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三峡工程混凝土的碱-骨料反应试验研究

混凝土 2006-01-13

摘要：三峡工程大坝混凝土将利用闪云斜长花岗岩碎石作粗骨料，用斑状花岗岩制成的砂作细骨料。由于花岗岩含有应变石英，普遍出现波状消光，另外在应力集中区，石英形成不同类型的位错，因此其碱活性反应具有缓慢、持续时间长的特点，从地质环境、岩相、物理、化学等多方面进行了研究，采用多种方法进行了对照检验。结果表明，花岗岩的矿物组成主要是长石、石英、黑云母和少量角闪石或绿泥石等，用岩相法、化学法、砂浆长度法、小棒快速法、砂浆棒快速法、混凝土棱柱体法等进行测定属非活性，在低碱条件下，不会导致危害性膨胀，但在高碱条件下，砂浆膨胀率在数年后仍继续增长，为确保工程安全，应严格控制水泥含碱量。

关键词：三峡工程；碱骨料反应；花岗岩；骨料

      三峡二期工程混凝土将利用基坑开挖的闪云斜长花岗岩轧制的碎石作粗骨料，用下岸溪料场的斑状花岗岩制成的砂作细骨料。由于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，岩石矿物发生强烈范性变形，晶体发生多种位错，能量被贮存在点阵中。所以，花岗岩有时会表现出显著出现膨胀开裂的延续时间长达数十年的缓慢反应型的碱活性^[1]。混凝土大坝与建筑物一旦发生减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。三峡工程花岗岩含有应变石英，普遍出现波状消光。另外在应力集中区，石英形成不同类型的位错，有位错弓弯、位错网和位错缠结等，这是三峡工程花岗岩的主要活性来源。为了保证三峡工程的安全，对工程使用的花岗岩骨料，从地质环境、岩相、物理、化学等多方面进行了研究，采用了多种方法进行对照检验，综合评定其碱活性。

1 碱-骨反应及试验方法

1.1 碱-骨料反应

      碱-骨料反应(Alkali-Aggregate Reaction，简称“AAR”)，是指水泥中的碱与某些活性骨料发生化学反应，引起混凝土的不均匀膨胀，导致开裂破坏。自从1940年美国T.E.Stanton提出此问题以来，已有不少国家出现AAR破坏的工程实例，如美国、法国、印度等国使用花岗岩或片麻岩骨料，出现了碱-骨料反应的破坏事故。巴西的Moxot′水电站^[5]使用黑云母花岗岩作混凝土骨料，八年后出现了危害性的碱骨料反应。特别是法国的Shambon坝^[6]使用片麻岩及云母片岩作混凝土骨料，出现了沿大坝高度总膨胀量超过了10cm，大坝上部向上游方向倾斜了15cm的混凝土碱骨料反应破坏的工程实例。因此，碱-骨料反应问题逐渐引起了世界各国的重视。

　　碱-骨料反应，通常可分为两大类型，即碱-硅反应(Alkali-Silica Reaction，简称“ASR”和碱-碳酸盐反应(Alkali-Carbonate Reaction，简称“ACR”。ASR是指水泥中的碱与活性SiO₂，如微晶质、隐晶质、玻璃质和应变的石英及玉髓等发生化学反应，生成碱的硅酸盐凝胶，吸水后体积膨胀，引起混凝土膨胀、开裂。蛋白石、隧石、石英岩、砂岩、火山熔料等均含有活性SiO₂。ACR是指水泥中的碱与某些碳酸盐骨料，如白云石发生反应引起膨胀，使混凝土开裂破坏。由于白云石含粘土，碱离子通过包裹在细小白云石微晶外的粘土渗入白云石颗粒，使其反应产物不能通过粘土向外扩散，而使骨料膨胀，导致混凝土开裂。

　　引起碱-骨料反应的必要条件是：水泥超过安全含碱量，存在活性骨料并超过一定的数量，要有水分，如果没有水分，反应就会减小或完全停止。影响碱-骨料反应膨胀的因素很多，主要有水泥含碱量、湿度、温度、外加剂及掺合料，混凝土或砂浆中的水泥用量，活性骨料的数量、粒径和活性大小等。当混凝土处于潮湿的环境，混凝土中含碱量较高，并含有活性骨料，则有可能发生碱-骨料反应而导致膨胀、开裂。因此，必须对工程用的骨料是否含活性成分进行鉴定，并且测定水泥含碱量，以便采取必要的抑制碱-骨料反应的预防措施。

1.2 碱-骨料反应试验方法

    对骨料碱活性的评定，至今国际上尚无一个一致认可的普遍方法。岩相法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鉴定的首选方法，它是通过显微镜观察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，并且，此方法需要有相当熟练的技术。化学法是和砂浆长度法配合使用的，是国际上公认的传统方法，但它的缺点是不能鉴定由于微晶石英或变形石英所导致的慢膨胀骨料，另一个缺点是存在非SiO₂物质如碳酸盐、石膏、粘土等的干扰，这些干扰常常造成根本性的错误。砂浆长度法是与ASTM C227类同的比较经典的方法，但它的缺点是仅适用于一些高活性的快膨胀的岩石和矿物，对慢膨胀骨料则不适用。砂浆棒快速法是于1994年同时被美国和加拿大定为标准的方法(ASTM 1260和CSA A23·2-14A)，研究结果与工程记录的对比表明，该方法对硅质骨料，尤其是慢膨胀骨料与工程使用记录具有很好的一致性，被认为是比较精确可靠的，但它的问题是过于严格，某些工程被证明是无害的骨料可能被判为有害；混凝土棱柱体法受水泥细度、水灰比和养护条件(温度、湿度)及配合比等的影响较大，而且试验周期较长。

2 试验研究

2.1 花岗岩的岩相鉴定

三峡工程基坑花岗岩的矿物组成，主要是斜长石、石英、黑云母和少量角闪石，岩石呈花岗状结构和块状构造。下岸溪花岗岩的矿物组成主要是斜长石、钾长石、石英和少量绿泥石，岩石呈花岗状结构、斑状结构和块状构造。三峡坝基及下岸溪料场花岗岩，地层为上元古界前震旦系，距今8亿年，地层相对稳定，但造山运动对本地区花岗岩仍有轻微影响，主要表现是石英受到应力作用，普遍出现波状消光，但波状消光角都不大，平均都在4.4°以下，最大为10°。另外在应力集中区，石英形成不同类型的位错，有位错弓弯、位错网和位错缠结等。石英的粒度在0.3～2mm，属于细料，没有发现微粒石英。对两个料场的花岗岩中的主要岩石矿物进行了电子探针单矿物分析，斜长石在二长花岗岩中，斜长石酸度较高，在端元组分上Ab变化在96.04～97.70之间，其种属全为钠长石。花岗闪长岩中，斜长石酸度较低，其端元组分Ab变化于79.37～81.25之间，其种属全为更长石。闪云斜长花岗岩其种属为中长石。钾长石主要是微斜长石，仅大斑晶是微斜条纹长石。

2.2 岩石的化学全分析

对所取岩石按《水泥化学分析方法》(GB/T176-1996)对其化学成分进行了测定，试验结果表明，岩石的主要化学成分为SiO₂和Al₂O₃，还有少量Fe₂O₃、FeO、MgO、CaO等，其中K₂O的含量在0.54%～2.89%之间，平均为1.54%，Na₂O的含量在1.40%～7.73%之间，平均为4.91%，二者的当量含碱量(Na₂Oe)总含量在2.47%～8.20%，平均为5.92%。

2.3 岩石的化学法测定

按《水工混凝土试验规程》(SD105-82)方法进行。活性骨料的评定标准：当试验结果出现Rc>70，而Sc>Rc或Rc>70而Sc>35+Rc/2中的任何一种情况，该试样应评为具有潜在有害反应的活性骨料。所采岩石样品的化学法测定结果列于表1。从表1可以看出，所有样品用“化学法”测定均为非活性骨料。

表1 岩石的化学法测定

岩样编号	料场	岩石名称	碱度降低值Rc(mmol/L)	可溶性二氧化硅Sc(mmol/L)	结果评定
96-52	基坑	黑云斜长片麻岩	223.1	15.4	非活性
96-61	基坑	闪云斜长花岗岩	58.3	13.73	非活性
96-66	基坑	斜闪煌斑岩	135.9	18.31	非活性
96-67	基坑	碎裂化斜长花岗岩	99	9.98	非活性
96-71	下岸溪	斜长花岗岩	108.72	21.64	非活性
96-72	下岸溪	绿泥石化辉绿岩	178.94	27.47	非活性
96-73	下岸溪	石英砂岩	202.5	106.34	非活性
96-75	下岸溪	斑状二长花岗岩	114.75	90.73	非活性
96-80	下岸溪	花岗岩闪长岩	54	37.66	非活性
96-88	下岸溪	绿泥石化辉录岩	90	14.57	非活性

2.4 砂浆长度法试验

按《水工混凝土试验规程》(SD105-82)方法进行。试验的评定标准是半年膨胀率如超过0.1%，则骨料具有潜在活性。试验采用525中热硅酸盐水泥，除水泥本身含碱量(0.54%)外，还外加碱使当量含碱量分别达到0.8%、1.2%进行试验。试验结果见表2。试验结果表明，试件的膨胀率与水泥的当量含碱量及龄期有关。水泥当量含碱量越大，试件的膨胀率越大，试件的膨胀率随龄期的增加而增大。所有样品180d龄期的膨胀率均小于0.1%，表明用“砂浆长度法”检测评定属非活性骨料。

表2 砂浆长度法试验结果

岩样编号	岩石名称	当量含碱量(%)	试件膨胀率(%)
岩样编号	岩石名称	当量含碱量(%)	30d	60d	90d	180d
96-52 96-61 96-66 96-71 96-72 96-73 96-75 96-87	黑云斜长片麻岩闪云斜长花岗岩斜闪煌斑岩斜长花岗岩绿泥石化辉绿岩石英砂岩斑状二长花岗岩绿泥石化辉绿岩	0.54 0.80 1.20 0.54 0.80 1.20 0.54 0.80 1.20 0.54 0.80 1.20 0.54 0.80 1.20 0.54 0.80 1.20 0.54 0.80 1.20 0.54 0.80 1.20	0.006 0.007 0.013 0.002 0.005 0.016 0.002 0.008 0.011 0.013 0.014 0.017 0.008 0.008 0.012 0.004 0.005 0.012 0.005 0.005 0.008 0.001 0.001 0.004	0.006 0.007 0.015 0.002 0.006 0.021 0.004 0.011 0.016 0.019 0.019 0.022 0.009 0.009 0.014 0.005 0.005 0.013 0.007 0.007 0.011 0.005 0.055 0.009	0.007 0.009 0.016 0.005 0.012 0.023 0.005 0.013 0.018 0.020 0.020 0.024 0.009 0.009 0.014 0.008 0.008 0.019 0.007 0.007 0.012 0.005 0.005 0.009	0.007 0.009 0.018 0.005 0.012 0.026 0.005 0.015 0.020 0.020 0.020 0.024 0.009 0.009 0.014 0.010 0.013 0.034 0.011 0.012 0.017 0.005 0.006 0.012

图1 闪云斜长花岗岩砂浆长度法试件的膨胀率与龄期关系曲线

　　曾对三峡坝基的闪云斜长花岗岩进行过砂浆长度法长龄期的观测，试验用水泥为葛洲坝600号大坝水泥(现525中热硅酸盐水泥)，水泥的含碱量为0.78%，除水泥本身含碱量外，还外加碱使当量含碱量分别达到0.8%、1.0%、1.2%、1.5%、2.0%进行试验。观测结果见图1。从图1可以看出，闪云斜长花岗岩砂浆试件的膨胀率有随龄期的增加而增长的趋势，至13年龄期时达到最大值，之后，呈现出下降的趋势，反应似乎表现出撏Ｖ蛿的现象。膨胀率还与水泥的当量含碱量有关，膨胀率随水泥当量含碱量的增加而增大。当水泥当量含碱量达到1%时，砂浆试件14年龄期的膨胀率仍然小于0.1%的危害值。

2.5 小棒快速法

按中国工程建设标准化协会CECS48:93的方法进行。试件结果评定：在3个配比中，用膨胀率最大的一组来评定骨料的碱活性，如膨胀率大于或等于0.1%，则评定为活性骨料，小于0.1%则为非活性骨料。这种方法仅适用于评定硅质骨料的碱活性。骨料的小棒快速法试验结果见表3。从试验结果可以看出，试件的最大膨胀率为0.066%，小于0.1%，说明用该方法评定属非活性骨料。

岩样编号

岩石名称

试件膨胀率(%)

14d

28d

91d

182d

364d

96-130

96-131
96-132
96-134
96-135
96-138

黑云斜长片麻岩

闪云斜长花岗岩
碎裂化斜长花岗岩
绿泥石化辉绿岩
斑状二长花岗岩
花岗斜长岩

-0.0004
-0.0073
-0.0015
0.0008
-0.0017
-0.0021

0.0011
-0.0029
0.0040
0.0052
-0.0005
-0.0010

0.0061
0.0018
0.0040
0.0069
0.0040
0.0028

0.0117
0.0062
0.0061
0.0084
0.0052
0.0065

0.0175
0.0081
0.0043
0.0061
0.0033
0.0084

2.6 砂浆棒快速法

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。两个料场岩石砂浆棒快速法试验结果见表4。从试验结果来看，所有样品14d龄期的膨胀率均小于0.1%，表明用“砂浆棒快速法”检测评定属非活性骨料。

表4 砂浆棒快速法试验结果

岩样编号	岩石名称	试件膨胀率(%)	评定结果
96-52	黑云斜长片麻岩	0.037	非活性
96-61	闪云斜长花岗岩	0.030	非活性
96-66	斜闪煌斑岩	0.041	非活性
96-67	碎裂化斜长花岗岩	0.064	非活性
96-68	碎裂花岗岩	0.060	非活性
96-71	斜长花岗岩	0.034	非活性
96-72	绿泥石化辉绿岩	0.036	非活性
96-73	石英砂岩	0.039	非活性
96-74	绿泥石化辉绿岩	0.039	非活性
96-75	斑状二长花岗岩	0.030	非活性
96-80	花岗闪长岩	0.056	非活性
96-87	绿泥石化辉绿岩	0.066	非活性

2.7 混凝土棱柱体试验

常用的混凝土棱柱体法是加拿大方法，即CSA A23·2-14A方法。这一方法规定所用水泥的含碱量为1.0%±0.2%，并通过外加NaOH的方法，使水泥当量含碱量达到1.25%。以试件一年龄期的膨胀率作为判断骨料碱活性的依据，当试件一年龄期的膨胀率等于或超过0.40%时，则骨料判定为潜在有害活性。膨胀率小于0.04%，则判定为非活性骨料。粗细骨料使用同一种岩石的混凝土棱柱体法试验结果列于表5。从表5可以看出，岩石的混凝土试验364d龄期的膨胀率均小于0.04%，表明用“混凝土棱柱体法”检测评定属非活性骨料。

表5 混凝土棱柱体法试验结果

岩样编号	岩石名称	试件膨胀率(%)
岩样编号	岩石名称	14d	28d	91d	182d	364d
96-130	黑云斜长片麻岩	-0.0004	0.0011	0.0061	0.0117	0.0175
96-131	闪云斜长花岗岩	-0.0073	-0.0029	0.0018	0.0062	0.0081
96-132	碎裂化斜长花岗岩	-0.0015	0.0040	0.0040	0.0061	0.0043
96-134	绿泥石化辉绿岩	0.0008	0.0052	0.0069	0.0084	0.0061
96-135	斑状二长花岗岩	-0.0017	-0.0005	0.0040	0.0052	0.0033
96-138	花岗斜长岩	-0.0021	-0.0010	0.0028	0.0065	0.0084

3 结语

　　三峡基坑花岗岩的矿物组成，主要是斜长石、石英、黑云母和少量角闪石，岩石呈花岗状结构和块状构造。下岸溪花岗岩的矿物组成主要是斜长石、钾长石、石英和少量绿泥石，岩石呈花岗岩状结构、斑状结构和块状构造，波状消光角小，没有微晶石英。用岩相法、化学法、砂浆长度法、小棒快速法、砂浆棒快速法、混凝土棱柱体法等各种方法检验，基坑闪云斜长花岗岩、下岸溪斑状花岗岩属非活性岩石。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，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。

参考文献：

[1] 刘崇熙，方梓芸，汪在芹，李珍.混凝土骨料性能和制造工艺[M].广州：化南理工大学出版社，1999年8月.

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[4] 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.

[5] Cavalcanti A. J. C. T.Alkali-Aggregate Reaction at Moxoto Dam， Brazil [C]. Proc 7th Int Conf. Ottawa， 1986: 168-172.

[6] 马赛尔·阿罗德.法国硅碱骨料中碱骨料反应的最新研究[J].中国三峡工程建设，1998年5月

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