1、混凝土骨料的碱活性及其评价（刘莹 王学杰） 摘 要 骨 料 碱 活 性 检 验 的 方 法 较 多 。 判 定 骨 料 是 否 具 有 潜 在 活 性 ， 大 多 需 要采 用 几 种 检 验 方 法 相 互 印 证 ， 以 提 高 结 论 的 准 确 性 。 本 文 采 用 多 种 方 法 对 实 际 工 程采 用 的 骨 料 进 行 检 验 ， 通 过 具 体 分 析 ， 对 骨 料 碱 活 性 进 行 了 评 价 。 关 键 词 碱 活 性 砂 浆 棒 快 速 法 评 价1 前 言所 谓 碱 骨 料 反 应 是 指 混 凝 土 原 材 料 中 的 水 泥 、 外 加 剂 、 掺 合 料
2、和 水 中 的 碱（ Na2O+0.658K2O） 与 骨 料 中 的 活 性 成 分 逐 渐 反 应 ， 其 反 应 生 成 物 吸 水 膨 胀 使 混 凝土 产 生 内 部 应 力 ， 导 致 混 凝 土 膨 胀 开 裂 损 坏 。 混 凝 土 的 碱 骨 料 反 应 是 混 凝 土 耐久 性 研 究 的 重 要 课 题 之 一 。 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
3、法 补 救 ， 因 而 被 称 为 混 凝 土 的 癌 症 。鉴 定 骨 料 的 碱 活 性 和 活 性 程 度 是 预 防 工 程 混 凝 土 发 生 碱 骨 料 反 应 的 重 要 程 序 ，世 界 各 国 都 很 重 视 骨 料 活 性 的 检 测 。 比 较 常 见 的 、 被 认 为 行 之 有 效 的 检 测 骨 料 活 性的 方 法 有 很 多 种 。 骨 料 是 否 具 有 活 性 的 结 论 ， 对 工 程 影 响 很 大 ， 因 此 需 要 通 过 专 门的 试 验 进 行 检 验 。2 碱 骨 料 反 应 的 分 类 及 检 验 方 法不 同 的 活 性 骨 料 ， 其
4、破 坏 机 理 也 不 同 ， 一 般 按 与 碱 反 应 的 岩 石 类 型 ， 可 将 碱 骨 料 反 应 划 分 为 三 种 类 型 ， 即 碱 -硅 酸 反 应 、 碱 -碳 酸 盐 反 应 、 碱 -硅 酸 盐 反 应 。碱 -硅 酸 反 应 （ Alkali-Silica Reaction）碱 -硅 酸 反 应 是 水 泥 中 的 碱 与 骨 料 中 的 活 性 氧 化 硅 成 分 反 应 ， 产 生 碱 硅 酸 盐 凝 胶或 称 碱 硅 凝 胶其 反 应 式 可 归 纳 为 ： 2NaOH+SiO2+nH2O Na2O.SiO2.NH2O碱 硅 酸 类 呈 白 色 凝 胶 固 体
5、 ， 其 体 积 大 于 反 应 前 的 体 积 ， 而 且 有 强 烈 的 吸 水 性 ，吸 水 后 膨 胀 引 起 混 凝 土 内 部 膨 胀 应 力 ， 而 且 碱 硅 凝 胶 吸 水 后 进 一 步 促 进 碱 骨 料 反 应的 发 展 ， 使 混 凝 土 内 部 膨 胀 应 力 增 大 ， 导 致 混 凝 土 开 裂 ， 发 展 严 重 的 会 使 混 凝 土 结构 崩 溃 。 能 与 碱 发 生 反 应 的 活 性 氧 化 硅 矿 物 有 蛋 白 石 、 玉 髓 、 玛 瑙 、 鳞 石 英 、 方 英石 、 火 山 玻 璃 及 结 晶 有 缺 陷 的 石 英 以 及 微 晶 、 隐
6、 晶 石 英 等 ， 而 这 些 活 性 矿 物 广 泛 存在 于 多 种 岩 石 中 ， 因 而 迄 今 为 止 世 界 各 国 发 生 的 碱 骨 科 反 应 事 例 中 ， 绝 大 多 数 为 碱 -硅 酸 反 应 。碱 -碳 酸 盐 反 应 （ Alkali-Carbonate Reaction）一 般 的 碳 酸 岩 、 石 灰 石 和 白 云 石 是 非 活 性 的 ， 只 有 泥 质 石 灰 质 白 云 石 ， 才 发 生碱 -碳 酸 盐 反 应 。碱 -碳 酸 盐 反 应 主 要 是 脱 (去 )白 云 石 反 应 ， 即 某 些 特 定 的 微 晶 白 云 石 和 氢 氧 化
7、钠 (NaOH)、 氢 氧 化 钾 (KOH)等 碱 类 反 应 生 成 氢 氧 化 镁 Mg(OH)2 即 水 镁 石 和 碳酸 盐 等 ； 这 些 生 成 物 和 水 泥 水 化 产 物 氢 氧 化 钙 Ca(OH)2 又 起 反 应 ， 重 新 生 成碱 ， 使 脱 白 云 石 反 应 继 续 下 去 ， 直 到 白 云 石 被 完 全 作 用 完 ， 或 碱 的 浓 度 被 继 续 发 生的 反 应 降 至 足 够 低 为 止 。碱 -硅 酸 盐 反 应 （ Alkali-Silicate Reaction）碱 硅 酸 盐 反 应 是 指 混 凝 土 中 的 碱 与 骨 料 中 某 些
8、 层 状 结 构 的 硅 酸 盐 发 生 反 应 ， 使层 状 硅 酸 盐 层 间 间 距 增 大 ， 骨 料 发 生 膨 胀 ， 致 使 混 凝 土 膨 胀 开 裂 。骨 料 碱 活 性 的 检 验 方 法 一 般 有 如 下 几 种 ：岩 相 法 ： 它 是 通 过 肉 眼 和 显 微 镜 观 察 新 鲜 岩 石 断 口 来 鉴 定 骨 料 的 种 类 和 成 分 ，特 别 是 那 些 已 知 活 性 矿 物 存 在 与 否 的 骨 料 ， 以 此 来 判 断 其 是 否 存 在 碱 活 性 ， 但 其 缺点 是 得 不 到 活 性 组 分 含 量 与 膨 胀 率 的 定 量 关 系 。化
9、 学 法 ： 它 是 在 规 定 条 件 下 ， 测 定 碱 溶 液 和 骨 料 反 应 溶 出 的 二 氧 化 硅 浓 度 及 碱度 降 低 值 ， 借 以 判 断 骨 料 在 使 用 高 碱 水 泥 的 混 凝 土 中 是 否 产 生 危 害 性 的 反 应 。 该 方法 不 适 用 于 含 碳 酸 盐 的 骨 料 。 不 能 鉴 定 由 于 微 晶 石 英 或 变 形 石 英 所 导 致 的 众 多 慢 性膨 胀 骨 料 。骨 料 活 性 判 定 ： 当 试 验 结 果 出 现 碱 度 降 低 值 70 而 滤 液 中 的 二 氧 化 硅 浓 度 碱 度 降 低 值 或 碱 度 降 低
10、值 70 而 滤 液 中 的 二 氧 化 硅 浓 度 35+碱 度 降 低 值 /2 中 的 任 何 一 种 ， 该 试 样 就 被 评 为 具 有 潜 在 有 害 反 应 。砂 浆 长 度 法 ： 它 是 通 过 测 定 水 泥 砂 浆 试 件 的 长 度 变 化 ， 以 鉴 定 水 泥 中 的 碱 与 活性 骨 料 间 的 反 应 所 引 起 的 膨 胀 是 否 具 有 潜 在 危 害 。 它 是 在 岩 相 法 检 验 和 化 学 法 检 验均 不 能 作 出 定 论 时 进 行 的 ， 适 用 于 碱 骨 料 反 应 较 快 的 碱 -硅 酸 盐 反 应 和 碱 -硅 酸反 应 ， 不
11、 适 用 于 碱 -碳 酸 盐 反 应 。骨 料 活 性 判 定 ： 对 于 砂 样 ： 当 砂 浆 半 年 的 膨 胀 率 超 过 0.10%， 或 3 个 月 的膨 胀 率 超 过 0.05%时 ， 即 被 评 为 具 有 危 害 性 的 活 性 骨 料 。 反 之 ， 如 低 于 上 述 数 值 ，则 被 评 为 非 活 性 骨 料 。 对 于 石 料 ： 当 砂 浆 半 年 膨 胀 率 低 于 0.10%， 或 3 个 月 的膨 胀 率 低 于 0.05%时 ， 即 被 评 为 非 活 性 骨 料 。 反 之 ， 如 超 过 上 述 数 值 ， 则 被 评 为 具有 危 害 性 的 活
12、 性 骨 料 。碳 酸 盐 骨 料 碱 活 性 检 验 ： 在 规 定 条 件 下 测 量 碳 酸 盐 骨 料 试 件 在 碱 溶 液 中 的 长 度变 化 ， 以 鉴 定 其 作 为 混 凝 土 骨 料 是 否 具 有 碱 活 性 。 该 方 法 适 用 于 碳 酸 盐 岩 石 的 研 究与 料 场 初 选 ， 但 是 试 验 龄 期 较 长 ， 约 需 要 12 周 。骨 料 活 性 判 定 ： 浸 泡 84 天 试 件 膨 胀 率 在 0.10%以 上 时 ， 该 岩 样 应 评 为 具 有危 害 性 。 不 宜 作 为 混 凝 土 骨 料 。 必 要 时 应 以 混 凝 土 试 验 结
13、 果 作 出 最 后 评 定 。砂 浆 棒 快 速 法 ： 砂 浆 棒 快 速 法 是 同 时 被 美 国 和 加 拿 大 定 为 标 准 的 方 法（ ASTM C1260-94 和 CSAA23.2-25A） ， 该 方 法 能 在 16 天 内 检 测 出 骨 料 在 砂 浆 中的 潜 在 有 害 的 碱 硅 酸 反 应 ， 尤 其 适 合 于 检 验 反 应 缓 慢 或 只 在 后 期 才 产 生 膨 胀 的 骨料 。 被 认 为 是 比 较 精 确 可 靠 的 ， 但 它 的 问 题 是 过 于 严 格 。砂 浆 棒 快 速 法 评 定 标 准 为 ：（ 1） 砂 浆 试 件 14d
14、 的 膨 胀 率 小 于 0.1%， 则 骨 料 为 非 活 性 骨 料 ；（ 2） 砂 浆 试 件 14d 的 膨 胀 率 大 于 0.2%， 则 骨 料 为 具 有 潜 在 危 害 性 反 应 的 活性 骨 料 ；（ 3） 砂 浆 试 件 14d 的 膨 胀 率 在 0.1%至 0.2%之 间 的 ， 对 这 种 骨 料 应 结 合 现 场记 录 、 岩 相 分 析 、 或 开 展 其 他 的 辅 助 试 验 、 试 件 观 测 的 时 间 延 至 28d 后 的 测 试结 果 来 进 行 综 合 评 定 。混 凝 土 棱 柱 体 试 验 法 ： 混 凝 土 棱 柱 体 法 是 评 定 混
15、 凝 土 试 件 在 升 温 及 潮 湿 条 件 养护 下 ， 水 泥 中 的 碱 与 骨 料 反 应 所 引 起 的 膨 胀 是 否 具 有 潜 在 危 害 。 适 用 于 碱 -硅 酸反 应 和 碱 -碳 酸 盐 反 应 ， 试 验 周 期 较 长 ， 需 要 一 年 。骨 料 活 性 判 定 ： 当 试 件 一 年 的 膨 胀 率 不 小 于 0.04%时 ， 则 判 定 为 具 有 危 害 性反 应 的 活 性 骨 料 ； 膨 胀 率 小 于 0.04%时 ， 则 判 定 为 非 活 性 骨 料 。压 蒸 法 （ 又 叫 快 速 法 ） ： 本 方 法 是 由 中 国 工 程 建 设
16、标 准 化 协 会 推 荐 的 （ CES 48 93 中 的 150 压 蒸 法 ） ， 该 方 法 能 在 砂 浆 试 件 成 型 一 天 后 就 对 骨 料 的 碱 活 性 给出 定 量 的 判 断 ， 但 由 于 高 温 高 压 改 变 了 水 泥 水 化 条 件 ， 其 结 果 如 何 与 实 际 情 况 作 比较 仍 存 在 争 论 。3 骨 料 碱 活 性 的 评 价对 一 种 骨 料 潜 在 活 性 的 判 断 ， 必 须 建 立 在 试 验 资 料 的 基 础 上 ， 而 每 一 种 试 验 方法 并 非 十 全 十 美 ， 有 的 还 需 在 实 践 中 加 以 充 实 和
17、 完 善 ， 所 以 对 于 砂 、 石 料 场 的 骨 料是 否 存 在 潜 在 活 性 只 有 通 过 连 续 的 、 系 统 的 取 样 并 有 针 对 性 的 选 择 检 验 方 法 才 能 作出 合 适 的 评 价 。合 水 县 城 供 水 工 程 可 行 性 研 究 阶 段 要 对 其 骨 料 进 行 碱 活 性 检 验 ， 粗 细 骨 料 分 别取 自 巴 家 嘴 料 场 和 长 庆 桥 料 场 。 首 先 用 岩 相 法 鉴 定 骨 料 的 种 类 和 矿 物 组 成 ， 初 步 鉴定 活 性 成 分 。 之 后 采 用 砂 浆 棒 快 速 法 对 骨 料 的 碱 活 性 进
18、一 步 效 验 。岩 相 法 是 进 行 薄 片 鉴 定 对 骨 料 进 行 详 细 定 名 。 这 对 选 择 合 适 的 检 测 方 法 有 重 要指 导 作 用 ， 一 直 是 作 为 骨 料 碱 活 性 检 验 的 首 选 方 法 。 表 1、 表 2 为 某 工 程 骨 料碱 活 性 岩 相 法 的 检 验 结 果 ， 由 此 可 知 ， 两 组 样 品 分 别 为 浅 灰 色 岩 屑 石 英 粉 砂 质 泥 灰岩 及 暗 紫 红 色 泥 质 屑 粉 砂 岩 。 其 矿 物 组 成 中 均 无 微 晶 石 英 、 应 变 石 英 等 活 性 矿 物 成分 。 初 步 判 定 为 非
19、活 性 骨 料 。经 岩 相 法 进 行 测 试 结 果 分 析 ， 此 次 研 究 砂 样 样 品 为 暗 紫 红 色 泥 质 屑 粉 砂 岩 。 经薄 片 鉴 定 分 析 后 得 出 ：岩 石 综 和 描 述 ： 标 本 暗 紫 红 色 ， 粉 砂 状 结 构 ， 碎 屑 颗 粒 细 小 ， 断 面 不 平 整 ；局 部 可 见 直 径 为 5mm 的 暗 紫 红 色 泥 质 团 块 ， 以 及 直 径 为 1mm 的 灰 白 色 方 解 石 细脉 ， 呈 不 规 则 椭 球 状 分 布 无 序 。 岩 石 遇 稀 盐 酸 剧 烈 起 泡 ， 为 钙 质 胶 结 。 薄 片 ： 具 泥质
20、粉 砂 状 结 构 ， 碎 屑 粒 径 为 0.008-0.05mm， 其 中 以 0.01-0.03mm 为 主 ， 分 选 中等 。 碎 屑 多 为 不 规 则 状 ， 大 多 呈 棱 角 状 ， 少 量 呈 次 棱 角 状 ， 磨 圆 度 差 。 局 部 可 见 细长 条 状 颗 粒 呈 半 定 向 排 列 。 碎 屑 成 分 主 要 为 石 英 ， 少 量 石 长 、 云 母 、 绿 泥 石 ， 以 及泥 岩 、 灰 岩 岩 屑 。 石 英 无 色 透 明 ， 多 呈 棱 角 状 不 规 则 分 布 ， 少 量 颗 粒 可 见 局 部 被 碳酸 盐 交 代 ； 长 石 为 斜 长 石
21、， 可 见 明 显 的 聚 片 双 晶 ； 云 母 多 呈 细 长 条 状 、 短 片 状 ， 部分 呈 不 规 则 弯 曲 ， 主 要 为 白 云 母 ， 无 色 透 明 ， 黑 云 母 可 见 有 褐 铁 矿 浸 染 现 象 ； 绿 泥石 多 呈 细 长 条 状 、 片 状 ， 常 见 弯 曲 ； 泥 岩 岩 屑 粗 细 混 杂 ， 可 见 不 规 则 状 砂 屑 及 长 条状 砾 屑 ， 界 线 较 模 糊 ， 岩 屑 内 云 母 呈 细 长 条 状 半 定 向 排 列 ； 粉 砂 质 灰 岩 岩 屑 粒 径 为0.03-0.1mm， 具 较 明 显 的 高 级 白 干 涉 色 及 闪
22、突 起 ， 岩 屑 中 含 棱 角 状 石 英 、 长 石 ， 其粒 径 为 0.05-0.1mm 无 序 分 布 。 填 隙 物 为 粘 土 质 杂 基 含 量 高 ， 有 重 结 晶 ； 胶 结 物 为方 解 石 、 铁 质 和 绿 泥 石 ， 方 解 石 多 呈 交 代 团 块 状 。 颗 粒 之 间 基 本 为 基 底 式 胶 结 。详 细 定 名 ： 暗 紫 红 色 泥 质 屑 粉 砂 岩经 岩 相 法 进 行 测 试 结 果 分 析 ， 此 次 研 究 砾 石 样 为 浅 灰 色 岩 屑 石 英 粉 砂 质 泥 灰 岩 。经 薄 片 鉴 定 分 析 后 得 出 ：岩 石 综 和 描
23、 述 ： 标 本 浅 灰 色 ， 泥 质 粉 砂 状 结 构 ， 局 部 可 见 粒 径 2-20mm 的 暗 紫 红 色 泥 岩 角 砾 ， 呈 不 规 则 状 ， 杂 乱 分 布 。 岩 石 遇 稀 盐 酸 剧 烈 起 泡 ， 为 钙 质 胶结 。 薄 片 具 粉 砂 状 泥 质 结 构 ， 见 因 颜 色 的 差 异 所 形 成 的 条 带 构 造 ， 贯 穿 整 个 薄 片 。碎 屑 粒 径 为 0.008-0.05mm， 其 中 以 0.03-0.05mm 为 主 ， 分 选 中 等 。 碎 屑 多 为 不规 则 状 ， 大 多 呈 棱 角 状 ， 少 量 呈 次 棱 角 状 ， 磨
24、 圆 度 差 。 细 长 条 状 颗 粒 呈 半 定 向 排 列 。碎 屑 成 分 主 要 为 石 英 、 长 石 、 灰 岩 岩 屑 及 少 量 云 母 、 绿 泥 石 。 石 英 无 色 透 明 ， 多 呈棱 角 状 不 规 则 分 布 ， 少 量 颗 粒 可 见 局 部 被 碳 酸 盐 无 序 交 代 ； 长 石 主 要 为 斜 长 石 ， 可见 明 显 的 聚 片 双 晶 ； 云 母 多 呈 细 长 条 片 状 半 定 向 排 列 ， 部 分 呈 不 规 则 弯 曲 ， 主 要 为白 云 母 ， 黑 云 母 少 而 且 具 绿 泥 石 化 ， 多 呈 细 长 条 状 、 片 状 半 定
25、 向 排 列 ， 常 见 弯 曲 ；灰 岩 岩 屑 含 量 高 ， 棱 角 状 次 棱 角 状 分 布 杂 乱 ， 部 分 岩 屑 中 可 见 不 规 则 粒 状 方 解 石 ，具 较 明 显 的 高 级 白 干 涉 色 及 闪 突 起 。 填 隙 物 为 大 量 灰 泥 状 和 粘 土 质 杂 基 ， 以 及 铁 质胶 结 物 ， 局 部 可 见 红 褐 色 粘 土 质 团 块 和 方 解 石 团 块 ， 有 交 代 特 征 ， 颗 粒 之 间 呈 基 底式 胶 结 。详 细 定 名 ： 浅 灰 色 岩 屑 石 英 粉 砂 质 泥 灰 岩为 进 一 步 判 断 该 骨 料 的 碱 活 性 ，
26、 且 检 验 该 骨 料 在 砂 浆 中 的 潜 在 有 害 的 碱 硅 酸 反 应 。 结 合 工 程 的 施 工 阶 段 及 试 验 经 费 等 要 求 ， 选 用 砂 浆 棒 快 速 法 进 行 进 一 步的 论 证 。 砂 浆 棒 快 速 法 能 在 16 天 内 检 测 出 骨 料 在 砂 浆 中 的 潜 在 有 害 的 碱 硅酸 反 应 ， 尤 其 适 合 于 检 验 反 应 缓 慢 或 只 在 后 期 才 产 生 膨 胀 的 骨 料 。砂 浆 棒 快 速 法 ： 首 先 对 样 品 按 规 定 级 配 进 行 粉 碎 后 ， 采 用 压 蒸 膨 胀 率 小 于0.20%碱 含 量
27、 为 0.9%0.1%的 水 泥 进 行 成 型 ， 水 泥 与 骨 料 的 质 量 比 为 1 2.25，一 组 为 3 个 试 件 ， 共 需 水 泥 400g、 砂 900g,砂 浆 水 灰 比 为 0.47。 放 入 802的 烘 箱 中 ， 测 得 基 准 长 度 后 进 行 3 次 观 测 ， 即 3d、 7d、 14d。砂 浆 棒 快 速 法 试 验 结 果 见 表 3（ 略 ） 。 龄 期 膨 胀 曲 线 见 图 1 图 2。检 验 结 果 表 明 :编 号 为 BJZS 的 砾 石 样 品 和 CQQL 的 粗 砂 样 品 砂 浆 条 14 天膨 胀 率 分 别 为 0.04
28、6%、 0.031%， 小 于 0.1%。 评 定 为 非 活 性 骨 料 。 该 结 果 与 岩 相 法检 验 结 果 一 致 。通 过 岩 相 法 及 砂 浆 棒 快 速 法 对 该 工 程 骨 料 的 碱 活 性 检 验 及 分 析 ， 得 出 的 结 论 一致 ， 经 综 合 评 定 ， 两 个 料 场 的 骨 料 均 为 非 活 性 骨 料 。4 结 语（ 1） 骨 料 碱 活 性 检 验 有 多 种 方 法 ， 应 根 据 骨 料 的 岩 性 、 反 应 类 型 和 工 程 的 实 际情 况 等 有 针 对 性 的 选 择 检 验 方 法 。（ 2） 由 于 碱 骨 料 反 应 的
29、 复 杂 性 ， 骨 料 碱 活 性 检 验 不 应 采 用 单 一 的 方 法 ， 应在 岩 相 法 、 化 学 法 的 基 础 上 再 选 择 一 种 或 两 种 以 上 的 方 法 进 行 ， 对 检 验 结 果 进 行 综合 评 价 。（ 3） 实 际 工 作 中 不 同 检 验 方 法 得 出 的 结 论 可 能 会 出 现 不 一 致 的 现 象 ， 建 议 采 用棱 柱 体 法 作 进 一 步 的 检 验 ， 并 最 终 作 出 判 定 。参 考 文 献 1 水 工 混 凝 土 试 验 规 程 (SL352-2006)， 中 国 水 利 水 电 出 版 社 出 版 、 发行 ， 2006 2 水 工 混 凝 土 砂 石 骨 料 试 验 规 程 (DL/T5151-2001)， 中 国 电 力 出 版 社 ，2002
