常見火成巖類骨料的堿活性巖相特征分析

中鋼集團(tuán)鄭州金屬制品研究院，河南 鄭州 450001

骨料堿活性反應(yīng)是影響混凝土耐久性的重要因素之一，它產(chǎn)生的破壞難以修復(fù)和挽救，造成的經(jīng)濟(jì)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(rèn)為火成巖的堿活性與其二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，噴發(fā)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(chǎn)地的堿活性大小也不盡相同[3-4]。火成巖類的化學(xué)組成、礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及變質(zhì)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(zhàn)[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(xué)、晶體光學(xué)，利用偏光顯微鏡、掃描電鏡等儀器，鑒定骨料的巖石種類、結(jié)構(gòu)構(gòu)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(guān)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(jié)果；若骨料中含有堿硅酸反應(yīng)活性礦物，應(yīng)按照快速砂漿棒法對其堿活性大小進(jìn)行進(jìn)一步檢驗；骨料中含有堿-碳酸鹽反應(yīng)活性礦物時，則應(yīng)按照巖石柱法對其堿活性大小進(jìn)行進(jìn)一步檢驗。

堿硅酸反應(yīng)是指混凝土中的堿與骨料中的活性二氧化硅反應(yīng)，生成堿硅酸凝膠，反應(yīng)過程強(qiáng)烈吸水膨脹，體積可增長3倍，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生不均勻膨脹引起開裂[2]。二氧化硅的堿活性取決于其結(jié)晶程度，活性二氧化硅是指無定形二氧化硅及隱晶質(zhì)、微晶質(zhì)和玻璃質(zhì)二氧化硅及受應(yīng)力變形的二氧化硅[6]。《鐵路混凝土》（TB/T 3275—2018）中規(guī)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(yán)重波狀消光石英、火山玻璃、燧石、人工硅質(zhì)玻璃等。

蛋白石是一種含水的隱晶質(zhì)或膠質(zhì)二氧化硅，也是硅膠溶液在地質(zhì)運(yùn)動中受壓、失水形成的。X射線研究表明，大多數(shù)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(zhì)二氧化硅，主要形成于火山噴發(fā)過程中，高溫噴發(fā)物迅速冷卻來不及結(jié)晶完整，形成非晶質(zhì)的玻璃形態(tài)，具有較高的反應(yīng)活性。玉髓、方石英、磷石英為隱晶質(zhì)-微晶質(zhì)二氧化硅，具有開放的、有缺陷的晶格結(jié)構(gòu)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(yán)重波狀消光石英為結(jié)晶完整的二氧化硅，在地質(zhì)運(yùn)動過程中受應(yīng)力變形，造成晶格扭曲、錯位等，晶體外界面也隨之增多，產(chǎn)生不同程度的堿活性。

堿-碳酸鹽反應(yīng)是指混凝土中的堿與碳酸鹽骨料中具有特定結(jié)構(gòu)的細(xì)粒白云石反應(yīng)，持續(xù)進(jìn)行去白云化作用，直到白云石被反應(yīng)完全消耗為止。當(dāng)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(zhì)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(yīng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為45%～52%，屬于硅不飽和狀態(tài)，一般巖石中不含或者含有極少量的石英，間粒結(jié)構(gòu)、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(zhì)填充物和基質(zhì)中的火山玻璃引起的。氣孔、杏仁構(gòu)造在玄武巖中十分發(fā)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(jié)構(gòu)的玄武巖基質(zhì)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(zhì)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(zhì)中可能會含有應(yīng)變石英和微晶石英等堿硅酸活性礦物。邱青娥[8]對產(chǎn)自敦化市的安山巖進(jìn)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(yīng)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(zhì)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(zhì)、熔融物和氣液包。基質(zhì)中則可能會出現(xiàn)玻璃質(zhì)、微晶方石英和磷石英等堿硅酸活性礦物。

玻璃質(zhì)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(xiàn)油脂光澤、玻璃光澤及松脂光澤等。玻璃質(zhì)巖石具有較大可能的堿硅酸反應(yīng)活性，在混凝土骨料中應(yīng)用少見。

2.2 火山碎屑巖類

火山碎屑是火山噴發(fā)作用形成的同期碎屑物質(zhì)，分為巖屑、晶屑和玻屑。巖屑為火山爆發(fā)過程中破碎的已固結(jié)火山熔巖、半固結(jié)或未固結(jié)的巖漿團(tuán)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(fā)時被帶出并伴隨破碎成棱角狀，由于噴發(fā)是溫度驟降，大多數(shù)發(fā)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(tài)向凝固狀態(tài)演變時發(fā)生應(yīng)力變形所致，石英晶屑的裂紋也是激發(fā)堿活性的重要因素。玻屑為黏性大的富含揮發(fā)分巖漿噴出時迅速冷卻形成的火山玻璃，常常發(fā)生脫玻化作用，由非晶質(zhì)向隱晶質(zhì)、微晶質(zhì)轉(zhuǎn)變，可產(chǎn)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(qū)包括凝灰?guī)r的多個混凝土骨料進(jìn)行了堿活性研究，其中27個凝灰?guī)r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(yīng)骨料。

2.3 侵入巖

輝長巖、輝綠巖的二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%～52%，屬于基性巖類，其礦物組成相當(dāng)于噴發(fā)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(jié)晶較為完全，礦物組分為顯晶質(zhì)，不含非晶質(zhì)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(dāng)于噴發(fā)相的安山巖類，石英含量較少，當(dāng)閃長巖向花崗巖類過渡時，石英含量可達(dá)到20%。閃長巖類的堿活性礦物主要為應(yīng)變石英，在斑狀結(jié)構(gòu)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(jié)晶程度較好，粒徑常為中粒或中粗粒，應(yīng)變石英含量較少。花崗斑巖、似斑狀花崗巖的基質(zhì)常具微晶質(zhì)結(jié)構(gòu)、隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)等，基質(zhì)常常含有微晶石英，屬于堿硅酸活性礦物。花崗巖類經(jīng)常被用作混凝土粗骨料，在重大水利工程中也可見相關(guān)報道。楊華全等[10]對三峽大壩料場的花崗巖進(jìn)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(yīng)力集中區(qū)，石英形成不同類型的位錯，有位錯弓彎、位錯網(wǎng)和位錯纏結(jié)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(jìn)行了堿活性研究，9個樣本均含有微晶石英或隱晶質(zhì)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(tǒng)計學(xué)資料及有關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，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(zhì)量分?jǐn)?shù)小于52%，硅不飽和，不含或含有極少量的游離態(tài)石英；中性火成巖為硅飽和巖，二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(yīng)變石英、微晶石英以及弱結(jié)晶石英等。從化學(xué)組成來看，中酸性火成巖相比基性巖以含有較多的硅質(zhì)堿活性礦物而具有更高的堿活性特征。

巖石的結(jié)晶程度也是影響火成巖堿活性的重要因素，噴出巖的結(jié)晶程度弱于侵入巖。噴出巖在火山噴發(fā)過程中，高溫噴發(fā)物迅速冷卻來不及結(jié)晶完整，常形成非晶質(zhì)的火山玻璃。根據(jù)結(jié)晶化學(xué)，非晶質(zhì)體內(nèi)質(zhì)點在三維空間進(jìn)行無序排列，質(zhì)點間距不平衡，勢能較大，是不穩(wěn)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(fā)生脫玻化，生成隱晶質(zhì)或微晶質(zhì)的硅質(zhì)產(chǎn)物，其堿活性隨之降低，但仍具有較強(qiáng)的堿活性。凝灰?guī)r中的玻屑常常發(fā)生脫玻化，基質(zhì)中也含有大量微晶質(zhì)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(jié)晶程度較好，石英發(fā)育成中細(xì)粒或中粗粒，晶體結(jié)構(gòu)較為完整，在偏光顯微鏡下，嚴(yán)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(jié)構(gòu)的花崗巖含有較多的細(xì)粒或微粒石英，較粒狀結(jié)構(gòu)的花崗巖其快速砂漿棒膨脹率略高。因此，結(jié)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(zhì)作用和年齡也是影響火成巖堿活性的因素之一，但噴發(fā)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(fā)時間較短，脫玻化作用和變質(zhì)反應(yīng)較弱，火山玻璃結(jié)晶程度差活性高，因而具有較強(qiáng)的堿活性；中生代火山巖因火山玻璃脫玻化使其堿活性變?nèi)酰派蚋爬系膰姲l(fā)巖，隱晶質(zhì)或微晶質(zhì)基質(zhì)多發(fā)生變質(zhì)重結(jié)晶作用而轉(zhuǎn)變成全晶質(zhì)，堿活性強(qiáng)度大大降低[5]。中酸性侵入巖長期受變質(zhì)作用影響堿活性會隨之增強(qiáng)，這是因為在變質(zhì)過程中，地質(zhì)應(yīng)力及熱液會使石英晶體發(fā)生變形、重結(jié)晶，導(dǎo)致晶格扭曲、錯位、滑移等，晶體開放界面隨之增多，從而產(chǎn)生不同程度的堿活性。

4 結(jié)論

（1）中酸性噴發(fā)巖在火成巖中具有較高的堿活性，凝灰?guī)r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(yīng)危害，花崗巖因石英結(jié)晶程度較好、應(yīng)變程度低，大多數(shù)不具有堿活性。

（2）火成巖的化學(xué)組成、結(jié)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(zhì)作用會導(dǎo)致噴出巖和侵入巖發(fā)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(jié)晶作用會降低堿硅酸反應(yīng)活性；中酸性侵入巖會變質(zhì)作用產(chǎn)生更多的應(yīng)變石英，增大了堿硅酸反應(yīng)的可能性。