摘要： 采用ASTM C1260-94和岩相综合法对广东地区常用骨料碱活性进行了调查和研究。本文剖析了矿物组分中的活性物质—波状消光的应变石英、绿泥石以及玉髓，并通过大量实验分析，提出了岩相分析结果与快速砂浆棒结果之间的对应关系，为预防碱骨料反应的发生提供了一定的依据。
关键词： 碱活性；碱骨料反应；玉燧；绿泥石；应变石英
0 前言
碱骨料反应是混凝土原材料中的水泥、外加剂、混合材和水中的碱(Na2O或K2O)与骨料中的活性成分反应，在混凝土浇筑成型后若干午(数年至二、三十年)逐渐反应，反应生成物吸水膨胀使混凝土产生内部应力， 膨胀开裂、导致混凝土失去设计性能。由于活性骨料经搅拌后大体上呈均匀分布。所以一旦 发生碱骨料反应、混凝土内各部分均产生膨胀应力，将混凝土自身胀裂、发展严重的只能拆除，无法补救，因而被称为混凝土的癌症。
广东省混凝土年使用量约4 亿吨，相应的干河砂年使用量约为3.2 亿吨，石子使用量约为4亿吨。广东水利资源丰富, 天然砂出口量占全国的64%，主要产区为东江和西江沿岸地区, 销往台湾、香和澳门，石子则基本全部自己自足。因此，广东砂石对华南地区建筑行业的影响举足轻重。经过大量的实验验证，广东地区砂石的主要成分是石英和长石。华南理工大学文梓芸教授1996 年以前曾经调查过广东省混凝土常用骨料的碱骨料反应活性，没有发现存在碱活性的问题。但是从1999 年起情况已经发生了变化：首先是香港建筑工程检测部门发现广东河砂存在碱活性问题, 继而华南理工大学也检测出多批碱活性砂石，澳门砂商送检的河砂也发现了类似现象。结果表明作为广东主要砂源的西江河砂其潜在和明显碱硅酸活性的存在几率相当高，东江河砂亦发现了有潜在活性的样品，常用的肇庆石也部分出现碱活性。
在碱-硅酸反应中，活性骨料的粒度存在“最劣点( pessimum) ”[1] 效应，即活性骨料的粒度分布在“ 最劣点”范围的时候， 碱－硅酸反应引起的膨胀量最大， 造成的危害也最为严重。但是很多研究者得到的“最劣点”范围不尽相同，这与所采用的试验材料有很大关系[2]。Taylor 认为，对于大部分活性骨料而言，活性骨料的“最劣点”粒度范围在0.1~1.0mm 之间；也有研究者认为，骨料的粒度在0.15 ~ 10mm 之间，而且颗粒越小，ASR膨胀越严重。因此，砂石中起破坏作用的活性组分及其含量的定性研究就更具实际意义，可以更好的了解混凝土骨料的品质，同时我们采用岩相分析与快速砂浆棒法联合检测了该几种常用骨料的碱活性，为延缓和预防碱骨料反应对结构物破坏进行了一定的实验积累。
1 实验
1.1 试验材料
实验河砂共计18个样品，分别是：西江河砂6 个，分别来源于肇庆、金利（各3 个）；东江河砂 8个，分别来源于惠州、石龙 (各 4 个) ；北江河砂 4 个, 来源于清远。最后取平均值进行分析。
试验采用珠江水泥厂生产的P.Ⅱ 42.5R硅酸盐水泥，化学组成见表1。
表1 水泥的化学组成
1.2 试验方法
本文采用岩相法和快速砂浆棒法ASTM C1260联合对砂石骨料的碱活性进行检测。
2. 实验结果与分析
2.1岩相法鉴定
岩相检测结果表明, 在送检的砂石骨料中均不同程度上发现了碱活性组份，主要是波状消光的应变石英和结晶不完全的玉髓以及部分石英和长石的粘土化、绢云母化物质。
图1是惠州地区石场石，在正交偏光下可以比较明显的观察到长石的绢云母化；
图2是采自西江肇庆地区的砂，在正交偏光下可以观察到具有碱活性的花斑状玉髄；
图3是采自清远地区北江的砂，可以清晰的观察到解理状长石，半自行晶镶嵌结构花岗结构也非常明显，黑色的大部分为角闪石、黑云母，此外，还可以观察到斜长石和钾长石出现局部范围的绢云母和粘土化，其五颜六色的色彩比较容易辨认；
图4是采自，图中为受到较大应力作用的石英，中间生长有部分的绿泥石；
由岩相法检测结果可知，砂石骨料主要是由石英和长石组成,还含有少量黑云母等暗色矿物以及微量的金属矿物、蚀变矿物等。 碱活性组份主要是波状消光的应变石英和含量较少的玉髓、绿泥石。 其中来自西江肇庆地区的河砂中碱活性成分较多，波状消光的应变石英和玉髓占矿物组成的25%~30%。
北江清远河砂中波状消光的应变石英和玉髓总计为8%~12%；而东江惠州大石骨料中碱活性成分最少，波状消光的应变石英和玉髓占矿物组成的5％以下。
2.2快速砂浆棒法实验结果
本试验按美国ASTM C1260-94方法进行。试验的评定标准：14d龄期的砂浆膨胀率小于0.1%，则骨料是无害的，膨胀率大于0.2%，则表明骨料具有潜在碱活性，膨胀率在0.1%和0.2%之间需进行其他必要的辅助试验，也可将度件延至28d观测来作最后定论。对所采砂石骨料分别进行膨胀率测试，结果如表2所示。
表2 砂石膨胀率
由表2可知，西江的2个样品中，14d膨胀率均大于0.2%，硅酸活性的存在几率相当高; 北江地区砂石有3个样品的14d在0.1%～0.2%之间有潜在活性，今有一个勉强算作没有活性；东江有2个试样14d的膨胀率处于0.1%左右，可以判定为非活性或者活性较小骨料。试验结果证明，采用快速砂浆棒法的结果与岩相结果有着很好的相符性。
3. 机理分析
3.1 骨料中破坏性的活性组分分析
在大部分关于碱骨料反应的文献中，都有对骨料中活性组分进行推测与说明，但是鲜有对绿泥石及玉髄活性的说明与图片分析，在次针对于此，对此几种活性组分进行详细的分析。
3.1.1 波状消光的应变石英
广东地区砂石大部分都是本地所提供的花岗岩以及部分砂岩。花岗岩广泛分布于不同时代的褶皱带和前寒纪地盾区，多次承受强大的地质构造应力作用，晶体发生多种位错，能量被贮存在点阵中。所以，花岗岩表现出膨胀开裂一般需要长达近20年的时间，由此专家将其称为为缓慢反应型的碱活性骨料[1]。混凝土大坝与建筑物一旦发生碱骨料反应破坏，修复是极其困难的，造成的经济损失将是巨大的。关于花岗岩的碱活性原因，有人推论与其中的应变石英有关，如美国B. S Gogte[2]指出：当骨料中应变石英含量超过20%，同时应变石英平均波状消光角大于15°时，这种骨料具有潜在活性。而印度A.K.Mullick[3]建议应变石英波状消光角在25°以上，应变石英含量在25%以上可视为具潜在活性。但也有人认为两者之间没有直接关系。石英由于受到应力作用，晶体产生缺陷，而出现波状消光，P. E. Grattan-Bellew[4]选择三种花岗岩进行研究，发现石英的波状消光角与碱活性膨胀率近似一种线性关系，即石英波状消光角愈大，碱活性膨胀率也愈大。广东地区工程花岗岩含有数量不等的应变石英，普遍出现波状消光现象。
3.1.2 玉髄
玉髓是一种隐晶质集合体，属于结晶不完全的SiO2，呈致密块状，也可呈球粒状、放射状或细微纤维状集合体。通常是一种非常珍贵的天然色彩的玉器，但是少量存在于混凝土骨料中时，却因为潜在的活性而被列为有害物质。华南理工大学文梓芸教授在1995年对广东地区河砂所作的研究中，只有极少数图片中发现了玉髓的存在，但是随着矿山与地表沙层的深度开采，在近几年的研究中，尤其是西江砂里面发现了含量较多的玉髓。大量的岩相贯彻与资料数据表明，玉髓不可能是在后来作为碎屑物被搬运、沉积过程中由河水或地下水中的硅质交代形成的，而很可能是在岩石成岩阶段即原生条件下生成的。岩相观察到的玉髓经常会发现一些铁锰质的氧化物包裹体，因此在实际工程的原材料选择时有必要对砂石原材料进行岩相分析，以确定其中的活性组分含量。
3.1.3 绿泥石
绿泥石，化学组成可表示为Y3[Z4O10](OH)2·Y3(OH)6、晶体属单斜、三斜或正交(斜方)晶系的一族层状结构硅酸盐矿物的总称。绿泥石广泛存在于各种岩石和地质环境中,其化学成分的变化,可反映其形成时的物理化学条件.本文研究的绿泥石类型主要为含Mg、Fe或Al和Fe得矿物种，地质学中通常称为铁斜绿泥石(辉绿泥石)和铁镁绿泥石,这类组分含量随岩石埋藏深度的增加而增加.岩相观察可以发现另外一个问题，就是暗色矿物蚀变为绿泥石化矿物，所以随着蚀变得不断发生，绿泥石化会引入更多的此类组分。反映在岩相图上，就会观察到岩石显出不同程度的绿色色调。因此，我们应该调配好砂石等不可再生资源，尽可能延缓深度开采的时间。
3.2细骨料在混凝土碱-骨料反应中的作用
碱骨料反应有两种类型：碱-硅酸反应、碱-碳酸盐反应。其反应进行需要具备三个条件：活性骨料、水分供应、足量碱。通过对反应条件的控制，可以抑制或延缓碱骨料反应的进行。人们对碱骨料反应的研究常常集中在对粗骨料碱活性的研究上，这是由于粗骨料粒径较大，一旦发生碱骨料反应，应力集中严重，很快会造成破坏。而细骨均匀填充于粗骨料间隙，应力集中现象不易表现出来，这也是一些学者对细骨料的破坏能力持怀疑态度的原因，但是事实并不这么简单。
1. 目前普遍认为，对于硅质活性骨料，当骨料粒径为0.15~0.80mm时，砂浆棒的膨胀值最大，而若骨粒径增大，则砂浆棒的膨胀值会显著减小。 因此，广泛应用的快速砂浆棒法规定的集料颗粒粒径范围为0.15～4.75mm。大量的工程实践表明快速砂浆棒法ASTMC1260为可灵敏地检出骨料的碱活性，对具有碱活性的骨料而言其膨胀率都在0.2%以上，膨胀量非常可观。因此，它是目前最可靠的方法。这些都说明细集料在碱骨料反应破坏中起着不可忽视的作用。
2. 碱骨料反应是一种混凝土内部的破坏。
大量的混凝土破坏机理研究表明，一旦混凝土发生破坏，往往都是致命的，而非仅仅局限于某一部分。刘崇熙、文梓芸编著的《混凝土骨料性能和制造工艺》一书中详细描述了碱骨料反应机理：骨料中的某些化学成分与水泥中的氢氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钾等成分发生化学反应，在骨料表面生成一种胶状物质，胶质遇水膨胀，产生张力作用于周围的混凝土结构，导致结构破损。
3. 从粗骨料和细骨料发生碱骨料膨胀后的关系来看，如果细骨料是活性的, 而粗骨料是非活性的，此时粗骨料的自由膨胀率小于砂浆的自由膨胀率。因此，砂浆的膨胀受到粗骨料的约束。如果粗、细骨料都是活性的,一般而言, 在早龄期, 砂浆的自由膨胀大于粗骨料的自由膨胀, 粗骨料可能约束砂浆的膨胀。但在晚龄期, 粗骨料的自由膨胀可以超过砂浆的自由膨胀。此时, 粗骨料不再约束砂浆的膨胀, 反而促进砂浆的膨胀。因此,粗骨料对碱- 骨料反应膨胀的作用仅仅是延缓, 砂浆中的细骨料的膨胀绝对不容忽视[7]。
4. 结论
广东地区花岗岩的矿物组成，主要是长石、石英、白云母和少量角闪石，岩石呈花岗状镶嵌结构。用岩相法和快速砂浆棒法联合对广东各地砂石样品进行碱活性检验，发现西江砂的潜在和明显碱硅酸活性存在的几率相当高，主要是由于河砂中波状消光的应变石英、绿泥石和玉髓引起的。而东江河砂、肇庆石等亦发现有潜在活性的样品。由于碱骨料反应的复杂性，目前国际上还没有一个一致认可的方法，以及广东地区砂石对华南建筑行业的重要性，从混凝土的耐久性和工程安全的角度考虑，应严格控制工程所用水泥的含碱量。为了保证实际工程的安全，对工程使用的花岗岩骨料，建议采取快速砂浆棒法、岩相法相结合的方法，从岩相、物理、化学等多方面进行研究，综合评定其碱活性。
参考文献
[1] 刘崇熙, 文梓芸, 汪在芹, 李珍. 混凝土骨料性能和制造工艺[M]. 广州: 华南理工大学出版社, 1999(08).
[2] Grattan Bellew, P. E. Is High Undulatory Extinction in Quartz Indiative of Alkali-Expansivity of Granitic Aggregates [C]. Proceeding of the 7th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction in Concrete, 1986.
[3] 杨华全. 三峡工程混凝土的碱-骨料反应试验研究. 混凝土 2007(05).
[4] Deer W A Zussman J Zussman J. An Introduction to the Rock Forming Minerals, London:Longman , 1966, P 528.
[5] Walshe J L, A six-component chlorite solid solution model and the conditions of chlorite formation in hydrothermal and geothermal systems , Economic Geology , 1986,81: 681-703.
[6] 王汝成, 季峻峰, 陈小明等. COMPOSITIONAL VARIATION OF CHLORITES IN URIAL DIAGENETIC PROCESSES, 2001(02).
[7] Gonte B S. An Evaluation of Some Common Indian Rocks with Special Reference to Alkali-Aggregate Reaction [J]. Engineering Geology, 1973, (7): 135-153. [8] A.K.Mullick, et al.Evaluation of Quartzite and Granite Aggregates Containing Strained Quartz [C]. Proiceeding of the 7th International Conferenceon Alkali-Aggregate Reaction in Concrete. 1986, Ⅶ: 428-433.
作者简介： 西晓林（1984－），男，华南理工大学研究生，主要从事新型建筑材料方向的研究。
单位地址：广州五山华南理工大学材料学院14号楼104室（510640）
联系电话：13570980705
