南水北調(diào)中線工程陶岔—沙河段混凝土堿骨料反應(yīng)試驗研究

　　摘要：南水北調(diào)中線工程陶岔—沙河段路線長，涉及料場多，骨料品種雜。堿—骨料反應(yīng)具有反應(yīng)緩慢、持續(xù)時間長的特點。堿—骨料反應(yīng)十分復雜，需用不同的試驗方法進行綜合評定。通過巖相法、砂漿棒快速法、碳酸鹽圓柱體法等不同試驗方法對堿活性進行了研究，試驗結(jié)果表明：料場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，除補充海河平原城市供水50～60億m3外，可補充生態(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)對目前初步選定混凝土料場情況進行的了解，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，對南水北調(diào)中線干線工程陶岔—沙河段混凝土骨料料場的骨料采用巖相法、砂漿棒快速法、碳酸鹽圓柱體法等方法進行堿活性試驗，以判定該骨料用于混凝土是否會出現(xiàn)危害性的堿—骨料反應(yīng)。 
　　 
　　1 堿—骨料反應(yīng)及試驗方法 
　　 
　　具有堿活性的骨料與水泥中的堿發(fā)生化學反應(yīng)，引起混凝土膨脹、開裂，甚至破壞，這種化學反應(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，對大壩進行修補加固[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、非常細小的微晶石英、具有較強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]。 

　　對骨料堿活性的評定，至今國際上尚無一個一致認可的普遍方法。巖相法對選擇合適的檢測方法有重要指導作用，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，此方法需要有相當熟練的技術(shù)；化學法是和砂漿長度法配合使用的，是國際上公認的傳統(tǒng)方法，但它的缺點是不能鑒定由于微晶石英或變形石英所導致的慢膨脹骨料，另一個缺點是存在非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誤；砂漿長度法是與ASTM C227類同的比較經(jīng)典的方法，但它的缺點是僅適用于一些高活性的快膨脹的巖石和礦物，對慢膨脹骨料則不適用；砂漿棒快速法是于1994年同時被美國和加拿大定為標準的方法(ASTM1260和 CSA A23·2—14A)，研究結(jié)果與工程記錄的對比表明，該方法對硅質(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，被認為是比較精確可靠的，但它的問題是過于嚴格，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)的復雜性，在試驗時采用了多種方法進行綜合評定。

　　2 人工骨料堿活性試驗研究
　　
　　對靈山、湯山、牡丹垛、荊山寨山4個料場的人工骨料，采用巖相法、化學全分析、巖石圓柱體法、砂漿棒快速法等方法，對骨料進行堿活性試驗，以了解骨料的堿活性特性。

　　2.1 巖相法

　　對靈山、湯山、牡丹垛、荊山寨山4個料場的巖石樣品在顯微鏡下進行巖相鑒定，試驗結(jié)果見表1?；瘜W全分析結(jié)果見表2。從料場巖石主巖相鑒定和化學全分析的結(jié)果看，靈山料場的巖石主要是白云質(zhì)白云巖角礫巖和白云巖，湯山料場的巖石主要是白云巖和含白云質(zhì)石灰?guī)r，牡丹垛料場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個料場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。牡丹垛料場的花崗巖質(zhì)粗糜棱巖和荊山寨山料場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進行論證。

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　　2.2 碳酸鹽圓柱體法

　　試驗按《水工混凝土砂石骨料試驗規(guī)程》DL/T5151-2001的方法進行。這種方法測定骨料堿—碳酸鹽反應(yīng)，即將碳酸鹽巖石按規(guī)定制成3個直徑9 mm高35 mm的圓柱體。浸泡在1N的NaOH溶液中，試件儲存及觀測均在20℃的恒溫室中進行，取其膨脹值最大的一個，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，巖石的試驗結(jié)果見表3。從巖石圓柱體試驗結(jié)果看，靈山、湯山、牡丹垛、荊山寨山4個料場的碳酸鹽巖石均為非活性。

　　2.3 砂漿棒快速法

　　本試驗按《水工混凝土砂石骨料試驗規(guī)程》DL/T5151-2001方法進行。試驗的評定標準為：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，需進行其他必要的輔助試驗，也可將試件延至28 d觀測來作最后定論。砂漿棒快速法評判標準通常認為是比較嚴格的，骨料的砂漿棒快速法試驗結(jié)果見表4。14 d試驗結(jié)果表明：荊山寨山料場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小結(jié)

　　靈山料場的巖石主要是白云質(zhì)白云巖角礫巖和白云巖，湯山料場的巖石主要是白云巖和含白云質(zhì)石灰?guī)r，牡丹垛料場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個料場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，綜合巖相法判斷，荊山寨山料場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
　　
　　對澧河、賈河、湍河、白河4個天然砂礫石料場的天然骨料，采用巖相法、砂漿棒快速法等方法，對天然骨料的堿活性進行試驗，以了解澧河、賈河、湍河、白河4個天然砂礫石料場骨料的堿活性特性。

　　3.1 巖相法

　　本次試驗主要對澧河、賈河、湍河、白河4個天然砂礫石料場進行了堿活性試驗，巖相法的試驗結(jié)果見表5—表6。從澧河、賈河、湍河、白河4個天然砂礫石料場從巖相鑒定的結(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個天然料場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、巖屑長石石英砂巖中部分石英為膠結(jié)物，顆粒細小，可能具有潛在的堿活性，但還需用其它方法進行鑒定。

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　　3.2 砂漿棒快速法

　　試驗按《水工混凝土砂石骨料試驗規(guī)程》DL/T5151-2001方法進行。砂漿棒快速法試驗的試驗結(jié)果見表7。砂漿棒快速法試驗的評定標準為：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，需進行其他必要的輔助試驗，也可將試件延至28 d觀測來作最后定論。砂漿棒快速法評判標準通常認為比較嚴格，試驗結(jié)果表明：4個砂礫石料場的砂料、碎裂花崗巖、石英巖均為非活性骨料；4個料場的粗骨料、4%燧石、石英砂巖、巖屑長石石英砂巖為可疑骨料；試驗延至28 d后，4個砂礫石料場的粗骨料、燧石、石英砂巖、巖屑長石石英砂巖具有潛在危害性反應(yīng)的堿活性。

　　3.3 天然骨料堿實驗小結(jié)

　　澧河天然砂礫石料場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的巖石主要是石英巖、巖屑長石石英砂巖、碎裂花崗巖、燧石、碎裂狀泥質(zhì)頁巖；白河天然砂礫石料場的巖石主要是石英巖、巖屑長石石英砂巖、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、巖屑長石石英砂巖中部分石英為膠結(jié)物，顆粒細小，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砂漿棒快速法檢驗結(jié)果表明：砂礫石料場的砂料、碎裂花崗巖、石英巖均為非活性骨料；料場的粗骨料、燧石、巖屑長石石英砂巖為可疑骨料；28 d后綜合巖相法的試驗結(jié)果判斷，料場的粗骨料、燧石、巖屑長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個料場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，綜合巖相法判斷，荊山寨山料場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個天然砂礫石料場中的燧石、石英砂巖、巖屑長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)的復雜性，目前國際上還沒有一個一致認可的檢驗方法，料場活性骨料成因復雜，種類繁多，在被選作混凝土骨料時，對其堿活性應(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)。
　　
　　參考文獻：

　　[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] 馬賽爾·阿羅德(法國).法國硅堿骨料中堿骨料反應(yīng)的最新研究[J].中國三峽工程建設(shè)，1998，(5).

　　[3] 楊華全，王迎春，曹鵬舉，等.三峽工程混凝土的堿—骨料反應(yīng)試驗研究[J].水利學報，2003，(1).