商洛丹江河砂堿活性區(qū)域分布與安全使用措施

王緒旺，周春生

(1.商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院， 陜西 商洛 726000；

2.商洛學(xué)院 化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院， 陜西 商洛 726000)

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商洛丹江河砂堿活性區(qū)域分布與安全使用措施

王緒旺1，周春生2

(1.商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院， 陜西 商洛 726000；

2.商洛學(xué)院 化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院， 陜西 商洛 726000)

摘要：骨料的堿活性影響著混凝土工程的安全耐久，采用巖相法和快速砂漿棒法對(duì)商洛市丹江河砂是否具有堿活性進(jìn)行了鑒定檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)研究，并分析出丹江河砂堿活性的區(qū)域分布特征，為混凝土工程用砂安全提供參考。巖相分析結(jié)果表明：丹江河砂的礦物組成成分基本相同，主要由石英、長(zhǎng)石、方解石、云母和雜砂組成，具有堿活性礦物成分較少?？焖偕皾{棒法測(cè)試結(jié)果表明：丹江河砂不具有堿活性,但是存在潛在的骨料活性成分。摻加15%粉煤灰后，測(cè)定試件膨脹率降低，表明粉煤灰對(duì)河砂的堿活性起到了良好的抑制作用，使用時(shí)還應(yīng)采取其它一定措施，以保證混凝土的使用安全。

關(guān)鍵詞：河砂；堿活性；檢測(cè)；區(qū)域分布；使用措施

混凝土堿—骨料反應(yīng)(Alkali-Aggregate Reaction，簡(jiǎn)稱AAR)的檢測(cè)與防治是混凝土應(yīng)用領(lǐng)域首要重視問(wèn)題。在過(guò)去的幾十年里，盡管對(duì)AAR的研究、測(cè)試和預(yù)防方面取得了很大的進(jìn)展，但還存在著太多的疑惑和矛盾[1]。1990年前后，我國(guó)陸續(xù)在北京、天津、山東、陜西、內(nèi)蒙古等地發(fā)現(xiàn)了立交橋、鐵路軌枕、工業(yè)及民用建筑因?yàn)锳AR而破壞。1992年，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)防堿骨料反映方面的內(nèi)容[2]。堿活性的骨料會(huì)導(dǎo)致混凝土不均勻膨脹、開(kāi)裂，影響著混凝土工程的安全耐久，快速評(píng)價(jià)工程使用該骨料的安全性是急需要解決的問(wèn)題[3]。商洛具有活性的礦物巖石種類多、分布廣，商洛境內(nèi)丹江支流多、流徑長(zhǎng)，丹江河砂又是商洛市混凝土工程用砂的主要來(lái)源，再有地域性的高堿水泥等，嚴(yán)重威脅了商洛市混凝土的安全耐久性。大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，綜合利用各種快速檢測(cè)法，如巖相法、快速砂漿棒法和蒸壓法等，是工程上快速檢測(cè)集料堿活性并進(jìn)行質(zhì)量控制的最常用和有效手段[4]。采用巖相法和快速砂漿棒法對(duì)商洛市混凝土細(xì)骨料主要來(lái)源的丹江河砂進(jìn)行了鑒定檢測(cè)和試驗(yàn)研究，確定了丹江河砂的堿活性類型及程度，并分析出丹江河砂堿活性的區(qū)域分布特征，摻加一定比例的粉煤灰等其它措施對(duì)河砂的堿活性起到良好的抑制作用，為混凝土工程用砂安全提供參考。

1實(shí)驗(yàn)檢測(cè)

1.1實(shí)驗(yàn)原材料

采用陜西秦嶺水泥(集團(tuán))股份有限公司生產(chǎn)的秦嶺牌P.C 32.5水泥，堿含量(以Na2Oeq計(jì)，質(zhì)量比)為1.05%,主要成分見(jiàn)表1。水泥中等當(dāng)量Na2Oeq堿含量大于0.6%，若骨料存在活性二氧化硅成分，則會(huì)發(fā)生堿骨料反應(yīng)。

表1秦嶺牌P.C 32.5水泥熟料的化學(xué)成分

單位：%

取商州區(qū)段丹江全線及其支流的代表性砂樣,如圖1所示。商州區(qū)段丹江主要支流有南秦河、大面河、塔子河、玉山河等。因此對(duì)商洛市商州區(qū)段丹江及其主要支流進(jìn)行全線分析，以東龍山丹江大橋和唐塬大橋?yàn)榉侄吸c(diǎn)，依次分為上段SY1、中段SY2和下段SY3,每段取樣三處，并編號(hào)。每段取樣地為商州區(qū)段丹江的干流和支流匯聚口，覆蓋全面，具有典型代表性。

圖1丹江河砂堿活性檢測(cè)區(qū)域分段與取樣點(diǎn)分布

清理取樣地表雜物，將表層不純砂鏟除，用4.75 mm方孔篩將砂樣進(jìn)行過(guò)篩，取通過(guò)方孔篩的砂子10 kg，用篩分析法評(píng)定砂樣粗細(xì)程度。在平板上將潮濕狀態(tài)下試樣拌合均勻，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[5]。重復(fù)上述過(guò)程，直至把每段樣品縮分到2 kg為止。

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)橥w積的砂樣，細(xì)砂的表面積大于粗砂，對(duì)混凝土或砂漿在同一要求的流動(dòng)性和黏結(jié)強(qiáng)度指標(biāo)下，所用水泥用量增多，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[6]進(jìn)行粗細(xì)程度評(píng)定和顆粒級(jí)配。經(jīng)計(jì)算縮分砂樣的丹江上段SY1細(xì)度模數(shù)MX1=2.9，砂樣為中砂；中段SY2細(xì)度模數(shù)MX2=2.6，砂樣為中砂；下段SY3細(xì)度模數(shù)MX1=2.2，砂樣為細(xì)砂。對(duì)每段砂樣的粗細(xì)程度計(jì)算分析，有助于對(duì)水泥用量的控制，從而控制等當(dāng)量Na2Oeq堿含量。

1.2實(shí)驗(yàn)鑒定與檢測(cè)

1.2.1巖相鑒定與分析

巖相法是通過(guò)目測(cè)和顯微鏡對(duì)骨料進(jìn)行鑒定，確定骨料的巖石種類，結(jié)構(gòu)構(gòu)造及礦物成分等，確定骨料是否含有堿活性礦物的類別，若發(fā)現(xiàn)有堿活性礦物，應(yīng)在偏光顯微鏡下測(cè)定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。實(shí)驗(yàn)的方法與過(guò)程按照ASTM C295-08[7]進(jìn)行。

1.2.2河砂堿活性的檢測(cè)

河砂堿骨料反應(yīng)膨脹性測(cè)定采用ASTM C1260快速砂漿棒法[8]。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，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 NaOH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 d、7 d、10 d、14 d齡期的試樣長(zhǎng)度，并計(jì)算膨脹率[9]。

1.3實(shí)驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)定

采用《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10](JGJ52-2006)，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[11]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巖相鑒定結(jié)果與分析

巖相觀察與鑒定分析表明商州丹江上段SY1、中段SY2、下段SY3三段河砂巖石種類和組成(含量)無(wú)明顯差異。丹江河砂顏色呈黃褐色，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。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，詳見(jiàn)圖2。沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有蛋白石、玉髓、磷石英等等礦物成分,試件無(wú)裂縫、酥裂、膠體外溢等現(xiàn)象。巖相分析結(jié)果表明：丹江河砂的礦物組成成分基本相同，主要由石英、長(zhǎng)石、方解石、云母和雜砂組成，具有堿活性礦物成分較少。

圖2丹江河砂巖相(200 μm)

2.2膨脹率檢測(cè)結(jié)果與分析

按照《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10](JGJ52-2006)，經(jīng)測(cè)定丹江上段SY1河砂在規(guī)定的試驗(yàn)齡期膨脹率為0.081%，屬非活性骨料；丹江中段SY2河砂在規(guī)定的試驗(yàn)齡期膨脹率為0.085%，屬非活性骨料；丹江下段SY3河砂在規(guī)定的試驗(yàn)齡期膨脹率為0.090%，屬非活性骨料，見(jiàn)表2。

表2　丹江河砂膨脹率檢測(cè)結(jié)果

以試驗(yàn)齡期為橫坐標(biāo)，以膨脹率實(shí)測(cè)值為縱坐標(biāo)建立分析坐標(biāo)，將丹江河砂在規(guī)定的試驗(yàn)齡期膨脹率計(jì)算值進(jìn)行分析表明：三段砂樣變化趨勢(shì)相似，都是隨著齡期的增長(zhǎng)，膨脹率增大。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明商州丹江上段SY1、中段SY2、下段SY3三段河砂均屬非活性骨料，但根據(jù)河砂堿骨料反應(yīng)膨脹性規(guī)律看，河砂具有潛在的堿活性巖石成分。丹江上段SY1、中段SY2、下段SY3砂樣細(xì)度模數(shù)依次減小，砂樣粗細(xì)程度由粗到細(xì)，河砂比表面積由小變大，當(dāng)混凝土拌合物具有相同和易性時(shí)，單位體積所需水泥用量增大，單位堿含量隨之增大，是河砂膨脹率逐漸增大的另一原因。

2.3丹江河砂堿活性區(qū)域分布分析

集料的堿活性大小及其堿活性礦物組成分布呈現(xiàn)出一定的地域特征，因此，從地質(zhì)學(xué)即從成礦條件等角度把握堿活性集料的分布意義深刻[12]。商洛市商州區(qū)段丹江流徑長(zhǎng)、支流多，區(qū)域性成礦巖石復(fù)雜，決定了河砂的堿活性的不穩(wěn)定。

對(duì)商州區(qū)段丹江的干流和支流進(jìn)行全線分析，在汛期過(guò)后進(jìn)行篩取砂樣，進(jìn)行巖相鑒定與分析，采取快速砂漿棒法對(duì)河砂進(jìn)行膨脹率檢測(cè)，鑒定和檢測(cè)結(jié)果真實(shí)可靠。商州區(qū)段丹江河砂雖然是動(dòng)態(tài)變化的，但都是徑流對(duì)地表的磨蝕、搬遷、沉積而成，干流和支流的穩(wěn)定保證了砂源的穩(wěn)定。上段SY1流徑短，支流少，砂源穩(wěn)定性高，相比中段SY2和下段SY3試驗(yàn)齡期內(nèi)的膨脹率最小。下段SY3流徑長(zhǎng)，支流多，砂源穩(wěn)定性較弱，相比上段SY1和中段SY2試驗(yàn)齡期內(nèi)的膨脹率最大，具有潛在的堿活性。中段SY2流徑長(zhǎng)度和支流數(shù)量介于SY1和SY3之間，試驗(yàn)齡期內(nèi)的膨脹率也介于之間。由此可得到丹江河砂堿活性的區(qū)域分布：上段河砂無(wú)堿活性;中段河砂無(wú)堿活性，但具有潛在骨料活性成分，具有不穩(wěn)定性因素，需要?jiǎng)討B(tài)觀察；下段河砂無(wú)堿活性，但是潛在的骨料活性成分較為活躍，不穩(wěn)定性因素較大，使用時(shí)宜采取一定安全使用措施。

2.4丹江河砂安全使用措施

堿骨料反應(yīng)在混凝土的內(nèi)部產(chǎn)生，從骨料與水泥界面開(kāi)始，加速鋼筋銹蝕、巖蝕、碳化、凍融破壞等影響混凝土耐久性的病害，加速了混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。工程中常采用摻加超細(xì)摻合料來(lái)抑制堿骨料反應(yīng)，常用的超細(xì)摻合料有礦渣、粉煤灰、硅粉等[13]。以降低混凝土成本為宗旨，綜合各種成本因素選擇粉煤灰作為摻合料，分析對(duì)堿骨料反應(yīng)的抑制作用。

粉煤灰(FA)：西安西郊電熱廠Ⅱ級(jí)粉煤灰、西安灞橋熱電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰和陜西渭河電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰分別用XDFA、XBFA、SWFA表示，主要成分見(jiàn)表3。經(jīng)分析比較選用西安西郊電熱廠粉煤灰XDFA，等當(dāng)量堿含量Na2Oeq為1.73%，粉煤灰取代水泥的最大限量(以重量計(jì))，應(yīng)符合《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》[14](GBJ146-90)的要求，本試驗(yàn)用粉煤灰取代15%水泥(以重量計(jì))。

表3　粉煤灰化學(xué)成分　單位：%

按照ASTM C1260快速砂漿棒法進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明粉煤灰抑制膨脹的效果明顯，見(jiàn)表4。

表4摻加15%粉煤灰后丹江河砂膨脹率檢測(cè)結(jié)果

單位：%

由表4可知：摻加15%粉煤灰(以重量計(jì))后，測(cè)定試樣SY1、SY2、SY3的試件膨脹率均有不同幅度降低，表明粉煤灰對(duì)河砂的堿活性起到了良好的抑制作用[15]，從而保證了混凝土的安全耐久。

經(jīng)多次試驗(yàn)表明：選擇粉煤灰作為摻合料時(shí)，若粉煤灰等當(dāng)量堿含量Na2Oeq大于2.5%，抑制骨料的堿活性效果不明顯。

普通混凝土(C15～C55)在水利水電工程、工業(yè)和民業(yè)房屋承重結(jié)構(gòu)、公路鐵路橋梁隧道承重結(jié)構(gòu)、各類路基路面工程等廣泛應(yīng)用。這類混凝土密度1 950 kg/m3～2 500 kg/m3，每立方米普通混凝土的粉煤灰摻加量(mf)可按照超量系數(shù)(δc)計(jì)算[16]。

mf=δc(mco-mc)

(1)

mc=mco(1-βc)

(2)

式中：mf為每立方米混凝土的粉煤灰摻入量，kg；δc為超量系數(shù)；mco為每立方米基準(zhǔn)混凝土中水泥用量，kg；mc為每立方米粉煤灰混凝土的水泥用量，kg；βc粉煤灰取代水泥百分率。

C60混凝土為高強(qiáng)混凝土最低強(qiáng)度值，通過(guò)摻加一定比例粉煤灰后，計(jì)算分析C60混凝土的堿含量值，將該堿含量值降低10%的幅度值，作為普通混凝土堿含量值上限。已知每立方C60混凝土用水泥550 kg、水165 kg、砂590 kg、碎石1 145 kg、減水劑8.25 kg，查閱《混凝土中摻用粉煤灰的技術(shù)規(guī)程》[17](DBJ01-10-93)，按照最不利原則分析取值，取超量系數(shù)δc=1.2，普通混凝土中粉煤灰取代水泥百分率βc=20%，由公式(2)計(jì)算得每立方米粉煤灰混凝土的水泥用量為440 kg，由公式(1)計(jì)算得每立方米混凝土的粉煤灰摻入量為132 kg，粉煤灰等當(dāng)量堿含量Na2Oeq取2.50%，則混凝土堿含量為3.3 kg/m3。因此，按照《混凝土中摻用粉煤灰的技術(shù)規(guī)程》[17](DBJ01-10-93)要求，對(duì)普通混凝土摻加一定比例粉煤灰后，確保配置的普通混凝土堿含量不應(yīng)大于3.0 kg/m3時(shí)，可保證混凝土使用安全。

由上分析，丹江河砂具有潛在的活性成分，不穩(wěn)定性因素較大，建議采取一定安全使用措施：

(1) 對(duì)中下游河段進(jìn)行周期性堿活性檢測(cè)，建立動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)。若檢測(cè)為堿活性骨料，應(yīng)禁止在混凝土結(jié)構(gòu)工程中使用。

(2) 宜采用堿含量不大于0.6%的通用硅酸鹽水泥[18]；粉煤灰的摻加應(yīng)符合《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》[14](GBJ146-90)的要求，應(yīng)采用F類的I級(jí)或Ⅱ級(jí)粉煤灰，堿含量不宜大于2.5%[18]；混凝土堿含量不應(yīng)大于3.0 kg/m3；采用低堿外加劑等其他原材料[18]。

(3) 對(duì)重大混凝土工程，進(jìn)行跟蹤復(fù)測(cè)，防止混凝土堿—骨料反應(yīng)發(fā)生。

3結(jié)論

采用巖相法和快速砂漿棒法對(duì)商洛市丹江河砂堿活性進(jìn)行的鑒定檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)研究表明：丹江河砂為非堿-硅酸反應(yīng)活性骨料，丹江下游河砂的活性成分較上游有所增大，不穩(wěn)定性因素增大，具有潛在的堿活性巖石成分增多。使用時(shí)宜采取一定安全使用措施：對(duì)丹江中下游河段進(jìn)行周期性堿活性檢測(cè)，建立動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)；控制混凝土、水泥、粉煤灰和其他原材料的堿含量；對(duì)重大混凝土工程，進(jìn)行跟蹤復(fù)測(cè)，以保證丹江河砂使用的安全，防止所用混凝土產(chǎn)生堿—骨料反應(yīng)。

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The Distribution of Sand with Alkali Activity from Danjiang River in Shangluo and Its Safe Handling

WANG Xuwang1，ZHOU Chunsheng2

(1.CollegeofUrban，RuralPlanningandArchitecturalEngineering,ShangluoUniversity,Shangluo,Shaanxi726000,China;2.CollegeofChemicalEngineeringandModernMaterials,ShangluoUniversity,Shangluo,Shaanxi726000,China)

Abstract：Aggregate alkali activity affects the durability and safety of the concrete constructions. Here, petrographic method and accelerated mortar bar method were adopted to identify and detect the alkali activity of the sand in Danjiang river, Shangluo, and then the distribution characteristics of sand with alkali activity was obtained based on the experimental research, which could provide some guidance for the sand safety of concrete constructions. Petrographic analysis results indicate that the mineral composition of Danjiang River sand is basically the same, it’s mainly composed of quartz, feldspar, calcite, mica and mixed sand, with very little alkali active mineral composition. The accelerated mortar bar test results indicate that: the Danjiang River sand has no alkali activity, but there are potential active components of aggregate. After adding 15% fly ash (weight), the expansion rate of the sample block is reduced, which indicates that the fly ash has a good inhibition effect on alkali activity of river sand, and other measures should be taken to ensure the safety of concrete constructions.

Keywords:river sand; alkali activity; detection; regional distribution; usage measures

文章編號(hào)：1672—1144(2016)01—0144—05

中圖分類號(hào)：TQ172

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：王緒旺(1982—)，男，陜西商南人，碩士研究生，主要從事混凝土結(jié)構(gòu)理論與應(yīng)用方面的研究。 E-mail: qqwangxuwang@126.com。

基金項(xiàng)目：商洛學(xué)院服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展專項(xiàng)科研項(xiàng)目(13SKY-FWDF009)

收稿日期：2015-07-19修稿日期：2015-08-21

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2016.01.027