商洛丹江河砂碱活性区域分布与安全使用措施

王绪旺，周春生

(1.商洛学院 城乡规划与建筑工程学院， 陕西 商洛 726000；

2.商洛学院 化学工程与现代材料学院， 陕西 商洛 726000)



商洛丹江河砂碱活性区域分布与安全使用措施

王绪旺1，周春生2

(1.商洛学院 城乡规划与建筑工程学院， 陕西 商洛 726000；

2.商洛学院 化学工程与现代材料学院， 陕西 商洛 726000)

摘要：骨料的碱活性影响着混凝土工程的安全耐久，采用岩相法和快速砂浆棒法对商洛市丹江河砂是否具有碱活性进行了鉴定检测和实验研究，并分析出丹江河砂碱活性的区域分布特征，为混凝土工程用砂安全提供参考。岩相分析结果表明：丹江河砂的矿物组成成分基本相同，主要由石英、长石、方解石、云母和杂砂组成，具有碱活性矿物成分较少。快速砂浆棒法测试结果表明：丹江河砂不具有碱活性,但是存在潜在的骨料活性成分。掺加15%粉煤灰后，测定试件膨胀率降低，表明粉煤灰对河砂的碱活性起到了良好的抑制作用，使用时还应采取其它一定措施，以保证混凝土的使用安全。

关键词：河砂；碱活性；检测；区域分布；使用措施

混凝土碱—骨料反应(Alkali-Aggregate Reaction，简称AAR)的检测与防治是混凝土应用领域首要重视问题。在过去的几十年里，尽管对AAR的研究、测试和预防方面取得了很大的进展，但还存在着太多的疑惑和矛盾[1]。1990年前后，我国陆续在北京、天津、山东、陕西、内蒙古等地发现了立交桥、铁路轨枕、工业及民用建筑因为AAR而破坏。1992年，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映方面的内容[2]。碱活性的骨料会导致混凝土不均匀膨胀、开裂，影响着混凝土工程的安全耐久，快速评价工程使用该骨料的安全性是急需要解决的问题[3]。商洛具有活性的矿物岩石种类多、分布广，商洛境内丹江支流多、流径长，丹江河砂又是商洛市混凝土工程用砂的主要来源，再有地域性的高碱水泥等，严重威胁了商洛市混凝土的安全耐久性。大量实践经验表明，综合利用各种快速检测法，如岩相法、快速砂浆棒法和蒸压法等，是工程上快速检测集料碱活性并进行质量控制的最常用和有效手段[4]。采用岩相法和快速砂浆棒法对商洛市混凝土细骨料主要来源的丹江河砂进行了鉴定检测和试验研究，确定了丹江河砂的碱活性类型及程度，并分析出丹江河砂碱活性的区域分布特征，掺加一定比例的粉煤灰等其它措施对河砂的碱活性起到良好的抑制作用，为混凝土工程用砂安全提供参考。

1实验检测

1.1实验原材料

采用陕西秦岭水泥(集团)股份有限公司生产的秦岭牌P.C 32.5水泥，碱含量(以Na2Oeq计，质量比)为1.05%,主要成分见表1。水泥中等当量Na2Oeq碱含量大于0.6%，若骨料存在活性二氧化硅成分，则会发生碱骨料反应。

表1秦岭牌P.C 32.5水泥熟料的化学成分

单位：%

取商州区段丹江全线及其支流的代表性砂样,如图1所示。商州区段丹江主要支流有南秦河、大面河、塔子河、玉山河等。因此对商洛市商州区段丹江及其主要支流进行全线分析，以东龙山丹江大桥和唐塬大桥为分段点，依次分为上段SY1、中段SY2和下段SY3,每段取样三处，并编号。每段取样地为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。

图1丹江河砂碱活性检测区域分段与取样点分布

清理取样地表杂物，将表层不纯砂铲除，用4.75 mm方孔筛将砂样进行过筛，取通过方孔筛的砂子10 kg，用筛分析法评定砂样粗细程度。在平板上将潮湿状态下试样拌合均匀，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[5]。重复上述过程，直至把每段样品缩分到2 kg为止。

混合缩分砂样的粗细程度直接影响了水泥浆的用量，因为同体积的砂样，细砂的表面积大于粗砂，对混凝土或砂浆在同一要求的流动性和黏结强度指标下，所用水泥用量增多，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[6]进行粗细程度评定和颗粒级配。经计算缩分砂样的丹江上段SY1细度模数MX1=2.9，砂样为中砂；中段SY2细度模数MX2=2.6，砂样为中砂；下段SY3细度模数MX1=2.2，砂样为细砂。对每段砂样的粗细程度计算分析，有助于对水泥用量的控制，从而控制等当量Na2Oeq碱含量。

1.2实验鉴定与检测

1.2.1岩相鉴定与分析

岩相法是通过目测和显微镜对骨料进行鉴定，确定骨料的岩石种类，结构构造及矿物成分等，确定骨料是否含有碱活性矿物的类别，若发现有碱活性矿物，应在偏光显微镜下测定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。实验的方法与过程按照ASTM C295-08[7]进行。

1.2.2河砂碱活性的检测

河砂碱骨料反应膨胀性测定采用ASTM C1260快速砂浆棒法[8]。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，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 NaOH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 d、7 d、10 d、14 d龄期的试样长度，并计算膨胀率[9]。

1.3实验检测标准及评定

采用《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》[10](JGJ52-2006)，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[11]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岩相鉴定结果与分析

岩相观察与鉴定分析表明商州丹江上段SY1、中段SY2、下段SY3三段河砂岩石种类和组成(含量)无明显差异。丹江河砂颜色呈黄褐色，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。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，详见图2。没有发现有蛋白石、玉髓、磷石英等等矿物成分,试件无裂缝、酥裂、胶体外溢等现象。岩相分析结果表明：丹江河砂的矿物组成成分基本相同，主要由石英、长石、方解石、云母和杂砂组成，具有碱活性矿物成分较少。

图2丹江河砂岩相(200 μm)

2.2膨胀率检测结果与分析

按照《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》[10](JGJ52-2006)，经测定丹江上段SY1河砂在规定的试验龄期膨胀率为0.081%，属非活性骨料；丹江中段SY2河砂在规定的试验龄期膨胀率为0.085%，属非活性骨料；丹江下段SY3河砂在规定的试验龄期膨胀率为0.090%，属非活性骨料，见表2。

表2　丹江河砂膨胀率检测结果

以试验龄期为横坐标，以膨胀率实测值为纵坐标建立分析坐标，将丹江河砂在规定的试验龄期膨胀率计算值进行分析表明：三段砂样变化趋势相似，都是随着龄期的增长，膨胀率增大。

实验结果表明商州丹江上段SY1、中段SY2、下段SY3三段河砂均属非活性骨料，但根据河砂碱骨料反应膨胀性规律看，河砂具有潜在的碱活性岩石成分。丹江上段SY1、中段SY2、下段SY3砂样细度模数依次减小，砂样粗细程度由粗到细，河砂比表面积由小变大，当混凝土拌合物具有相同和易性时，单位体积所需水泥用量增大，单位碱含量随之增大，是河砂膨胀率逐渐增大的另一原因。

2.3丹江河砂碱活性区域分布分析

集料的碱活性大小及其碱活性矿物组成分布呈现出一定的地域特征，因此，从地质学即从成矿条件等角度把握碱活性集料的分布意义深刻[12]。商洛市商州区段丹江流径长、支流多，区域性成矿岩石复杂，决定了河砂的碱活性的不稳定。

对商州区段丹江的干流和支流进行全线分析，在汛期过后进行筛取砂样，进行岩相鉴定与分析，采取快速砂浆棒法对河砂进行膨胀率检测，鉴定和检测结果真实可靠。商州区段丹江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，干流和支流的稳定保证了砂源的稳定。上段SY1流径短，支流少，砂源稳定性高，相比中段SY2和下段SY3试验龄期内的膨胀率最小。下段SY3流径长，支流多，砂源稳定性较弱，相比上段SY1和中段SY2试验龄期内的膨胀率最大，具有潜在的碱活性。中段SY2流径长度和支流数量介于SY1和SY3之间，试验龄期内的膨胀率也介于之间。由此可得到丹江河砂碱活性的区域分布：上段河砂无碱活性;中段河砂无碱活性，但具有潜在骨料活性成分，具有不稳定性因素，需要动态观察；下段河砂无碱活性，但是潜在的骨料活性成分较为活跃，不稳定性因素较大，使用时宜采取一定安全使用措施。

2.4丹江河砂安全使用措施

碱骨料反应在混凝土的内部产生，从骨料与水泥界面开始，加速钢筋锈蚀、岩蚀、碳化、冻融破坏等影响混凝土耐久性的病害，加速了混凝土结构的破坏。工程中常采用掺加超细掺合料来抑制碱骨料反应，常用的超细掺合料有矿渣、粉煤灰、硅粉等[13]。以降低混凝土成本为宗旨，综合各种成本因素选择粉煤灰作为掺合料，分析对碱骨料反应的抑制作用。

粉煤灰(FA)：西安西郊电热厂Ⅱ级粉煤灰、西安灞桥热电厂Ⅱ级粉煤灰和陕西渭河电厂Ⅱ级粉煤灰分别用XDFA、XBFA、SWFA表示，主要成分见表3。经分析比较选用西安西郊电热厂粉煤灰XDFA，等当量碱含量Na2Oeq为1.73%，粉煤灰取代水泥的最大限量(以重量计)，应符合《粉煤灰混凝土应用技术规范》[14](GBJ146-90)的要求，本试验用粉煤灰取代15%水泥(以重量计)。

表3　粉煤灰化学成分　单位：%

按照ASTM C1260快速砂浆棒法进行试验，结果表明粉煤灰抑制膨胀的效果明显，见表4。

表4掺加15%粉煤灰后丹江河砂膨胀率检测结果

单位：%

由表4可知：掺加15%粉煤灰(以重量计)后，测定试样SY1、SY2、SY3的试件膨胀率均有不同幅度降低，表明粉煤灰对河砂的碱活性起到了良好的抑制作用[15]，从而保证了混凝土的安全耐久。

经多次试验表明：选择粉煤灰作为掺合料时，若粉煤灰等当量碱含量Na2Oeq大于2.5%，抑制骨料的碱活性效果不明显。

普通混凝土(C15～C55)在水利水电工程、工业和民业房屋承重结构、公路铁路桥梁隧道承重结构、各类路基路面工程等广泛应用。这类混凝土密度1 950 kg/m3～2 500 kg/m3，每立方米普通混凝土的粉煤灰掺加量(mf)可按照超量系数(δc)计算[16]。

mf=δc(mco-mc)

(1)

mc=mco(1-βc)

(2)

式中：mf为每立方米混凝土的粉煤灰掺入量，kg；δc为超量系数；mco为每立方米基准混凝土中水泥用量，kg；mc为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混凝土为高强混凝土最低强度值，通过掺加一定比例粉煤灰后，计算分析C60混凝土的碱含量值，将该碱含量值降低10%的幅度值，作为普通混凝土碱含量值上限。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、减水剂8.25 kg，查阅《混凝土中掺用粉煤灰的技术规程》[17](DBJ01-10-93)，按照最不利原则分析取值，取超量系数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)计算得每立方米粉煤灰混凝土的水泥用量为440 kg，由公式(1)计算得每立方米混凝土的粉煤灰掺入量为132 kg，粉煤灰等当量碱含量Na2Oeq取2.50%，则混凝土碱含量为3.3 kg/m3。因此，按照《混凝土中掺用粉煤灰的技术规程》[17](DBJ01-10-93)要求，对普通混凝土掺加一定比例粉煤灰后，确保配置的普通混凝土碱含量不应大于3.0 kg/m3时，可保证混凝土使用安全。

由上分析，丹江河砂具有潜在的活性成分，不稳定性因素较大，建议采取一定安全使用措施：

(1) 对中下游河段进行周期性碱活性检测，建立动态检测数据。若检测为碱活性骨料，应禁止在混凝土结构工程中使用。

(2) 宜采用碱含量不大于0.6%的通用硅酸盐水泥[18]；粉煤灰的掺加应符合《粉煤灰混凝土应用技术规范》[14](GBJ146-90)的要求，应采用F类的I级或Ⅱ级粉煤灰，碱含量不宜大于2.5%[18]；混凝土碱含量不应大于3.0 kg/m3；采用低碱外加剂等其他原材料[18]。

(3) 对重大混凝土工程，进行跟踪复测，防止混凝土碱—骨料反应发生。

3结论

采用岩相法和快速砂浆棒法对商洛市丹江河砂碱活性进行的鉴定检测和实验研究表明：丹江河砂为非碱-硅酸反应活性骨料，丹江下游河砂的活性成分较上游有所增大，不稳定性因素增大，具有潜在的碱活性岩石成分增多。使用时宜采取一定安全使用措施：对丹江中下游河段进行周期性碱活性检测，建立动态检测数据；控制混凝土、水泥、粉煤灰和其他原材料的碱含量；对重大混凝土工程，进行跟踪复测，以保证丹江河砂使用的安全，防止所用混凝土产生碱—骨料反应。

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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

文章编号：1672—1144(2016)01—0144—05

中图分类号：TQ172

文献标识码：A

作者简介：王绪旺(1982—)，男，陕西商南人，硕士研究生，主要从事混凝土结构理论与应用方面的研究。 E-mail: qqwangxuwang@126.com。

基金项目：商洛学院服务地方经济社会发展专项科研项目(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