常见火成岩类骨料的碱活性岩相特征分析

中钢集团郑州金属制品研究院，河南 郑州 450001

骨料碱活性反应是影响混凝土耐久性的重要因素之一，它产生的破坏难以修复和挽救，造成的经济损失难以估计[1-2]。我国混凝土中使用的火成岩种类遍及基性岩、中性岩、酸性岩以及火山碎屑岩，研究认为火成岩的碱活性与其二氧化硅质量分数有关，喷发相比侵入相火成岩具有更大的碱活性，同一种岩石在不同产地的碱活性大小也不尽相同[3-4]。火成岩类的化学组成、矿物组成、结构构造以及变质作用都是影响其碱活性的重要因素，为骨料碱活性的检测带来了挑战[5]。

1 岩相法与碱活性矿物

岩相法是骨料碱活性检测的首选方法，基于矿物学、晶体光学，利用偏光显微镜、扫描电镜等仪器，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、碱活性矿物的类别以及碱活性矿物的百分含量，从而评价骨料的碱活性。碱活性矿物含量与骨料膨胀率不具有直接的定量关系，因此岩相法无法对骨料的膨胀性做定量的评定。若骨料中不含碱活性矿物，即可作为最终结果；若骨料中含有碱硅酸反应活性矿物，应按照快速砂浆棒法对其碱活性大小进行进一步检验；骨料中含有碱-碳酸盐反应活性矿物时，则应按照岩石柱法对其碱活性大小进行进一步检验。

碱硅酸反应是指混凝土中的碱与骨料中的活性二氧化硅反应，生成碱硅酸凝胶，反应过程强烈吸水膨胀，体积可增长3倍，导致混凝土产生不均匀膨胀引起开裂[2]。二氧化硅的碱活性取决于其结晶程度，活性二氧化硅是指无定形二氧化硅及隐晶质、微晶质和玻璃质二氧化硅及受应力变形的二氧化硅[6]。《铁路混凝土》（TB/T 3275—2018）中规定，硅酸盐类碱活性矿物包括蛋白石、方石英、磷石英、微晶石英（粒径小于30μm）、玉髓、严重波状消光石英、火山玻璃、燧石、人工硅质玻璃等。

蛋白石是一种含水的隐晶质或胶质二氧化硅，也是硅胶溶液在地质运动中受压、失水形成的。X射线研究表明，大多数蛋白石是由高度无序的二氧化硅变体-方石英组成。火山玻璃为玻璃质二氧化硅，主要形成于火山喷发过程中，高温喷发物迅速冷却来不及结晶完整，形成非晶质的玻璃形态，具有较高的反应活性。玉髓、方石英、磷石英为隐晶质-微晶质二氧化硅，具有开放的、有缺陷的晶格结构和较大的比表面积，在水溶液中活性增加，易受到侵蚀而溶解。严重波状消光石英为结晶完整的二氧化硅，在地质运动过程中受应力变形，造成晶格扭曲、错位等，晶体外界面也随之增多，产生不同程度的碱活性。

碱-碳酸盐反应是指混凝土中的碱与碳酸盐骨料中具有特定结构的细粒白云石反应，持续进行去白云化作用，直到白云石被反应完全消耗为止。当碳酸盐骨料中的白云石晶体分布在方解石微晶和黏土基质中才具有一定的活性，火成岩缺少碳酸盐矿物而不具有碱-碳酸盐反应活性。

2 常见火成岩类混凝土骨料的碱活性岩相特征

常见的用做混凝土骨料的火成岩主要有喷出相的玄武岩类、安山岩类、英安岩、流纹岩等，侵入相主要有辉长岩类、闪长岩类以及花岗岩类等。常见火成岩的岩相特征见表1。

表1 常见火成岩的岩相特征表

2.1 喷出岩类

玄武岩二氧化硅质量分数一般为45%～52%，属于硅不饱和状态，一般岩石中不含或者含有极少量的石英，间粒结构、不含杏仁的玄武岩一般不具有碱活性。具有碱活性的玄武岩主要是由气孔中的硅质填充物和基质中的火山玻璃引起的。气孔、杏仁构造在玄武岩中十分发育，其中常充填的玉髓、蛋白石等为碱硅酸活性矿物[7]；间隐结构的玄武岩基质中充填的火山玻璃是玄武岩中主要的碱硅酸活性矿物。常见火成岩中碱活性矿物见图1。

图1 常见火成岩中碱活性矿物

安山岩中的碱活性矿物与玄武岩的碱活性矿物类似，主要为基质中的火山玻璃以及气孔杏仁中的玉髓、蛋白石等，但作为硅饱和的中性熔岩，安山岩基质中可能会含有应变石英和微晶石英等碱硅酸活性矿物。邱青娥[8]对产自敦化市的安山岩进行了碱活性研究，岩相法鉴定出含量约为45%的火山玻璃，为可疑碱硅酸活性骨料，获得14d快速砂浆棒膨胀率为0.24%，判定为具有潜在碱硅酸反应危害。

英安岩、流纹岩类为酸性熔岩，石英作为主要矿物在斑晶和基质中均有分布。斑晶石英常呈自形的六方双锥，但常被熔蚀成港湾状或浑圆状，有时含有玻璃质、熔融物和气液包。基质中则可能会出现玻璃质、微晶方石英和磷石英等碱硅酸活性矿物。

玻璃质岩石是含有少量或者不含斑晶的酸性熔岩类，主要包括珍珠岩、黑耀岩、松脂岩和浮岩，岩石中含有大量火山玻璃，呈现油脂光泽、玻璃光泽及松脂光泽等。玻璃质岩石具有较大可能的碱硅酸反应活性，在混凝土骨料中应用少见。

2.2 火山碎屑岩类

火山碎屑是火山喷发作用形成的同期碎屑物质，分为岩屑、晶屑和玻屑。岩屑为火山爆发过程中破碎的已固结火山熔岩、半固结或未固结的岩浆团块，具有和火山熔岩较为一致的碱活性矿物组分。晶屑多是岩浆在地下形成的晶体，火山喷发时被带出并伴随破碎成棱角状，由于喷发是温度骤降，大多数发育裂纹。石英晶屑常常可见波状消光或扇形消光，为石英晶体从半凝固状态向凝固状态演变时发生应力变形所致，石英晶屑的裂纹也是激发碱活性的重要因素。玻屑为黏性大的富含挥发分岩浆喷出时迅速冷却形成的火山玻璃，常常发生脱玻化作用，由非晶质向隐晶质、微晶质转变，可产生磷石英、方石英、微晶石英等碱硅酸活性矿物。

段群苗等[9]对宁波地区包括凝灰岩的多个混凝土骨料进行了碱活性研究，其中27个凝灰岩样本的14d快速砂浆棒膨胀率普遍为0.15%～0.3%，平均为0.23%，可评定为碱硅酸反应骨料。

2.3 侵入岩

辉长岩、辉绿岩的二氧化硅质量分数为45%～52%，属于基性岩类，其矿物组成相当于喷发相的玄武岩，不含或者含有极少量石英。与玄武岩相比，辉长岩类的矿物结晶较为完全，矿物组分为显晶质，不含非晶质的火山玻璃，因此大部分辉长岩类不含碱硅活性矿物组分，往往被评定为非碱活性骨料。

闪长岩类为中性岩，相当于喷发相的安山岩类，石英含量较少，当闪长岩向花岗岩类过渡时，石英含量可达到20%。闪长岩类的碱活性矿物主要为应变石英，在斑状结构的闪长岩中有时可见少量微晶石英，由于闪长岩中石英的总含量较少，闪长岩的碱活性矿物含量非常少，14d快速砂浆棒膨胀率常常小于0.1%，可评定为非碱活性骨料。

花岗岩类是大陆地壳的重要组成部分，也是世界上分布最为广泛的一种岩石。花岗岩为酸性岩，石英含量为20%～60%，石英结晶程度较好，粒径常为中粒或中粗粒，应变石英含量较少。花岗斑岩、似斑状花岗岩的基质常具微晶质结构、隐晶质结构等，基质常常含有微晶石英，属于碱硅酸活性矿物。花岗岩类经常被用作混凝土粗骨料，在重大水利工程中也可见相关报道。杨华全等[10]对三峡大坝料场的花岗岩进行了碱活性研究，岩相法显示花岗岩中的石英普遍具有波状消光，但波状消光角都不大，在应力集中区，石英形成不同类型的位错，有位错弓弯、位错网和位错缠结等。长龄期砂浆长度法的最大膨胀率未超过0.1%，为非碱活性骨料。谢国帅等[11]对杨房沟水电站混凝土中的花岗闪长岩骨料进行了碱活性研究，9个样本均含有微晶石英或隐晶质石英，14d砂浆棒快速法膨胀率均小于0.1%，28d砂浆棒快速法膨胀率均小于0.20%。

3 讨论

从统计学资料及有关研究发现，一般情况下，酸性和中性火成岩的碱活性大于基性类岩石；中、酸性喷出相岩石的碱活性大于深成相和浅成相。基性火成岩类二氧化硅质量分数小于52%，硅不饱和，不含或含有极少量的游离态石英；中性火成岩为硅饱和岩，二氧化硅质量分数为52%～66%，含有少量石英，一般小于5%；酸性活成岩为硅过饱和岩，石英含量大于20%，包括应变石英、微晶石英以及弱结晶石英等。从化学组成来看，中酸性火成岩相比基性岩以含有较多的硅质碱活性矿物而具有更高的碱活性特征。

岩石的结晶程度也是影响火成岩碱活性的重要因素，喷出岩的结晶程度弱于侵入岩。喷出岩在火山喷发过程中，高温喷发物迅速冷却来不及结晶完整，常形成非晶质的火山玻璃。根据结晶化学，非晶质体内质点在三维空间进行无序排列，质点间距不平衡，势能较大，是不稳定体，属于无定形的凝胶体[5]。喷出岩随着酸性火山玻璃含量的增高，其碱活性变大，火山玻璃容易发生脱玻化，生成隐晶质或微晶质的硅质产物，其碱活性随之降低，但仍具有较强的碱活性。凝灰岩中的玻屑常常发生脱玻化，基质中也含有大量微晶质火山灰，其快速砂浆棒膨胀率通常为0.1%～0.3%，具有潜在的碱活性危害。中酸性侵入岩类的矿物结晶程度较好，石英发育成中细粒或中粗粒，晶体结构较为完整，在偏光显微镜下，严重波状消光石英不足5%，具有较小的碱活性特征。粒状花岗岩类的快速砂浆棒膨胀率一般小于0.1%，但斑状结构的花岗岩含有较多的细粒或微粒石英，较粒状结构的花岗岩其快速砂浆棒膨胀率略高。因此，结晶程度较好的侵入岩类相比喷出岩具有较低的碱活性。

变质作用和年龄也是影响火成岩碱活性的因素之一，但喷发岩和侵入岩具有不同的演变特征[2]。新生代中酸性火山岩喷发时间较短，脱玻化作用和变质反应较弱，火山玻璃结晶程度差活性高，因而具有较强的碱活性；中生代火山岩因火山玻璃脱玻化使其碱活性变弱，而古生代或更古老的喷发岩，隐晶质或微晶质基质多发生变质重结晶作用而转变成全晶质，碱活性强度大大降低[5]。中酸性侵入岩长期受变质作用影响碱活性会随之增强，这是因为在变质过程中，地质应力及热液会使石英晶体发生变形、重结晶，导致晶格扭曲、错位、滑移等，晶体开放界面随之增多，从而产生不同程度的碱活性。

4 结论

（1）中酸性喷发岩在火成岩中具有较高的碱活性，凝灰岩因含有较多的火山玻璃及微晶石英常具有潜在的碱硅酸反应危害，花岗岩因石英结晶程度较好、应变程度低，大多数不具有碱活性。

（2）火成岩的化学组成、结晶程度是影响碱活性特征的重要因素。中酸性火成岩的碱活性大于基性岩，中酸性喷出岩的碱活性大于侵入岩。

（3）变质作用会导致喷出岩和侵入岩发生不同的碱活性演化。中酸性喷出岩中的火山玻璃因脱玻化和重结晶作用会降低碱硅酸反应活性；中酸性侵入岩会变质作用产生更多的应变石英，增大了碱硅酸反应的可能性。