淺變質巖集料堿活性特征及抑制措施分析

　　摘要：本文針對黔東南不同地區的淺變質巖巖石的巖性和集料堿活性進行了分析，分析了混凝土的堿含量對堿集料反應的影響，并分析了試件的微觀表面形貌及化學成分。結果得出，黔東南地區的淺變質巖巖石的飽和抗壓強度的離散性較大，各組巖石試樣均為硅酸類巖石。未經抑制處理的淺變質巖集料14d膨脹率全部超過0.1%，均存在潛在的ASR危害。

　　粉煤灰對堿集料反應的抑制作用明顯，各組試件14d的膨脹率都未超過0.03%�；炷�土總堿含量越大，堿集料反應越快速，反應周期越長，膨脹率越大，最佳堿含量應控制小于1.0%。SEM-EDS分析結果辨明，對比未發生堿骨料反應的試件，已發生堿骨料反應的試件中集料表面有蜂窩狀的堿-硅酸凝膠產物生成，集料表面有細裂紋，出現Si和Na元素富集的現象。針對淺變質巖骨料混凝土應用工程的使用環境、結構部位、性能要求等方面，優選礦物摻合料或抑制劑，嚴格控制堿含量，且需對淺變質巖骨料混凝土進行長期堿骨料反應效果觀察與檢驗。

　　關鍵詞：淺變質巖,集料,堿活性,微觀結構,措施

　　0前言

　　1940年美國Stanton首先發現堿骨料反應(Alkaliaggregatereaction,AAR)[1]，自從發現因堿集料反應引起混凝土工程破壞以來，AAR已越來越受到各國建筑工程師、材料工程師和政府有關部門的重視[2,3]。國際混凝土堿集料反應會議(ICARR)自1974年首次在丹麥召開以來，已連續召開十五屆，并一直受到混凝土領域極大關注[4]。

　　通常，堿集料反應造成的開裂破壞隨時間變化而加劇，維修困難，費用十分昂貴，從而研究集料的堿活性，并制定出相應的預防措施具有重要的科學意義與工程實際價值。在我國中西部地區，尤其是貴州省東南地區存在著分布廣泛的淺變質巖，利用這些淺變質巖作為混凝土的骨架材料可減低成本。然而，研究表明淺變質巖石中普遍含有對混凝土具有極大危害性的堿活性成份[5-9]。衛斌[5]研究表明混凝土中摻入粉煤灰可有效抑制變質巖骨料堿骨料反應;粉煤灰摻量越大，抑制效果越顯著，并成功將變質巖骨料混凝土應用于高速公路、橋梁等工程。

　　李固華等人[6-8]針對板巖進行了系統的研究，結果表明板巖具有潛在的ASR危害，復摻30%粉煤灰和5%硅灰配制的變質巖混凝土膨脹率較低，滿足工程使用要求，其抑制率高于75%。蔣正武等人[9]研究了變質巖骨料的堿活性特征，結果表明變質巖骨料含一定微晶石英成分，且具有潛在堿硅酸活性，屬慢膨脹型活性骨料，并指出應采用快速蒸養法與砂漿長度法對變質巖骨料的堿活性進行綜合評定。

　　從而，快速評價淺變質巖的堿活性，并有效預防和控制這些天然材料作為混凝土骨料時的有害反應及制定有效預防和抑制其發生堿骨料反應的措施對淺變質巖骨料的工程應用尤為關鍵。本文針對黔東南地區淺變質巖集料進行堿活性研究，探究堿骨料反應的產物以及發生機理，直觀分析評價試樣是否發生堿集料反應及反應狀態。

　　1試驗原材料與方法

　　1.1試驗原材料

　　本文選用原材料來自黔東南不同地區的淺變質巖巖石試樣。試驗水泥為P·Ⅰ42.5基準水泥和貴州惠水西南有限公司生產的PO42.5水泥，粉煤灰選用黔東火電廠粉煤灰的Ⅱ級粉煤灰，堿含量為1.37%。

　　1.2試驗方法

　　淺變質巖集料的基本物理力學性能均按照GB/T14685《建筑用卵石、碎石》中相關規定和步驟進行測試[10]。按照JTGE42-2005《公路工程集料試驗規程》中的巖相法對所取巖石骨料進行巖相分析[11]。

　　針對所取的巖石樣品進行堿集料反應試驗，按照GB/T50733-2011《預防混凝土堿骨料反應技術規范》中的試驗方法的選擇要求[12]，試驗基準試驗用水泥為P·I42.5標準水泥，利用快速砂漿棒法檢測膨脹率，該方法采用水灰比為0.47,試件成型后24h拆模并放入80士2℃的水浴養護箱中預養護，24h后測量試件基準長度，然后放入養護溫度為80士2℃、1mol/L的溶液中養護，試件與溶液的體積比為1：4，14d后測量試件的膨脹率[13]，表征集料的堿活性大小。

　　為探究粉煤灰對骨料堿活性的抑制作用，同時減少試驗變量引起的誤差，更加科學的反應粉煤灰對堿集料反應的抑制作用，試驗設計粉煤灰摻量為30%，利用快速砂漿棒法檢測膨脹率，與基準試驗進行對比，表征粉煤灰對不同淺變質巖集料的堿骨料反應抑制作用。試驗采用掃描電子顯微鏡(SEM)聚焦電子束在試樣表面逐點掃描成像，分析材料的表面形貌，利用X射線能譜(EDS)分析樣品微區的化學成分，直觀分析評價試樣是否發生堿集料反應及反應情況。

　　2結果與分析

　　2.1淺變質巖集料的力學性能

　　巖石抗壓強度的大小對其所制備的骨料的各項力學性能影響巨大，本文針對黔東南不同地區所取淺變質巖巖石的力學性能進行測試，所選巖石的單軸飽和抗壓強度出現較大的離散性，S1組巖石飽和抗壓強度垂直方向出現最低值35.2MPa，S3組巖石垂直方向飽和抗壓強度達最大值179.6MPa，而其水平方向僅有70.9MPa。大多數巖石層理明顯，垂直方向的飽和抗壓強度與水平方向相比差別較大。

　　按照相關標準中的規定[10,11]，用于骨料的巖石抗壓強度規定如下：在壓力垂直巖石層理方向和平行巖石層理方向兩種情況下，巖石飽水狀態下的抗壓強度都不應小于60MPa。從而可知，在各組巖石試樣中除S1、S11組樣品在水平層理方向出現不符合要求的低值外，其余各組巖石抗壓強度均能滿足要求，可用于制備混凝土骨料。

　　2.2淺變質巖集料的巖相分析

　　為了更加明確的分析黔東南地區的巖石巖性，利用巖相分析方法對所選不同地區的巖石進行巖性分析，不同地區的變質巖巖石均含它形石英，且起膠結作用。S2組巖石主要粘土礦物呈泥晶結構，有部分重結晶的絹云母，其中硅質呈它形，白云石呈他形粒狀，條帶或團塊分布。S5組巖石存在陸源碎屑溶蝕的現象，它形石英混雜分布于絹云母間，部分呈團塊分布，且部分白云石呈半自形-它形。S8組巖石中存在重結晶的鱗片狀絹云母、陸源碎屑，并存在方解石填隙現象。

　　所選各地區巖石樣品為各類含硅質板巖與變質砂巖。主要由粘土礦物、絹云母、石英、長石，以及含量在5%以下的云母、白云石、方解石、各類鐵質、碳質組成。各組巖石樣試樣中都不含堿碳酸鹽反應活性礦物，均含有微晶石英，為硅酸類巖石，含潛在堿-硅酸類堿活性反應，屬于慢膨脹反應型骨料[9]。

　　2.3集料堿活性分析

　　快速砂漿棒法是判定集料堿活性的一種重要方法，且快速砂漿棒法試驗的周期較短，對堿硅酸反應活性的骨料敏感性高，可表征骨料的堿活性大小。對所取不同地區的淺變質巖集料利用快速砂漿棒法進行堿集料反應試驗。

　　粉煤灰對不同淺變質巖集料的堿骨料反應抑制作用測試結果。未經過抑制處理的黔東南不同地區淺變質巖集料的14d膨脹率全部超過0.1%，其中S1、S4、S5和S6組淺變質巖集料14d膨脹率大于0.3%，表明黔東南地區的淺變質巖骨料存在潛在明顯的堿集料反應危害[9,12]。

　　養護時間對各組巖石集料的膨脹率影響普遍較明顯，試件的膨脹率隨著養護時間的延長而增大。然而，膨脹率發展與養護時間無明顯線性關系，S9組巖石集料0～3d時間段內增長較快，而S1組巖石集料在3～7d時間段內增長較快，但各組淺變質巖集料10～14d的膨脹率增長量相對早期均呈現變緩的趨勢，表明快速砂漿棒法能夠加快堿活性骨料的反應速度，能夠較科學的評價反應較慢的活性骨料。

　　摻入粉煤灰后的各地區巖石集料堿活性明顯降低，30%粉煤灰的抑制作用非常明顯，各組試件14d的膨脹率都未超過0.03%，這主要是由于漿體孔隙溶液的堿離子濃度由于粉煤灰的摻入而降低，從而粉煤灰的摻入可以有效降低活性骨料中的有效堿，抑制了集料發生堿骨料反應[14,15]。然而粉煤灰對不同淺變質巖集料的堿集料反應抑制作用大小有明顯的差別，經過粉煤灰抑制后的砂漿試件，膨脹率增長較快的階段普遍出現在0～7d，而7～14d的膨脹量增長很小。

　　結果表明粉煤灰對堿集料反應的抑制作用主要體現在后期，這與粉煤灰的活性密切相關，粉煤灰后期與試件中堿性成分Ca(OH)2發生二次水化，消耗了發生堿骨料反應所需的堿含量，降低了漿體中的堿離子濃度，起到了抑制作用[16]。未摻粉煤灰的砂漿試件的表面都有凝膠產生，且隨著時間的延伸，砂漿試件的表面析出的凝膠增多，部分試件表面出現了微裂紋，表明發生了堿骨料反應。然而摻粉煤灰的砂漿試件的表面凝膠較未摻粉煤灰抑制的砂漿棒凝膠量明顯減少甚至沒有，且砂漿試件未現裂紋，結果表明粉煤灰對堿骨料反應起到了抑制作用。

　　2.4堿含量對堿集料反應的影響

　　水泥、粉煤灰中含有一定量的自由堿，對混凝土的堿骨料反應具有重要的影響。從而在探究集料的堿活性對混凝土堿骨料反應的影響時，應綜合考慮水泥、粉煤灰中的堿含量的影響。為探究水泥、粉煤灰、集料堿含量及混凝土外加劑引入的堿對堿集料反應的影響，試驗設計在摻粉煤灰以及未摻粉煤灰條件下，不同總堿含量對混凝土堿集料反應的影響，利用基準水泥、及摻加氫氧化鈉進行快速砂漿棒法模擬試驗，不同堿含量的各組砂漿試件膨脹率隨著養護時間的延長而增大。

　　各組試件在14d的膨脹率均大于0.1%，不符合標準規范要求[12]，且在早期0～10d內試件的膨脹率增加較快，后期膨脹率雖繼續增大，但增加的趨勢變緩。在堿含量為1.2%和1.4%時，兩組試件的膨脹率增長與時間幾乎呈正比關系，說明堿含量越大，堿集料反應越快速，反應周期越長，膨脹率越大。

　　摻入粉煤灰后的各組砂漿試件膨脹率隨著養護時間的增加而增大，但隨著粉煤灰的摻量增大，明顯降低了砂漿試件的膨脹率。當粉煤灰摻量為10%、20%時，僅當堿含量控制在0.6%時，14d的試件膨脹率小于0.03%。堿含量為0.6%、0.8%和1.0%的砂漿試件14d的膨脹率低于0.03%，堿含量1.4%的砂漿試件的28d膨脹率為0.079%，這是由于粉煤灰對堿集料反應的抑制作用。

　　當堿含量小于1.0%時，砂漿試件的膨脹發展主要集中10d以前，10d以后試件的膨脹都明顯放緩，且試件在14d時的膨脹率小于0.03%，結果表明：當粉煤灰摻量大于30%時，制備混凝土的最佳堿含量的應控制小于1.0%。

　　2.5SEM-EDS分析

　　骨料中堿活性礦物的種類不同，堿集料反應分為堿-硅酸反應(ASR)和堿-碳酸鹽反應(ACR)，對于淺變質巖而言，因其中SiO2含量較高，則發生堿-集料反應多為ASR[9,17,18]。ASR本質為活性SiO2與混凝土孔溶液中的堿發生的膨脹反應，反應機理為骨料中的活性SiO2與孔溶液中的堿在骨料與水泥石界面上生成堿-硅酸凝膠，多為蜂窩狀，具有較強的吸水腫脹性，當腫脹產生的應力超過混凝土的強度時，將導致混凝土的結構產生膨脹開裂破壞[19,20]。

　　從而，通過觀測骨料周圍形貌，分析骨料-水泥石界面產物組成，可判斷是否有堿集料反應發生。本文利用SEM-EDS分析集料-漿體界面形貌與成分，評價試樣是否發生堿集料反應及反應情況。試驗選取利用快速砂漿棒法制備的14d膨脹率最大的S4和膨脹率最小的S8為試驗對象，進行SEM-EDS分析，S8組試件中淺變質巖集料與水泥漿體粘接較為緊湊密實，且淺變質巖集料表面潔凈，集料表面無蜂窩狀的堿-硅酸凝膠產物生成，在集料與水泥漿體過渡區內未出現Si和Na元素富集，表明S8組試件中未發生堿骨料反應。

　　S4組試件的集料表面有蜂窩狀的堿-硅酸凝膠產物生成，且由于堿-硅酸凝膠的吸水膨脹作用使得集料表面出現了細裂紋，集料與水泥漿體間產生了裂縫，破壞了混凝土的緊密結構。S4組試件的EDS圖譜顯示集料與水泥漿體界面過渡區內Na含量增大，且Si和Na元素含量明顯高于Ca元素含量，出現元素富集現象，表明在S4組試件的集料中活性SiO2與混凝土孔溶液中的堿反應生成堿-硅酸凝膠，從而表明S4組試件中已發生了堿骨料反應。

　　2.6變質巖骨料混凝土抑制措施分析

　　綜上所述，黔東南不同地區的淺變質巖骨料具有潛在ASR危害，屬于慢膨脹反應型骨料。若將淺變質巖骨料應用于混凝土工程時，為避免淺變質巖骨料直接的利用而造成混凝土膨脹開裂，對基礎設施的安全運營形成嚴重威脅，需增加相應的堿骨料反應抑措施，針對淺變質巖骨料的堿活性判定，應采取多種方法(巖相分析結果結合快速砂漿棒法)來綜合判定，避免單一方法不確定性帶來的危害。

　　淺變質巖骨料混凝土中摻入粉煤灰等礦物摻和料，優化調控粉煤灰摻量(建議不低于30%)，可取得較為顯著的抑制效果。需針對混凝土工程的使用環境、結構部位、性能要求等方面，嚴格控制淺變質巖骨料混凝土的總堿含量，為避免因堿骨料反應而影響混凝土結構的使用年限，其堿含量應控制在1.0%以下。當淺變質巖骨料混凝土應用于實體工程，需對淺變質巖骨料制備混凝土進行長期堿骨料反應效果觀察與檢驗。

　　3結論

　　本文對黔東南不同地區的淺變質巖集料的堿活性特征及其抑制措施進行了分析，得出了以下結論：1.黔東南地區的淺變質巖巖石的單軸飽和抗壓強度的離散性較大，巖石樣品均含有一定量的微晶石英，為硅酸類巖石，含潛在ASR危害。

　　2.未經抑制處理的淺變質巖集料的14d膨脹率全部超過0.1%，快速砂漿棒法能夠較科學的表征慢膨脹型活性集料的堿活性。

　　3.粉煤灰對堿集料反應的抑制作用明顯，各組試件14d的膨脹率均未超過0.03%;不同堿含量的各組砂漿試件膨脹率隨著養護時間的延長而增大，堿含量越大，堿集料反應越快速，反應周期越長，膨脹率越大，混凝土的最佳堿含量的應控制在小于1.0%。

　　4.具有堿骨料反應的試件中集料表面有蜂窩狀的堿-硅酸凝膠產物生成，集料表面產生膨脹性的細裂紋，Si和Na元素含量明顯高于Ca元素，且出現元素富集現象。

　　5.針對淺變質巖骨料混凝土應用工程的使用環境、結構部位、性能要求等方面，優選礦物摻合料或抑制劑，嚴格控制堿含量，且需對淺變質巖骨料混凝土進行長期堿骨料反應效果觀察與檢驗。

　　參考文獻

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　　公路方向期刊推薦：《中外公路》(JournalofChina&ForeignHighway)雜志創刊于1976年，曾用名《國外公路》，由中華人民共和國交通部主管，長沙理工大學(原長沙交通學院)主辦。國內統一刊號：43-1363/U，國際標準刊號：1671-2579，郵發代號：42-63，國內外公開發行，是全國公路交通行業權威性期刊，發行量在公路系統報刊中居于前列。

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