商洛市丹江河砂碱活性研究

王绪旺

（商洛学院城乡规划与建筑工程学院，陕西商洛726000）

商洛市丹江河砂碱活性研究

王绪旺

（商洛学院城乡规划与建筑工程学院，陕西商洛726000）

骨料的碱活性影响混凝土结构的安全与耐久，对商洛市商州区段丹江及其主要支流进行全线分析，在具有代表性的河砂地点实地取样，采用人工四分法制备砂样，进行岩相鉴定，并将砂样制成胶砂试件使其处于在一定碱环境下，以不同龄期、温度、压力、湿度环境中的胶砂膨胀率为判据，测定丹江河砂试样胶砂膨胀率，并进行试验分析。结果表明，所检测的商州区段丹江河砂为非碱-硅酸反应活性骨料，商洛市商州区段丹江河砂在砂源稳定前提下不具有碱活性，但具有潜在的碱活性，需要建立长期动态的碱活性监测系统，以保证商洛市混凝土结构的安全性和耐久性。

河砂；碱活性；碱骨料反应

碱骨料反应（Alkali-Aggregate Reaction，简称AAR）是指混凝土孔溶液中来自水泥、外加剂和环境的碱离子（K+、Na+、OH-）与骨料中的活性组分发生的膨胀性化学反应，其结果是导致混凝土膨胀和开裂破坏。碱骨料反应根据骨料中活性成分的不同主要分为碱-硅酸反应（Alkali-Silica Reaction，简称ASR）与碱一碳酸盐反应（Alkali-Carbonate Reaction，简称ACR）。以往的工程实践表明，ACR类反应发生的工程案例较少，工程中已发现的碱骨料反应多为ASR[1-2]。碱骨料反应在混凝土的内部产生，不局限于某个局部。这就为混凝土许多性能的劣化，比如钢筋锈蚀、岩蚀、碳化、冻融破坏等提供了便利，极大地破坏了混凝土的耐久性，加速了混凝土结构的破坏。碱骨料反应发生后难以采取有效补救措施，严重影响混凝土结构的耐久性。我国陆续在北京、天津、山东、陕西、内蒙古、河南等地发现了立交桥、铁路轨枕、工业及民用建筑因为碱骨料反应（AAR）而破坏[3]。我国在混凝土用砂、石的规范和标准中，列入了预防碱骨料反应方面的内容[4]。近些年，混凝土结构在土木工程建设领域广泛使用，严重影响混凝土耐久性的骨料碱活性引起工程界大量工作人员的重视，蒋正武等[1]对黔东南地区变质岩骨料的碱活性研究，确定该地区变质岩骨料属于慢膨胀型活性骨料；卢都友等[5]对湖南湘江砂、卵石集料的碱活性研究，确定湘江湘阴段、望城段、湘潭段的砂、卵石集料均为碱活性骨料；付向红等[3]对安阳建工集团下属预制构件厂所用的粗细骨料的研究，确定为碱活性骨料。一系列研究的科研成果服务于区域发展，取得很好的效益。随着城市化进程的发展，商洛市混凝土需求量逐渐增大，商州区段丹江河砂作为商洛市混凝土工程用砂的主要来源，其碱活性将严重影响商洛市混凝土结构的安全与耐久。检测商洛市丹江河砂的碱活性，研究其碱骨料反应规律，对促进商洛市混凝土骨料合理使用和降低商洛市区混凝土工程遭受碱骨料反应破坏具有很现实的意义。

1 材料与方法

1.1 材料

水泥：秦岭牌PC 32.5水泥，主要成分见表1。

河砂：商州区段丹江河砂。

表1 秦岭牌PC 32.5水泥熟料的化学成分

1.2 研究区域概况

丹江发源于商州西部的秦岭山脉，流经商州、丹凤、商南三县区，向东南出省境入河南、湖北，注入汉江，在商洛市境内流长250 km，流域面积6996 km2，多年平均径流量为8.2亿m3，是南水北调工程的重要水源补偿地。商州区段丹江主要支流有南秦河、大面河、塔子河、玉山河等，河砂虽然是动态变化的，但都是径流对地表的磨蚀、搬迁、沉积而成，支流的稳定保证了砂源的稳定。因此对商州区段丹江及其主要支流进行全线分析，取样地选择在商州区段丹江的干流和支流汇聚口，覆盖全面，具有典型代表性。

1.3 河砂取样

所有砂样均于2014年10月取得，具体取样地点和砂样特征见表2。

表2 丹江河砂商州段取样地点和砂样特征

1.4 试验方法

在表2所示的不同河段地铲除表层后，用4.75 mm方孔筛过筛取5±1 kg试样,依次编号SY-1、SY-2、SY-3、SY-4、SY-5、SY-6、SY-7、SY-8，并采用筛分析法进行砂样粗细程度评定。采用人工四分法制备砂样，将砂样SY-1～SY-8置于平铁板上，在潮湿状态下拌合均匀，并堆成厚度约为20 mm的圆饼，然后沿相互垂直的两条直径把圆饼分成大致相等的4份，取其中的两份重新拌匀，再堆成圆饼[6]。重复上述过程，直至把样品缩分到22±1 kg为止。

初步判断骨料是否具有潜在碱活性成分以及碱活性骨料的种类，常采用岩相法，而砂浆棒法在对硅质骨料尤其是慢膨胀性骨料具有良好的适用性，被认为是比较精确可靠的鉴定方法[7]。对商洛市商州区段丹江河砂采取岩相鉴定法和快速砂浆棒法相结合的方法进行碱活性检测。

岩相法鉴定是通过目测和显微镜对骨料进行观察，鉴定骨料的岩石种类，结构构造及矿物成分，确定骨料是否含有碱活性矿物的类别以及碱活性矿物占骨料的重量百分含量，从而定性评定骨料的碱活性。

快速砂浆棒法是按水泥与试样质量比1:2.25，水灰比0.47，制备成型三个25 mm×25 mm×285 mm试件，标准养护24±2 h后，脱模置入80℃±2℃的水浴中养护24±2 h后测初长，完毕后将试样放入装有足量养护液（1 mol·L－1NaOH溶液）的养护容器置于80℃±2℃的水浴中，自试件放于80℃养护液中算起，养护14 d±2 h，再测定经养护3、7、10、14 d龄期的试样长度，并计算膨胀率[8]。膨胀率计算式：

式中：εt—试件在t d龄期的膨胀率(%)，Lt—试件在第t d龄期的长度(mm)，L0—试件的基准长度(mm)，Δ—测头长度(mm)。

1.5 试验检测标准及评定

采用JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》，在一定碱环境下，以不同温度、压力、湿度环境中的胶砂膨胀率为判据，膨胀率小于0.10%时，评定为非碱-硅酸反应活性骨料，否则为碱-硅酸反应活性骨料。

2 结果与分析

2.1 砂样特征和颗粒级配

对矿物组成复杂的细骨料，不同粒级的矿物组成往往有明显差异，且对岩相检测产生显著影响，制备能反映细骨料组成的代表性样品是岩相法准确判定其碱活性的关键[5]。对砂样的粗细程度和颗粒级配进行分析，有助于对水泥用量的控制，从而控制Na2Oeq碱含量，不同粒级细骨料的代表性样品也是岩相法能够准确判定其碱活性的关键。混合缩分砂样的粗细程度直接影响了水泥浆的用量，因为在同体积砂样，细砂的表面积大于粗砂，赋予混凝土或砂浆的流动性和粘结强度的水泥用量就多，造成单位体积水泥用量增大，碱含量增大，同时良好的颗粒级配也是水泥科学、经济合理用量的重要指标，所以有必要对缩分样品采用筛分析法[9]进行粗细程度评定和颗粒级配。经计算，缩分砂样的细度模数MX=2.7，砂样为中砂。根据0.6 mm方孔筛的累计筛余百分率进行颗粒级配分析，缩分砂样的颗粒级配曲线图见图1，显示颗粒级配良好。

图1 筛分析级配曲线

2.2 岩相鉴定

丹江河砂砂样SY-1～SY-8颜色呈黄褐色，岩石种类和组成（含量）无明显差异，主要由石英（约40%）、斜长石（约30%）、钾长石（约12%）、岩屑（约10%）和少量的方解石、云母组成。部分隐-微晶结构石英，石英波状消光明显，磨圆度较高。斜长石可见聚片双晶，部分发生绢云母化。钾长石内部蚀变强烈，发生蒙脱石化，钾长石中还有一部分微斜长石，可见格子双晶，见图2。没有发现有蛋白石、玉髓、磷石英等矿物成分。试件无裂缝、酥裂、胶体外溢等现象。丹江河砂砂样SY-1～SY-8中含有一定量的隐-微晶结构石英和波状消光石英，这些成分有时候会引起碱-硅酸反应，影响混凝土的安全和耐久。

图2 丹江河砂岩相（200μm）

2.3 膨胀率检测

分别在3、7、10、14d龄期时测定试件长度，见表3。

表3 不同龄期丹江河砂膨胀率

从表3可知，丹江河砂在14 d龄期时膨胀率实测值为0.085%，膨胀率小于0.10%时，可判断丹江河砂为非活性骨料，但膨胀率接近于0.10%，说明该河砂具有潜在的碱活性。

从表3可知，丹江河砂在7 d龄期内膨胀率增长缓慢，7-10 d期间膨胀率增长快速，10 d后膨胀率进一步增长，但较为缓慢，14 d龄期的膨胀率小于0.10%，说明河砂为非活性骨料，但龄期从7-10 d期间膨胀率增长快速，膨胀率变化的规律说明丹江河砂具有潜在的碱活性。

3 结论与讨论

通过岩相鉴定和试验龄期内的膨胀率计算，检测确定商洛市商州区段丹江河砂为非碱-硅酸反应活性骨料，在砂源稳定前提下不具有碱活性，但含有一定量的隐-微晶结构石英和波状消光石英等活性成分,龄期从7-10 d期间膨胀率增长快速，说明丹江河砂具有潜在的碱活性。丹江河砂为非碱-硅酸反应活性骨料的结论与商洛迄今未发生因碱骨料反应而导致的工程事故事实是吻合的。商洛市商州区段丹江河砂是商洛市区建筑行业最主要的砂源，而河砂动态变化的不确定性，需要建立长期动态的碱活性监测系统，并严格控制工程中所采用水泥的含碱量，以保证商洛市混凝土结构的安全性和耐久性。

[1]蒋正武,李享涛.黔东南地区变质岩骨料的碱活性及预防措施[J].建筑材料学报,2010,13(1):22-25.

[2]王俊,苏聪聪.河南地区混凝土集料碱-硅酸反应及抑制试验[J].河南理工大学学报:自然科学版,2014,33 (4):534-538.

[3]付向红,史永涛.桥梁C50混凝土用集料碱活性的检测与判定[J].四川建筑科学研究,2013,39(3):205-209.

[4]中国建筑科学研究院.JGJ52-92.普通混凝土用砂质量标准及检验方法[S].北京:中国建筑标准设计研究院,1993.

[5]卢都友,许涛,罗旌旺,等.快速法检测湖南湘江砂、卵石集料碱活性[J].建筑材料学报,2012,15(1):107-111.

[6]边树举,林波,任德会.建筑工程材料检验取样及质量评定手册[M].北京:化学工业出版社,2014.

[7]邓争荣,吴树良,张召松.花岗岩麻岩人工骨料碱活性抑制试验研究[J].人民长江,2014,45(7):98-102.

[8]王俊,赵超.豫西南地区混凝土用砂碱-硅酸反应试验及抑制研究[J].许昌学院学报,2014,33(2):93-96.

[9]范文昭.建筑材料[M].北京:中国建筑工业出版社,2010.

（责任编辑：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

商洛学院科研基金项目（13SKY-FWDF009）

王绪旺，男，陕西商南人，硕士，讲师