng)、底寬20米、加大輸水流量為150秒立方米，最大跨度30米，技術(shù)含量高、施工難度大，不僅是整個(gè)南水北調(diào)中線干線的最大渡槽，也是我國(guó)當(dāng)前的最大輸水渡槽。
鑒于華北地區(qū)骨料的堿活性問(wèn)題比較普遍，中線局十分重視漕河段工程的料場(chǎng)選址工作，中國(guó)水科院結(jié)構(gòu)材料所配合中線局對(duì)多個(gè)料場(chǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)勘察、取樣及試驗(yàn)室檢驗(yàn)，對(duì)嶺東料場(chǎng)天然砂礫石骨料進(jìn)行了堿－硅酸反應(yīng)活性檢驗(yàn)試驗(yàn)和堿－硅酸反應(yīng)活性抑制試驗(yàn)，為漕河工程的料場(chǎng)選定及混凝土的配制提供了技術(shù)支持，為保證工程質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。
1、試驗(yàn)原材料
1) 水泥： 試驗(yàn)采用鹿泉東方鼎鑫水泥有限公司生產(chǎn)的42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水泥中的堿含量為0.69％。
2) 粉煤灰：試驗(yàn)采用西柏坡電廠生產(chǎn)的粉煤灰，粉煤灰的堿含量為0.86％。
3) 骨料：試驗(yàn)采用漕河嶺東料場(chǎng)的天然砂、礫石骨料。碎卵石分（5～20）mm、（20～40）mm二級(jí)配。本次取樣共挖探坑6個(gè)，每個(gè)探坑深4m，總進(jìn)尺24m。每個(gè)探坑采用全坑取樣法，然后進(jìn)行篩分，并用4分法取樣，每個(gè)探坑取砂料300kg，（5～20）mm礫石250kg，（20～40）mm礫石250kg進(jìn)行混合。共取砂料1.8t，（5～20）mm礫石1.5t，（20～40）mm礫石1.5t。在漕河嶺東周莊附近河床的不同部位選取了15塊粒徑約15cm～20cm的白云巖，最終確定了5塊白云巖鉆芯取樣后進(jìn)行堿－碳酸鹽反應(yīng)活性檢驗(yàn)。
2、試驗(yàn)內(nèi)容及方法
對(duì)試驗(yàn)采用的砂（0～5mm）、小石（5～20mm）、中石（20～40mm）三種級(jí)配的骨料分別進(jìn)行堿－硅酸反應(yīng)活性檢驗(yàn)和堿－硅酸反應(yīng)活性抑制試驗(yàn)，抑制試驗(yàn)采用20％和25%兩種粉煤灰摻量。堿－硅酸反應(yīng)活性檢驗(yàn)方法采用《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》1DL/T 5151-2001 中的“巖相法”和“砂漿棒快速法”進(jìn)行。堿－硅酸反應(yīng)活性抑制試驗(yàn)方法采用《青藏鐵路梁體混凝土摻合料抑制堿－骨料反應(yīng)有效性試驗(yàn)操作規(guī)程》進(jìn)行。該方法采用工程用骨料，硅酸鹽水泥與粉煤灰之和與骨料的質(zhì)量比為1:2.25。粉煤灰、外加劑均按工程實(shí)際摻量摻入，粉煤灰等量替代水泥，用水量以砂漿流動(dòng)度在105mm～120mm之間由試驗(yàn)確定，以28天齡期試件長(zhǎng)度膨脹率小于0.10％作為摻合料抑制混凝土堿－硅酸反應(yīng)評(píng)定為有效的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。其它內(nèi)容基本與DL/T 5151-2001 中的“砂漿棒快速法”相同。
根據(jù)“巖相法”檢驗(yàn)結(jié)果，對(duì)漕河料場(chǎng)礫石又進(jìn)行了堿－碳酸鹽反應(yīng)活性檢驗(yàn)。堿－碳酸鹽反應(yīng)活性檢驗(yàn)采用《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》DL/T5151-2001中的 “碳酸鹽骨料的堿活性檢驗(yàn)”方法。
3、骨料的巖相法檢驗(yàn)
對(duì)骨料的巖性和礦物組成進(jìn)行巖相檢驗(yàn)。檢驗(yàn)手段除巖相法外也適當(dāng)?shù)剡\(yùn)用了X射線衍射分析、掃描電鏡能譜分析及顯微鏡下分析等方法，以輔助巖相分析。
3.1巖相法分析
樣品分3種，中石(20～40mm，編號(hào)A)，小石(5～20mm，編號(hào)B)，砂料(0～5mm，編號(hào)C)。對(duì)卵石而言，先自大樣中縮分一部分樣品據(jù)肉眼觀察按火成巖、沉積巖和變質(zhì)巖進(jìn)行巖性分類(lèi)，而后對(duì)各類(lèi)卵石稱重求百分比，最后隨機(jī)自各類(lèi)卵石中挑選6塊磨制薄片供巖相鑒定。對(duì)風(fēng)干后砂料篩分各級(jí)別則采用雙目實(shí)體顯微鏡法和油浸法鑒定其中的堿活性組分，每級(jí)觀察顆粒數(shù)不少于300顆。
3.2 X射線衍射分析
縮分出來(lái)的2種卵石混合樣經(jīng)挑選若干塊磨制拋光片后的余樣(占總量的絕大部分)經(jīng)破碎－再縮分－磨細(xì)，以此作為X射線衍射分析和能譜分析用樣，從中所獲結(jié)果對(duì)在總體上把握物料的性質(zhì)是很有益處的。對(duì)A、C兩混合樣品的衍射分析結(jié)果的對(duì)比表明，A樣主要由石英(Q)、鈉長(zhǎng)石(Ab)及白云石(D)和少量云母類(lèi)礦物(Bit)組成，實(shí)際上B樣也如此，而C樣中白云石量則大為減少，主要由石英、鈉長(zhǎng)石組成，另見(jiàn)少量角閃石類(lèi)礦物(Mag)。
3.3 X射線能譜分析
對(duì)各混合樣進(jìn)行了重要元素的化學(xué)分析，結(jié)果見(jiàn)表1。各樣品的能譜分析結(jié)果見(jiàn)圖1～圖3。
從圖中可以看到，A、B兩樣在各重要化學(xué)組成的相對(duì)含量上相似，其特點(diǎn)是火成巖與白云巖占明顯數(shù)量，而砂料C中碳酸鹽明顯減少，SiO2量明顯增加。
由于偏光顯微鏡下難以區(qū)分白云石和方解石，故除衍射分析外主要采用能譜分析來(lái)證明卵石中的灰?guī)r主要屬于白云巖而不是石灰?guī)r。見(jiàn)圖4～圖7。
3.4 各重要巖性的顯微鏡下結(jié)構(gòu)特征
各重要巖性的顯微鏡下結(jié)構(gòu)特征見(jiàn)圖8～16。
據(jù)薄片的顯微鏡鑒定結(jié)果可以得到如下若干看法：
1) 沉積巖主要屬白云巖，另見(jiàn)少量硅質(zhì)灰?guī)r、凝灰?guī)r，沉積巖,在卵石中相對(duì)占量約45％，因此白云石屬重要礦物組成，而其中尚見(jiàn)一定數(shù)量的玉髓。
2) 火成巖以花崗巖為主，見(jiàn)少量花崗片麻巖，火成巖在卵石中相對(duì)占量約50％，巖石受到了中等程度的風(fēng)化，其中的長(zhǎng)石多數(shù)為絹云母交代。
3) 重要的堿活性物質(zhì)玉髓主要出現(xiàn)在白云巖裂隙和硅質(zhì)灰?guī)r的基質(zhì)中，雖玉髓在其中的占量屬少數(shù)，但由于沉積巖在卵石中相對(duì)占量約45％，所以玉髓的不良影響也不能忽視。
3.5白云巖巖性檢驗(yàn)
編號(hào)為漕河1、2、3、4、5號(hào)的5個(gè)樣品，皆呈灰白色。經(jīng)巖石顯微鏡鑒定、能譜分析及X射線衍射分析可判定漕河1、2、3、4、5號(hào)礫石均為白云巖，但其中4號(hào)骨料富含硅質(zhì)（見(jiàn)圖17）。
為確定漕河4樣品中硅質(zhì)的形態(tài)，磨制薄片在鏡下進(jìn)行了觀察，可確定它們主要以微細(xì)粒石英集合體－即玉髓的形式存在，它可能是膠體SiO2在Ca、Mg碳酸鹽化學(xué)沉積形成白云巖過(guò)程中一起沉淀并重結(jié)晶的，按骨料評(píng)價(jià)規(guī)范，它應(yīng)屬活性二氧化硅，其典型鏡下特征見(jiàn)圖18。 
因此，漕河嶺東料場(chǎng)所取的5塊標(biāo)本均為白云巖，而漕河4號(hào)樣品中硅質(zhì)較多，但其量應(yīng)該<10％；硅質(zhì)的存在形式為微晶石英即玉髓，屬活性硅，巖石定名為硅質(zhì)白云巖較確切。
4、骨料的堿－硅酸反應(yīng)活性檢驗(yàn)及抑制試驗(yàn)
由堿－硅酸反應(yīng)活性檢驗(yàn)試驗(yàn)可見(jiàn)，砂、小石、中石樣品（序號(hào)1、2、3）14天的砂漿膨脹率分別為0.030％、0.078％和0.094％，石料的膨脹率最大達(dá)0.094％，接近0.1％。為慎重起見(jiàn)，延長(zhǎng)了試驗(yàn)齡期，發(fā)現(xiàn)后期膨脹率迅速增長(zhǎng)，到28天齡期，小石、中石的膨脹率超過(guò)了0.2％。雖然依據(jù)《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》DL/T 5151-2001 “砂漿棒快速法”中的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)：“砂漿試件14天的膨脹率小于0.1%，則骨料為非活性骨料?！?，漕河嶺東料場(chǎng)的砂、小石、中石應(yīng)判定為非活性骨料。綜合巖相法檢測(cè)表明在白云巖裂隙和硅質(zhì)灰?guī)r的基質(zhì)中存在一定量的堿活性礦物－玉髓，以及堿－硅酸反應(yīng)活性檢驗(yàn)結(jié)果反映出一定的膨脹性，認(rèn)為對(duì)漕河嶺東料場(chǎng)的砂礫石骨料在工程中使用時(shí)必須采取有效的抑制措施——控制原材料及混凝土中的堿含量、摻加適量的礦物摻合料、不得在含堿環(huán)境中使用等。
堿－硅酸反應(yīng)活性抑制試驗(yàn)結(jié)果（序號(hào)4、5、6、7、8、9）表明，摻入20％和25％的粉煤灰均對(duì)堿－硅酸反應(yīng)具有良好的抑制效果，抑制試驗(yàn)觀測(cè)至108天，其膨脹率基本為負(fù)值，沒(méi)有發(fā)生膨脹的趨勢(shì)。因此，在混凝土中摻入20％～25％的粉煤灰對(duì)抑制堿－硅酸反應(yīng)是有效的。
5、堿－碳酸鹽反應(yīng)活性檢驗(yàn)試驗(yàn)
堿－碳酸鹽反應(yīng)活性檢驗(yàn)試驗(yàn)采用DL/T5151-2001中的 “碳酸鹽骨料的堿活性檢驗(yàn)”方法，規(guī)程中評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為：浸泡84天時(shí)間膨脹率在0.10%以上時(shí)，該巖樣應(yīng)評(píng)為具有潛在堿活性危害。 堿－碳酸鹽發(fā)應(yīng)活性檢驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖21。其中1～5號(hào)巖樣為5塊白云巖鉆芯取樣的試驗(yàn)結(jié)果。
由圖21試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，浸泡84天時(shí)所檢驗(yàn)的5組巖樣膨脹率都為負(fù)值，曲線基本平穩(wěn)。因此，漕河嶺東料場(chǎng)的礫石骨料可評(píng)定為不具有潛在堿－碳酸鹽反應(yīng)活性骨料。
6、結(jié)論
漕河嶺東料場(chǎng)礫石主要為花崗巖（約50％）和白云巖（約45％），對(duì)嶺東料場(chǎng)礫石進(jìn)行的堿－硅酸鹽反應(yīng)活性檢測(cè)和抑制試驗(yàn)，以及堿－碳酸鹽反應(yīng)活性檢驗(yàn)表明：
1) 按照現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范，漕河嶺東料場(chǎng)的砂礫石骨料為非堿－硅酸反應(yīng)活性骨料。但綜合巖相法和砂漿棒快速法的試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為漕河嶺東料場(chǎng)的砂礫石骨料在工程中使用時(shí)必須采取有效的抑制措施——控制原材料和混凝土中的堿含量、摻加適量的礦物摻合料、不得在含堿環(huán)境中使用等。
2) 混凝土中摻入20％～25％的粉煤灰抑制堿－硅酸反應(yīng)是有效的。
3) 漕河嶺東料場(chǎng)的礫石骨料為不具有潛在堿－碳酸鹽反應(yīng)活性骨料。
天然料場(chǎng)砂礫石骨料礦物成分十分復(fù)雜，必須要全面進(jìn)行現(xiàn)行的各項(xiàng)檢測(cè)方法，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果綜合分析判斷，才能使得工程發(fā)生堿骨料反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)降到最低。
