摘要： 采用ASTM C1260-94和巖相綜合法對廣東地區(qū)常用骨料堿活性進行了調(diào)查和研究。本文剖析了礦物組分中的活性物質(zhì)—波狀消光的應(yīng)變石英、綠泥石以及玉髓，并通過大量實驗分析，提出了巖相分析結(jié)果與快速砂漿棒結(jié)果之間的對應(yīng)關(guān)系，為預(yù)防堿骨料反應(yīng)的發(fā)生提供了一定的依據(jù)。
關(guān)鍵詞： 堿活性；堿骨料反應(yīng)；玉燧；綠泥石；應(yīng)變石英
0 前言
堿骨料反應(yīng)是混凝土原材料中的水泥、外加劑、混合材和水中的堿(Na2O或K2O)與骨料中的活性成分反應(yīng)，在混凝土澆筑成型后若干午(數(shù)年至二、三十年)逐漸反應(yīng)，反應(yīng)生成物吸水膨脹使混凝土產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力， 膨脹開裂、導(dǎo)致混凝土失去設(shè)計性能。由于活性骨料經(jīng)攪拌后大體上呈均勻分布。所以一旦 發(fā)生堿骨料反應(yīng)、混凝土內(nèi)各部分均產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，將混凝土自身脹裂、發(fā)展嚴重的只能拆除，無法補救，因而被稱為混凝土的癌癥。
廣東省混凝土年使用量約4 億噸，相應(yīng)的干河砂年使用量約為3.2 億噸，石子使用量約為4億噸。廣東水利資源豐富, 天然砂出口量占全國的64%，主要產(chǎn)區(qū)為東江和西江沿岸地區(qū), 銷往臺灣、香和澳門，石子則基本全部自己自足。因此，廣東砂石對華南地區(qū)建筑行業(yè)的影響舉足輕重。經(jīng)過大量的實驗驗證，廣東地區(qū)砂石的主要成分是石英和長石。華南理工大學(xué)文梓蕓教授1996 年以前曾經(jīng)調(diào)查過廣東省混凝土常用骨料的堿骨料反應(yīng)活性，沒有發(fā)現(xiàn)存在堿活性的問題。但是從1999 年起情況已經(jīng)發(fā)生了變化：首先是香港建筑工程檢測部門發(fā)現(xiàn)廣東河砂存在堿活性問題, 繼而華南理工大學(xué)也檢測出多批堿活性砂石，澳門砂商送檢的河砂也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象。結(jié)果表明作為廣東主要砂源的西江河砂其潛在和明顯堿硅酸活性的存在幾率相當高，東江河砂亦發(fā)現(xiàn)了有潛在活性的樣品，常用的肇慶石也部分出現(xiàn)堿活性。
在堿-硅酸反應(yīng)中，活性骨料的粒度存在“最劣點( pessimum) ”[1] 效應(yīng)，即活性骨料的粒度分布在“ 最劣點”范圍的時候， 堿－硅酸反應(yīng)引起的膨脹量最大， 造成的危害也最為嚴重。但是很多研究者得到的“最劣點”范圍不盡相同，這與所采用的試驗材料有很大關(guān)系[2]。Taylor 認為，對于大部分活性骨料而言，活性骨料的“最劣點”粒度范圍在0.1~1.0mm 之間；也有研究者認為，骨料的粒度在0.15 ~ 10mm 之間，而且顆粒越小，ASR膨脹越嚴重。因此，砂石中起破壞作用的活性組分及其含量的定性研究就更具實際意義，可以更好的了解混凝土骨料的品質(zhì)，同時我們采用巖相分析與快速砂漿棒法聯(lián)合檢測了該幾種常用骨料的堿活性，為延緩和預(yù)防堿骨料反應(yīng)對結(jié)構(gòu)物破壞進行了一定的實驗積累。
1 實驗
1.1 試驗材料
實驗河砂共計18個樣品，分別是：西江河砂6 個，分別來源于肇慶、金利（各3 個）；東江河砂 8個，分別來源于惠州、石龍 (各 4 個) ；北江河砂 4 個, 來源于清遠。最后取平均值進行分析。
試驗采用珠江水泥廠生產(chǎn)的P.Ⅱ 42.5R硅酸鹽水泥，化學(xué)組成見表1。
表1 水泥的化學(xué)組成
1.2 試驗方法
本文采用巖相法和快速砂漿棒法ASTM C1260聯(lián)合對砂石骨料的堿活性進行檢測。
2. 實驗結(jié)果與分析
2.1巖相法鑒定
巖相檢測結(jié)果表明, 在送檢的砂石骨料中均不同程度上發(fā)現(xiàn)了堿活性組份，主要是波狀消光的應(yīng)變石英和結(jié)晶不完全的玉髓以及部分石英和長石的粘土化、絹云母化物質(zhì)。
圖1是惠州地區(qū)石場石，在正交偏光下可以比較明顯的觀察到長石的絹云母化；
圖2是采自西江肇慶地區(qū)的砂，在正交偏光下可以觀察到具有堿活性的花斑狀玉髄；
圖3是采自清遠地區(qū)北江的砂，可以清晰的觀察到解理狀長石，半自行晶鑲嵌結(jié)構(gòu)花崗結(jié)構(gòu)也非常明顯，黑色的大部分為角閃石、黑云母，此外，還可以觀察到斜長石和鉀長石出現(xiàn)局部范圍的絹云母和粘土化，其五顏六色的色彩比較容易辨認；
圖4是采自，圖中為受到較大應(yīng)力作用的石英，中間生長有部分的綠泥石；
由巖相法檢測結(jié)果可知，砂石骨料主要是由石英和長石組成,還含有少量黑云母等暗色礦物以及微量的金屬礦物、蝕變礦物等。 堿活性組份主要是波狀消光的應(yīng)變石英和含量較少的玉髓、綠泥石。 其中來自西江肇慶地區(qū)的河砂中堿活性成分較多，波狀消光的應(yīng)變石英和玉髓占礦物組成的25%~30%。
北江清遠河砂中波狀消光的應(yīng)變石英和玉髓總計為8%~12%；而東江惠州大石骨料中堿活性成分最少，波狀消光的應(yīng)變石英和玉髓占礦物組成的5％以下。
2.2快速砂漿棒法實驗結(jié)果
本試驗按美國ASTM C1260-94方法進行。試驗的評定標準：14d齡期的砂漿膨脹率小于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堿活性，膨脹率在0.1%和0.2%之間需進行其他必要的輔助試驗，也可將度件延至28d觀測來作最后定論。對所采砂石骨料分別進行膨脹率測試，結(jié)果如表2所示。
表2 砂石膨脹率
由表2可知，西江的2個樣品中，14d膨脹率均大于0.2%，硅酸活性的存在幾率相當高; 北江地區(qū)砂石有3個樣品的14d在0.1%～0.2%之間有潛在活性，今有一個勉強算作沒有活性；東江有2個試樣14d的膨脹率處于0.1%左右，可以判定為非活性或者活性較小骨料。試驗結(jié)果證明，采用快速砂漿棒法的結(jié)果與巖相結(jié)果有著很好的相符性。
3. 機理分析
3.1 骨料中破壞性的活性組分分析
在大部分關(guān)于堿骨料反應(yīng)的文獻中，都有對骨料中活性組分進行推測與說明，但是鮮有對綠泥石及玉髄活性的說明與圖片分析，在次針對于此，對此幾種活性組分進行詳細的分析。
3.1.1 波狀消光的應(yīng)變石英
廣東地區(qū)砂石大部分都是本地所提供的花崗巖以及部分砂巖。花崗巖廣泛分布于不同時代的褶皺帶和前寒紀地盾區(qū)，多次承受強大的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力作用，晶體發(fā)生多種位錯，能量被貯存在點陣中。所以，花崗巖表現(xiàn)出膨脹開裂一般需要長達近20年的時間，由此專家將其稱為為緩慢反應(yīng)型的堿活性骨料[1]?；炷链髩闻c建筑物一旦發(fā)生堿骨料反應(yīng)破壞，修復(fù)是極其困難的，造成的經(jīng)濟損失將是巨大的。關(guān)于花崗巖的堿活性原因，有人推論與其中的應(yīng)變石英有關(guān)，如美國B. S Gogte[2]指出：當骨料中應(yīng)變石英含量超過20%，同時應(yīng)變石英平均波狀消光角大于15°時，這種骨料具有潛在活性。而印度A.K.Mullick[3]建議應(yīng)變石英波狀消光角在25°以上，應(yīng)變石英含量在25%以上可視為具潛在活性。但也有人認為兩者之間沒有直接關(guān)系。石英由于受到應(yīng)力作用，晶體產(chǎn)生缺陷，而出現(xiàn)波狀消光，P. E. Grattan-Bellew[4]選擇三種花崗巖進行研究，發(fā)現(xiàn)石英的波狀消光角與堿活性膨脹率近似一種線性關(guān)系，即石英波狀消光角愈大，堿活性膨脹率也愈大。廣東地區(qū)工程花崗巖含有數(shù)量不等的應(yīng)變石英，普遍出現(xiàn)波狀消光現(xiàn)象。
3.1.2 玉髄
玉髓是一種隱晶質(zhì)集合體，屬于結(jié)晶不完全的SiO2，呈致密塊狀，也可呈球粒狀、放射狀或細微纖維狀集合體。通常是一種非常珍貴的天然色彩的玉器，但是少量存在于混凝土骨料中時，卻因為潛在的活性而被列為有害物質(zhì)。華南理工大學(xué)文梓蕓教授在1995年對廣東地區(qū)河砂所作的研究中，只有極少數(shù)圖片中發(fā)現(xiàn)了玉髓的存在，但是隨著礦山與地表沙層的深度開采，在近幾年的研究中，尤其是西江砂里面發(fā)現(xiàn)了含量較多的玉髓。大量的巖相貫徹與資料數(shù)據(jù)表明，玉髓不可能是在后來作為碎屑物被搬運、沉積過程中由河水或地下水中的硅質(zhì)交代形成的，而很可能是在巖石成巖階段即原生條件下生成的。巖相觀察到的玉髓經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)一些鐵錳質(zhì)的氧化物包裹體，因此在實際工程的原材料選擇時有必要對砂石原材料進行巖相分析，以確定其中的活性組分含量。
3.1.3 綠泥石
綠泥石，化學(xué)組成可表示為Y3[Z4O10](OH)2·Y3(OH)6、晶體屬單斜、三斜或正交(斜方)晶系的一族層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物的總稱。綠泥石廣泛存在于各種巖石和地質(zhì)環(huán)境中,其化學(xué)成分的變化,可反映其形成時的物理化學(xué)條件.本文研究的綠泥石類型主要為含Mg、Fe或Al和Fe得礦物種，地質(zhì)學(xué)中通常稱為鐵斜綠泥石(輝綠泥石)和鐵鎂綠泥石,這類組分含量隨巖石埋藏深度的增加而增加.巖相觀察可以發(fā)現(xiàn)另外一個問題，就是暗色礦物蝕變?yōu)榫G泥石化礦物，所以隨著蝕變得不斷發(fā)生，綠泥石化會引入更多的此類組分。反映在巖相圖上，就會觀察到巖石顯出不同程度的綠色色調(diào)。因此，我們應(yīng)該調(diào)配好砂石等不可再生資源，盡可能延緩深度開采的時間。
3.2細骨料在混凝土堿-骨料反應(yīng)中的作用
堿骨料反應(yīng)有兩種類型：堿-硅酸反應(yīng)、堿-碳酸鹽反應(yīng)。其反應(yīng)進行需要具備三個條件：活性骨料、水分供應(yīng)、足量堿。通過對反應(yīng)條件的控制，可以抑制或延緩堿骨料反應(yīng)的進行。人們對堿骨料反應(yīng)的研究常常集中在對粗骨料堿活性的研究上，這是由于粗骨料粒徑較大，一旦發(fā)生堿骨料反應(yīng)，應(yīng)力集中嚴重，很快會造成破壞。而細骨均勻填充于粗骨料間隙，應(yīng)力集中現(xiàn)象不易表現(xiàn)出來，這也是一些學(xué)者對細骨料的破壞能力持懷疑態(tài)度的原因，但是事實并不這么簡單。
1. 目前普遍認為，對于硅質(zhì)活性骨料，當骨料粒徑為0.15~0.80mm時，砂漿棒的膨脹值最大，而若骨粒徑增大，則砂漿棒的膨脹值會顯著減小。 因此，廣泛應(yīng)用的快速砂漿棒法規(guī)定的集料顆粒粒徑范圍為0.15～4.75mm。大量的工程實踐表明快速砂漿棒法ASTMC1260為可靈敏地檢出骨料的堿活性，對具有堿活性的骨料而言其膨脹率都在0.2%以上，膨脹量非?？捎^。因此，它是目前最可靠的方法。這些都說明細集料在堿骨料反應(yīng)破壞中起著不可忽視的作用。
2. 堿骨料反應(yīng)是一種混凝土內(nèi)部的破壞。
大量的混凝土破壞機理研究表明，一旦混凝土發(fā)生破壞，往往都是致命的，而非僅僅局限于某一部分。劉崇熙、文梓蕓編著的《混凝土骨料性能和制造工藝》一書中詳細描述了堿骨料反應(yīng)機理：骨料中的某些化學(xué)成分與水泥中的氫氧化鈣、氫氧化鈉、氫氧化鉀等成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在骨料表面生成一種膠狀物質(zhì)，膠質(zhì)遇水膨脹，產(chǎn)生張力作用于周圍的混凝土結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破損。
3. 從粗骨料和細骨料發(fā)生堿骨料膨脹后的關(guān)系來看，如果細骨料是活性的, 而粗骨料是非活性的，此時粗骨料的自由膨脹率小于砂漿的自由膨脹率。因此，砂漿的膨脹受到粗骨料的約束。如果粗、細骨料都是活性的,一般而言, 在早齡期, 砂漿的自由膨脹大于粗骨料的自由膨脹, 粗骨料可能約束砂漿的膨脹。但在晚齡期, 粗骨料的自由膨脹可以超過砂漿的自由膨脹。此時, 粗骨料不再約束砂漿的膨脹, 反而促進砂漿的膨脹。因此,粗骨料對堿- 骨料反應(yīng)膨脹的作用僅僅是延緩, 砂漿中的細骨料的膨脹絕對不容忽視[7]。
4. 結(jié)論
廣東地區(qū)花崗巖的礦物組成，主要是長石、石英、白云母和少量角閃石，巖石呈花崗狀鑲嵌結(jié)構(gòu)。用巖相法和快速砂漿棒法聯(lián)合對廣東各地砂石樣品進行堿活性檢驗，發(fā)現(xiàn)西江砂的潛在和明顯堿硅酸活性存在的幾率相當高，主要是由于河砂中波狀消光的應(yīng)變石英、綠泥石和玉髓引起的。而東江河砂、肇慶石等亦發(fā)現(xiàn)有潛在活性的樣品。由于堿骨料反應(yīng)的復(fù)雜性，目前國際上還沒有一個一致認可的方法，以及廣東地區(qū)砂石對華南建筑行業(yè)的重要性，從混凝土的耐久性和工程安全的角度考慮，應(yīng)嚴格控制工程所用水泥的含堿量。為了保證實際工程的安全，對工程使用的花崗巖骨料，建議采取快速砂漿棒法、巖相法相結(jié)合的方法，從巖相、物理、化學(xué)等多方面進行研究，綜合評定其堿活性。
參考文獻
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作者簡介： 西曉林（1984－），男，華南理工大學(xué)研究生，主要從事新型建筑材料方向的研究。
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