遼陽地區石灰巖的微觀結構及其堿活性巖相分析

常思瓊

(中國建筑材料工業地質勘查中心遼寧總隊，遼寧 沈陽 110000)

堿骨料反應是指混凝土中的堿與具有堿活性的骨料發生反應，反應產物吸水膨脹或反應導致骨料膨脹，造成混凝土開裂破壞的現象[1]。堿骨料反應是影響混凝土耐久性的重要因素之一，其基本反應模式可分為堿硅酸反應和堿碳酸鹽反應[2]。堿硅酸反應是指活性二氧化硅與水泥中的堿發生的膨脹反應[3]，活性二氧化硅一般包括蛋白石、玉髓、石英玻璃體、隱晶質和微晶質二氧化硅以及受應力變形的石英[4]。堿碳酸鹽反應是指水泥中的堿與巖石中的白云石晶體間的化學反應，也稱去白云石化反應[5]。含硅質組分的碳酸鹽巖中的微晶質至隱晶質石英也能與水泥中的堿發生堿硅酸反應[6]。

對于碳酸鹽骨料，應注意對堿碳酸鹽和堿硅酸活性這兩方面的檢測[7]。并不是所有含白云石的巖石均會引起混凝土堿碳酸鹽反應膨脹破壞，唐明述等[8]提出具有堿碳酸鹽反應的活性骨料是指具有特征微觀結構的碳酸鹽巖石，即尺寸＜50μm的菱形白云石晶體分散分布于基質之中。李愛美[9]用類斑狀結構概念來描述菱形白云石晶體分散分布在方解石基質中的這種特定巖石結構特征。以此概念為基礎，本文針對遼陽地區石灰巖骨料的分布特點，以古生界寒武系、奧陶系的石灰巖為研究對象，采用巖相法進行堿活性試驗，研究了石灰巖的微觀結構特征，并對不同樣品堿活性的結果進行了成巖環境分析。

1 樣品及試驗方法

1.1 試驗樣品

遼陽市建筑用砂石礦山主要分布于燈塔市、文圣區及遼陽縣，礦種類型包括建筑石料用石灰巖、建筑用砂、建筑用花崗巖等，其中建筑石料用石灰巖礦山分布最廣、產量最大，約占砂石骨料資源總體規模的95%以上。遼陽中部地區大河南—鏵子—小屯一帶廣泛出露古生界寒武系、奧陶系中厚—厚層石灰巖，是建筑用砂石最主要的產地。采集該地區具有代表性的石灰巖樣品6件進行堿活性試驗，樣品涉及中寒武統張夏組(?2zh)和中奧陶統下馬家溝組(O2x)、上馬家溝組(O2s)共3個地層時代。

1.2 試驗方法

骨料堿活性檢測方法主要可分為：巖相法、化學法、測長法三類[10]。

巖相法是通過肉眼觀察和借助光學顯微鏡觀察巖石的巖相特征，它能夠解決兩方面的問題：一是巖石中礦物有無堿活性組分及其含量；二是如含有堿活性組分，描述其分布狀態、顆粒大小，確定其屬于哪一類型的堿活性組分，堿硅活性還是堿碳酸鹽活性[11]。如鑒定不含有堿活性的巖石或礦物，可判為非活性；如鑒定含有堿活性的礦物成分，則必須用其他試驗方法來進一步論證[12]。巖相法不僅可以反映巖石的礦物組成，還可以反映巖石的微觀結構特征、成巖環境等，一直作為判定巖石堿活性的首選方法。

化學法用于在規定條件下測定堿溶液和骨料反應溶出的二氧化硅濃度及堿度降低值，借以判斷骨料在使用高堿水泥的混凝土中是否產生危害性的反應。該方法不適用于含碳酸鹽的骨料，不能鑒定由于微晶石英或變形石英所導致的總多緩慢膨脹骨料[10]。

測長法為砂漿棒法、混凝土棱柱體法和快速法，均為對特定的測試原件，在特定的溫度、堿濃度的溶液中，測定其在特定的時間內的膨脹率，是現在應用比較普遍的判定骨料堿活性的方法，具體分為堿—硅活性測長法和堿—碳酸鹽活性測長法[11]。

本次試驗將采集的石灰巖樣品按照中寒武統張夏組(?2zh)、中奧陶統下馬家溝組(O2x)、上馬家溝組(O2s)分組，在對樣品進行化學成分分析(表1)的基礎上，將樣品磨制成薄片，采用巖相法鑒定巖石類型、礦物組成及各組分含量、礦物結晶程度和結構特征，判定石灰巖堿活性并分析成巖環境特征。

表1 石灰巖樣品化學成分分析結果 (單位：%)

2 試驗結果與分析

2.1 堿活性巖相特征

(1)中寒武統張夏組石灰巖(?2zh)。

1號樣品鏡下鑒定為鮞粒亮晶灰巖(圖1)。礦物成分為方解石(95%～97%)、白云石(2%～4%)、微量粘土質。鏡下可見，主要由鮞粒、少量生物碎屑及充填于粒屑之間的亮晶膠結物組成，成分均為方解石，未見典型特征微觀結構，樣品不具堿活性。

2號樣品鏡下鑒定為弱白云石化亮晶鮞粒灰巖(圖2)。礦物成分為方解石(72%～75%)、白云石(15%～17%)、粘土質(4%～6%)、石英(4%～6%)，微量鐵質。主要由鮞粒及充填于鮞粒之間的膠結物組成。

鏡下(圖2a)可見，巖石遭受白云石化作用，白云石交代鮞粒內的細小方解石晶體，形成的自形細粉晶白云石分布于鮞粒的內部及邊緣，鮞粒的結構特征已不明顯。鮞粒間的膠結物未發生白云石化，仍為鑲嵌結構的粉細晶方解石。鮞粒本身的基質由泥晶方解石組成，交代作用產生的菱形白云石分散分布在泥晶方解石基質中。如以鮞粒作為研究的參照體系，則鮞粒內白云石的分散仍可被描述為具有泥晶基質的類斑狀結構。李愛美等[13]經試驗研究發現此類巖石顯示由堿碳酸鹽反應引起膨脹。因此，該樣品具潛在堿碳酸鹽活性。

鏡下(圖2b)可見，石英呈他形粒狀、充填狀分布于方解石粒間，指示其在沉積時含游離SiO2，重結晶程度低，為堿硅活性組分[11]，樣品具潛在堿硅活性。

圖2 石灰巖2號樣品鏡下鑒定照片

(2)中奧陶統下馬家溝組石灰巖(O2x)。

3號樣品鏡下鑒定為含粘土質白云質泥晶灰巖(圖3)。礦物成分為方解石(72%～74%)、白云石(18%～20%)、粘土質(7%～8%)、微量石英、鐵質。鏡下可見，粒徑0.02～0.08mm的菱形白云石晶體分散分布在泥晶方解石和粘土質基質中，具有典型的類斑狀結構特征。該樣品具潛在堿碳酸鹽活性。

圖3 石灰巖3號樣品鏡下鑒定照片

4號樣品鏡下鑒定為含粘土質白云質生物屑泥晶灰巖(圖4)。礦物成分為方解石(73%～75%)、白云石(15%～17%)、粘土質(8%～10%)、石英(1%)。鏡下可見，方解石由兩部分組成，一種為泥晶粒狀，另一種為生物碎屑。粘土質，顯微鱗片狀，集合體呈條帶狀。在局部視域內，可見交代作用產生的細粉晶自形菱面體白云石晶體分散在泥晶方解石基質中，呈類斑狀結構，樣品具潛在堿碳酸鹽活性。偶見微晶石英，他形粒狀，粒度0.02～0.04mm，由于含量少，樣品不具堿硅活性。

圖4 石灰巖4號樣品鏡下鑒定照片

(3)中奧陶統上馬家溝組石灰巖(O2s)。

5號樣品鏡下鑒定為微晶砂屑灰巖(圖5)。礦物成分為方解石(92%～95%)、白云石(3%～5%)、粘土質(1%)，微量鐵質。鏡下可見，主要由粒度0.1～0.7mm的砂屑、少量生物碎屑及充填于粒屑之間的膠結物組成，成分均為方解石，未見典型特征微觀結構，樣品不具堿活性。

圖5 石灰巖5號樣品鏡下鑒定照片

6號樣品鏡下鑒定為白云質泥晶灰巖(圖6)。礦物成分為方解石(57%～60%)、白云石(35%～38%)、粘土質(3%～5%)。鏡下可見，白云石具有較好的菱面體晶形，粒徑一般0.03～0.1mm，分散分布在泥晶方解石和粘土質基質中，具有典型的類斑狀結構特征，樣品具潛在堿碳酸鹽活性。

圖6 石灰巖6號樣品鏡下鑒定照片

2.2 成巖環境分析

本區大地構造單元位于中朝準地臺(Ⅰ)、膠遼臺隆(Ⅱ)、太子河—渾江臺陷(Ⅲ)、遼陽—本溪凹陷(Ⅳ)的西部[14]。區內于晚元古代形成古海盆，自寒武紀張夏期開始，一直到奧陶紀馬家溝期結束為止，本區進入了大規模碳酸鹽臺地平穩發育階段。由于缺乏陸源物質輸入而轉變為清水陸表海環境，開始出現廣泛的碳酸鹽沉積[15]。張夏組鮞粒亮晶灰巖反映沉積環境為臺地邊緣相的鮞粒灘高能帶，但因水體與外海連通性較差，循環有局限性，局部形成白云石化鮞粒亮晶灰巖。下馬家溝組含白云質灰巖沉積環境為局限臺地相，上馬家溝組砂屑灰巖、白云質灰巖沉積環境由臺地斜坡相過渡為局限臺地相。局限臺地內潮間帶靠近濱岸，海水循環不暢，鹽度顯著提高，在炎熱干燥的氣候條件下形成白云質灰巖。

3 結論與討論

骨料的堿活性既與骨料原巖中活性組分的類型、數量有關，又與巖石的微觀結構特征和成巖環境有關。采用巖相法鑒定結論具潛在堿活性的石灰巖，鑒定結果確定了測試樣品的堿活性類型，對其后選擇相應的測長法檢測具有重要指導作用。當巖相法判定骨料為非活性時，可以作為最終鑒定結果。

對遼陽地區石灰巖進行了堿活性試驗，研究了石灰巖的微觀結構及成巖環境，試驗結論為遼陽中部地區中寒武統張夏組(?2zh)鮞粒亮晶灰巖、中奧陶統上馬家溝組(O2s)微晶砂屑灰巖為非堿活性；張夏組(?2zh)弱白云石化鮞粒灰巖、下馬家溝組(O2x)和上馬家溝組(O2s)含粘土質白云質泥晶灰巖、白云質泥晶灰巖，可見堿活性碳酸鹽巖的結構特征，具潛在堿碳酸鹽活性；張夏組(?2zh)弱白云石化鮞?；規r中同時含有堿硅活性組分，具潛在堿硅活性。