1 堿-骨反應及試驗方法 1.1 堿-骨料反應 堿-骨料反應(Alkali-Aggregate Reaction，簡稱“AAR”)，是指水泥中的堿與某些活 性骨料發生化學反應，引起混凝土的不均勻膨脹，導致開裂破壞。自從1940年美國T.E.Stanton提出此問題以來，已有不少國家出現AAR破壞的工程實例，如美國、法國、印度等國使用花崗巖或片麻巖骨料，出現了堿-骨料反應的破壞事故。巴西的Moxot′水電站使用黑云母花崗巖作混凝土骨料，八年后出現了危害性的堿骨料反應。特別是法國的Shambon壩[6]使用片麻巖及云母片巖作混凝土骨料，出現了沿大壩高度總膨脹量超過了10cm，大壩上部向上游方向傾斜了15cm的混凝土堿骨料反應破壞的工程實例。因此，堿-骨料反應問題逐漸引起了世界各國的重視。 堿-骨料反應，通?？煞譃閮纱箢愋?，即堿-硅反應(Alkali-Silica Reaction，簡稱“ASR”和堿-碳酸鹽反應(Alkali-Carbonate Reaction，簡稱“ACR”。ASR是指水泥中的堿與活性SiO2，如微晶質、隱晶質、玻璃質和應變的石英及玉髓等發生化學反應，生成堿的硅酸鹽凝膠，吸水后體積膨脹，引起混凝土膨脹、開裂。蛋白石、隧石、石英巖、砂巖、火山熔料等均含有活性SiO2。ACR是指水泥中的堿與某些碳酸鹽骨料，如白云石發生反應引起膨脹，使混凝土開裂破壞。由于白云石含粘土，堿離子通過包裹在細小白云石微晶外的粘土滲入白云石顆粒，使其反應產物不能通過粘土向外擴散，而使骨料膨脹，導致混凝土開裂。
引起堿-骨料反應的必要條件是：水泥超過安全含堿量，存在活性骨料并超過一定的數量，要有水分，如果沒有水分，反應就會減小或完全停止。影響堿-骨料反應膨脹的因素很多，主要有水泥含堿量、濕度、溫度、外加劑及摻合料，混凝土或砂漿中的水泥用量，活性骨料的數量、粒徑和活性大小等。當混凝土處于潮濕的環境，混凝土中含堿量較高，并含有活性骨料，則有可能發生堿-骨料反應而導致膨脹、開裂。因此，必須對工程用的骨料是否含活性成分進行鑒定，并且測定水泥含堿量，以便采取必要的抑制堿-骨料反應的預防措施。 1.2 堿-骨料反應試驗方法 對骨料堿活性的評定，至今國際上尚無一個一致認可的普遍方法。巖相法對選擇合適的檢測方法有重要指導作用，一直是作為骨料堿活性鑒定的首選方法，它是通過顯微鏡觀察來鑒定骨料的種類和成分，特別是那些已知活性礦物存在與否的骨料，以此來判斷其是否存在堿活性，但其缺點是得不到活性組分含量與膨脹率的定量關系，并且，此方法需要有相當熟練的技術?；瘜W法是和砂漿長度法配合使用的，是國際上公認的傳統方法，但它的缺點是不能鑒定由于微晶石英或變形石英所導致的慢膨脹骨料，另一個缺點是存在非SiO2物質如碳酸鹽、石膏、粘土等的干擾，這些干擾常常造成根本性的錯誤。砂漿長度法是與ASTM C227類同的比較經典的方法，但它的缺點是僅適用于一些高活性的快膨脹的巖石和礦物，對慢膨脹骨料則不適用。砂漿棒快速法是于1994年同時被美國和加拿大定為標準的方法(ASTM 1260和CSA A23•2-14A)，研究結果與工程記錄的對比表明，該方法對硅質骨料，尤其是慢膨脹骨料與工程使用記錄具有很好的一致性，被認為是比較精確可靠的，但它的問題是過于嚴格，某些工程被證明是無害的骨料可能被判為有害；混凝土棱柱體法受水泥細度、水灰比和養護條件(溫度、濕度)及配合比等的影響較大，而且試驗周期較長。 2 試驗研究 2.1 花崗巖的巖相鑒定 三峽工程基坑花崗巖的礦物組成，主要是斜長石、石英、黑云母和少量角閃石，巖石呈花崗狀結構和塊狀構造。下岸溪花崗巖的礦物組成主要是斜長石、鉀長石、石英和少量綠泥石，巖石呈花崗狀結構、斑狀結構和塊狀構造。三峽壩基及下岸溪料場花崗巖，地層為上元古界前震旦系，距今8億年，地層相對穩定，但造山運動對本地區花崗巖仍有輕微影響，主要表現是石英受到應力作用，普遍出現波狀消光，但波狀消光角都不大，平均都在4.4°以下，最大為10°。另外在應力集中區，石英形成不同類型的位錯，有位錯弓彎、位錯網和位錯纏結等。石英的粒度在0.3～2mm，屬于細料，沒有發現微粒石英。對兩個料場的花崗巖中的主要巖石礦物進行了電子探針單礦物分析，斜長石在二長花崗巖中，斜長石酸度較高，在端元組分上Ab變化在96.04～97.70之間，其種屬全為鈉長石?；◢忛W長巖中，斜長石酸度較低，其端元組分Ab變化于79.37～81.25之間，其種屬全為更長石。閃云斜長花崗巖其種屬為中長石。鉀長石主要是微斜長石，僅大斑晶是微斜條紋長石。 2.2 巖石的化學全分析 對所取巖石按《水泥化學分析方法》(GB/T176-1996)對其化學成分進行了測定，試驗結果表明，巖石的主要化學成分為SiO2和Al2O3，還有少量Fe2O3、FeO、MgO、CaO等，其中K2O的含量在0.54%～2.89%之間，平均為1.54%，Na2O的含量在1.40%～7.73%之間，平均為4.91%，二者的當量含堿量(Na2Oe)總含量在2.47%～8.20%，平均為5.92%。 2.3 巖石的化學法測定 按《水工混凝土試驗規程》(SD105-82)方法進行。活性骨料的評定標準：當試驗結果出現Rc>70，而Sc>Rc或Rc>70而Sc>35+Rc/2中的任何一種情況，該試樣應評為具有潛在有害反應的活性骨料。所采巖石樣品的化學法測定結果列于表1。從表1可以看出，所有樣品用“化學法”測定均為非活性骨料。 表1 巖石的化學法測定 2.4 砂漿長度法試驗 按《水工混凝土試驗規程》(SD105-82)方法進行。試驗的評定標準是半年膨脹率如超過0.1%，則骨料具有潛在活性。試驗采用525中熱硅酸鹽水泥，除水泥本身含堿量(0.54%)外，還外加堿使當量含堿量分別達到0.8%、1.2%進行試驗。試驗結果見表2。試驗結果表明，試件的膨脹率與水泥的當量含堿量及齡期有關。水泥當量含堿量越大，試件的膨脹率越大，試件的膨脹率隨齡期的增加而增大。所有樣品180d齡期的膨脹率均小于0.1%，表明用“砂漿長度法”檢測評定屬非活性骨料。 表2 砂漿長度法試驗結果 圖1 閃云斜長花崗巖砂漿長度法試件的膨脹率與齡期關系曲線
曾對三峽壩基的閃云斜長花崗巖進行過砂漿長度法長齡期的觀測，試驗用水泥為葛洲壩600號大壩水泥(現525中熱硅酸鹽水泥)，水泥的含堿量為0.78%，除水泥本身含堿量外，還外加堿使當量含堿量分別達到0.8%、1.0%、1.2%、1.5%、2.0%進行試驗。觀測結果見圖1。從圖1可以看出，閃云斜長花崗巖砂漿試件的膨脹率有隨齡期的增加而增長的趨勢，至13年齡期時達到最大值，之后，呈現出下降的趨勢，反應似乎表現出撏Ｖ蛿的現象。膨脹率還與水泥的當量含堿量有關，膨脹率隨水泥當量含堿量的增加而增大。當水泥當量含堿量達到1%時，砂漿試件14年齡期的膨脹率仍然小于0.1%的危害值。 2.5 小棒快速法 按中國工程建設標準化協會CECS48:93的方法進行。試件結果評定：在3個配比中，用膨脹率最大的一組來評定骨料的堿活性，如膨脹率大于或等于0.1%，則評定為活性骨料，小于0.1%則為非活性骨料。這種方法僅適用于評定硅質骨料的堿活性。骨料的小棒快速法試驗結果見表3。從試驗結果可以看出，試件的最大膨脹率為0.066%，小于0.1%，說明用該方法評定屬非活性骨料。 2.6 砂漿棒快速法 本試驗按美國ASTM C1260-94方法進行。試驗的評定標準：14d齡期的砂漿膨脹率小于0.1%，則骨料是無害的，膨脹率大于0.2%，則表明骨料具有潛在堿活性，膨脹率在0.1%和0.2%之間需進行其他必要的輔助試驗，也可將度件延至28d觀測來作最后定論。兩個料場巖石砂漿棒快速法試驗結果見表4。從試驗結果來看，所有樣品14d齡期的膨脹率均小于0.1%，表明用“砂漿棒快速法”檢測評定屬非活性骨料。 表4 砂漿棒快速法試驗結果 2.7 混凝土棱柱體試驗 常用的混凝土棱柱體法是加拿大方法，即CSA A23•2-14A方法。這一方法規定所用水泥的含堿量為1.0%±0.2%，并通過外加NaOH的方法，使水泥當量含堿量達到1.25%。以試件一年齡期的膨脹率作為判斷骨料堿活性的依據，當試件一年齡期的膨脹率等于或超過0.40%時，則骨料判定為潛在有害活性。膨脹率小于0.04%，則判定為非活性骨料。粗細骨料使用同一種巖石的混凝土棱柱體法試驗結果列于表5。從表5可以看出，巖石的混凝土試驗364d齡期的膨脹率均小于0.04%，表明用“混凝土棱柱體法”檢測評定屬非活性骨料。 表5 混凝土棱柱體法試驗結果 3 結語 三峽基坑花崗巖的礦物組成，主要是斜長石、石英、黑云母和少量角閃石，巖石呈花崗狀結構和塊狀構造。下岸溪花崗巖的礦物組成主要是斜長石、鉀長石、石英和少量綠泥石，巖石呈花崗巖狀結構、斑狀結構和塊狀構造，波狀消光角小，沒有微晶石英。用巖相法、化學法、砂漿長度法、小棒快速法、砂漿棒快速法、混凝土棱柱體法等各種方法檢驗，基坑閃云斜長花崗巖、下岸溪斑狀花崗巖屬非活性巖石。由于堿骨料反應的復雜性，目前國際上還沒有一個一致認可的方法，從混凝土的耐久性和工程安全的角度考慮，應嚴格控制工程所用水泥的含堿量。
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