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1、三峡工程混凝土的碱-骨料反应试验研究杨华全1，王迎春1，曹鹏举1，陆建华1(1.长江科学院材料结构研究所)摘要：三峡工程大坝混凝土将利用闪云斜长花岗岩碎石作粗骨料，用斑状花岗岩制成的砂作细骨料。由于花岗岩含有应变石英，普遍出现波状消光，另外在应力集中区，石英形成不同类型的位错，因此其碱活性反应具有缓慢、持续时间长的特点，从地质环境、岩相、物理、化学等多方面进行了研究，采用多种方法进行了对照检验。结果表明，花岗岩的矿物组成主要是长石、石英、黑云母和少量角闪石或绿泥石等，用岩相法、化学法、砂浆长度法、小棒快速法、砂浆棒快速法、混凝土棱柱体法等进行测定属非活性，在低碱条件下，不会导致危害性膨胀，但在
2、高碱条件下，砂浆膨胀率在数年后仍继续增长，为确保工程安全，应严格控制水泥含碱量。关键词：三峡工程；碱骨料反应；花岗岩；骨料中图分类号：TV431 文献标识码：A三峡二二期工程程混凝土土将利用用基坑开开挖的闪闪云斜长长花岗岩岩轧制的的碎石作作粗骨料料，用下下岸溪料料场的斑斑状花岗岗岩制成成的砂作作细骨料料。由于于花岗岩岩广泛分分布于不不同时代代的褶皱皱带和前前寒纪地地盾区，多多次承受受强大的的地质构构造应力力作用，岩岩石矿物物发生强强烈范性性变形，晶晶体发生生多种位位错，能能量被贮贮存在点点阵中。所所以，花花岗岩有有时会表表现出显显著出现现膨胀开开裂的延延续时间间长达数数十年的的缓慢反反应型的的
3、碱活性性1。混凝凝土大坝坝与建筑筑物一旦旦发生减减骨料料反应破破坏，修修复是极极其困难难的，造造成的经经济损失失将是巨巨大的。关关于花岗岗岩的碱碱活性原原因，有有人推论论与其中中的应变变石英有有关，如如美国BB. SS Googtee2指出：当骨料料中应变变石英含含量超过过20%，同时时应变石石英平均均波状消消光角大大于155时，这这种骨料料具有潜潜在活性性。而印印度A.K.MMulllickk3建议应应变石英英波状消消光角在在25以上，应应变石英英含量在在25%以上可可视为具具潜在活活性。但但也有人人认为两两者之间间没有直直接关系系。石英英由于受受到应力力作用，晶晶体产生生缺陷，而而出现波波
4、状消光光，P. E. Grratttan-Bellleww4选择三三种花岗岗岩进行行研究，发发现石英英的波状状消光角角与碱活活性膨胀胀率近似似一种线线性关系系，即石石英波状状消光角角愈大，碱碱活性膨膨胀率也也愈大。三三峡工程程花岗岩岩含有应应变石英英，普遍遍出现波波状消光光。另外外在应力力集中区区，石英英形成不不同类型型的位错错，有位位错弓弯弯、位错错网和位位错缠结结等，这这是三峡峡工程花花岗岩的的主要活活性来源源。为了了保证三三峡工程程的安全全，对工工程使用用的花岗岗岩骨料料，从地地质环境境、岩相相、物理理、化学学等多方方面进行行了研究究，采用用了多种种方法进进行对照照检验，综综合评定定其碱
5、活活性。11 碱-骨反应应及试验验方法11.1 碱-骨骨料反应应 碱-骨料反反应(AAlkaali-Agggreggatee Reeacttionn，简称称“AAAR”)，是指指水泥中中的碱与与某些活活 性骨骨料发生生化学反反应，引引起混凝凝土的不不均匀膨膨胀，导导致开裂裂破坏。自自从19940年年美国TT.E.Staantoon提出出此问题题以来，已已有不少少国家出出现AAAR破坏坏的工程程实例，如如美国、法法国、印印度等国国使用花花岗岩或或片麻岩岩骨料，出出现了碱碱-骨料料反应的的破坏事事故。巴巴西的MMoxoot水水电站5使使用黑云云母花岗岗岩作混混凝土骨骨料，八八年后出出现了危危害性的
6、的碱骨骨料反应应。特别别是法国国的Shhambbon坝坝6使用片片麻岩及及云母片片岩作混混凝土骨骨料，出出现了沿沿大坝高高度总膨膨胀量超超过了110cmm，大坝坝上部向向上游方方向倾斜斜了155cm的的混凝土土碱骨骨料反应应破坏的的工程实实例。因因此，碱碱-骨料料反应问问题逐渐渐引起了了世界各各国的重重视。碱-骨料反反应，通通常可分分为两大大类型，即即碱-硅硅反应(Alkkalii-Siilicca RReacctioon,简简称“AASR”和和碱-碳碳酸盐反反应(AAlkaali-Carrbonnatee Reeacttionn,简称称“ACCR”。AASR是是指水泥泥中的碱碱与活性性SiO
7、O2，如微微晶质、隐隐晶质、玻玻璃质和和应变的的石英及及玉髓等等发生化化学反应应，生成成碱的硅硅酸盐凝凝胶，吸吸水后体体积膨胀胀，引起起混凝土土膨胀、开开裂。蛋蛋白石、隧隧石、石石英岩、砂砂岩、火火山熔料料等均含含有活性性SiOO2。ACCR是指指水泥中中的碱与与某些碳碳酸盐骨骨料，如如白云石石发生反反应引起起膨胀，使使混凝土土开裂破破坏。由由于白云云石含粘粘土，碱碱离子通通过包裹裹在细小小白云石石微晶外外的粘土土渗入白白云石颗颗粒，使使其反应应产物不不能通过过粘土向向外扩散散，而使使骨料膨膨胀，导导致混凝凝土开裂裂。引起碱碱-骨料料反应的的必要条条件是：水泥超超过安全全含碱量量，存在在活性骨
8、骨料并超超过一定定的数量量，要有有水分，如如果没有有水分，反反应就会会减小或或完全停停止。影影响碱-骨料反反应膨胀胀的因素素很多，主主要有水水泥含碱碱量、湿湿度、温温度、外外加剂及及掺合料料，混凝凝土或砂砂浆中的的水泥用用量，活活性骨料料的数量量、粒径径和活性性大小等等。 当当混凝土土处于潮潮湿的环环境，混混凝土中中含碱量量较高，并并含有活活性骨料料，则有有可能发发生碱-骨料反反应而导导致膨胀胀、开裂裂。因此此，必须须对工程程用的骨骨料是否否含活性性成分进进行鉴定定，并且且测定水水泥含碱碱量，以以便采取取必要的的抑制碱碱-骨料料反应的的预防措措施。11.2 碱-骨骨料反应应试验方方法 对对骨料
9、碱碱活性的的评定，至至今国际际上尚无无一个一一致认可可的普遍遍方法。岩岩相法对对选择合合适的检检测方法法有重要要指导作作用，一一直是作作为骨料料碱活性性鉴定的的首选方方法，它它是通过过显微镜镜观察来来鉴定骨骨料的种种类和成成分，特特别是那那些已知知活性矿矿物存在在与否的的骨料，以以此来判判断其是是否存在在碱活性性，但其其缺点是是得不到到活性组组分含量量与膨胀胀率的定定量关系系，并且且，此方方法需要要有相当当熟练的的技术。化化学法是是和砂浆浆长度法法配合使使用的，是是国际上上公认的的传统方方法，但但它的缺缺点是不不能鉴定定由于微微晶石英英或变形形石英所所导致的的慢膨胀胀骨料，另另一个缺缺点是存存
10、在非SSiO22物质如如碳酸盐盐、石膏膏、粘土土等的干干扰，这这些干扰扰常常造造成根本本性的错错误。砂砂浆长度度法是与与ASTTM CC2277类同的的比较经经典的方方法，但但它的缺缺点是仅仅适用于于一些高高活性的的快膨胀胀的岩石石和矿物物，对慢慢膨胀骨骨料则不不适用。砂砂浆棒快快速法是是于19994年年同时被被美国和和加拿大大定为标标准的方方法(AASTMM 12260和和CSAA A22322-144A)，研研究结果果与工程程记录的的对比表表明，该该方法对对硅质骨骨料，尤尤其是慢慢膨胀骨骨料与工工程使用用记录具具有很好好的一致致性，被被认为是是比较精精确可靠靠的，但但它的问问题是过过于严格
11、格，某些些工程被被证明是是无害的的骨料可可能被判判为有害害；混凝凝土棱柱柱体法受受水泥细细度、水水灰比和和养护条条件(温温度、湿湿度)及及配合比比等的影影响较大大，而且且试验周周期较长长。2 试验研研究2.1 花花岗岩的的岩相鉴鉴定 三三峡工程程基坑花花岗岩的的矿物组组成，主主要是斜斜长石、石石英、黑黑云母和和少量角角闪石，岩岩石呈花花岗状结结构和块块状构造造。下岸岸溪花岗岗岩的矿矿物组成成主要是是斜长石石、钾长长石、石石英和少少量绿泥泥石，岩岩石呈花花岗状结结构、斑斑状结构构和块状状构造。三三峡坝基基及下岸岸溪料场场花岗岩岩，地层层为上元元古界前前震旦系系，距今今8亿年年，地层层相对稳稳定，
12、但但造山运运动对本本地区花花岗岩仍仍有轻微微影响，主主要表现现是石英英受到应应力作用用，普遍遍出现波波状消光光，但波波状消光光角都不不大，平平均都在在4.44以下下，最大大为100。另另外在应应力集中中区，石石英形成成不同类类型的位位错，有有位错弓弓弯、位位错网和和位错缠缠结等。石石英的粒粒度在00.32mmm，属于于细料，没没有发现现微粒石石英。对对两个料料场的花花岗岩中中的主要要岩石矿矿物进行行了电子子探针单单矿物分分析，斜斜长石在在二长花花岗岩中中，斜长长石酸度度较高，在在端元组组分上AAb变化化在966.044977.700之间，其其种属全全为钠长长石。花花岗闪长长岩中，斜斜长石酸酸度
13、较低低，其端端元组分分Ab变变化于779.337881.225之间间，其种种属全为为更长石石。闪云云斜长花花岗岩其其种属为为中长石石。钾长长石主要要是微斜斜长石，仅仅大斑晶晶是微斜斜条纹长长石。22.2 岩石的的化学全全分析 对所取取岩石按按水泥泥化学分分析方法法(GGB/TT1766-19996)对其化化学成分分进行了了测定，试试验结果果表明，岩岩石的主主要化学学成分为为SiOO2和All2O3，还有有少量FFe2O3、FeeO、MMgO、CCaO等等，其中中K2O的含含量在00.544%22.899%之间间，平均均为1.54%，Naa2O的含含量在11.400%77.733%之间间，平均均
14、为4.91%，二者者的当量量含碱量量(Naa2Oe)总含量量在2.47%8.20%，平均均为5.92%。2.3 岩岩石的化化学法测测定 按按水工工混凝土土试验规规程(SD1105-82)方法进进行。活活性骨料料的评定定标准：当试验验结果出出现Rcc700，而SScRRc或RRc770而SSc335+RRc/22中的任任何一种种情况，该该试样应应评为具具有潜在在有害反反应的活活性骨料料。所采采岩石样样品的化化学法测测定结果果列于表表1。从从表1可可以看出出，所有有样品用用“化学学法”测测定均为为非活性性骨料。表1 岩石石的化学学法测定定岩样编号料场岩石名称碱度降低值值Rc(mmool/LL)可溶
15、性二氧氧化硅SSc(mmmoll/L)结果评定96-52296-61996-666966-67796-71996-772966-73396-75996-880966-888基坑基坑基基坑基坑坑下岸溪溪下岸溪溪下岸溪溪下岸溪溪下岸溪溪下岸溪溪黑云斜长片片麻岩闪闪云斜长长花岗岩岩斜闪煌煌斑岩碎碎裂化斜斜长花岗岗岩斜长长花岗岩岩绿泥石石化辉绿绿岩石英英砂岩斑斑状二长长花岗岩岩花岗岩岩闪长岩岩绿泥石石化辉录录岩223.1158.31335.9999.01008.7721778.9942002.551144.75554.0900.015.4113.773188.3119.998211.64427.471
16、106.34990.773377.66614.57非活性非活活性非活活性非活活性非活活性非活活性非活活性非活活性非活活性非活活性2.4 砂砂浆长度度法试验验 按水水工混凝凝土试验验规程(SD1105-82)方法进进行。试试验的评评定标准准是半年年膨胀率率如超过过0.11%，则则骨料具具有潜在在活性。试试验采用用5255中热硅硅酸盐水水泥，除除水泥本本身含碱碱量(00.544%)外外，还外外加碱使使当量含含碱量分分别达到到0.88%、11.2%进行试试验。试试验结果果见表22。试验验结果表表明，试试件的膨膨胀率与与水泥的的当量含含碱量及及龄期有有关。水水泥当量量含碱量量越大，试试件的膨膨胀率越越
17、大，试试件的膨膨胀率随随龄期的的增加而而增大。所所有样品品1800d龄期期的膨胀胀率均小小于0.1%，表表明用“砂砂浆长度度法”检检测评定定属非活活性骨料料。表2 砂浆浆长度法法试验结结果岩样编号岩石名称当量含碱量量(%)试件膨胀率率(%)30d60d90d180d96-52296-61996-666966-71196-72996-773966-75596-887黑云斜长片片麻岩闪闪云斜长长花岗岩岩斜闪煌煌斑岩斜斜长花岗岗岩绿泥泥石化辉辉绿岩石石英砂岩岩斑状二二长花岗岗岩绿泥泥石化辉辉绿岩0.5400.8001.2200.5400.8001.2200.5400.8001.2200.5400.8
18、001.2200.5400.8001.2200.5400.8001.2200.5400.8001.2200.5400.8001.2200.00660.000700.01130.00220.000500.01160.00220.000800.01110.01330.001400.01170.00880.000800.01120.00440.000500.01120.00550.000500.00080.00110.000100.00040.00660.000700.01150.00220.000600.02210.00440.001100.01160.01990.001900.02220.009
19、90.000900.01140.00550.000500.01130.00770.000700.01110.00550.005500.00090.00770.000900.01160.00550.001200.02230.00550.001300.01180.02000.002000.02240.00990.000900.01140.00880.000800.01190.00770.000700.01120.00550.000500.00090.00770.000900.01180.00550.001200.02260.00550.001500.02200.02000.002000.02240
20、.00990.000900.01140.01000.001300.03340.01110.001200.01170.00550.000600.0112图1 闪云云斜长花花岗岩砂砂浆长度度法试件件的膨胀胀率与龄龄期关系系曲线曾对三三峡坝基基的闪云云斜长花花岗岩进进行过砂砂浆长度度法长龄龄期的观观测，试试验用水水泥为葛葛洲坝6600号号大坝水水泥(现现5255中热硅硅酸盐水水泥)，水水泥的含含碱量为为0.778%，除除水泥本本身含碱碱量外，还还外加碱碱使当量量含碱量量分别达达到0.8%、11.0%、1.2%、11.5%、2.0%进进行试验验。观测测结果见见图1。从从图1可可以看出出，闪云云斜长花花
21、岗岩砂砂浆试件件的膨胀胀率有随随龄期的的增加而而增长的的趋势，至至13年年龄期时时达到最最大值，之之后，表3 岩石石小棒快快速法试试验结果果岩样编号岩石名称试件膨胀率(%)评定结果96-5296-6196-6696-6796-6896-7196-7296-7396-7496-7596-8096-87黑云斜长片麻岩闪云斜长花岗岩斜闪煌斑岩碎裂化斜长花岗岩碎裂花岗岩斜长花岗岩绿泥石化辉绿岩石英砂岩绿泥石化辉绿岩斑状二长花岗岩花岗闪长岩绿泥石化辉绿岩0.0370.0300.0410.0640.0600.0340.0360.0390.0390.0300.0560.066非活性非活性非活性非活性非活性非
22、活性非活性非活性非活性非活性非活性非活性表4 砂浆浆棒快速速法试验验结果岩样编号岩石名称试件膨胀率(%)3d7d14d96-5296-6196-6696-6796-7196-7296-73黑云斜长片麻岩闪云斜长花岗岩斜闪煌斑岩碎裂化斜长花岗岩斜长花岗岩绿泥石化辉绿岩石英砂岩0.0050.0080.0090.0050.0080.0050.0130.0080.0180.0240.0120.0100.0080.0250.0150.0440.0740.0330.0190.0120.061呈现出下降降的趋势势，反应应似乎表表现出撏撏蛿的的现象。膨膨胀率还还与水泥泥的当量量含碱量量有关，膨膨胀率随随水泥当
23、当量含碱碱量的增增加而增增大。当当水泥当当量含碱碱量达到到1%时时，砂浆浆试件114年龄龄期的膨膨胀率仍仍然小于于0.11%的危危害值。2.5 小棒快速法 按中国工程建设标准化协会CECS48:93的方法进行。试件结果评定：在3个配比中，用膨胀率最大的一组来评定骨料的碱活性，如膨胀率大于或等于0.1%，则评定为活性骨料，小于0.1%则为非活性骨料。这种方法仅适用于评定硅质骨料的碱活性。骨料的小棒快速法试验结果见表3。从试验结果可以看出，试件的最大膨胀率为0.066%，小于0.1%，说明用该方法评定属非活性骨料。2.6 砂浆棒快速法 本试验按美国ASTM C1260-94方法进行。试验的评定标准
24、：14d龄期的砂浆膨胀率小于0.1%，则骨料是无害的，膨胀率大于0.2%，则表明骨料具有潜在碱活性，膨胀率在0.1%和0.2%之间需进行其他必要的辅助试验，也可将度件延至28d观测来作最后定论。两个料场岩石砂浆棒快速法试验结果见表4。从试验结果来看，所有样品14d龄期的膨胀率均小于0.1%，表明用“砂浆棒快速法”检测评定属非活性骨料。表5 混凝凝土棱柱柱体法试试验结果果岩样编号岩石名称试件膨胀率率(%)14d28d91d182d364d96-1330966-1331966-1332966-1334966-1335966-1338黑云斜长片片麻岩闪闪云斜长长花岗岩岩碎裂化化斜长花花岗岩绿绿泥石化
25、化辉绿岩岩斑状二二长花岗岗岩花岗岗斜长岩岩-0.00004-0.000733-0.001150.00008-00.00017-0.0002110.00111-00.0002900.0004000.00052-0.000055-0.001100.006610.001180.004400.006690.004400.002280.011170.006620.006610.008840.005520.006650.017750.008810.004430.006610.003330.008842.7 混混凝土棱棱柱体试试验 常常用的混混凝土棱棱柱体法法是加拿拿大方法法，即CCSA A2332-14A
26、A方法。这这一方法法规定所所用水泥泥的含碱碱量为11.0%0.2%，并并通过外外加NaaOH的的方法，使使水泥当当量含碱碱量达到到1.225%。以以试件一一年龄期期的膨胀胀率作为为判断骨骨料碱活活性的依依据，当当试件一一年龄期期的膨胀胀率等于于或超过过0.440%时时，则骨骨料判定定为潜在在有害活活性。膨膨胀率小小于0.04%，则判判定为非非活性骨骨料。粗粗细骨料料使用同同一种岩岩石的混混凝土棱棱柱体法法试验结结果列于于表5。从从表5可可以看出出，岩石石的混凝凝土试验验3644d龄期期的膨胀胀率均小小于0.04%，表明明用“混混凝土棱棱柱体法法”检测测评定属属非活性性骨料。3 结语三峡基坑花岗
27、岩的矿物组成，主要是斜长石、石英、黑云母和少量角闪石，岩石呈花岗状结构和块状构造。下岸溪花岗岩的矿物组成主要是斜长石、钾长石、石英和少量绿泥石，岩石呈花岗岩状结构、斑状结构和块状构造，波状消光角小，没有微晶石英。用岩相法、化学法、砂浆长度法、小棒快速法、砂浆棒快速法、混凝土棱柱体法等各种方法检验，基坑闪云斜长花岗岩、下岸溪斑状花岗岩属非活性岩石。由于碱骨料反应的复杂性，目前国际上还没有一个一致认可的方法，从混凝土的耐久性和工程安全的角度考虑，应严格控制工程所用水泥的含碱量。参 考 文文 献：1 刘崇崇熙，方方梓芸，汪汪在芹，李李珍.混混凝土骨骨料性能能和制造造工艺M.广州：化南理理工大学学出版
28、社社，19999年年8月.2 Goontee B S. An Evaaluaatioon oof SSomee Coommoon IIndiian Roccks witth SSpecciall Reeferrencce tto AAlkaali-Agggreggatee Reeacttionn JJ. Enggineeeriing Geoologgy, 19773, (7): 1135-1533.33 AA.K.Mulllicck, et al.Evaaluaatioon oof QQuarrtziite andd Grraniite Agggreggatees CConttainningg
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