浅变质岩集料碱活性特征及抑制措施分析

　　摘要：本文针对黔东南不同地区的浅变质岩岩石的岩性和集料碱活性进行了分析，分析了混凝土的碱含量对碱集料反应的影响，并分析了试件的微观表面形貌及化学成分。结果得出，黔东南地区的浅变质岩岩石的饱和抗压强度的离散性较大，各组岩石试样均为硅酸类岩石。未经抑制处理的浅变质岩集料14d膨胀率全部超过0.1%，均存在潜在的ASR危害。

　　粉煤灰对碱集料反应的抑制作用明显，各组试件14d的膨胀率都未超过0.03%。混凝土总碱含量越大，碱集料反应越快速，反应周期越长，膨胀率越大，最佳碱含量应控制小于1.0%。SEM-EDS分析结果辨明，对比未发生碱骨料反应的试件，已发生碱骨料反应的试件中集料表面有蜂窝状的碱-硅酸凝胶产物生成，集料表面有细裂纹，出现Si和Na元素富集的现象。针对浅变质岩骨料混凝土应用工程的使用环境、结构部位、性能要求等方面，优选矿物掺合料或抑制剂，严格控制碱含量，且需对浅变质岩骨料混凝土进行长期碱骨料反应效果观察与检验。

　　关键词：浅变质岩,集料,碱活性,微观结构,措施

　　0前言

　　1940年美国Stanton首先发现碱骨料反应(Alkaliaggregatereaction,AAR)[1]，自从发现因碱集料反应引起混凝土工程破坏以来，AAR已越来越受到各国建筑工程师、材料工程师和政府有关部门的重视[2,3]。国际混凝土碱集料反应会议(ICARR)自1974年首次在丹麦召开以来，已连续召开十五届，并一直受到混凝土领域极大关注[4]。

　　通常，碱集料反应造成的开裂破坏随时间变化而加剧，维修困难，费用十分昂贵，从而研究集料的碱活性，并制定出相应的预防措施具有重要的科学意义与工程实际价值。在我国中西部地区，尤其是贵州省东南地区存在着分布广泛的浅变质岩，利用这些浅变质岩作为混凝土的骨架材料可减低成本。然而，研究表明浅变质岩石中普遍含有对混凝土具有极大危害性的碱活性成份[5-9]。卫斌[5]研究表明混凝土中掺入粉煤灰可有效抑制变质岩骨料碱骨料反应;粉煤灰掺量越大，抑制效果越显著，并成功将变质岩骨料混凝土应用于高速公路、桥梁等工程。

　　李固华等人[6-8]针对板岩进行了系统的研究，结果表明板岩具有潜在的ASR危害，复掺30%粉煤灰和5%硅灰配制的变质岩混凝土膨胀率较低，满足工程使用要求，其抑制率高于75%。蒋正武等人[9]研究了变质岩骨料的碱活性特征，结果表明变质岩骨料含一定微晶石英成分，且具有潜在碱硅酸活性，属慢膨胀型活性骨料，并指出应采用快速蒸养法与砂浆长度法对变质岩骨料的碱活性进行综合评定。

　　从而，快速评价浅变质岩的碱活性，并有效预防和控制这些天然材料作为混凝土骨料时的有害反应及制定有效预防和抑制其发生碱骨料反应的措施对浅变质岩骨料的工程应用尤为关键。本文针对黔东南地区浅变质岩集料进行碱活性研究，探究碱骨料反应的产物以及发生机理，直观分析评价试样是否发生碱集料反应及反应状态。

　　1试验原材料与方法

　　1.1试验原材料

　　本文选用原材料来自黔东南不同地区的浅变质岩岩石试样。试验水泥为P·Ⅰ42.5基准水泥和贵州惠水西南有限公司生产的PO42.5水泥，粉煤灰选用黔东火电厂粉煤灰的Ⅱ级粉煤灰，碱含量为1.37%。

　　1.2试验方法

　　浅变质岩集料的基本物理力学性能均按照GB/T14685《建筑用卵石、碎石》中相关规定和步骤进行测试[10]。按照JTGE42-2005《公路工程集料试验规程》中的岩相法对所取岩石骨料进行岩相分析[11]。

　　针对所取的岩石样品进行碱集料反应试验，按照GB/T50733-2011《预防混凝土碱骨料反应技术规范》中的试验方法的选择要求[12]，试验基准试验用水泥为P·I42.5标准水泥，利用快速砂浆棒法检测膨胀率，该方法采用水灰比为0.47,试件成型后24h拆模并放入80士2℃的水浴养护箱中预养护，24h后测量试件基准长度，然后放入养护温度为80士2℃、1mol/L的溶液中养护，试件与溶液的体积比为1：4，14d后测量试件的膨胀率[13]，表征集料的碱活性大小。

　　为探究粉煤灰对骨料碱活性的抑制作用，同时减少试验变量引起的误差，更加科学的反应粉煤灰对碱集料反应的抑制作用，试验设计粉煤灰掺量为30%，利用快速砂浆棒法检测膨胀率，与基准试验进行对比，表征粉煤灰对不同浅变质岩集料的碱骨料反应抑制作用。试验采用扫描电子显微镜(SEM)聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像，分析材料的表面形貌，利用X射线能谱(EDS)分析样品微区的化学成分，直观分析评价试样是否发生碱集料反应及反应情况。

　　2结果与分析

　　2.1浅变质岩集料的力学性能

　　岩石抗压强度的大小对其所制备的骨料的各项力学性能影响巨大，本文针对黔东南不同地区所取浅变质岩岩石的力学性能进行测试，所选岩石的单轴饱和抗压强度出现较大的离散性，S1组岩石饱和抗压强度垂直方向出现最低值35.2MPa，S3组岩石垂直方向饱和抗压强度达最大值179.6MPa，而其水平方向仅有70.9MPa。大多数岩石层理明显，垂直方向的饱和抗压强度与水平方向相比差别较大。

　　按照相关标准中的规定[10,11]，用于骨料的岩石抗压强度规定如下：在压力垂直岩石层理方向和平行岩石层理方向两种情况下，岩石饱水状态下的抗压强度都不应小于60MPa。从而可知，在各组岩石试样中除S1、S11组样品在水平层理方向出现不符合要求的低值外，其余各组岩石抗压强度均能满足要求，可用于制备混凝土骨料。

　　2.2浅变质岩集料的岩相分析

　　为了更加明确的分析黔东南地区的岩石岩性，利用岩相分析方法对所选不同地区的岩石进行岩性分析，不同地区的变质岩岩石均含它形石英，且起胶结作用。S2组岩石主要粘土矿物呈泥晶结构，有部分重结晶的绢云母，其中硅质呈它形，白云石呈他形粒状，条带或团块分布。S5组岩石存在陆源碎屑溶蚀的现象，它形石英混杂分布于绢云母间，部分呈团块分布，且部分白云石呈半自形-它形。S8组岩石中存在重结晶的鳞片状绢云母、陆源碎屑，并存在方解石填隙现象。

　　所选各地区岩石样品为各类含硅质板岩与变质砂岩。主要由粘土矿物、绢云母、石英、长石，以及含量在5%以下的云母、白云石、方解石、各类铁质、碳质组成。各组岩石样试样中都不含碱碳酸盐反应活性矿物，均含有微晶石英，为硅酸类岩石，含潜在碱-硅酸类碱活性反应，属于慢膨胀反应型骨料[9]。

　　2.3集料碱活性分析

　　快速砂浆棒法是判定集料碱活性的一种重要方法，且快速砂浆棒法试验的周期较短，对碱硅酸反应活性的骨料敏感性高，可表征骨料的碱活性大小。对所取不同地区的浅变质岩集料利用快速砂浆棒法进行碱集料反应试验。

　　粉煤灰对不同浅变质岩集料的碱骨料反应抑制作用测试结果。未经过抑制处理的黔东南不同地区浅变质岩集料的14d膨胀率全部超过0.1%，其中S1、S4、S5和S6组浅变质岩集料14d膨胀率大于0.3%，表明黔东南地区的浅变质岩骨料存在潜在明显的碱集料反应危害[9,12]。

　　养护时间对各组岩石集料的膨胀率影响普遍较明显，试件的膨胀率随着养护时间的延长而增大。然而，膨胀率发展与养护时间无明显线性关系，S9组岩石集料0～3d时间段内增长较快，而S1组岩石集料在3～7d时间段内增长较快，但各组浅变质岩集料10～14d的膨胀率增长量相对早期均呈现变缓的趋势，表明快速砂浆棒法能够加快碱活性骨料的反应速度，能够较科学的评价反应较慢的活性骨料。

　　掺入粉煤灰后的各地区岩石集料碱活性明显降低，30%粉煤灰的抑制作用非常明显，各组试件14d的膨胀率都未超过0.03%，这主要是由于浆体孔隙溶液的碱离子浓度由于粉煤灰的掺入而降低，从而粉煤灰的掺入可以有效降低活性骨料中的有效碱，抑制了集料发生碱骨料反应[14,15]。然而粉煤灰对不同浅变质岩集料的碱集料反应抑制作用大小有明显的差别，经过粉煤灰抑制后的砂浆试件，膨胀率增长较快的阶段普遍出现在0～7d，而7～14d的膨胀量增长很小。

　　结果表明粉煤灰对碱集料反应的抑制作用主要体现在后期，这与粉煤灰的活性密切相关，粉煤灰后期与试件中碱性成分Ca(OH)2发生二次水化，消耗了发生碱骨料反应所需的碱含量，降低了浆体中的碱离子浓度，起到了抑制作用[16]。未掺粉煤灰的砂浆试件的表面都有凝胶产生，且随着时间的延伸，砂浆试件的表面析出的凝胶增多，部分试件表面出现了微裂纹，表明发生了碱骨料反应。然而掺粉煤灰的砂浆试件的表面凝胶较未掺粉煤灰抑制的砂浆棒凝胶量明显减少甚至没有，且砂浆试件未现裂纹，结果表明粉煤灰对碱骨料反应起到了抑制作用。

　　2.4碱含量对碱集料反应的影响

　　水泥、粉煤灰中含有一定量的自由碱，对混凝土的碱骨料反应具有重要的影响。从而在探究集料的碱活性对混凝土碱骨料反应的影响时，应综合考虑水泥、粉煤灰中的碱含量的影响。为探究水泥、粉煤灰、集料碱含量及混凝土外加剂引入的碱对碱集料反应的影响，试验设计在掺粉煤灰以及未掺粉煤灰条件下，不同总碱含量对混凝土碱集料反应的影响，利用基准水泥、及掺加氢氧化钠进行快速砂浆棒法模拟试验，不同碱含量的各组砂浆试件膨胀率随着养护时间的延长而增大。

　　各组试件在14d的膨胀率均大于0.1%，不符合标准规范要求[12]，且在早期0～10d内试件的膨胀率增加较快，后期膨胀率虽继续增大，但增加的趋势变缓。在碱含量为1.2%和1.4%时，两组试件的膨胀率增长与时间几乎呈正比关系，说明碱含量越大，碱集料反应越快速，反应周期越长，膨胀率越大。

　　掺入粉煤灰后的各组砂浆试件膨胀率随着养护时间的增加而增大，但随着粉煤灰的掺量增大，明显降低了砂浆试件的膨胀率。当粉煤灰掺量为10%、20%时，仅当碱含量控制在0.6%时，14d的试件膨胀率小于0.03%。碱含量为0.6%、0.8%和1.0%的砂浆试件14d的膨胀率低于0.03%，碱含量1.4%的砂浆试件的28d膨胀率为0.079%，这是由于粉煤灰对碱集料反应的抑制作用。

　　当碱含量小于1.0%时，砂浆试件的膨胀发展主要集中10d以前，10d以后试件的膨胀都明显放缓，且试件在14d时的膨胀率小于0.03%，结果表明：当粉煤灰掺量大于30%时，制备混凝土的最佳碱含量的应控制小于1.0%。

　　2.5SEM-EDS分析

　　骨料中碱活性矿物的种类不同，碱集料反应分为碱-硅酸反应(ASR)和碱-碳酸盐反应(ACR)，对于浅变质岩而言，因其中SiO2含量较高，则发生碱-集料反应多为ASR[9,17,18]。ASR本质为活性SiO2与混凝土孔溶液中的碱发生的膨胀反应，反应机理为骨料中的活性SiO2与孔溶液中的碱在骨料与水泥石界面上生成碱-硅酸凝胶，多为蜂窝状，具有较强的吸水肿胀性，当肿胀产生的应力超过混凝土的强度时，将导致混凝土的结构产生膨胀开裂破坏[19,20]。

　　从而，通过观测骨料周围形貌，分析骨料-水泥石界面产物组成，可判断是否有碱集料反应发生。本文利用SEM-EDS分析集料-浆体界面形貌与成分，评价试样是否发生碱集料反应及反应情况。试验选取利用快速砂浆棒法制备的14d膨胀率最大的S4和膨胀率最小的S8为试验对象，进行SEM-EDS分析，S8组试件中浅变质岩集料与水泥浆体粘接较为紧凑密实，且浅变质岩集料表面洁净，集料表面无蜂窝状的碱-硅酸凝胶产物生成，在集料与水泥浆体过渡区内未出现Si和Na元素富集，表明S8组试件中未发生碱骨料反应。

　　S4组试件的集料表面有蜂窝状的碱-硅酸凝胶产物生成，且由于碱-硅酸凝胶的吸水膨胀作用使得集料表面出现了细裂纹，集料与水泥浆体间产生了裂缝，破坏了混凝土的紧密结构。S4组试件的EDS图谱显示集料与水泥浆体界面过渡区内Na含量增大，且Si和Na元素含量明显高于Ca元素含量，出现元素富集现象，表明在S4组试件的集料中活性SiO2与混凝土孔溶液中的碱反应生成碱-硅酸凝胶，从而表明S4组试件中已发生了碱骨料反应。

　　2.6变质岩骨料混凝土抑制措施分析

　　综上所述，黔东南不同地区的浅变质岩骨料具有潜在ASR危害，属于慢膨胀反应型骨料。若将浅变质岩骨料应用于混凝土工程时，为避免浅变质岩骨料直接的利用而造成混凝土膨胀开裂，对基础设施的安全运营形成严重威胁，需增加相应的碱骨料反应抑措施，针对浅变质岩骨料的碱活性判定，应采取多种方法(岩相分析结果结合快速砂浆棒法)来综合判定，避免单一方法不确定性带来的危害。

　　浅变质岩骨料混凝土中掺入粉煤灰等矿物掺和料，优化调控粉煤灰掺量(建议不低于30%)，可取得较为显著的抑制效果。需针对混凝土工程的使用环境、结构部位、性能要求等方面，严格控制浅变质岩骨料混凝土的总碱含量，为避免因碱骨料反应而影响混凝土结构的使用年限，其碱含量应控制在1.0%以下。当浅变质岩骨料混凝土应用于实体工程，需对浅变质岩骨料制备混凝土进行长期碱骨料反应效果观察与检验。

　　3结论

　　本文对黔东南不同地区的浅变质岩集料的碱活性特征及其抑制措施进行了分析，得出了以下结论：1.黔东南地区的浅变质岩岩石的单轴饱和抗压强度的离散性较大，岩石样品均含有一定量的微晶石英，为硅酸类岩石，含潜在ASR危害。

　　2.未经抑制处理的浅变质岩集料的14d膨胀率全部超过0.1%，快速砂浆棒法能够较科学的表征慢膨胀型活性集料的碱活性。

　　3.粉煤灰对碱集料反应的抑制作用明显，各组试件14d的膨胀率均未超过0.03%;不同碱含量的各组砂浆试件膨胀率随着养护时间的延长而增大，碱含量越大，碱集料反应越快速，反应周期越长，膨胀率越大，混凝土的最佳碱含量的应控制在小于1.0%。

　　4.具有碱骨料反应的试件中集料表面有蜂窝状的碱-硅酸凝胶产物生成，集料表面产生膨胀性的细裂纹，Si和Na元素含量明显高于Ca元素，且出现元素富集现象。

　　5.针对浅变质岩骨料混凝土应用工程的使用环境、结构部位、性能要求等方面，优选矿物掺合料或抑制剂，严格控制碱含量，且需对浅变质岩骨料混凝土进行长期碱骨料反应效果观察与检验。

　　参考文献

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　　公路方向期刊推荐：《中外公路》(JournalofChina&ForeignHighway)杂志创刊于1976年，曾用名《国外公路》，由中华人民共和国交通部主管，长沙理工大学(原长沙交通学院)主办。国内统一刊号：43-1363/U，国际标准刊号：1671-2579，邮发代号：42-63，国内外公开发行，是全国公路交通行业权威性期刊，发行量在公路系统报刊中居于前列。

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