辽阳地区石灰岩的微观结构及其碱活性岩相分析

常思琼

(中国建筑材料工业地质勘查中心辽宁总队，辽宁 沈阳 110000)

碱骨料反应是指混凝土中的碱与具有碱活性的骨料发生反应，反应产物吸水膨胀或反应导致骨料膨胀，造成混凝土开裂破坏的现象[1]。碱骨料反应是影响混凝土耐久性的重要因素之一，其基本反应模式可分为碱硅酸反应和碱碳酸盐反应[2]。碱硅酸反应是指活性二氧化硅与水泥中的碱发生的膨胀反应[3]，活性二氧化硅一般包括蛋白石、玉髓、石英玻璃体、隐晶质和微晶质二氧化硅以及受应力变形的石英[4]。碱碳酸盐反应是指水泥中的碱与岩石中的白云石晶体间的化学反应，也称去白云石化反应[5]。含硅质组分的碳酸盐岩中的微晶质至隐晶质石英也能与水泥中的碱发生碱硅酸反应[6]。

对于碳酸盐骨料，应注意对碱碳酸盐和碱硅酸活性这两方面的检测[7]。并不是所有含白云石的岩石均会引起混凝土碱碳酸盐反应膨胀破坏，唐明述等[8]提出具有碱碳酸盐反应的活性骨料是指具有特征微观结构的碳酸盐岩石，即尺寸＜50μm的菱形白云石晶体分散分布于基质之中。李爱美[9]用类斑状结构概念来描述菱形白云石晶体分散分布在方解石基质中的这种特定岩石结构特征。以此概念为基础，本文针对辽阳地区石灰岩骨料的分布特点，以古生界寒武系、奥陶系的石灰岩为研究对象，采用岩相法进行碱活性试验，研究了石灰岩的微观结构特征，并对不同样品碱活性的结果进行了成岩环境分析。

1 样品及试验方法

1.1 试验样品

辽阳市建筑用砂石矿山主要分布于灯塔市、文圣区及辽阳县，矿种类型包括建筑石料用石灰岩、建筑用砂、建筑用花岗岩等，其中建筑石料用石灰岩矿山分布最广、产量最大，约占砂石骨料资源总体规模的95%以上。辽阳中部地区大河南—铧子—小屯一带广泛出露古生界寒武系、奥陶系中厚—厚层石灰岩，是建筑用砂石最主要的产地。采集该地区具有代表性的石灰岩样品6件进行碱活性试验，样品涉及中寒武统张夏组(Є2zh)和中奥陶统下马家沟组(O2x)、上马家沟组(O2s)共3个地层时代。

1.2 试验方法

骨料碱活性检测方法主要可分为：岩相法、化学法、测长法三类[10]。

岩相法是通过肉眼观察和借助光学显微镜观察岩石的岩相特征，它能够解决两方面的问题：一是岩石中矿物有无碱活性组分及其含量；二是如含有碱活性组分，描述其分布状态、颗粒大小，确定其属于哪一类型的碱活性组分，碱硅活性还是碱碳酸盐活性[11]。如鉴定不含有碱活性的岩石或矿物，可判为非活性；如鉴定含有碱活性的矿物成分，则必须用其他试验方法来进一步论证[12]。岩相法不仅可以反映岩石的矿物组成，还可以反映岩石的微观结构特征、成岩环境等，一直作为判定岩石碱活性的首选方法。

化学法用于在规定条件下测定碱溶液和骨料反应溶出的二氧化硅浓度及碱度降低值，借以判断骨料在使用高碱水泥的混凝土中是否产生危害性的反应。该方法不适用于含碳酸盐的骨料，不能鉴定由于微晶石英或变形石英所导致的总多缓慢膨胀骨料[10]。

测长法为砂浆棒法、混凝土棱柱体法和快速法，均为对特定的测试原件，在特定的温度、碱浓度的溶液中，测定其在特定的时间内的膨胀率，是现在应用比较普遍的判定骨料碱活性的方法，具体分为碱—硅活性测长法和碱—碳酸盐活性测长法[11]。

本次试验将采集的石灰岩样品按照中寒武统张夏组(Є2zh)、中奥陶统下马家沟组(O2x)、上马家沟组(O2s)分组，在对样品进行化学成分分析(表1)的基础上，将样品磨制成薄片，采用岩相法鉴定岩石类型、矿物组成及各组分含量、矿物结晶程度和结构特征，判定石灰岩碱活性并分析成岩环境特征。

表1 石灰岩样品化学成分分析结果 (单位：%)

2 试验结果与分析

2.1 碱活性岩相特征

(1)中寒武统张夏组石灰岩(Є2zh)。

1号样品镜下鉴定为鲕粒亮晶灰岩(图1)。矿物成分为方解石(95%～97%)、白云石(2%～4%)、微量粘土质。镜下可见，主要由鲕粒、少量生物碎屑及充填于粒屑之间的亮晶胶结物组成，成分均为方解石，未见典型特征微观结构，样品不具碱活性。

2号样品镜下鉴定为弱白云石化亮晶鲕粒灰岩(图2)。矿物成分为方解石(72%～75%)、白云石(15%～17%)、粘土质(4%～6%)、石英(4%～6%)，微量铁质。主要由鲕粒及充填于鲕粒之间的胶结物组成。

镜下(图2a)可见，岩石遭受白云石化作用，白云石交代鲕粒内的细小方解石晶体，形成的自形细粉晶白云石分布于鲕粒的内部及边缘，鲕粒的结构特征已不明显。鲕粒间的胶结物未发生白云石化，仍为镶嵌结构的粉细晶方解石。鲕粒本身的基质由泥晶方解石组成，交代作用产生的菱形白云石分散分布在泥晶方解石基质中。如以鲕粒作为研究的参照体系，则鲕粒内白云石的分散仍可被描述为具有泥晶基质的类斑状结构。李爱美等[13]经试验研究发现此类岩石显示由碱碳酸盐反应引起膨胀。因此，该样品具潜在碱碳酸盐活性。

镜下(图2b)可见，石英呈他形粒状、充填状分布于方解石粒间，指示其在沉积时含游离SiO2，重结晶程度低，为碱硅活性组分[11]，样品具潜在碱硅活性。

图2 石灰岩2号样品镜下鉴定照片

(2)中奥陶统下马家沟组石灰岩(O2x)。

3号样品镜下鉴定为含粘土质白云质泥晶灰岩(图3)。矿物成分为方解石(72%～74%)、白云石(18%～20%)、粘土质(7%～8%)、微量石英、铁质。镜下可见，粒径0.02～0.08mm的菱形白云石晶体分散分布在泥晶方解石和粘土质基质中，具有典型的类斑状结构特征。该样品具潜在碱碳酸盐活性。

图3 石灰岩3号样品镜下鉴定照片

4号样品镜下鉴定为含粘土质白云质生物屑泥晶灰岩(图4)。矿物成分为方解石(73%～75%)、白云石(15%～17%)、粘土质(8%～10%)、石英(1%)。镜下可见，方解石由两部分组成，一种为泥晶粒状，另一种为生物碎屑。粘土质，显微鳞片状，集合体呈条带状。在局部视域内，可见交代作用产生的细粉晶自形菱面体白云石晶体分散在泥晶方解石基质中，呈类斑状结构，样品具潜在碱碳酸盐活性。偶见微晶石英，他形粒状，粒度0.02～0.04mm，由于含量少，样品不具碱硅活性。

图4 石灰岩4号样品镜下鉴定照片

(3)中奥陶统上马家沟组石灰岩(O2s)。

5号样品镜下鉴定为微晶砂屑灰岩(图5)。矿物成分为方解石(92%～95%)、白云石(3%～5%)、粘土质(1%)，微量铁质。镜下可见，主要由粒度0.1～0.7mm的砂屑、少量生物碎屑及充填于粒屑之间的胶结物组成，成分均为方解石，未见典型特征微观结构，样品不具碱活性。

图5 石灰岩5号样品镜下鉴定照片

6号样品镜下鉴定为白云质泥晶灰岩(图6)。矿物成分为方解石(57%～60%)、白云石(35%～38%)、粘土质(3%～5%)。镜下可见，白云石具有较好的菱面体晶形，粒径一般0.03～0.1mm，分散分布在泥晶方解石和粘土质基质中，具有典型的类斑状结构特征，样品具潜在碱碳酸盐活性。

图6 石灰岩6号样品镜下鉴定照片

2.2 成岩环境分析

本区大地构造单元位于中朝准地台(Ⅰ)、胶辽台隆(Ⅱ)、太子河—浑江台陷(Ⅲ)、辽阳—本溪凹陷(Ⅳ)的西部[14]。区内于晚元古代形成古海盆，自寒武纪张夏期开始，一直到奥陶纪马家沟期结束为止，本区进入了大规模碳酸盐台地平稳发育阶段。由于缺乏陆源物质输入而转变为清水陆表海环境，开始出现广泛的碳酸盐沉积[15]。张夏组鲕粒亮晶灰岩反映沉积环境为台地边缘相的鲕粒滩高能带，但因水体与外海连通性较差，循环有局限性，局部形成白云石化鲕粒亮晶灰岩。下马家沟组含白云质灰岩沉积环境为局限台地相，上马家沟组砂屑灰岩、白云质灰岩沉积环境由台地斜坡相过渡为局限台地相。局限台地内潮间带靠近滨岸，海水循环不畅，盐度显著提高，在炎热干燥的气候条件下形成白云质灰岩。

3 结论与讨论

骨料的碱活性既与骨料原岩中活性组分的类型、数量有关，又与岩石的微观结构特征和成岩环境有关。采用岩相法鉴定结论具潜在碱活性的石灰岩，鉴定结果确定了测试样品的碱活性类型，对其后选择相应的测长法检测具有重要指导作用。当岩相法判定骨料为非活性时，可以作为最终鉴定结果。

对辽阳地区石灰岩进行了碱活性试验，研究了石灰岩的微观结构及成岩环境，试验结论为辽阳中部地区中寒武统张夏组(Є2zh)鲕粒亮晶灰岩、中奥陶统上马家沟组(O2s)微晶砂屑灰岩为非碱活性；张夏组(Є2zh)弱白云石化鲕粒灰岩、下马家沟组(O2x)和上马家沟组(O2s)含粘土质白云质泥晶灰岩、白云质泥晶灰岩，可见碱活性碳酸盐岩的结构特征，具潜在碱碳酸盐活性；张夏组(Є2zh)弱白云石化鲕粒灰岩中同时含有碱硅活性组分，具潜在碱硅活性。