常見火成巖類骨料的堿活性巖相特征分析

中鋼集團鄭州金屬制品研究院，河南 鄭州 450001

骨料堿活性反應是影響混凝土耐久性的重要因素之一，它產生的破壞難以修復和挽救，造成的經濟損失難以估計[1-2]。我國混凝土中使用的火成巖種類遍及基性巖、中性巖、酸性巖以及火山碎屑巖，研究認為火成巖的堿活性與其二氧化硅質量分數有關，噴發相比侵入相火成巖具有更大的堿活性，同一種巖石在不同產地的堿活性大小也不盡相同[3-4]。火成巖類的化學組成、礦物組成、結構構造以及變質作用都是影響其堿活性的重要因素，為骨料堿活性的檢測帶來了挑戰[5]。

1 巖相法與堿活性礦物

巖相法是骨料堿活性檢測的首選方法，基于礦物學、晶體光學，利用偏光顯微鏡、掃描電鏡等儀器，鑒定骨料的巖石種類、結構構造及礦物成分，確定骨料是否含有堿活性礦物、堿活性礦物的類別以及堿活性礦物的百分含量，從而評價骨料的堿活性。堿活性礦物含量與骨料膨脹率不具有直接的定量關系，因此巖相法無法對骨料的膨脹性做定量的評定。若骨料中不含堿活性礦物，即可作為最終結果；若骨料中含有堿硅酸反應活性礦物，應按照快速砂漿棒法對其堿活性大小進行進一步檢驗；骨料中含有堿-碳酸鹽反應活性礦物時，則應按照巖石柱法對其堿活性大小進行進一步檢驗。

堿硅酸反應是指混凝土中的堿與骨料中的活性二氧化硅反應，生成堿硅酸凝膠，反應過程強烈吸水膨脹，體積可增長3倍，導致混凝土產生不均勻膨脹引起開裂[2]。二氧化硅的堿活性取決于其結晶程度，活性二氧化硅是指無定形二氧化硅及隱晶質、微晶質和玻璃質二氧化硅及受應力變形的二氧化硅[6]。《鐵路混凝土》（TB/T 3275—2018）中規定，硅酸鹽類堿活性礦物包括蛋白石、方石英、磷石英、微晶石英（粒徑小于30μm）、玉髓、嚴重波狀消光石英、火山玻璃、燧石、人工硅質玻璃等。

蛋白石是一種含水的隱晶質或膠質二氧化硅，也是硅膠溶液在地質運動中受壓、失水形成的。X射線研究表明，大多數蛋白石是由高度無序的二氧化硅變體-方石英組成。火山玻璃為玻璃質二氧化硅，主要形成于火山噴發過程中，高溫噴發物迅速冷卻來不及結晶完整，形成非晶質的玻璃形態，具有較高的反應活性。玉髓、方石英、磷石英為隱晶質-微晶質二氧化硅，具有開放的、有缺陷的晶格結構和較大的比表面積，在水溶液中活性增加，易受到侵蝕而溶解。嚴重波狀消光石英為結晶完整的二氧化硅，在地質運動過程中受應力變形，造成晶格扭曲、錯位等，晶體外界面也隨之增多，產生不同程度的堿活性。

堿-碳酸鹽反應是指混凝土中的堿與碳酸鹽骨料中具有特定結構的細粒白云石反應，持續進行去白云化作用，直到白云石被反應完全消耗為止。當碳酸鹽骨料中的白云石晶體分布在方解石微晶和黏土基質中才具有一定的活性，火成巖缺少碳酸鹽礦物而不具有堿-碳酸鹽反應活性。

2 常見火成巖類混凝土骨料的堿活性巖相特征

常見的用做混凝土骨料的火成巖主要有噴出相的玄武巖類、安山巖類、英安巖、流紋巖等，侵入相主要有輝長巖類、閃長巖類以及花崗巖類等。常見火成巖的巖相特征見表1。

表1 常見火成巖的巖相特征表

2.1 噴出巖類

玄武巖二氧化硅質量分數一般為45%～52%，屬于硅不飽和狀態，一般巖石中不含或者含有極少量的石英，間粒結構、不含杏仁的玄武巖一般不具有堿活性。具有堿活性的玄武巖主要是由氣孔中的硅質填充物和基質中的火山玻璃引起的。氣孔、杏仁構造在玄武巖中十分發育，其中常充填的玉髓、蛋白石等為堿硅酸活性礦物[7]；間隱結構的玄武巖基質中充填的火山玻璃是玄武巖中主要的堿硅酸活性礦物。常見火成巖中堿活性礦物見圖1。

圖1 常見火成巖中堿活性礦物

安山巖中的堿活性礦物與玄武巖的堿活性礦物類似，主要為基質中的火山玻璃以及氣孔杏仁中的玉髓、蛋白石等，但作為硅飽和的中性熔巖，安山巖基質中可能會含有應變石英和微晶石英等堿硅酸活性礦物。邱青娥[8]對產自敦化市的安山巖進行了堿活性研究，巖相法鑒定出含量約為45%的火山玻璃，為可疑堿硅酸活性骨料，獲得14d快速砂漿棒膨脹率為0.24%，判定為具有潛在堿硅酸反應危害。

英安巖、流紋巖類為酸性熔巖，石英作為主要礦物在斑晶和基質中均有分布。斑晶石英常呈自形的六方雙錐，但常被熔蝕成港灣狀或渾圓狀，有時含有玻璃質、熔融物和氣液包。基質中則可能會出現玻璃質、微晶方石英和磷石英等堿硅酸活性礦物。

玻璃質巖石是含有少量或者不含斑晶的酸性熔巖類，主要包括珍珠巖、黑耀巖、松脂巖和浮巖，巖石中含有大量火山玻璃，呈現油脂光澤、玻璃光澤及松脂光澤等。玻璃質巖石具有較大可能的堿硅酸反應活性，在混凝土骨料中應用少見。

2.2 火山碎屑巖類

火山碎屑是火山噴發作用形成的同期碎屑物質，分為巖屑、晶屑和玻屑。巖屑為火山爆發過程中破碎的已固結火山熔巖、半固結或未固結的巖漿團塊，具有和火山熔巖較為一致的堿活性礦物組分。晶屑多是巖漿在地下形成的晶體，火山噴發時被帶出并伴隨破碎成棱角狀，由于噴發是溫度驟降，大多數發育裂紋。石英晶屑常常可見波狀消光或扇形消光，為石英晶體從半凝固狀態向凝固狀態演變時發生應力變形所致，石英晶屑的裂紋也是激發堿活性的重要因素。玻屑為黏性大的富含揮發分巖漿噴出時迅速冷卻形成的火山玻璃，常常發生脫玻化作用，由非晶質向隱晶質、微晶質轉變，可產生磷石英、方石英、微晶石英等堿硅酸活性礦物。

段群苗等[9]對寧波地區包括凝灰巖的多個混凝土骨料進行了堿活性研究，其中27個凝灰巖樣本的14d快速砂漿棒膨脹率普遍為0.15%～0.3%，平均為0.23%，可評定為堿硅酸反應骨料。

2.3 侵入巖

輝長巖、輝綠巖的二氧化硅質量分數為45%～52%，屬于基性巖類，其礦物組成相當于噴發相的玄武巖，不含或者含有極少量石英。與玄武巖相比，輝長巖類的礦物結晶較為完全，礦物組分為顯晶質，不含非晶質的火山玻璃，因此大部分輝長巖類不含堿硅活性礦物組分，往往被評定為非堿活性骨料。

閃長巖類為中性巖，相當于噴發相的安山巖類，石英含量較少，當閃長巖向花崗巖類過渡時，石英含量可達到20%。閃長巖類的堿活性礦物主要為應變石英，在斑狀結構的閃長巖中有時可見少量微晶石英，由于閃長巖中石英的總含量較少，閃長巖的堿活性礦物含量非常少，14d快速砂漿棒膨脹率常常小于0.1%，可評定為非堿活性骨料。

花崗巖類是大陸地殼的重要組成部分，也是世界上分布最為廣泛的一種巖石。花崗巖為酸性巖，石英含量為20%～60%，石英結晶程度較好，粒徑常為中粒或中粗粒，應變石英含量較少。花崗斑巖、似斑狀花崗巖的基質常具微晶質結構、隱晶質結構等，基質常常含有微晶石英，屬于堿硅酸活性礦物。花崗巖類經常被用作混凝土粗骨料，在重大水利工程中也可見相關報道。楊華全等[10]對三峽大壩料場的花崗巖進行了堿活性研究，巖相法顯示花崗巖中的石英普遍具有波狀消光，但波狀消光角都不大，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。長齡期砂漿長度法的最大膨脹率未超過0.1%，為非堿活性骨料。謝國帥等[11]對楊房溝水電站混凝土中的花崗閃長巖骨料進行了堿活性研究，9個樣本均含有微晶石英或隱晶質石英，14d砂漿棒快速法膨脹率均小于0.1%，28d砂漿棒快速法膨脹率均小于0.20%。

3 討論

從統計學資料及有關研究發現，一般情況下，酸性和中性火成巖的堿活性大于基性類巖石；中、酸性噴出相巖石的堿活性大于深成相和淺成相。基性火成巖類二氧化硅質量分數小于52%，硅不飽和，不含或含有極少量的游離態石英；中性火成巖為硅飽和巖，二氧化硅質量分數為52%～66%，含有少量石英，一般小于5%；酸性活成巖為硅過飽和巖，石英含量大于20%，包括應變石英、微晶石英以及弱結晶石英等。從化學組成來看，中酸性火成巖相比基性巖以含有較多的硅質堿活性礦物而具有更高的堿活性特征。

巖石的結晶程度也是影響火成巖堿活性的重要因素，噴出巖的結晶程度弱于侵入巖。噴出巖在火山噴發過程中，高溫噴發物迅速冷卻來不及結晶完整，常形成非晶質的火山玻璃。根據結晶化學，非晶質體內質點在三維空間進行無序排列，質點間距不平衡，勢能較大，是不穩定體，屬于無定形的凝膠體[5]。噴出巖隨著酸性火山玻璃含量的增高，其堿活性變大，火山玻璃容易發生脫玻化，生成隱晶質或微晶質的硅質產物，其堿活性隨之降低，但仍具有較強的堿活性。凝灰巖中的玻屑常常發生脫玻化，基質中也含有大量微晶質火山灰，其快速砂漿棒膨脹率通常為0.1%～0.3%，具有潛在的堿活性危害。中酸性侵入巖類的礦物結晶程度較好，石英發育成中細粒或中粗粒，晶體結構較為完整，在偏光顯微鏡下，嚴重波狀消光石英不足5%，具有較小的堿活性特征。粒狀花崗巖類的快速砂漿棒膨脹率一般小于0.1%，但斑狀結構的花崗巖含有較多的細粒或微粒石英，較粒狀結構的花崗巖其快速砂漿棒膨脹率略高。因此，結晶程度較好的侵入巖類相比噴出巖具有較低的堿活性。

變質作用和年齡也是影響火成巖堿活性的因素之一，但噴發巖和侵入巖具有不同的演變特征[2]。新生代中酸性火山巖噴發時間較短，脫玻化作用和變質反應較弱，火山玻璃結晶程度差活性高，因而具有較強的堿活性；中生代火山巖因火山玻璃脫玻化使其堿活性變弱，而古生代或更古老的噴發巖，隱晶質或微晶質基質多發生變質重結晶作用而轉變成全晶質，堿活性強度大大降低[5]。中酸性侵入巖長期受變質作用影響堿活性會隨之增強，這是因為在變質過程中，地質應力及熱液會使石英晶體發生變形、重結晶，導致晶格扭曲、錯位、滑移等，晶體開放界面隨之增多，從而產生不同程度的堿活性。

4 結論

（1）中酸性噴發巖在火成巖中具有較高的堿活性，凝灰巖因含有較多的火山玻璃及微晶石英常具有潛在的堿硅酸反應危害，花崗巖因石英結晶程度較好、應變程度低，大多數不具有堿活性。

（2）火成巖的化學組成、結晶程度是影響堿活性特征的重要因素。中酸性火成巖的堿活性大于基性巖，中酸性噴出巖的堿活性大于侵入巖。

（3）變質作用會導致噴出巖和侵入巖發生不同的堿活性演化。中酸性噴出巖中的火山玻璃因脫玻化和重結晶作用會降低堿硅酸反應活性；中酸性侵入巖會變質作用產生更多的應變石英，增大了堿硅酸反應的可能性。