摘要：碱集料反应是在混凝土中产生膨胀应力,至一定程度后引起混凝土开裂或混凝土结构破坏。耐久性是混凝土的重要指标,碱集料反应具有反应过程缓慢、影响因素复杂、引起混凝土开裂的时间难预测且一旦发生破坏无法修补等特点。实践证明,混凝土一旦发生碱集料反应破坏无法修补,重建费用往往比新建相同建筑物高出几倍。因此,工程界应重点加强碱集料反应的预防及抑制。我国在进行工程建设特别是重点和重大工程建设时采纳有关专家的意见和建议，对可能出现碱集料反应的混凝土工程采取了必要的预防措施,因此碱集料反应所造成的经济损失相对较小。虽然如此,近年来,我国相继发生多处碱集料反应破坏的事例再次为工程建设敲响了警钟。某高速公路隧道地层岩性分布复杂，围岩由板岩、白云岩、玄武岩、花岗岩等多种岩石组成。因沿线岩石骨料资源相对匮乏，采用洞渣作为衬砌混凝土粗、细骨料。目前隧道掘进出的洞渣由板岩组成，规格种类为10~20mm：16~31.5mm按50：50的碎石）所取的洞渣按照GB岩相分析法和GB、TB/T砂浆膨胀率测试结果表明，骨料具有碱活性。采用岩相法测试的碱活性矿物包括：微晶石英8.6%、火山玻璃31.8%和细小菱形白云石1.2%，共计活性物质含量41.6%，样品具有潜在碱活性。快速砂浆棒法测试的砂浆试件膨胀率高达0.53%，且试件有白色渗出物。

该地区低碱水泥的供应匮乏，工程使用的水泥的碱含量较高，同时外加剂和粉煤灰掺合料带进去部分碱，因此单方混凝土总碱含量难以控制在3kg/m3以下。同时，常年平均气温较高，湿度大，埋深大，特殊结构形式还存在围岩变化大。目前，板岩洞渣作为混凝土骨料的衬砌存在很大的产生碱-骨料反应的风险。碱-骨料反应将导致隧道衬砌混凝土活性骨料与水泥中碱发生膨胀反应，造成开裂、掉块、结构强度低等现象，严重影响行车安全与隧道结构使用寿命。

本论文针对该项目洞渣加工的骨料，进行碱活性物质含量检测，预防碱活性含量超标的集料用于混凝土工程，并对含有碱活性物质的骨料采取抑制措施。

关键词:混凝土；碱-集料反应；检测；抑制措施

一、骨料碱活性检测方法

混凝土碱集料反应是混凝土组成中水泥、外加剂、掺合料或拌合水中可溶性碱（钾、钠）溶解后与骨料中活性成分反应。当混凝土中的碱浓度超过一定临界值后，集料中如微晶和隐晶硅等活性矿料就会起化学反应而生成一种胶凝，而这种胶凝往往吸水膨胀，使混凝土产生内应力，导致混凝土开裂甚至破坏，进而失去设计性能，是影响混凝土耐久性的重要因素之一。

目前，我国铁路行业检测碱-骨料反应的规范主要有《铁路混凝土》（TB/T-)和《建筑用卵石、碎石》（GB/T-）。除此之外，还有《铁路混凝土用骨料碱活性试验方法.岩相法》（TB/T.1-）、《铁路混凝土用骨料碱活性试验方法.化学法》（TB/T.2-）、《铁路混凝土用骨料碱活性试验方法.砂浆棒法》（TB/T.3-）、《铁路混凝土用骨料碱活性试验方法.岩石柱法》（TB/T.4-)、《铁路混凝土用骨料碱活性试验方法.快速砂浆棒法》（TB/T.5-）。在《建筑用卵石、碎石》中，其鉴定方法为先肉眼判断岩石及所含活性矿物种类，再分为碱硅酸反应和碱碳酸反应分别进行活性鉴定。其中岩相法、化学法、砂浆棒法、快速砂浆棒法、快速压蒸法为碱-硅酸反应（ASR）的检测方法；岩相法、岩石柱法为碱-碳酸盐反应（ACR）的检测方法。

集料碱活性检测是一项综合性的研究，每种检测方法都有其适应范围，任何一种方法不可能对所有集料都能进行准确的评价，需要将宏观和微观检测方法结合，综合所有结果才能做出正确判断。在实际工程检测时，应严格按照标准，对于结果处于判定标准边缘的可疑骨料，应将多种检测方法配合分析再作出判断。由于实际工程需要，集料碱活性的检测方法围绕着快速、可靠、方便、可重复性好等优点发展，目前效果较好、应用较广泛的就是岩相法、快速砂浆棒法、压蒸法。本文选取岩相法和快速砂浆棒法进行研究。

二、碱-骨料活性抑制方法

混凝土碱-骨料反应的防治措施研究一直都是碱-骨料反应研究的重点，目前预防及抑制碱-骨料反应发生的措施主要包括:

（1）优选骨料：若水泥含碱量高、混凝土总碱量高或处于含碱环境等情况下，对可能引起碱-骨料反应的可疑骨料，应进行活性检验。如需将活性骨料与非活性骨料混合使用。则应经试验验证确认对工程无危害，方可按规定比例混合使用。例如花岗岩质骨料，研究发现绝大多数花岗岩质骨料不含有活性二氧化硅，另外，花岗岩质骨料强度较高，能满足混凝土强度方面的要求。

（2）控制水泥含碱量：水泥中的碱是混凝土碱的主要来源，使用低碱水泥和减少水泥用量是降低混凝土总碱量的关键。虽然有些地区的骨料在含碱量低于0.4%时仍有发生碱-骨料反应的危害，但水泥含碱量低于0.6%作为安全界限已被广泛认可。

（3）控制混凝土碱含量：混凝土中的碱不仅来自水泥，也可以来自混合材料、外加剂、水等几个方面，因此，单纯地提出水泥含碱量是远远不够的，控制混凝土原材料总碱量才是更有效的办法。

三、预防及抑制措施的实施

3.1

现场取样

选取隧道掘进出的洞渣进行骨料碱活性评价和混凝土矿物掺合料抑制碱-骨料反应有效性研究。在隧道代表性区段，已建衬砌边墙、拱腰、拱脚处钻芯取样，每个区段混凝土芯样6个，芯样尺寸φ50×mm，研究已建衬砌板岩骨料混凝土碱活性，混凝土配合比如表3-1所示，混凝土芯样及测量装置如图3-1所示。

3.2

试验方法

3.2.1

骨料碱活性

岩相法：根据TB/T-，将骨料进行取样和分类后，选取3~5块样品制成薄片，通过肉眼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、碱活性矿物的类别以及碱活性矿物占骨料的重量百分比，从而评定骨料的碱活性。

快速砂浆棒法：按照TB/T-中骨料碱活性检测方法执行，采用25mm×25mm×mm砂浆试件，每组3个试件，试验配合比如表3-2所示，试验用骨料级配如表3-3所示。自试件放入80℃±2℃的养护液（1mol/LNaOH溶液）中算起，测试养护至3d、7d、14d、21d、28d时试件的长度膨胀率，评定其所代表的骨料的碱-硅酸反应活性。

3.2.2

骨料碱活性抑制

按照TB/T-中矿物掺合料和外加剂抑制碱-骨料反应有效性检测方法执行。水泥选用基准水泥和现场水泥两类；抑制材料选取粉煤灰、S95矿粉、沸石超细粉，现场外加剂。比较不同抑制材料碱-骨料反应抑制的有效性。试验配合比如表3-4所示，试验用骨料级配同表3-3，其中粉煤灰掺量为20%，沸石超细粉掺量为10%，S95矿粉掺量为5%。

采用溶液浸泡法，以试件吸水率和残余膨胀率为评价指标，同时结合岩相分析法研究已建衬砌板岩骨料混凝土的碱活性。

四、试验结果与分析

4.1

骨料碱活性

4.1.1

岩相法

镜下鉴定：碎石次棱角状，岩性为硅质板岩65%，玄武岩35%。集料性质鉴定如表4-1所示。

硅质板岩：具粒状鳞片变晶结构，板状构造，主要由硅质（49%~51%）、粘土质、铁质等组成。硅质为隐-微晶石英，粒径0.03mm的隐-微晶石英约占90%，具潜在碱硅活性；粘土质、铁质，分别呈细小鳞片状、微粒状，不均匀分布。该类碎石具潜在碱硅活性（见图4-1）。

4.1.2

快速砂浆棒法

砂浆试件的长度膨胀率在不同浸泡时间下试验结果如表4-2所示，根据砂浆试件长度膨胀率随浸泡时间的变化可知，砂浆试件长度膨胀率随浸泡时间的增长逐渐增大，且砂浆试件在NaOH溶液中浸泡14d的长度膨胀率达到0.%，大于TB/T-中规定限值0.1%，因此，骨料为碱-硅酸反应活性骨料。

表4-2骨料碱活性长度膨胀率/%

4.2

骨料碱活性抑制

由上述试验结果可知，洞渣骨料具有碱活性。表4-3为掺加不同抑制材料后测试的试件长度膨胀率试验结果，根据表4-3掺不同抑制材料砂浆试件长度膨胀率随浸泡时间的增长均呈增大趋势，其中工况④试件的长度膨胀率最大，14d时已超过了TB/T-中限值0.1%，其次是工况⑥，其试件长度膨胀率在21d时就超过了限值0.1%。

在NaOH溶液中浸泡28d时，工况①~⑥对应砂浆试件膨胀率分别达到0.%、0.%、0.%、0.%、0.%、0.%，工况①、②、⑤、对应砂浆试件在NaOH溶液中浸泡28d的长度膨胀率均小于限值0.1%，说明粉煤灰、S95矿粉对骨料的碱活性抑制有效，其中粉煤灰的效果最好，无论是基准水泥，还是现场水泥均有效，而S95矿粉仅对基准水泥有效，因此，推荐使用粉煤灰作为碱活性抑制材料，其掺量可取胶凝材料掺量的20%。

4.3

混凝土碱活性试验研究

4.3.1

芯样吸水率

混凝土芯样在80℃水中浸泡和80℃NaOH溶液浸泡条件下，以预养护开始前或结束后作为计算起点，计算混凝土芯样吸水率试验结果。

（1）以预养护开始前作为计算起点

当以预养护开始前作为计算起点，80℃水中浸泡下混凝土芯样吸水率试验结果如表4-4所示。

当以预养护开始前作为计算起点时，80℃NaOH溶液浸泡下混凝土芯样吸水率试验结果如表4-5所示。

根据表4-℃水中浸泡下混凝土芯样吸水率试验结果，可知在80℃水中浸泡下，不同区段下混凝土芯样吸水率随浸泡时间的增长均逐渐增大，前期增长较快，后期逐渐减缓。混凝土芯样浸泡35d的吸水率达到1.%~2.%，平均值为2.%。

根据表4-℃NaOH溶液浸泡下混凝土芯样吸水率试验结果，可知在80℃NaOH溶液浸泡下，不同区段的混凝土芯样吸水率随浸泡时间的增长同样呈增大趋势，前期增长较快，后期逐渐减缓。混凝土芯样浸泡35d时吸水率达到1.%~3.%，平均值为2.%。

（2）以预养护结束后作为计算起点

当以预养护结束后作为计算起点时，80℃水中浸泡下混凝土芯样吸水率试验结果如表4-6所示。

当以预养护开始前作为计算起点时，80℃NaOH溶液浸泡下混凝土芯样吸水率试验结果如表4-7所示。

根据表4-℃水中浸泡下混凝土芯样吸水率试验结果，可知在80℃水中浸泡下，不同区段下混凝土芯样吸水率随浸泡时间的增长呈逐渐增大的趋势。混凝土芯样浸泡35d的吸水率为0.%~0.%，平均值为0.%。分析可知，80℃水中浸泡下，混凝土芯样吸水量并不大。

根据表4-℃NaOH溶液浸泡下混凝土芯样吸水率试验结果，可知在80℃NaOH溶液浸泡下，不同区段的混凝土芯样吸水率随浸泡时间的增长同样呈增大趋势。混凝土芯样浸泡35d的吸水率为0.%~0.%，平均值为0.%。分析可知，高温高碱环境在一定程度上加速了混凝土芯样吸水效果，但从试件吸水率试验结果看，混凝土芯样在高温高碱苛刻试验条件下仍呈低吸水性。

4.3.2

芯样残余膨胀率

根据表4-℃水中浸泡下混凝土芯样残余膨胀率试验结果，可知80℃水中浸泡下，不同区段的混凝土芯样残余膨胀率随浸泡时间的增长逐渐增大，前期增长较快，后期逐渐减缓。不同区段混凝土芯样浸泡35d的残余膨胀率达到0.%~0.%，平均值为0.%。分析可知，80℃水中浸泡下，混凝土芯样残余膨胀变形并不显著。

根据表4-℃NaOH溶液浸泡下混凝土芯样残余膨胀率试验结果，可知80℃NaOH溶液浸泡下，不同区段的混凝土芯样残余膨胀率随浸泡时间的增长呈增大趋势，且残余膨胀率增长速率呈先迅速后缓慢再迅速的趋势。不同区段的混凝土芯样浸泡35d的残余膨胀率达到0.%~0.%，平均值为0.%。

当以预养护结束后作为计算起点时，80℃水中和NaOH溶液中浸泡下混凝土芯样残余膨胀率对比，可知混凝土芯样残余膨胀率随浸泡时间的增长均呈增大趋势。NaOH溶液浸泡下混凝土芯样残余膨胀率明显高于水中浸泡。经NaOH溶液浸泡35d的混凝土芯样残余膨胀率达到0.%，高于水中浸泡下芯样残余膨胀率0.%。分析可知，高温高碱环境加速了碱-骨料反应，导致混凝土芯样残余膨胀率有所增加，但从残余膨胀率试验结果看，混凝土芯样在高温高碱苛刻试验条件下仍呈低膨胀性。

4.3.3

芯样岩相分析—光学显微镜

（1）1#芯样2#芯样3#芯

主要成分：岩屑55%（板岩36%）、单矿物碎屑少量、水泥胶结物45%。

岩屑：主要种类有：板岩36%、微晶闪长岩13%、辉绿岩3%、灰岩2%、石英岩1%、

板岩：由粘土质、石英、长石、铁质等组成（见图4-10）。

石英岩：由他形粒状石英组成（见图4-13）。

白云岩：由白云石组成（见图4-11）。

单矿物碎屑：主要成分：方解石和少量石英、长石。

微晶闪长岩：由斜长石、暗色矿物和少量铁质等组成。部分斜长石具绢云母化、碳酸盐化，大部分暗色矿物具绿泥石化、碳酸盐化等（见图4-12）。

（2）水中浸泡35d芯样

4#芯样5#芯样6#芯样主要成分：岩屑60%、单矿物碎屑2%~3%、水泥胶结物35%~40%。

岩屑：主要种类有：板岩33%、微晶闪长岩22%、灰岩4%、石英岩1%。

板岩：由粘土质、石英、长石、铁质等组成（见图4-14）。

灰岩：由方解石和少量石英、铁质等组成（见图4-15）。

石英岩：由他形粒状石英组成（见图4-16）。

水泥胶结物：灰色，少量岩屑与水泥接触处出现环状裂纹，裂隙宽约0.~0.mm。水泥胶结物内部出现少量不规则微裂纹（见图4-17）。

综合光学显微镜试验结果可知，芯样原样和水中浸泡35d芯样中在少量骨料与水泥基体接触处出现裂隙宽为0.~0.mm环状裂纹，且芯样中的水泥基体内部均出现了少量不规则微裂纹。混凝土芯样在高温高碱环境下发生的碱-骨料反应很弱。

五、结论

(1)该隧道洞渣碎石次棱角状，岩性为硅质板岩65%，玄武岩35%，洞渣碎石具潜在碱硅活性。且砂浆试件在NaOH溶液中浸泡14d的长度膨胀率为0.%，大于限值0.1%，因此，骨料进一步判定为碱-硅酸反应活性骨料。

(2)根据骨料碱和性抑制结果，推荐使用粉煤灰作为碱活性抑制材料，其掺量可取胶凝材料掺量的20%。掺粉煤灰的砂浆试件在NaOH溶液中浸泡28d的长度膨胀率均小于限值0.1%，无论是基准水泥还是现场水泥粉煤灰的抑制效果最好。而S95矿粉仅对基准水泥有效。

(3)混凝土芯样在高温高碱苛刻试验条件下呈低吸水性、低膨胀性。经80℃NaOH溶液浸泡下，混凝土芯样吸水率和残余膨胀率随浸泡时间的增长呈增大趋势。80℃NaOH溶液浸泡35d的吸水率以及残余膨胀率，高于80℃水中浸泡下混凝土芯样吸水率和残余膨胀率百分比。

(4)综合骨料的碱活性测试、混凝土芯样高温高碱苛刻试验条件下膨胀性能测定以及芯样岩相分析，同时考虑该隧道衬砌混凝土已采取掺加粉煤灰等抑制碱活性反应措施等因素，混凝土芯样在高温高碱环境下未发生碱-骨料反应。

参考文献

[1]TB/T-.铁路混凝土

[2]GB/T-.建筑用卵石、碎石

[3]JTG/TF50-.公路桥涵施工技术规范

[4]TB/T.5-.铁路混凝土用骨料碱活性试验方法.快速砂浆棒法

[5]TB/T.1-.铁路混凝土用骨料碱活性试验方法.岩相法