河南省鸡湾水库工程骨料碱活性研究

刘晨霞 计 涛 陈改新 纪国晋 马晓旭

(1.中国水利水电科学研究院水利部水工程材料重点实验室，北京 100038；2.北京科海利工程技术有限公司，北京 100038）

0 引言

碱-骨 料 反 应（Alkali Aggregate Reaction，AAR）［1］导致混凝土开裂、破坏，严重影响混凝土的耐久性。自发现碱-骨料反应以来，世界很多国家和地区都发生了碱-骨料反应引起的工程破坏［2］。我国也发现了不少工程和建筑是由于AAR而导致的破坏［3］，损失重大。

冻融、渗漏溶蚀、碱-骨料反应是混凝土耐久性的三大影响因素，AAR是比较重要的一大影响因素［2］，混凝土骨料的碱活性评价，是混凝土料源选择的依据和判断骨料质量优劣的重要指标之一。近年来有学者研究发现某些碳酸盐骨料中同时含有碱-硅酸和碱-碳酸盐活性组分，存在潜在碱-碳酸盐和碱-硅酸双重反应［3］。碱-骨料反应非常复杂，单一的检验方法容易导致对骨料的碱活性的误判，骨料的碱活性需要多种方法相互验证，从而进行综合判定［4-6］。

鸡湾水库位于河南省卢氏县徐家湾乡，控制流域面积约3 596 km2，大坝为碾压混凝土重力坝，坝顶长度219 m，坝高73.6 m，规划水库总库容7 830万m3，水库防洪标准采用100年一遇设计，骨料质量的优劣直接关系到混凝土的耐久性和工程的安全运行。鉴于此，本研究对河南鸡湾水库拟选用的骨料样品开展碱活性检验，为工程建设提供技术支撑。在河南鸡湾水库工程骨料碱活性试验中，采用岩相法、砂浆棒快速法和碳酸盐小岩石柱法三种方法综合判定骨料的碱活性，以期为准确地判定骨料的碱活性提供依据。

1 材料与方法

1.1 原材料

本研究所用骨料为鸡湾水库5组河砂和6组块石骨料样品，砂浆棒快速法成型所需水泥采用基准水泥，配置碱溶液采用分析纯NaOH试剂，具体原材料如下。

骨料：河南鸡湾水库工程拟采用的5组河砂和6组块石骨料样品。

水泥：基准水泥，化学分析结果见表1，水泥的碱含量为0.506%。水泥的压蒸膨胀率为0.02%，满足规程［7］中对水泥压蒸膨胀率小于0.20%的要求，化学检测结果见表1。

表1 基准水泥化学检测结果 单位：%

化学试剂：分析纯NaOH试剂。

1.2 试验方法

依据试验规程［7］，对河南省鸡湾水库工程骨料11组（河砂、块石）样品分别进行岩相分析、骨料碱活性检验（砂浆棒快速法）和碳酸盐骨料碱活性检验（碳酸盐小岩石柱法），通过分析三种试验方法的结果，进行综合对比，判定鸡湾工程11组骨料的碱-骨料反应活性。

2 结果与讨论

2.1 岩相法试验结果

岩相法通过所制备的骨料薄片用偏光显微镜进行观察，确定骨料样品的矿物成分，查看具有碱-骨料反应的活性组分，对骨料的潜在碱-骨料活性反应类别进行预判。鸡湾工程中的5组河砂样品和6组块石骨料样品的物理性质和主要碱活性组分汇总见表2。11个骨料样品的岩石结构和主要矿物成分如下所述。

表2 岩石物理性质及主要碱活性组分 单位：%

2.1.1 河砂-1样品。河砂-1砂样样品颜色为土黄杂色，镜下鉴定该砂样由岩屑砂80%，石英砂7%～8%，长石砂10%～15%，少量云母、铁质等矿物砂组成。

①岩屑砂：主要是花岗岩类和石英岩60%～65%，砂岩、粉砂岩和变质砂岩、板岩20%～25%，硅质岩5%～10%，灰岩和白云岩5%～10%。花岗岩类和石英岩，花岗岩类主要由长石、石英组成，石英岩主要由石英组成，石英平均约占总量的25%～30%，石英颗粒普遍较粗，受应力作用部分石英具波状消光，少量石英呈细碎状，波状消光石英约占30%，粒径＜0.05 mm的微晶石英约占2%～3%，含量较少。砂岩、粉砂岩和变质砂岩、板岩，由粒度不等的石英、长石、黏土矿物和铁质、钙质等组成。部分石英颗粒较粗、且消光正常，少量石英颗粒细小，部分石英砂岩中可见硅质绕石英生成次生加大边、属微晶石英，粒径＜0.05 mm的隐-微晶石英约占总量的10%～15%。硅质岩，主要由硅质组成，含部分黏土质、铁质，硅质为隐-微晶石英，其中粒径＜0.05 mm的隐-微晶石英约占总量的95%。灰岩和白云岩，分别由方解石和白云石组成，含少量石英。方解石和白云石均呈他形粒状，颗粒之间呈镶嵌状大面积分布，该类型白云石不具碱碳酸盐活性；石英，他形粒状，零散分布，部分白云岩中可见，粒径＜0.05 mm的微晶石英约占总量的1%～2%，含量少。

②石英砂：次棱角状-次圆状，波状消光石英约占10%。

③长石砂：次棱角状-次圆状，有不同程度的泥化、绢云母化和铁染。

此外还有少量的云母、铁质等矿物砂。

2.1.2 河砂-2样品。河砂-2砂样样品颜色为土黄杂色，镜下鉴定该砂样由岩屑砂85%，石英砂7%～8%，长石砂7%～8%，少量云母、铁质等矿物砂组成。

①岩屑砂：主要是花岗岩类和石英岩60%～65%，砂岩、粉砂岩和变质砂岩30%～35%，硅质岩2%～3%，灰岩和白云岩2%～3%。花岗岩类和石英岩，花岗岩类主要由长石、石英组成，石英岩主要由石英组成，石英平均约占总量的20%～25%，石英颗粒普遍较粗，受应力作用部分石英具波状消光，少量石英呈细碎状，波状消光石英约占25%，粒径＜0.05 mm的微晶石英约占2%～3%，含量较少。砂岩、粉砂岩和变质砂岩，由粒度不等的石英、长石、黏土矿物和铁质、钙质等组成。部分石英颗粒较粗、且消光正常，少量石英颗粒细小，粒径＜0.05 mm的隐-微晶石英约占总量的8%～10%。硅质岩，主要由硅质组成，含部分黏土质、铁质，硅质为隐-微晶石英，其中粒径＜0.05 mm的隐-微晶石英约占总量的90%。灰岩和白云岩，分别由方解石和白云石组成，含少量石英。方解石和白云石均呈他形粒状，颗粒之间呈镶嵌状大面积分布；石英，他形粒状，零散分布，部分颗粒中可见，粒径＜0.05 mm的微晶石英约占总量的1%～2%，含量少。

②石英砂：次棱角状-次圆状，波状消光石英约占10%。

③长石砂：次棱角状-次圆状，有不同程度的泥化、绢云母化和铁染。

此外还有少量的云母、铁质等矿物砂。

2.1.3 河砂-3样品。河砂-3砂样样品颜色为土黄杂色，镜下鉴定该砂样由岩屑砂75%，石英砂7%～8%，长石砂15%～20%，少量云母、碳酸盐、铁质等矿物砂组成。

①岩屑砂：主要是花岗岩类和石英岩60%～65%，砂岩、粉砂岩和变质砂岩25%～30%，硅质岩8%～9%，灰岩和白云岩1%～2%。花岗岩类和石英岩，花岗岩类主要由长石、石英组成，石英岩主要由石英组成，石英平均约占总量的20%～25%，石英颗粒普遍较粗，受应力作用部分石英具波状消光波状消光石英约占25%，含量较少。砂岩、粉砂岩和变质砂岩，由粒度不等的石英、长石、黏土矿物和铁质、钙质等组成。部分石英颗粒较粗、且消光正常，少量石英颗粒细小，粒径＜0.05 mm的隐-微晶石英约占总量的10%～15%。硅质岩，主要由硅质组成，含部分黏土质、铁质，硅质为隐-微晶石英，其中粒径＜0.05 mm的隐-微晶石英约占总量的95%。灰岩和白云岩，分别由方解石和白云石组成，含少量石英。方解石和白云石均呈他形粒状，颗粒之间呈镶嵌状大面积分布；石英，他形粒状，零散分布，部分颗粒中可见，粒径＜0.05 mm的微晶石英约占总量的1%，含量少。

②石英砂：次棱角状-次圆状，波状消光石英约占10%。

③长石砂：次棱角状-次圆状，有不同程度的泥化、绢云母化和铁染。

此外还有少量的云母、碳酸盐、铁质等矿物砂。

2.1.4 河砂-4样品。河砂-4砂样样品颜色为土黄杂色，镜下鉴定该砂样由岩屑砂85%，石英砂7%～8%，长石砂7%～8%，少量云母、铁质等矿物砂组成。

①岩屑砂：主要是花岗岩类和石英岩60%～65%，砂岩、粉砂岩和变质砂岩15%～20%，白云岩和灰岩10%～15%，硅质岩7%～8%。花岗岩类和石英岩，花岗岩类主要由长石、石英组成，石英岩主要由石英组成，石英平均约占总量的20%～25%，石英颗粒普遍较粗，受应力作用部分石英具波状消光，少量石英呈细碎状，波状消光石英约占25%，粒径＜0.05 mm的微晶石英约占2%～3%，含量较少。砂岩、粉砂岩和变质砂岩，由粒度不等的石英、长石、黏土矿物和铁质、钙质等组成。部分石英颗粒较粗、且消光正常，少量石英颗粒细小，粒径＜0.05 mm的隐-微晶石英约占总量的8%～10%。白云岩和灰岩，分别由白云石和方解石组成，含少量石英。白云石和方解石均呈他形粒状，颗粒之间呈镶嵌状大面积分布；石英，他形粒状，零散分布，部分颗粒中可见，粒径＜0.05 mm的微晶石英约占总量的1%，含量少。硅质岩，主要由硅质组成，含部分黏土质、铁质，硅质为隐-微晶石英，其中粒径＜0.05 mm的隐-微晶石英约占总量的95%。

②石英砂：次棱角状-次圆状，波状消光石英约占10%。

③长石砂：次棱角状-次圆状，有不同程度的泥化、绢云母化和铁染。

此外还有少量云母、铁质等矿物砂。

2.1.5 河砂-5样品。河砂-5砂样样品颜色为土黄杂色，镜下鉴定该砂样由岩屑砂80%，石英砂7%～8%，长石砂10%～15%，少量云母、碳酸盐、铁质等矿物砂组成。

①岩屑砂：主要是花岗岩类和石英岩75%～80%，砂岩、粉砂岩和变质砂岩15%～20%，硅质岩2%～3%，灰岩和白云岩2%～3%。花岗岩类和石英岩，花岗岩类主要由长石、石英组成，石英岩主要由石英组成，石英平均约占总量的20%～25%，石英颗粒普遍较粗，受应力作用部分石英具波状消光，少量石英呈细碎状，波状消光石英约占25%，粒径＜0.05 mm的微晶石英约占2%～3%，含量较少。砂岩、粉砂岩和变质砂岩，由粒度不等的石英、长石、黏土矿物和铁质、钙质等组成。部分石英颗粒较粗、且消光正常，少量石英颗粒细小，粒径＜0.05 mm的隐-微晶石英约占总量的10%～15%。硅质岩，主要由硅质组成，含部分黏土质、铁质，硅质为隐-微晶石英，其中粒径＜0.05 mm的隐-微晶石英约占总量的95%。白云岩和灰岩，分别由白云石和方解石组成，含少量石英。白云石和方解石均呈他形粒状，颗粒之间呈镶嵌状大面积分布；石英，他形粒状，零散分布，部分颗粒中可见，粒径＜0.05 mm的微晶石英约占总量的1%～2%，含量少。

②石英砂：次棱角状-次圆状，波状消光石英约占10%。

③长石砂：次棱角状-次圆状，有不同程度的泥化、绢云母化和铁染。

此外还有少量的云母、碳酸盐、铁质等矿物砂。

2.1.6 块石-1样品。块石-1岩样样品颜色为肉色，镜下鉴定该块石岩性为石英大理岩。矿物成分为方解石75%，石英15%～20%，白云石7%～8%，少量云母、铁质。方解石为他形粒状，彼此呈镶嵌状大面积分布；白云石，半自形-他形粒状，粒径0.02～0.12 mm，大部分白云石集合体呈斑块状分布方解石之间，少量白云石零散分布，粒径＜0.05 mm的细小菱形白云石约占2%～3%，含量少，不具碱碳酸盐活性；石英，他形粒状，粒径0.02～0.54 mm，部分颗粒具波状消光，波状消光石英约占25%～30%，粒径＜0.05 mm的微晶石英20%；云母，主要为白云母，无色针状，零散分布；铁质，微粒状，零散分布。

2.1.7 块石-2样品。块石-2岩样样品颜色为灰色，镜下鉴定该块石岩性为石英大理岩。矿物成分为方解石80%，石英10%～15%，白云石7%～8%，少量云母、铁质。方解石，他形粒状，彼此呈镶嵌状大面积分布；白云石，半自形-他形粒状，粒径0.02～0.18 mm，零散分布，粒径＜0.05 mm的细小菱形白云石约占1%～2%，含量少，不具碱碳酸盐活性；石英，他形粒状，粒径0.01～0.27 mm，部分颗粒具波状消光，波状消光石英约占10%，粒径＜0.05 mm的微晶石英30%；云母，主要为白云母，无色针状，零散分布；铁质，微粒状，零散分布。

2.1.8 块石-3样品。块石-3岩样样品颜色为肉色，镜下鉴定该块石岩性为石英大理岩。矿物成分为方解石80%～85%，石英10%～13%，白云石5%～7%，少量云母、铁质。方解石，他形粒状，彼此呈镶嵌状大面积分布；白云石，半自形-他形粒状，粒径0.01～0.18 mm，零散分布，粒径＜0.05 mm的细小菱形白云石约占1%，含量少；石英，他形粒状，粒径0.01～0.25 mm，部分颗粒具波状消光，波状消光石英约占5%，粒径＜0.05 mm的微晶石英40%；云母，主要为白云母，无色针状，零散分布；铁质，微粒状，零散分布。

2.1.9 块石-4样品。块石-4岩样样品颜色为灰色，镜下鉴定该块石岩性为石英大理岩。矿物成分为方解石77%～80%，石英10%～15%，白云石8%～10%，少量云母、铁质。方解石，他形粒状，彼此呈镶嵌状大面积分布；白云石，半自形-他形粒状，粒径0.01～0.18 mm，零散分布，粒径＜0.05 mm的细小菱形白云石约占1%～2%，含量少，不具碱碳酸盐活性；石英，他形粒状，粒径0.01～0.28 mm，部分颗粒具波状消光，波状消光石英约占2%～3%，粒径＜0.05 mm的微晶石英40%；云母，主要为白云母，无色针状，零散分布；铁质，微粒状，零散分布。

2.1.10 块石-5样品。块石-5岩样样品颜色为灰色，镜下鉴定该块石岩性为石英大理岩。矿物成分为方解石77%～80%，石英15%～20%，白云石8%～10%，少量云母、铁质。方解石，他形粒状，彼此呈镶嵌状大面积分布；白云石，半自形-他形粒状，粒径0.01～0.36 mm，零散分布，粒径＜0.05 mm的细小菱形白云石约占1%～2%，含量少；石英，他形粒状，粒径0.01～0.36 mm，局部较集中分布，部分颗粒具波状消光，波状消光石英约占2%～3%，粒径＜0.05 mm的微晶石英25%；云母，主要为白云母，无色针状，零散分布；铁质，微粒状，零散分布。

2.1.11 块石-6样品。块石-6岩样样品颜色为肉色，镜下鉴定该块石岩性为方解石英岩。矿物成分为石英75%～78%，方解石10%～12%，白云石10%～12%，云母和少量铁质1%～2%。石英，他形粒状，粒径0.02～0.45 mm，部分颗粒具波状消光，波状消光石英约占10%，粒径＜0.05 mm的微晶石英5%；方解石，他形粒状，零散分布石英之间；白云石，半自形-他形粒状，粒径0.01～0.38 mm，零散分布，粒径＜0.05 mm的细小菱形白云石约占1%，含量少；云母，主要为白云母，无色针状，零散分布，长轴略具定向性；铁质，微粒状，零散分布。

由薄片的显微镜下鉴定结果可以看出，河南省鸡湾水库工程拟选用骨料中河砂和块石样品均含有一定量的隐-微晶石英、微晶石英和波状消光石英，这三种组分具有潜在的碱-硅酸反应活性。6组块石骨料样品中除含有碱-硅酸活性组分外还含有少量的细小菱形白云石，细小菱形白云石有可能导致骨料发生碱-碳酸盐反应。下一步需通过测长试验方法砂浆棒快速法和碳酸盐小岩石柱法分别进行试验，判定骨料的碱活性。

2.2 砂浆棒快速法试验结果

使用基准水泥，依据规程中规定的骨料各级配进行配料，成型砂浆棒试件，测试砂浆试件在80℃碱溶液中的长度变化。鸡湾水库工程骨料样品（河砂-1～河砂-5、块石-1～块石-6）的碱-硅酸反应活性检验（砂浆棒快速法）试验结果见图1和图2。

由图1、图2可以看出，编号为河砂-1、河砂-3、河砂-4、河砂-5和块石-6的骨料样品14 d砂浆膨胀率分别为0.116%、0.122%、0.123%、0.138%和0.138%，在0.1%～0.2%之间，试件观测龄期延长至28 d，上述5组骨料样品的28 d砂浆膨胀率分别为0.206%、0.208%、0.215%、0.232%、和0.263%，均大于0.2%评定标准。依据试验规程，判定这5组骨料样品均为具有潜在危害性碱-硅酸反应的活性骨料，对这些骨料在工程应用中需要采取一定的抑制措施，来保证工程安全。

图1 砂浆棒快速法膨胀率曲线（河砂样品）

图2 砂浆棒快速法膨胀率曲线（块石样品）

编号为河砂-2和块石-1骨料样品28 d砂浆膨胀率分别为0.161%和0.182%，已接近0.2%，且试件14 d后膨胀率发展速率未出现收敛状态，建议关注，工程应用中采取相应的措施对骨料的碱活性进行抑制，使工程更加安全。

编号为块石-2、块石-3、块石-4和块石-5骨料样品的14 d砂浆膨胀率分别为0.006%、0.013%、0.031%和0.002%，试件膨胀率均小于0.1%的判据，依据试验规程，这4组骨料样品判定为非碱-硅酸反应活性骨料。

2.3 小岩石柱法试验结果

从每组岩样的大块岩石上（边长大于25 cm），按层理构造在同块岩石上三个相互垂直的方向上各取一个试件，试件形状为圆柱体，直径9±1 mm，长35±5 mm。根据试件浸泡膨胀量判断岩样是否存在碱碳酸盐反应活性。对6组岩石样品各取3个试件，经碱液浸泡后，取其膨胀值最大的一个最终结果，其余结果舍弃。鸡湾水库工程6组块石骨料样品的碳酸盐小岩石柱法试验结果见表3和图3。

图3 碳酸盐小岩石柱法膨胀率曲线

表3 鸡湾水库工程岩样碳酸盐小岩石柱法试验结果

鸡湾水库工程6组块石样品（块石-1、块石-2、块石-3、块石-4、块石-5和块石-6）浸泡84d后小岩石柱试件的最大膨胀率分别为0.025%、0.013%、0.025%、0.032%、0.015%和0.025%，均小于0.10%的判据，依据试验规程，判定鸡湾水库工程6组块石样品均为非碱-碳酸盐反应活性骨料。

3 结论

①岩相法试验结果显示，鸡湾水库工程拟选用骨料中含有一定量的碱-硅酸和碱-碳酸盐反应活性组分，骨料是否具有潜在碱-骨料反应需进一步通过测长试验方法做进一步分析。

②砂浆棒快速法试验结果表明：河砂-1、河砂-3、河砂-4、河砂-5和块石-6的骨料样品14 d砂浆膨胀率在0.1%～0.2%，试件观测龄期延长至28 d，上述5组骨料样品的28 d砂浆膨胀率均大于0.2%。判定这5组骨料样品均为具有潜在危害性碱-硅酸反应的活性骨料，在工程应用中对这些骨料应采取必要的碱-骨料反应抑制措施，从而保证工程安全；河砂-2和块石-1骨料样品28 d砂浆膨胀率接近0.2%，且试件14 d后膨胀率发展速率未出现收敛状态，需要进行关注，工程应用中应采取相应的措施进行AAR抑制，增加工程安全系数；块石-2、块石-3、块石-4和块石-5骨料样品的28 d砂浆膨胀率均小于0.2%，判定这4组骨料样品为非碱-硅酸反应活性骨料。

③小岩石柱法试验结果表明，6组块石样品浸泡84 d后小岩石柱试件的最大膨胀率均小于0.10%，判定鸡湾水库工程6组块石样品均为非碱-碳酸盐反应活性骨料。

通过以上试验结果表明，对于骨料碱活性的准确判定，需要采用多种检测方法相互对照分析综合评定。