南水北調(diào)中線工程陶岔—沙河段混凝土堿骨料反應(yīng)試驗研究

摘要：南水北調(diào)中線工程陶岔—沙河段路線長，涉及料場多，骨料品種雜。堿—骨料反應(yīng)具有反應(yīng)緩慢、持續(xù)時間長的特點。堿—骨料反應(yīng)十分復雜，需用不同的試驗方法進行綜合評定。通過巖相法、砂漿棒快速法、碳酸鹽圓柱體法等不同試驗方法對堿活性進行了研究，試驗結(jié)果表明：料場部分骨料具有潛在危害性反應(yīng)的堿活性。為確保混凝土的耐久性和工程安全，應(yīng)嚴格控制工程所用水泥的堿含量及采取其它工程措施來抑制堿—骨料反應(yīng)。

關(guān)鍵詞：南水北調(diào)中線工程；堿—骨料反應(yīng)；混凝土；骨料

南水北調(diào)中線工程從丹江口水庫陶岔閘引水，經(jīng)長江流域與淮河流域的分水嶺方城埡口，沿唐白河流域和黃淮海平原西部邊緣開挖渠道，在鄭州以西孤柏咀處用隧洞或渡槽穿過黃河，沿京廣鐵路西側(cè)北上，自流到北京、天津。輸水總干渠從陶岔閘至北京全長約1276km，中線工程多年平均調(diào)水量宜為130～140億m3，過黃河80～90億m3，除補充海河平原城市供水50～60億m3外，可補充生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)用水。干旱年份(p=90%)漢江的可調(diào)水量約65～70億m3，可保證京津及華北地區(qū)城市用水。根據(jù)對目前初步選定混凝土料場情況進行的了解，部分骨料具有堿活性危害。為保證工程的高質(zhì)量和安全耐久，對南水北調(diào)中線干線工程陶岔—沙河段混凝土骨料料場的骨料采用巖相法、砂漿棒快速法、碳酸鹽圓柱體法等方法進行堿活性試驗，以判定該骨料用于混凝土是否會出現(xiàn)危害性的堿—骨料反應(yīng)。

1堿—骨料反應(yīng)及試驗方法

具有堿活性的骨料與水泥中的堿發(fā)生化學反應(yīng)，引起混凝土膨脹、開裂，甚至破壞，這種化學反應(yīng)稱堿—骨料反應(yīng)?；炷恋膲A—骨料的反應(yīng)成為混凝土耐久性的重要課題之一。自從1940年美國T.EStanton提出此問題以來，已有不少國家出現(xiàn)堿—骨料反應(yīng)破壞的工程實例，國外巴西Moxot’o壩、法國的Sambon壩等由于使用了黑云母花崗巖、片麻巖等作為混凝土骨料，而出現(xiàn)了明顯的堿—骨料反應(yīng)，使混凝土產(chǎn)生膨脹開裂，不得不投入大量資金，對大壩進行修補加固[1]。
按與堿反應(yīng)的巖石類型，可將堿—骨料反應(yīng)劃分為3種類型，即堿—硅酸反應(yīng)、堿—碳酸鹽反應(yīng)和堿—硅酸鹽反應(yīng)；也有將堿—硅酸鹽反應(yīng)歸入堿—硅酸反應(yīng)。堿—硅酸反應(yīng)，即堿與骨料中活性SiO2發(fā)生反應(yīng)，生成硅酸凝膠，吸水腫脹，引起混凝土膨脹、開裂損壞。骨料中活性SiO2包括無定形、結(jié)晶程度差、受應(yīng)力形變大的SiO2以及玻璃體，如蛋白石、玉髓、瑪瑙、鱗石英、方石英、非常細小的微晶石英、具有較強波狀消光的石英及火山玻璃體。在所有堿—骨料反應(yīng)事例中，硅質(zhì)骨料引起的破壞最多。硅質(zhì)骨料中非晶質(zhì)的蛋白石堿活性最高，纖維狀玉髓和隱晶質(zhì)石英次之，微晶石英的堿活性相對較弱，結(jié)晶完整和晶粒粗大的石英是非活性的。波狀消光的石英是否具有堿活性，則不很確定；專家們認為，波狀消光角小于15°是不具有堿活性的。堿—碳酸鹽反應(yīng)是指堿與某些泥質(zhì)石灰質(zhì)白云巖或泥質(zhì)白云質(zhì)石灰?guī)r發(fā)生脫白云化反應(yīng)，引起混凝土膨脹、開裂損壞。這種反應(yīng)首先在加拿大出現(xiàn)，國際上出現(xiàn)的受害工程事例不少，但較前一種出現(xiàn)為晚。其中堿—硅酸反應(yīng)是迄今對工程損壞最多、分布最廣、研究得最多的一種堿—骨料反應(yīng)類型[2]。

對骨料堿活性的評定，至今國際上尚無一個一致認可的普遍方法。巖相法對選擇合適的檢測方法有重要指導作用，一直是作為骨料堿活性鑒定的首選方法，它是通過顯微鏡觀察來鑒定骨料的種類和成分，特別是那些已知活性礦物存在與否的骨料，以此來判斷其是否存在堿活性，但其缺點是得不到活性組分含量與膨脹率的定量關(guān)系，并且，此方法需要有相當熟練的技術(shù)；化學法是和砂漿長度法配合使用的，是國際上公認的傳統(tǒng)方法，但它的缺點是不能鑒定由于微晶石英或變形石英所導致的慢膨脹骨料，另一個缺點是存在非SiO2物質(zhì)如碳酸鹽、石膏、黏士等的干擾，這些干擾常常造成根本性的錯誤；砂漿長度法是與ASTMC227類同的比較經(jīng)典的方法，但它的缺點是僅適用于一些高活性的快膨脹的巖石和礦物，對慢膨脹骨料則不適用；砂漿棒快速法是于1994年同時被美國和加拿大定為標準的方法(ASTM1260和CSAA23·2—14A)，研究結(jié)果與工程記錄的對比表明，該方法對硅質(zhì)骨料，尤其是慢膨脹骨料與工程使用記錄具有很好的一致性，被認為是比較精確可靠的，但它的問題是過于嚴格，某些工程被證明是無害的骨料可能被判為有害[3]。由于堿—骨料反應(yīng)的復雜性，在試驗時采用了多種方法進行綜合評定。

2 人工骨料堿活性試驗研究

對靈山、湯山、牡丹垛、荊山寨山4個料場的人工骨料，采用巖相法、化學全分析、巖石圓柱體法、砂漿棒快速法等方法，對骨料進行堿活性試驗，以了解骨料的堿活性特性。

2.1 巖相法

對靈山、湯山、牡丹垛、荊山寨山4個料場的巖石樣品在顯微鏡下進行巖相鑒定，試驗結(jié)果見表1?；瘜W全分析結(jié)果見表2。從料場巖石主巖相鑒定和化學全分析的結(jié)果看，靈山料場的巖石主要是白云質(zhì)白云巖角礫巖和白云巖，湯山料場的巖石主要是白云巖和含白云質(zhì)石灰?guī)r，牡丹垛料場的巖石主要是含石墨含白云質(zhì)大理巖、白云石大理巖、含透輝石白云石大理巖、大理巖、花崗巖質(zhì)粗糜棱巖，荊山寨山料場的巖石主要是含白云石含石英大理巖和含石英大理巖，靈山、湯山、牡丹垛、荊山寨山4個料場的碳酸鹽巖石不是泥質(zhì)石灰質(zhì)白云巖或泥質(zhì)白云質(zhì)石灰?guī)r，為非堿—碳酸鹽活性骨料。牡丹垛料場的花崗巖質(zhì)粗糜棱巖和荊山寨山料場的含白云石含石英大理巖和含石英大理巖中的石英顆粒細小，含有一定量的微晶石英，且受到應(yīng)變作用，其堿活性還需通過其它試驗進行論證。