铁路细骨料岩相分析样品制片探讨

贾俊斌

（中铁二十四局集团福州铁建工程质量检测有限公司，福建 福州 350014）

1 引言

细骨料是主要建筑材料之一，被广泛用于铁路工程建设。国家标准和铁路标准对细骨料的质量要求都规定了很多详细的指标，而碱骨料反应又是所有指标中非常重要的一个，细骨料中如果含有碱活性矿物，则会与水泥、矿物掺合料、外加剂等混凝土组成材料及环境中的碱性物质发生化学反应，导致混凝土结构产生膨胀、开裂，甚至破坏。碱骨料反应会引起质量问题，轻则降低结构耐久性，重则影响结构安全运行，碱骨料反应的危害非常严重，因为碱骨料反应时间相对较为缓慢，短则几十天，长则几十年才能被发现。碱骨料反应主要有碱-硅酸反应和碱-碳酸反应两种，《铁路混凝土工程施工质量能收标准》（TB 10424-2018）、《铁路混凝土》（TB/T 3275-2018）等铁路标准明确规定工程不得使用碱-碳酸盐反应的骨料，确定属于哪一类碱活性反应之前，首先是进行细骨料岩相分析，而样品制片是细骨料岩相分析之前最主要、最关键的步骤。由于细骨料属于散粒材料，整体不均匀，较粗骨料制片更为复杂，影响因素更多。文章通过细骨料岩相分析制片磨片过程中镶嵌机成型工艺、固化剂折射率、金刚砂的规格等影响因素开展大量的试验和一系列研究，同时结合同行已有研究资料对试验结果进行统计分析，供试验同行参考讨论。

2 原理

岩相分析原理：通过肉眼和显微镜对细骨料进行观察，鉴定细骨料的岩石种类、结构构造及矿物成分，确定细骨料是否含有碱活性矿物、碱活性矿物类别及碱活性矿物占细骨料的重量百分比，从而定性评定细骨料的碱活性。

3 试验

3.1 试验方法

按照《铁路混凝土》（TB /T 3275-2018)标准附录A，主要试验步骤：①按规定取样约10 kg，过4.75 mm筛，取4.75 mm筛下颗粒，用四分法缩分至约2 000 g，然后用水冲洗干净，并置于（105±5）℃烘箱中烘干，冷却；②按规定筛分，筛分成4.75～2.36 mm、2.36～1.18 mm、1.18～0.6 mm、0.6～0.3 mm、0.3～0.15 mm、0.15～0.075 mm六个粒级，依次称重；③各粒级取适量细骨料样品铺在镶嵌机上压型，然后磨成薄片，在偏光显微镜下观察其矿物组成。

3.2 试验环境及仪器设备

为了保证试验数据具有可比性，让试验对比更加严谨，避免偶然性因素的干扰，文章试验影响因素分析均由同一操作人员使用标准方法，在同一试验室内使用DM2700型偏光显微镜对同一材质的细骨料进行岩相分析，环境试验由标准规定（17～25）℃，统一调整为按照（20±1）℃控制，湿度按照（60±5）%RH控制。

4 结果与讨论

4.1 样品的压型

试验选用同一批次细度模数2.7、级配符合Ⅱ区、坚固性为5%的闽江河砂，采用手压和镶嵌机两种方式压型，六个粒级每个粒级制备2片薄片，其他条件一致的情况下在偏光显微镜镜下进行平行分析，其试验结果如下见图1。

图1 压型方法与留存率关系图

由图1可以发现，镶嵌机压型的样品载玻片留存率均大于手压成型，而且4.75～2.36 mm粒级1、2.36～1.18 mm粒级2两个粒级手压方式成型明显低于镶嵌机压型，同时1.18～0.6 mm粒级3、0.6～0.3 mm粒级4相对低于镶嵌机压型、0.3～0.15 mm粒级5、0.15～0.075 mm粒级6两者较接近。主要原因是由于细骨料属于散粒材料，颗粒小且不易手拿，手压成型时受力不均匀，导致颗粒胶结不牢，同时撒布不均匀，造成颗粒堆叠，堆叠部分的颗粒粗磨时就被磨掉，尤其是大颗粒，而镶嵌机可以进行热固性压型，同时镶嵌机采用高精度的驱动电机和滑动部件，能够在短时间内实现精确定位，使颗粒撒布和受力都非常均匀，颗粒越小，压型越好。

4.2 样品的胶结

试验选用同一批次凝灰岩机制砂和闽江河砂，胶粘剂选用502胶水、中蓝晨光555型万能胶粘剂、冷杉胶、环氧树脂，首先使用阿贝折射仪测量载玻片和胶粘剂的折射率，其中载玻片折射率为1.522、502胶水为1.437、中蓝晨光555型万能胶粘剂为1.535、冷杉胶为1.526、环氧树脂为1.524。然后使用镶嵌机分别进行对试样的胶结，用偏光显微镜测定碱活性矿物的含量，试验分析结果见表1。

表1 不同胶粘剂与碱活性矿物含量

由表1可以发现，冷杉胶、环氧树脂做胶粘剂制片，在偏光显微镜下测定碱活性矿物的含量也比较接近。502胶水、中蓝晨光555型万能胶粘剂制片，测出的碱活性矿物的含量比较小。主要的原因在于，冷杉胶、环氧树脂的折射率与载玻片的折射率相近，502胶水、中蓝晨光555型万能胶粘剂的折射率与载玻片的折射率相差比较大。在各矿物晶体中，原子或者分子的排列方式在各个方向上并不相同，导致光线在晶体内传播收到不同的影响，这就会产生双折射，胶粘剂载玻片的折射率相差比较大则干涉色不均衡，影响矿物的识别。

4.3 金刚砂的规格

试验选用同一批次凝灰岩机制砂和闽江河砂两种类型的细骨料，同时选用80#、120#、150#、400#、600#、800#金刚砂进行磨片。每个片先用自动磨片机粗磨至0.3 mm，再用不同型号的金刚砂进行细磨并使薄片的平均厚度在0.03 mm，试验分析情况见表2。

表2 各型号金刚砂的磨片与偏光显微镜下的观测情况

由表2可以发现，用80#、120#、150#的金刚砂进行磨片，在偏光显微镜下图像模糊，影响鉴定。随着金刚砂号数的增大，薄片的质量越好，镜下图像清晰，越便于矿物识别。原因在于用80#、120#、150#的金刚砂进行磨片，会造成矿物表面损伤，薄片不等厚，如矿物破碎，镜下矿物之间重叠界线不清，矿物识别困难等现象。随着金刚砂号数的增加，精磨用时也增加，影响磨片的效率。

5 小结

铁路细骨料岩相分析需要丰富的理论知识，而制片则需要扎实的实践经验。岩相分析准确与否，取决于制片成功与否，制片直接影响岩相分析结果科学准确性。薄片薄至每片0.03 mm，差之毫厘，失之千里。岩相分析制片需要试验人员细致、耐心和一丝不苟的精神。文章通过凝灰岩机制砂和闽江河砂两种细骨料为研究对象，开展了一系列岩相分析制片试验研究，供试验同行参考讨论。主要结论如下：

（1）由于细骨料的微观结构松散、成分分散，没有明显的原子、分子、晶粒或其他结构单元，对粒径大小、形状等因素敏感，容易受到外部环境影响，故而细骨料制片相较于粗骨料更加困难，必须使用镶嵌机压型，同时镶嵌机压型可以有效增加样品载玻片留存率，细骨料在薄片上颗粒均匀分布，有利于偏光显微镜下的观测矿物含量，减少了碱活性矿物含量误判的可能性，提高了准确度。样品留存率越大，图像越有利于分析，试验结果更加真实，样品留存率越小，代表性越差。

（2）由于材料的折射率越高，使入射光发生折射的能力越强。故而薄片制片中，应尽量选择与载玻片的折射率一致的胶粘剂，如冷杉胶、环氧树脂等，这样有利于对偏光显微镜下矿物的识别，特别是对副矿物的识别。制片过程中如需调整胶粘剂的折射率可用丙酮、松节油进行调节，同时不同的介质对不同频率的光，具有不同的折射率，所以岩相分析时，因特别注意光的色散现象，操作间保持一定亮度。

（3）金刚砂是一种理想的磨料材料，具有耐磨性好、表面光洁度高等特点，广泛用于磨削、抛光等领域，岩相分析制片过程中应尤其重视金刚砂号数的选用，在薄片细磨中，应选用不同规格的金刚砂分别对薄片进行精磨，先用120#金刚砂进行粗磨片，再用800#金刚砂进行细磨片，这样可以提高磨片效率，又能让薄片厚度一致，矿物成分可以清晰地识别。