商洛市丹江河砂堿活性研究

王緒旺

（商洛學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西商洛726000）

商洛市丹江河砂堿活性研究

王緒旺

（商洛學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西商洛726000）

骨料的堿活性影響混凝土結(jié)構(gòu)的安全與耐久，對(duì)商洛市商州區(qū)段丹江及其主要支流進(jìn)行全線(xiàn)分析，在具有代表性的河砂地點(diǎn)實(shí)地取樣，采用人工四分法制備砂樣，進(jìn)行巖相鑒定，并將砂樣制成膠砂試件使其處于在一定堿環(huán)境下，以不同齡期、溫度、壓力、濕度環(huán)境中的膠砂膨脹率為判據(jù)，測(cè)定丹江河砂試樣膠砂膨脹率，并進(jìn)行試驗(yàn)分析。結(jié)果表明，所檢測(cè)的商州區(qū)段丹江河砂為非堿-硅酸反應(yīng)活性骨料，商洛市商州區(qū)段丹江河砂在砂源穩(wěn)定前提下不具有堿活性，但具有潛在的堿活性，需要建立長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)的堿活性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以保證商洛市混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

河砂；堿活性；堿骨料反應(yīng)

堿骨料反應(yīng)（Alkali-Aggregate Reaction，簡(jiǎn)稱(chēng)AAR）是指混凝土孔溶液中來(lái)自水泥、外加劑和環(huán)境的堿離子（K+、Na+、OH-）與骨料中的活性組分發(fā)生的膨脹性化學(xué)反應(yīng)，其結(jié)果是導(dǎo)致混凝土膨脹和開(kāi)裂破壞。堿骨料反應(yīng)根據(jù)骨料中活性成分的不同主要分為堿-硅酸反應(yīng)（Alkali-Silica Reaction，簡(jiǎn)稱(chēng)ASR）與堿一碳酸鹽反應(yīng)（Alkali-Carbonate Reaction，簡(jiǎn)稱(chēng)ACR）。以往的工程實(shí)踐表明，ACR類(lèi)反應(yīng)發(fā)生的工程案例較少，工程中已發(fā)現(xiàn)的堿骨料反應(yīng)多為ASR[1-2]。堿骨料反應(yīng)在混凝土的內(nèi)部產(chǎn)生，不局限于某個(gè)局部。這就為混凝土許多性能的劣化，比如鋼筋銹蝕、巖蝕、碳化、凍融破壞等提供了便利，極大地破壞了混凝土的耐久性，加速了混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。堿骨料反應(yīng)發(fā)生后難以采取有效補(bǔ)救措施，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。我國(guó)陸續(xù)在北京、天津、山東、陜西、內(nèi)蒙古、河南等地發(fā)現(xiàn)了立交橋、鐵路軌枕、工業(yè)及民用建筑因?yàn)閴A骨料反應(yīng)（AAR）而破壞[3]。我國(guó)在混凝土用砂、石的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中，列入了預(yù)防堿骨料反應(yīng)方面的內(nèi)容[4]。近些年，混凝土結(jié)構(gòu)在土木工程建設(shè)領(lǐng)域廣泛使用，嚴(yán)重影響混凝土耐久性的骨料堿活性引起工程界大量工作人員的重視，蔣正武等[1]對(duì)黔東南地區(qū)變質(zhì)巖骨料的堿活性研究，確定該地區(qū)變質(zhì)巖骨料屬于慢膨脹型活性骨料；盧都友等[5]對(duì)湖南湘江砂、卵石集料的堿活性研究，確定湘江湘陰段、望城段、湘潭段的砂、卵石集料均為堿活性骨料；付向紅等[3]對(duì)安陽(yáng)建工集團(tuán)下屬預(yù)制構(gòu)件廠(chǎng)所用的粗細(xì)骨料的研究，確定為堿活性骨料。一系列研究的科研成果服務(wù)于區(qū)域發(fā)展，取得很好的效益。隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，商洛市混凝土需求量逐漸增大，商州區(qū)段丹江河砂作為商洛市混凝土工程用砂的主要來(lái)源，其堿活性將嚴(yán)重影響商洛市混凝土結(jié)構(gòu)的安全與耐久。檢測(cè)商洛市丹江河砂的堿活性，研究其堿骨料反應(yīng)規(guī)律，對(duì)促進(jìn)商洛市混凝土骨料合理使用和降低商洛市區(qū)混凝土工程遭受堿骨料反應(yīng)破壞具有很現(xiàn)實(shí)的意義。

1 材料與方法

1.1 材料

水泥：秦嶺牌PC 32.5水泥，主要成分見(jiàn)表1。

河砂：商州區(qū)段丹江河砂。

表1 秦嶺牌PC 32.5水泥熟料的化學(xué)成分

1.2 研究區(qū)域概況

丹江發(fā)源于商州西部的秦嶺山脈，流經(jīng)商州、丹鳳、商南三縣區(qū)，向東南出省境入河南、湖北，注入漢江，在商洛市境內(nèi)流長(zhǎng)250 km，流域面積6996 km2，多年平均徑流量為8.2億m3，是南水北調(diào)工程的重要水源補(bǔ)償?shù)亍Ｉ讨輩^(qū)段丹江主要支流有南秦河、大面河、塔子河、玉山河等，河砂雖然是動(dòng)態(tài)變化的，但都是徑流對(duì)地表的磨蝕、搬遷、沉積而成，支流的穩(wěn)定保證了砂源的穩(wěn)定。因此對(duì)商州區(qū)段丹江及其主要支流進(jìn)行全線(xiàn)分析，取樣地選擇在商州區(qū)段丹江的干流和支流匯聚口，覆蓋全面，具有典型代表性。

1.3 河砂取樣

所有砂樣均于2014年10月取得，具體取樣地點(diǎn)和砂樣特征見(jiàn)表2。

表2 丹江河砂商州段取樣地點(diǎn)和砂樣特征

1.4 試驗(yàn)方法

在表2所示的不同河段地鏟除表層后，用4.75 mm方孔篩過(guò)篩取5±1 kg試樣,依次編號(hào)SY-1、SY-2、SY-3、SY-4、SY-5、SY-6、SY-7、SY-8，并采用篩分析法進(jìn)行砂樣粗細(xì)程度評(píng)定。采用人工四分法制備砂樣，將砂樣SY-1～SY-8置于平鐵板上，在潮濕狀態(tài)下拌合均勻，并堆成厚度約為20 mm的圓餅，然后沿相互垂直的兩條直徑把圓餅分成大致相等的4份，取其中的兩份重新拌勻，再堆成圓餅[6]。重復(fù)上述過(guò)程，直至把樣品縮分到22±1 kg為止。

初步判斷骨料是否具有潛在堿活性成分以及堿活性骨料的種類(lèi)，常采用巖相法，而砂漿棒法在對(duì)硅質(zhì)骨料尤其是慢膨脹性骨料具有良好的適用性，被認(rèn)為是比較精確可靠的鑒定方法[7]。對(duì)商洛市商州區(qū)段丹江河砂采取巖相鑒定法和快速砂漿棒法相結(jié)合的方法進(jìn)行堿活性檢測(cè)。

巖相法鑒定是通過(guò)目測(cè)和顯微鏡對(duì)骨料進(jìn)行觀(guān)察，鑒定骨料的巖石種類(lèi)，結(jié)構(gòu)構(gòu)造及礦物成分，確定骨料是否含有堿活性礦物的類(lèi)別以及堿活性礦物占骨料的重量百分含量，從而定性評(píng)定骨料的堿活性。

快速砂漿棒法是按水泥與試樣質(zhì)量比1:2.25，水灰比0.47，制備成型三個(gè)25 mm×25 mm×285 mm試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24±2 h后，脫模置入80℃±2℃的水浴中養(yǎng)護(hù)24±2 h后測(cè)初長(zhǎng)，完畢后將試樣放入裝有足量養(yǎng)護(hù)液（1 mol·L－1NaOH溶液）的養(yǎng)護(hù)容器置于80℃±2℃的水浴中，自試件放于80℃養(yǎng)護(hù)液中算起，養(yǎng)護(hù)14 d±2 h，再測(cè)定經(jīng)養(yǎng)護(hù)3、7、10、14 d齡期的試樣長(zhǎng)度，并計(jì)算膨脹率[8]。膨脹率計(jì)算式：

式中：εt—試件在t d齡期的膨脹率(%)，Lt—試件在第t d齡期的長(zhǎng)度(mm)，L0—試件的基準(zhǔn)長(zhǎng)度(mm)，Δ—測(cè)頭長(zhǎng)度(mm)。

1.5 試驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)定

采用JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，在一定堿環(huán)境下，以不同溫度、壓力、濕度環(huán)境中的膠砂膨脹率為判據(jù)，膨脹率小于0.10%時(shí)，評(píng)定為非堿-硅酸反應(yīng)活性骨料，否則為堿-硅酸反應(yīng)活性骨料。

2 結(jié)果與分析

2.1 砂樣特征和顆粒級(jí)配

對(duì)礦物組成復(fù)雜的細(xì)骨料，不同粒級(jí)的礦物組成往往有明顯差異，且對(duì)巖相檢測(cè)產(chǎn)生顯著影響，制備能反映細(xì)骨料組成的代表性樣品是巖相法準(zhǔn)確判定其堿活性的關(guān)鍵[5]。對(duì)砂樣的粗細(xì)程度和顆粒級(jí)配進(jìn)行分析，有助于對(duì)水泥用量的控制，從而控制Na2Oeq堿含量，不同粒級(jí)細(xì)骨料的代表性樣品也是巖相法能夠準(zhǔn)確判定其堿活性的關(guān)鍵。混合縮分砂樣的粗細(xì)程度直接影響了水泥漿的用量，因?yàn)樵谕w積砂樣，細(xì)砂的表面積大于粗砂，賦予混凝土或砂漿的流動(dòng)性和粘結(jié)強(qiáng)度的水泥用量就多，造成單位體積水泥用量增大，堿含量增大，同時(shí)良好的顆粒級(jí)配也是水泥科學(xué)、經(jīng)濟(jì)合理用量的重要指標(biāo)，所以有必要對(duì)縮分樣品采用篩分析法[9]進(jìn)行粗細(xì)程度評(píng)定和顆粒級(jí)配。經(jīng)計(jì)算，縮分砂樣的細(xì)度模數(shù)MX=2.7，砂樣為中砂。根據(jù)0.6 mm方孔篩的累計(jì)篩余百分率進(jìn)行顆粒級(jí)配分析，縮分砂樣的顆粒級(jí)配曲線(xiàn)圖見(jiàn)圖1，顯示顆粒級(jí)配良好。

圖1 篩分析級(jí)配曲線(xiàn)

2.2 巖相鑒定

丹江河砂砂樣SY-1～SY-8顏色呈黃褐色，巖石種類(lèi)和組成（含量）無(wú)明顯差異，主要由石英（約40%）、斜長(zhǎng)石（約30%）、鉀長(zhǎng)石（約12%）、巖屑（約10%）和少量的方解石、云母組成。部分隱-微晶結(jié)構(gòu)石英，石英波狀消光明顯，磨圓度較高。斜長(zhǎng)石可見(jiàn)聚片雙晶，部分發(fā)生絹云母化。鉀長(zhǎng)石內(nèi)部蝕變強(qiáng)烈，發(fā)生蒙脫石化，鉀長(zhǎng)石中還有一部分微斜長(zhǎng)石，可見(jiàn)格子雙晶，見(jiàn)圖2。沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有蛋白石、玉髓、磷石英等礦物成分。試件無(wú)裂縫、酥裂、膠體外溢等現(xiàn)象。丹江河砂砂樣SY-1～SY-8中含有一定量的隱-微晶結(jié)構(gòu)石英和波狀消光石英，這些成分有時(shí)候會(huì)引起堿-硅酸反應(yīng)，影響混凝土的安全和耐久。

圖2 丹江河砂巖相（200μm）

2.3 膨脹率檢測(cè)

分別在3、7、10、14d齡期時(shí)測(cè)定試件長(zhǎng)度，見(jiàn)表3。

表3 不同齡期丹江河砂膨脹率

從表3可知，丹江河砂在14 d齡期時(shí)膨脹率實(shí)測(cè)值為0.085%，膨脹率小于0.10%時(shí)，可判斷丹江河砂為非活性骨料，但膨脹率接近于0.10%，說(shuō)明該河砂具有潛在的堿活性。

從表3可知，丹江河砂在7 d齡期內(nèi)膨脹率增長(zhǎng)緩慢，7-10 d期間膨脹率增長(zhǎng)快速，10 d后膨脹率進(jìn)一步增長(zhǎng)，但較為緩慢，14 d齡期的膨脹率小于0.10%，說(shuō)明河砂為非活性骨料，但齡期從7-10 d期間膨脹率增長(zhǎng)快速，膨脹率變化的規(guī)律說(shuō)明丹江河砂具有潛在的堿活性。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)巖相鑒定和試驗(yàn)齡期內(nèi)的膨脹率計(jì)算，檢測(cè)確定商洛市商州區(qū)段丹江河砂為非堿-硅酸反應(yīng)活性骨料，在砂源穩(wěn)定前提下不具有堿活性，但含有一定量的隱-微晶結(jié)構(gòu)石英和波狀消光石英等活性成分,齡期從7-10 d期間膨脹率增長(zhǎng)快速，說(shuō)明丹江河砂具有潛在的堿活性。丹江河砂為非堿-硅酸反應(yīng)活性骨料的結(jié)論與商洛迄今未發(fā)生因堿骨料反應(yīng)而導(dǎo)致的工程事故事實(shí)是吻合的。商洛市商州區(qū)段丹江河砂是商洛市區(qū)建筑行業(yè)最主要的砂源，而河砂動(dòng)態(tài)變化的不確定性，需要建立長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)的堿活性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并嚴(yán)格控制工程中所采用水泥的含堿量，以保證商洛市混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

[1]蔣正武,李享濤.黔東南地區(qū)變質(zhì)巖骨料的堿活性及預(yù)防措施[J].建筑材料學(xué)報(bào),2010,13(1):22-25.

[2]王俊,蘇聰聰.河南地區(qū)混凝土集料堿-硅酸反應(yīng)及抑制試驗(yàn)[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2014,33 (4):534-538.

[3]付向紅,史永濤.橋梁C50混凝土用集料堿活性的檢測(cè)與判定[J].四川建筑科學(xué)研究,2013,39(3):205-209.

[4]中國(guó)建筑科學(xué)研究院.JGJ52-92.普通混凝土用砂質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法[S].北京:中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院,1993.

[5]盧都友,許濤,羅旌旺,等.快速法檢測(cè)湖南湘江砂、卵石集料堿活性[J].建筑材料學(xué)報(bào),2012,15(1):107-111.

[6]邊樹(shù)舉,林波,任德會(huì).建筑工程材料檢驗(yàn)取樣及質(zhì)量評(píng)定手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2014.

[7]鄧爭(zhēng)榮,吳樹(shù)良,張召松.花崗巖麻巖人工骨料堿活性抑制試驗(yàn)研究[J].人民長(zhǎng)江,2014,45(7):98-102.

[8]王俊,趙超.豫西南地區(qū)混凝土用砂堿-硅酸反應(yīng)試驗(yàn)及抑制研究[J].許昌學(xué)院學(xué)報(bào),2014,33(2):93-96.

[9]范文昭.建筑材料[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

（責(zé)任編輯：李堆淑）

A Study of Alkali Reactivity of Sands from Danjiang River in Shangluo

WANG Xu-wang
（CollegeofUrban,RuralPlanningandArchitecturalEngineering,ShangluoUniversity,Shangluo 726000,Shaanxi）

Alkali activity of aggregate affects the safety and durability of conerete structure,analysis is done on Danjiang River in Shangzhou,Shangluo,and its main tributary with samples from representative location of the sands field,using artificial four legal sands preparation,lithofacies identification and sands made of mortar test part makes the under alkali environment,to different age,temperature,pressure and humidity environment in the mortar expansion ratio as a criterion and determination of Danjiang River sands specimen mortar expansion ratio,test and analysis.The results show that the of Danjiang River sands for non alkali silica reactivity of aggregate,Danjiang River sands of Shangzhou is stable under the premise does not have active alkali,but has the potential alkali reactivity,need to build the long-term dynamics of alkali activity monitoring system to ensure the safety and durability of the concrete structure in Shangluo.

river sands;alkali activity;alkali aggregate reaction.

TU528.041

A

1674-0033（2015）06-0045-04

10.13440/j.slxy.1674-0033.2015.06.011

2015-05-22

商洛學(xué)院科研基金項(xiàng)目（13SKY-FWDF009）

王緒旺，男，陜西商南人，碩士，講師