摘要：本文详细介绍了南水北调中线京石段应急供水工程漕河段岭东料场天然砂砾石骨料碱－硅酸反应活性的研究结果。岩相法检测显示卵石样品主要由石英、钠长石及白云石和少量云母类矿物组成，砂样品主要由石英、钠长石等矿物组成，重要的碱活性物质玉髓主要出现在白云岩裂隙和硅质灰岩的基质中；“砂浆棒快速法”检测结果显示砂、小石、中石样品14天的膨胀率均不超过0.1％，为非碱－硅酸反应活性骨料，但卵石样品仍具有一定的碱活性，且后期膨胀率一直持续增长。综合“岩相法”和“砂浆棒快速法”的试验结果，认为漕河岭东料场的砂砾石骨料在工程中使用时必须采取有效的抑制措施。碱－硅酸反应抑制试验结果表明在混凝土中掺加20％～25％的粉煤灰抑制碱－硅酸反应是有效的。岭东料场的白云岩为不具有潜在碱－碳酸盐反应活性骨料。本文的研究结果为漕河工程的料场选定及混凝土的配制提供了技术支持，为保证工程质量奠定了基础。
关键词：南水北调 天然骨料 碱－硅酸反应 碱－碳酸盐反应
中图分类号：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
碱骨料反应是影响混凝土耐久性的一个重要方面。施工中若不可避免采用含有活性的骨料，碱骨料反应一旦发生，特别是对于薄壁混凝土结构，将无法补救，给工程带来的危害相当严重。 因此，必须进行骨料的碱活性检验和碱活性骨料的抑制试验，使南水北调工程混凝土结构不发生碱骨料反应，对延长工程使用寿命具有重要意义。
漕河段工程是南水北调中线京石段应急供水工程的组成部分，位于河北省保定市满城县城西北，起点为吴庄隧洞进口，终点为岗头隧洞出口，线路全长9319.7米。该段主要建筑物包括吴庄隧洞、漕河渡槽、岗头隧洞等７座大小建筑物。跨越漕河的巨型渡槽为2300米长、底宽20米、加大输水流量为150秒立方米，最大跨度30米，技术含量高、施工难度大，不仅是整个南水北调中线干线的最大渡槽，也是我国当前的最大输水渡槽。
鉴于华北地区骨料的碱活性问题比较普遍，中线局十分重视漕河段工程的料场选址工作，中国水科院结构材料所配合中线局对多个料场进行了现场勘察、取样及试验室检验，对岭东料场天然砂砾石骨料进行了碱－硅酸反应活性检验试验和碱－硅酸反应活性抑制试验，为漕河工程的料场选定及混凝土的配制提供了技术支持，为保证工程质量奠定了基础。
1、试验原材料
1) 水泥： 试验采用鹿泉东方鼎鑫水泥有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥，水泥中的碱含量为0.69％。
2) 粉煤灰：试验采用西柏坡电厂生产的粉煤灰，粉煤灰的碱含量为0.86％。
3) 骨料：试验采用漕河岭东料场的天然砂、砾石骨料。碎卵石分（5～20）mm、（20～40）mm二级配。本次取样共挖探坑6个，每个探坑深4m，总进尺24m。每个探坑采用全坑取样法，然后进行筛分，并用4分法取样，每个探坑取砂料300kg，（5～20）mm砾石250kg，（20～40）mm砾石250kg进行混合。共取砂料1.8t，（5～20）mm砾石1.5t，（20～40）mm砾石1.5t。在漕河岭东周庄附近河床的不同部位选取了15块粒径约15cm～20cm的白云岩，最终确定了5块白云岩钻芯取样后进行碱－碳酸盐反应活性检验。
2、试验内容及方法
对试验采用的砂（0～5mm）、小石（5～20mm）、中石（20～40mm）三种级配的骨料分别进行碱－硅酸反应活性检验和碱－硅酸反应活性抑制试验，抑制试验采用20％和25%两种粉煤灰掺量。碱－硅酸反应活性检验方法采用《水工混凝土砂石骨料试验规程》1DL/T 5151-2001 中的“岩相法”和“砂浆棒快速法”进行。碱－硅酸反应活性抑制试验方法采用《青藏铁路梁体混凝土掺合料抑制碱－骨料反应有效性试验操作规程》进行。该方法采用工程用骨料，硅酸盐水泥与粉煤灰之和与骨料的质量比为1:2.25。粉煤灰、外加剂均按工程实际掺量掺入，粉煤灰等量替代水泥，用水量以砂浆流动度在105mm～120mm之间由试验确定，以28天龄期试件长度膨胀率小于0.10％作为掺合料抑制混凝土碱－硅酸反应评定为有效的评判标准。其它内容基本与DL/T 5151-2001 中的“砂浆棒快速法”相同。
根据“岩相法”检验结果，对漕河料场砾石又进行了碱－碳酸盐反应活性检验。碱－碳酸盐反应活性检验采用《水工混凝土砂石骨料试验规程》DL/T5151-2001中的 “碳酸盐骨料的碱活性检验”方法。
3、骨料的岩相法检验
对骨料的岩性和矿物组成进行岩相检验。检验手段除岩相法外也适当地运用了X射线衍射分析、扫描电镜能谱分析及显微镜下分析等方法，以辅助岩相分析。
3.1岩相法分析
样品分3种，中石(20～40mm，编号A)，小石(5～20mm，编号B)，砂料(0～5mm，编号C)。对卵石而言，先自大样中缩分一部分样品据肉眼观察按火成岩、沉积岩和变质岩进行岩性分类，而后对各类卵石称重求百分比，最后随机自各类卵石中挑选6块磨制薄片供岩相鉴定。对风干后砂料筛分各级别则采用双目实体显微镜法和油浸法鉴定其中的碱活性组分，每级观察颗粒数不少于300颗。
3.2 X射线衍射分析
缩分出来的2种卵石混合样经挑选若干块磨制抛光片后的余样(占总量的绝大部分)经破碎－再缩分－磨细，以此作为X射线衍射分析和能谱分析用样，从中所获结果对在总体上把握物料的性质是很有益处的。对A、C两混合样品的衍射分析结果的对比表明，A样主要由石英(Q)、钠长石(Ab)及白云石(D)和少量云母类矿物(Bit)组成，实际上B样也如此，而C样中白云石量则大为减少，主要由石英、钠长石组成，另见少量角闪石类矿物(Mag)。
3.3 X射线能谱分析
对各混合样进行了重要元素的化学分析，结果见表1。各样品的能谱分析结果见图1～图3。
从图中可以看到，A、B两样在各重要化学组成的相对含量上相似，其特点是火成岩与白云岩占明显数量，而砂料C中碳酸盐明显减少，SiO2量明显增加。
由于偏光显微镜下难以区分白云石和方解石，故除衍射分析外主要采用能谱分析来证明卵石中的灰岩主要属于白云岩而不是石灰岩。见图4～图7。
3.4 各重要岩性的显微镜下结构特征
各重要岩性的显微镜下结构特征见图8～16。
据薄片的显微镜鉴定结果可以得到如下若干看法：
1) 沉积岩主要属白云岩，另见少量硅质灰岩、凝灰岩，沉积岩,在卵石中相对占量约45％，因此白云石属重要矿物组成，而其中尚见一定数量的玉髓。
2) 火成岩以花岗岩为主，见少量花岗片麻岩，火成岩在卵石中相对占量约50％，岩石受到了中等程度的风化，其中的长石多数为绢云母交代。
3) 重要的碱活性物质玉髓主要出现在白云岩裂隙和硅质灰岩的基质中，虽玉髓在其中的占量属少数，但由于沉积岩在卵石中相对占量约45％，所以玉髓的不良影响也不能忽视。
3.5白云岩岩性检验
编号为漕河1、2、3、4、5号的5个样品，皆呈灰白色。经岩石显微镜鉴定、能谱分析及X射线衍射分析可判定漕河1、2、3、4、5号砾石均为白云岩，但其中4号骨料富含硅质（见图17）。
为确定漕河4样品中硅质的形态，磨制薄片在镜下进行了观察，可确定它们主要以微细粒石英集合体－即玉髓的形式存在，它可能是胶体SiO2在Ca、Mg碳酸盐化学沉积形成白云岩过程中一起沉淀并重结晶的，按骨料评价规范，它应属活性二氧化硅，其典型镜下特征见图18。 
因此，漕河岭东料场所取的5块标本均为白云岩，而漕河4号样品中硅质较多，但其量应该<10％；硅质的存在形式为微晶石英即玉髓，属活性硅，岩石定名为硅质白云岩较确切。
4、骨料的碱－硅酸反应活性检验及抑制试验
由碱－硅酸反应活性检验试验可见，砂、小石、中石样品（序号1、2、3）14天的砂浆膨胀率分别为0.030％、0.078％和0.094％，石料的膨胀率最大达0.094％，接近0.1％。为慎重起见，延长了试验龄期，发现后期膨胀率迅速增长，到28天龄期，小石、中石的膨胀率超过了0.2％。虽然依据《水工混凝土砂石骨料试验规程》DL/T 5151-2001 “砂浆棒快速法”中的评定标准：“砂浆试件14天的膨胀率小于0.1%，则骨料为非活性骨料。”，漕河岭东料场的砂、小石、中石应判定为非活性骨料。综合岩相法检测表明在白云岩裂隙和硅质灰岩的基质中存在一定量的碱活性矿物－玉髓，以及碱－硅酸反应活性检验结果反映出一定的膨胀性，认为对漕河岭东料场的砂砾石骨料在工程中使用时必须采取有效的抑制措施——控制原材料及混凝土中的碱含量、掺加适量的矿物掺合料、不得在含碱环境中使用等。
碱－硅酸反应活性抑制试验结果（序号4、5、6、7、8、9）表明，掺入20％和25％的粉煤灰均对碱－硅酸反应具有良好的抑制效果，抑制试验观测至108天，其膨胀率基本为负值，没有发生膨胀的趋势。因此，在混凝土中掺入20％～25％的粉煤灰对抑制碱－硅酸反应是有效的。
5、碱－碳酸盐反应活性检验试验
碱－碳酸盐反应活性检验试验采用DL/T5151-2001中的 “碳酸盐骨料的碱活性检验”方法，规程中评判标准为：浸泡84天时间膨胀率在0.10%以上时，该岩样应评为具有潜在碱活性危害。 碱－碳酸盐发应活性检验试验结果见图21。其中1～5号岩样为5块白云岩钻芯取样的试验结果。
由图21试验结果可见，浸泡84天时所检验的5组岩样膨胀率都为负值，曲线基本平稳。因此，漕河岭东料场的砾石骨料可评定为不具有潜在碱－碳酸盐反应活性骨料。
6、结论
漕河岭东料场砾石主要为花岗岩（约50％）和白云岩（约45％），对岭东料场砾石进行的碱－硅酸盐反应活性检测和抑制试验，以及碱－碳酸盐反应活性检验表明：
1) 按照现行有关规范，漕河岭东料场的砂砾石骨料为非碱－硅酸反应活性骨料。但综合岩相法和砂浆棒快速法的试验结果，认为漕河岭东料场的砂砾石骨料在工程中使用时必须采取有效的抑制措施——控制原材料和混凝土中的碱含量、掺加适量的矿物掺合料、不得在含碱环境中使用等。
2) 混凝土中掺入20％～25％的粉煤灰抑制碱－硅酸反应是有效的。
3) 漕河岭东料场的砾石骨料为不具有潜在碱－碳酸盐反应活性骨料。
天然料场砂砾石骨料矿物成分十分复杂，必须要全面进行现行的各项检测方法，根据试验结果综合分析判断，才能使得工程发生碱骨料反应的风险降到最低。
