遼陽地區(qū)石灰?guī)r的微觀結(jié)構(gòu)及其堿活性巖相分析

常思瓊

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心遼寧總隊，遼寧 沈陽 110000)

堿骨料反應(yīng)是指混凝土中的堿與具有堿活性的骨料發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物吸水膨脹或反應(yīng)導(dǎo)致骨料膨脹，造成混凝土開裂破壞的現(xiàn)象[1]。堿骨料反應(yīng)是影響混凝土耐久性的重要因素之一，其基本反應(yīng)模式可分為堿硅酸反應(yīng)和堿碳酸鹽反應(yīng)[2]。堿硅酸反應(yīng)是指活性二氧化硅與水泥中的堿發(fā)生的膨脹反應(yīng)[3]，活性二氧化硅一般包括蛋白石、玉髓、石英玻璃體、隱晶質(zhì)和微晶質(zhì)二氧化硅以及受應(yīng)力變形的石英[4]。堿碳酸鹽反應(yīng)是指水泥中的堿與巖石中的白云石晶體間的化學(xué)反應(yīng)，也稱去白云石化反應(yīng)[5]。含硅質(zhì)組分的碳酸鹽巖中的微晶質(zhì)至隱晶質(zhì)石英也能與水泥中的堿發(fā)生堿硅酸反應(yīng)[6]。

對于碳酸鹽骨料，應(yīng)注意對堿碳酸鹽和堿硅酸活性這兩方面的檢測[7]。并不是所有含白云石的巖石均會引起混凝土堿碳酸鹽反應(yīng)膨脹破壞，唐明述等[8]提出具有堿碳酸鹽反應(yīng)的活性骨料是指具有特征微觀結(jié)構(gòu)的碳酸鹽巖石，即尺寸＜50μm的菱形白云石晶體分散分布于基質(zhì)之中。李愛美[9]用類斑狀結(jié)構(gòu)概念來描述菱形白云石晶體分散分布在方解石基質(zhì)中的這種特定巖石結(jié)構(gòu)特征。以此概念為基礎(chǔ)，本文針對遼陽地區(qū)石灰?guī)r骨料的分布特點，以古生界寒武系、奧陶系的石灰?guī)r為研究對象，采用巖相法進行堿活性試驗，研究了石灰?guī)r的微觀結(jié)構(gòu)特征，并對不同樣品堿活性的結(jié)果進行了成巖環(huán)境分析。

1 樣品及試驗方法

1.1 試驗樣品

遼陽市建筑用砂石礦山主要分布于燈塔市、文圣區(qū)及遼陽縣，礦種類型包括建筑石料用石灰?guī)r、建筑用砂、建筑用花崗巖等，其中建筑石料用石灰?guī)r礦山分布最廣、產(chǎn)量最大，約占砂石骨料資源總體規(guī)模的95%以上。遼陽中部地區(qū)大河南—鏵子—小屯一帶廣泛出露古生界寒武系、奧陶系中厚—厚層石灰?guī)r，是建筑用砂石最主要的產(chǎn)地。采集該地區(qū)具有代表性的石灰?guī)r樣品6件進行堿活性試驗，樣品涉及中寒武統(tǒng)張夏組(?2zh)和中奧陶統(tǒng)下馬家溝組(O2x)、上馬家溝組(O2s)共3個地層時代。

1.2 試驗方法

骨料堿活性檢測方法主要可分為：巖相法、化學(xué)法、測長法三類[10]。

巖相法是通過肉眼觀察和借助光學(xué)顯微鏡觀察巖石的巖相特征，它能夠解決兩方面的問題：一是巖石中礦物有無堿活性組分及其含量；二是如含有堿活性組分，描述其分布狀態(tài)、顆粒大小，確定其屬于哪一類型的堿活性組分，堿硅活性還是堿碳酸鹽活性[11]。如鑒定不含有堿活性的巖石或礦物，可判為非活性；如鑒定含有堿活性的礦物成分，則必須用其他試驗方法來進一步論證[12]。巖相法不僅可以反映巖石的礦物組成，還可以反映巖石的微觀結(jié)構(gòu)特征、成巖環(huán)境等，一直作為判定巖石堿活性的首選方法。

化學(xué)法用于在規(guī)定條件下測定堿溶液和骨料反應(yīng)溶出的二氧化硅濃度及堿度降低值，借以判斷骨料在使用高堿水泥的混凝土中是否產(chǎn)生危害性的反應(yīng)。該方法不適用于含碳酸鹽的骨料，不能鑒定由于微晶石英或變形石英所導(dǎo)致的總多緩慢膨脹骨料[10]。

測長法為砂漿棒法、混凝土棱柱體法和快速法，均為對特定的測試原件，在特定的溫度、堿濃度的溶液中，測定其在特定的時間內(nèi)的膨脹率，是現(xiàn)在應(yīng)用比較普遍的判定骨料堿活性的方法，具體分為堿—硅活性測長法和堿—碳酸鹽活性測長法[11]。

本次試驗將采集的石灰?guī)r樣品按照中寒武統(tǒng)張夏組(?2zh)、中奧陶統(tǒng)下馬家溝組(O2x)、上馬家溝組(O2s)分組，在對樣品進行化學(xué)成分分析(表1)的基礎(chǔ)上，將樣品磨制成薄片，采用巖相法鑒定巖石類型、礦物組成及各組分含量、礦物結(jié)晶程度和結(jié)構(gòu)特征，判定石灰?guī)r堿活性并分析成巖環(huán)境特征。

表1 石灰?guī)r樣品化學(xué)成分分析結(jié)果 (單位：%)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 堿活性巖相特征

(1)中寒武統(tǒng)張夏組石灰?guī)r(?2zh)。

1號樣品鏡下鑒定為鮞粒亮晶灰?guī)r(圖1)。礦物成分為方解石(95%～97%)、白云石(2%～4%)、微量粘土質(zhì)。鏡下可見，主要由鮞粒、少量生物碎屑及充填于粒屑之間的亮晶膠結(jié)物組成，成分均為方解石，未見典型特征微觀結(jié)構(gòu)，樣品不具堿活性。

2號樣品鏡下鑒定為弱白云石化亮晶鮞?；?guī)r(圖2)。礦物成分為方解石(72%～75%)、白云石(15%～17%)、粘土質(zhì)(4%～6%)、石英(4%～6%)，微量鐵質(zhì)。主要由鮞粒及充填于鮞粒之間的膠結(jié)物組成。

鏡下(圖2a)可見，巖石遭受白云石化作用，白云石交代鮞粒內(nèi)的細(xì)小方解石晶體，形成的自形細(xì)粉晶白云石分布于鮞粒的內(nèi)部及邊緣，鮞粒的結(jié)構(gòu)特征已不明顯。鮞粒間的膠結(jié)物未發(fā)生白云石化，仍為鑲嵌結(jié)構(gòu)的粉細(xì)晶方解石。鮞粒本身的基質(zhì)由泥晶方解石組成，交代作用產(chǎn)生的菱形白云石分散分布在泥晶方解石基質(zhì)中。如以鮞粒作為研究的參照體系，則鮞粒內(nèi)白云石的分散仍可被描述為具有泥晶基質(zhì)的類斑狀結(jié)構(gòu)。李愛美等[13]經(jīng)試驗研究發(fā)現(xiàn)此類巖石顯示由堿碳酸鹽反應(yīng)引起膨脹。因此，該樣品具潛在堿碳酸鹽活性。

鏡下(圖2b)可見，石英呈他形粒狀、充填狀分布于方解石粒間，指示其在沉積時含游離SiO2，重結(jié)晶程度低，為堿硅活性組分[11]，樣品具潛在堿硅活性。

圖2 石灰?guī)r2號樣品鏡下鑒定照片

(2)中奧陶統(tǒng)下馬家溝組石灰?guī)r(O2x)。

3號樣品鏡下鑒定為含粘土質(zhì)白云質(zhì)泥晶灰?guī)r(圖3)。礦物成分為方解石(72%～74%)、白云石(18%～20%)、粘土質(zhì)(7%～8%)、微量石英、鐵質(zhì)。鏡下可見，粒徑0.02～0.08mm的菱形白云石晶體分散分布在泥晶方解石和粘土質(zhì)基質(zhì)中，具有典型的類斑狀結(jié)構(gòu)特征。該樣品具潛在堿碳酸鹽活性。

圖3 石灰?guī)r3號樣品鏡下鑒定照片

4號樣品鏡下鑒定為含粘土質(zhì)白云質(zhì)生物屑泥晶灰?guī)r(圖4)。礦物成分為方解石(73%～75%)、白云石(15%～17%)、粘土質(zhì)(8%～10%)、石英(1%)。鏡下可見，方解石由兩部分組成，一種為泥晶粒狀，另一種為生物碎屑。粘土質(zhì)，顯微鱗片狀，集合體呈條帶狀。在局部視域內(nèi)，可見交代作用產(chǎn)生的細(xì)粉晶自形菱面體白云石晶體分散在泥晶方解石基質(zhì)中，呈類斑狀結(jié)構(gòu)，樣品具潛在堿碳酸鹽活性。偶見微晶石英，他形粒狀，粒度0.02～0.04mm，由于含量少，樣品不具堿硅活性。

圖4 石灰?guī)r4號樣品鏡下鑒定照片

(3)中奧陶統(tǒng)上馬家溝組石灰?guī)r(O2s)。

5號樣品鏡下鑒定為微晶砂屑灰?guī)r(圖5)。礦物成分為方解石(92%～95%)、白云石(3%～5%)、粘土質(zhì)(1%)，微量鐵質(zhì)。鏡下可見，主要由粒度0.1～0.7mm的砂屑、少量生物碎屑及充填于粒屑之間的膠結(jié)物組成，成分均為方解石，未見典型特征微觀結(jié)構(gòu)，樣品不具堿活性。

圖5 石灰?guī)r5號樣品鏡下鑒定照片

6號樣品鏡下鑒定為白云質(zhì)泥晶灰?guī)r(圖6)。礦物成分為方解石(57%～60%)、白云石(35%～38%)、粘土質(zhì)(3%～5%)。鏡下可見，白云石具有較好的菱面體晶形，粒徑一般0.03～0.1mm，分散分布在泥晶方解石和粘土質(zhì)基質(zhì)中，具有典型的類斑狀結(jié)構(gòu)特征，樣品具潛在堿碳酸鹽活性。

圖6 石灰?guī)r6號樣品鏡下鑒定照片

2.2 成巖環(huán)境分析

本區(qū)大地構(gòu)造單元位于中朝準(zhǔn)地臺(Ⅰ)、膠遼臺隆(Ⅱ)、太子河—渾江臺陷(Ⅲ)、遼陽—本溪凹陷(Ⅳ)的西部[14]。區(qū)內(nèi)于晚元古代形成古海盆，自寒武紀(jì)張夏期開始，一直到奧陶紀(jì)馬家溝期結(jié)束為止，本區(qū)進入了大規(guī)模碳酸鹽臺地平穩(wěn)發(fā)育階段。由于缺乏陸源物質(zhì)輸入而轉(zhuǎn)變?yōu)榍逅懕砗－h(huán)境，開始出現(xiàn)廣泛的碳酸鹽沉積[15]。張夏組鮞粒亮晶灰?guī)r反映沉積環(huán)境為臺地邊緣相的鮞粒灘高能帶，但因水體與外海連通性較差，循環(huán)有局限性，局部形成白云石化鮞粒亮晶灰?guī)r。下馬家溝組含白云質(zhì)灰?guī)r沉積環(huán)境為局限臺地相，上馬家溝組砂屑灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r沉積環(huán)境由臺地斜坡相過渡為局限臺地相。局限臺地內(nèi)潮間帶靠近濱岸，海水循環(huán)不暢，鹽度顯著提高，在炎熱干燥的氣候條件下形成白云質(zhì)灰?guī)r。

3 結(jié)論與討論

骨料的堿活性既與骨料原巖中活性組分的類型、數(shù)量有關(guān)，又與巖石的微觀結(jié)構(gòu)特征和成巖環(huán)境有關(guān)。采用巖相法鑒定結(jié)論具潛在堿活性的石灰?guī)r，鑒定結(jié)果確定了測試樣品的堿活性類型，對其后選擇相應(yīng)的測長法檢測具有重要指導(dǎo)作用。當(dāng)巖相法判定骨料為非活性時，可以作為最終鑒定結(jié)果。

對遼陽地區(qū)石灰?guī)r進行了堿活性試驗，研究了石灰?guī)r的微觀結(jié)構(gòu)及成巖環(huán)境，試驗結(jié)論為遼陽中部地區(qū)中寒武統(tǒng)張夏組(?2zh)鮞粒亮晶灰?guī)r、中奧陶統(tǒng)上馬家溝組(O2s)微晶砂屑灰?guī)r為非堿活性；張夏組(?2zh)弱白云石化鮞?；?guī)r、下馬家溝組(O2x)和上馬家溝組(O2s)含粘土質(zhì)白云質(zhì)泥晶灰?guī)r、白云質(zhì)泥晶灰?guī)r，可見堿活性碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)特征，具潛在堿碳酸鹽活性；張夏組(?2zh)弱白云石化鮞?；?guī)r中同時含有堿硅活性組分，具潛在堿硅活性。