摘要：本文詳細介紹了南水北調中線京石段應急供水工程漕河段嶺東料場天然砂礫石骨料堿－硅酸反應活性的研究結果。巖相法檢測顯示卵石樣品主要由石英、鈉長石及白云石和少量云母類礦物組成，砂樣品主要由石英、鈉長石等礦物組成，重要的堿活性物質玉髓主要出現在白云巖裂隙和硅質灰?guī)r的基質中；“砂漿棒快速法”檢測結果顯示砂、小石、中石樣品14天的膨脹率均不超過0.1％，為非堿－硅酸反應活性骨料，但卵石樣品仍具有一定的堿活性，且后期膨脹率一直持續(xù)增長。綜合“巖相法”和“砂漿棒快速法”的試驗結果，認為漕河嶺東料場的砂礫石骨料在工程中使用時必須采取有效的抑制措施。堿－硅酸反應抑制試驗結果表明在混凝土中摻加20％～25％的粉煤灰抑制堿－硅酸反應是有效的。嶺東料場的白云巖為不具有潛在堿－碳酸鹽反應活性骨料。本文的研究結果為漕河工程的料場選定及混凝土的配制提供了技術支持，為保證工程質量奠定了基礎。
關鍵詞：南水北調 天然骨料 堿－硅酸反應 堿－碳酸鹽反應
中圖分類號：TU528.041
Research on AAR of Natural Aggregate Produced by Lingdong Stockyard and used in South-to-North Water Diversion Project
Abstract: This article presents in detail on ASR research results of natural sand and gravel samples produced by Lingdong stockyard supplying aggregates for construction of Caohe Project, a key project in the middle route of South-to-North Water Transfer project. According to petrographic facies test, gravel sample mainly consists of quartz, albite, dolomite, and minor biotite; and sand sample is mainly made up of quartz and albite. As an important ASR active mineral, chalcedonite exists in fractures of dolomite and in matrix of cherty limestone. In rapid mortar bar test, expansion of sand, small gravel and middle gravel at 14 day are less than 0.1%, but keep increasing in long term. Synthesized previous results, the natural sand and gravel samples should be treated as ASR active aggregate, and effectively inhibitive measures MUST be applied. Addition of 20%~25% fly ash in cement would effectively inhibit ASR of the aggregates. Dolomite in the aggregates is not active in ACR test.
Key Words: South-to-North Water Transfer Project, natural aggregates, alkali-silica reaction (ASR), alkali-carbonate reaction (ACR)
前言
堿骨料反應是影響混凝土耐久性的一個重要方面。施工中若不可避免采用含有活性的骨料，堿骨料反應一旦發(fā)生，特別是對于薄壁混凝土結構，將無法補救，給工程帶來的危害相當嚴重。 因此，必須進行骨料的堿活性檢驗和堿活性骨料的抑制試驗，使南水北調工程混凝土結構不發(fā)生堿骨料反應，對延長工程使用壽命具有重要意義。
漕河段工程是南水北調中線京石段應急供水工程的組成部分，位于河北省保定市滿城縣城西北，起點為吳莊隧洞進口，終點為崗頭隧洞出口，線路全長9319.7米。該段主要建筑物包括吳莊隧洞、漕河渡槽、崗頭隧洞等７座大小建筑物?？缭戒詈拥木扌投刹蹫?300米長、底寬20米、加大輸水流量為150秒立方米，最大跨度30米，技術含量高、施工難度大，不僅是整個南水北調中線干線的最大渡槽，也是我國當前的最大輸水渡槽。
鑒于華北地區(qū)骨料的堿活性問題比較普遍，中線局十分重視漕河段工程的料場選址工作，中國水科院結構材料所配合中線局對多個料場進行了現場勘察、取樣及試驗室檢驗，對嶺東料場天然砂礫石骨料進行了堿－硅酸反應活性檢驗試驗和堿－硅酸反應活性抑制試驗，為漕河工程的料場選定及混凝土的配制提供了技術支持，為保證工程質量奠定了基礎。
1、試驗原材料
1) 水泥： 試驗采用鹿泉東方鼎鑫水泥有限公司生產的42.5級普通硅酸鹽水泥，水泥中的堿含量為0.69％。
2) 粉煤灰：試驗采用西柏坡電廠生產的粉煤灰，粉煤灰的堿含量為0.86％。
3) 骨料：試驗采用漕河嶺東料場的天然砂、礫石骨料。碎卵石分（5～20）mm、（20～40）mm二級配。本次取樣共挖探坑6個，每個探坑深4m，總進尺24m。每個探坑采用全坑取樣法，然后進行篩分，并用4分法取樣，每個探坑取砂料300kg，（5～20）mm礫石250kg，（20～40）mm礫石250kg進行混合。共取砂料1.8t，（5～20）mm礫石1.5t，（20～40）mm礫石1.5t。在漕河嶺東周莊附近河床的不同部位選取了15塊粒徑約15cm～20cm的白云巖，最終確定了5塊白云巖鉆芯取樣后進行堿－碳酸鹽反應活性檢驗。
2、試驗內容及方法
對試驗采用的砂（0～5mm）、小石（5～20mm）、中石（20～40mm）三種級配的骨料分別進行堿－硅酸反應活性檢驗和堿－硅酸反應活性抑制試驗，抑制試驗采用20％和25%兩種粉煤灰摻量。堿－硅酸反應活性檢驗方法采用《水工混凝土砂石骨料試驗規(guī)程》1DL/T 5151-2001 中的“巖相法”和“砂漿棒快速法”進行。堿－硅酸反應活性抑制試驗方法采用《青藏鐵路梁體混凝土摻合料抑制堿－骨料反應有效性試驗操作規(guī)程》進行。該方法采用工程用骨料，硅酸鹽水泥與粉煤灰之和與骨料的質量比為1:2.25。粉煤灰、外加劑均按工程實際摻量摻入，粉煤灰等量替代水泥，用水量以砂漿流動度在105mm～120mm之間由試驗確定，以28天齡期試件長度膨脹率小于0.10％作為摻合料抑制混凝土堿－硅酸反應評定為有效的評判標準。其它內容基本與DL/T 5151-2001 中的“砂漿棒快速法”相同。
根據“巖相法”檢驗結果，對漕河料場礫石又進行了堿－碳酸鹽反應活性檢驗。堿－碳酸鹽反應活性檢驗采用《水工混凝土砂石骨料試驗規(guī)程》DL/T5151-2001中的 “碳酸鹽骨料的堿活性檢驗”方法。
3、骨料的巖相法檢驗
對骨料的巖性和礦物組成進行巖相檢驗。檢驗手段除巖相法外也適當地運用了X射線衍射分析、掃描電鏡能譜分析及顯微鏡下分析等方法，以輔助巖相分析。
3.1巖相法分析
樣品分3種，中石(20～40mm，編號A)，小石(5～20mm，編號B)，砂料(0～5mm，編號C)。對卵石而言，先自大樣中縮分一部分樣品據肉眼觀察按火成巖、沉積巖和變質巖進行巖性分類，而后對各類卵石稱重求百分比，最后隨機自各類卵石中挑選6塊磨制薄片供巖相鑒定。對風干后砂料篩分各級別則采用雙目實體顯微鏡法和油浸法鑒定其中的堿活性組分，每級觀察顆粒數不少于300顆。
3.2 X射線衍射分析
縮分出來的2種卵石混合樣經挑選若干塊磨制拋光片后的余樣(占總量的絕大部分)經破碎－再縮分－磨細，以此作為X射線衍射分析和能譜分析用樣，從中所獲結果對在總體上把握物料的性質是很有益處的。對A、C兩混合樣品的衍射分析結果的對比表明，A樣主要由石英(Q)、鈉長石(Ab)及白云石(D)和少量云母類礦物(Bit)組成，實際上B樣也如此，而C樣中白云石量則大為減少，主要由石英、鈉長石組成，另見少量角閃石類礦物(Mag)。
3.3 X射線能譜分析
對各混合樣進行了重要元素的化學分析，結果見表1。各樣品的能譜分析結果見圖1～圖3。
從圖中可以看到，A、B兩樣在各重要化學組成的相對含量上相似，其特點是火成巖與白云巖占明顯數量，而砂料C中碳酸鹽明顯減少，SiO2量明顯增加。
由于偏光顯微鏡下難以區(qū)分白云石和方解石，故除衍射分析外主要采用能譜分析來證明卵石中的灰?guī)r主要屬于白云巖而不是石灰?guī)r。見圖4～圖7。
3.4 各重要巖性的顯微鏡下結構特征
各重要巖性的顯微鏡下結構特征見圖8～16。
據薄片的顯微鏡鑒定結果可以得到如下若干看法：
1) 沉積巖主要屬白云巖，另見少量硅質灰?guī)r、凝灰?guī)r，沉積巖,在卵石中相對占量約45％，因此白云石屬重要礦物組成，而其中尚見一定數量的玉髓。
2) 火成巖以花崗巖為主，見少量花崗片麻巖，火成巖在卵石中相對占量約50％，巖石受到了中等程度的風化，其中的長石多數為絹云母交代。
3) 重要的堿活性物質玉髓主要出現在白云巖裂隙和硅質灰?guī)r的基質中，雖玉髓在其中的占量屬少數，但由于沉積巖在卵石中相對占量約45％，所以玉髓的不良影響也不能忽視。
3.5白云巖巖性檢驗
編號為漕河1、2、3、4、5號的5個樣品，皆呈灰白色。經巖石顯微鏡鑒定、能譜分析及X射線衍射分析可判定漕河1、2、3、4、5號礫石均為白云巖，但其中4號骨料富含硅質（見圖17）。
為確定漕河4樣品中硅質的形態(tài)，磨制薄片在鏡下進行了觀察，可確定它們主要以微細粒石英集合體－即玉髓的形式存在，它可能是膠體SiO2在Ca、Mg碳酸鹽化學沉積形成白云巖過程中一起沉淀并重結晶的，按骨料評價規(guī)范，它應屬活性二氧化硅，其典型鏡下特征見圖18。 
因此，漕河嶺東料場所取的5塊標本均為白云巖，而漕河4號樣品中硅質較多，但其量應該<10％；硅質的存在形式為微晶石英即玉髓，屬活性硅，巖石定名為硅質白云巖較確切。
4、骨料的堿－硅酸反應活性檢驗及抑制試驗
由堿－硅酸反應活性檢驗試驗可見，砂、小石、中石樣品（序號1、2、3）14天的砂漿膨脹率分別為0.030％、0.078％和0.094％，石料的膨脹率最大達0.094％，接近0.1％。為慎重起見，延長了試驗齡期，發(fā)現后期膨脹率迅速增長，到28天齡期，小石、中石的膨脹率超過了0.2％。雖然依據《水工混凝土砂石骨料試驗規(guī)程》DL/T 5151-2001 “砂漿棒快速法”中的評定標準：“砂漿試件14天的膨脹率小于0.1%，則骨料為非活性骨料?！?，漕河嶺東料場的砂、小石、中石應判定為非活性骨料。綜合巖相法檢測表明在白云巖裂隙和硅質灰?guī)r的基質中存在一定量的堿活性礦物－玉髓，以及堿－硅酸反應活性檢驗結果反映出一定的膨脹性，認為對漕河嶺東料場的砂礫石骨料在工程中使用時必須采取有效的抑制措施——控制原材料及混凝土中的堿含量、摻加適量的礦物摻合料、不得在含堿環(huán)境中使用等。
堿－硅酸反應活性抑制試驗結果（序號4、5、6、7、8、9）表明，摻入20％和25％的粉煤灰均對堿－硅酸反應具有良好的抑制效果，抑制試驗觀測至108天，其膨脹率基本為負值，沒有發(fā)生膨脹的趨勢。因此，在混凝土中摻入20％～25％的粉煤灰對抑制堿－硅酸反應是有效的。
5、堿－碳酸鹽反應活性檢驗試驗
堿－碳酸鹽反應活性檢驗試驗采用DL/T5151-2001中的 “碳酸鹽骨料的堿活性檢驗”方法，規(guī)程中評判標準為：浸泡84天時間膨脹率在0.10%以上時，該巖樣應評為具有潛在堿活性危害。 堿－碳酸鹽發(fā)應活性檢驗試驗結果見圖21。其中1～5號巖樣為5塊白云巖鉆芯取樣的試驗結果。
由圖21試驗結果可見，浸泡84天時所檢驗的5組巖樣膨脹率都為負值，曲線基本平穩(wěn)。因此，漕河嶺東料場的礫石骨料可評定為不具有潛在堿－碳酸鹽反應活性骨料。
6、結論
漕河嶺東料場礫石主要為花崗巖（約50％）和白云巖（約45％），對嶺東料場礫石進行的堿－硅酸鹽反應活性檢測和抑制試驗，以及堿－碳酸鹽反應活性檢驗表明：
1) 按照現行有關規(guī)范，漕河嶺東料場的砂礫石骨料為非堿－硅酸反應活性骨料。但綜合巖相法和砂漿棒快速法的試驗結果，認為漕河嶺東料場的砂礫石骨料在工程中使用時必須采取有效的抑制措施——控制原材料和混凝土中的堿含量、摻加適量的礦物摻合料、不得在含堿環(huán)境中使用等。
2) 混凝土中摻入20％～25％的粉煤灰抑制堿－硅酸反應是有效的。
3) 漕河嶺東料場的礫石骨料為不具有潛在堿－碳酸鹽反應活性骨料。
天然料場砂礫石骨料礦物成分十分復雜，必須要全面進行現行的各項檢測方法，根據試驗結果綜合分析判斷，才能使得工程發(fā)生堿骨料反應的風險降到最低。
