鐵路細骨料巖相分析樣品制片探討

賈俊斌

（中鐵二十四局集團福州鐵建工程質量檢測有限公司，福建 福州 350014）

1 引言

細骨料是主要建筑材料之一，被廣泛用于鐵路工程建設。國家標準和鐵路標準對細骨料的質量要求都規定了很多詳細的指標，而堿骨料反應又是所有指標中非常重要的一個，細骨料中如果含有堿活性礦物，則會與水泥、礦物摻合料、外加劑等混凝土組成材料及環境中的堿性物質發生化學反應，導致混凝土結構產生膨脹、開裂，甚至破壞。堿骨料反應會引起質量問題，輕則降低結構耐久性，重則影響結構安全運行，堿骨料反應的危害非常嚴重，因為堿骨料反應時間相對較為緩慢，短則幾十天，長則幾十年才能被發現。堿骨料反應主要有堿-硅酸反應和堿-碳酸反應兩種，《鐵路混凝土工程施工質量能收標準》（TB 10424-2018）、《鐵路混凝土》（TB/T 3275-2018）等鐵路標準明確規定工程不得使用堿-碳酸鹽反應的骨料，確定屬于哪一類堿活性反應之前，首先是進行細骨料巖相分析，而樣品制片是細骨料巖相分析之前最主要、最關鍵的步驟。由于細骨料屬于散粒材料，整體不均勻，較粗骨料制片更為復雜，影響因素更多。文章通過細骨料巖相分析制片磨片過程中鑲嵌機成型工藝、固化劑折射率、金剛砂的規格等影響因素開展大量的試驗和一系列研究，同時結合同行已有研究資料對試驗結果進行統計分析，供試驗同行參考討論。

2 原理

巖相分析原理：通過肉眼和顯微鏡對細骨料進行觀察，鑒定細骨料的巖石種類、結構構造及礦物成分，確定細骨料是否含有堿活性礦物、堿活性礦物類別及堿活性礦物占細骨料的重量百分比，從而定性評定細骨料的堿活性。

3 試驗

3.1 試驗方法

按照《鐵路混凝土》（TB /T 3275-2018)標準附錄A，主要試驗步驟：①按規定取樣約10 kg，過4.75 mm篩，取4.75 mm篩下顆粒，用四分法縮分至約2 000 g，然后用水沖洗干凈，并置于（105±5）℃烘箱中烘干，冷卻；②按規定篩分，篩分成4.75～2.36 mm、2.36～1.18 mm、1.18～0.6 mm、0.6～0.3 mm、0.3～0.15 mm、0.15～0.075 mm六個粒級，依次稱重；③各粒級取適量細骨料樣品鋪在鑲嵌機上壓型，然后磨成薄片，在偏光顯微鏡下觀察其礦物組成。

3.2 試驗環境及儀器設備

為了保證試驗數據具有可比性，讓試驗對比更加嚴謹，避免偶然性因素的干擾，文章試驗影響因素分析均由同一操作人員使用標準方法，在同一試驗室內使用DM2700型偏光顯微鏡對同一材質的細骨料進行巖相分析，環境試驗由標準規定（17～25）℃，統一調整為按照（20±1）℃控制，濕度按照（60±5）%RH控制。

4 結果與討論

4.1 樣品的壓型

試驗選用同一批次細度模數2.7、級配符合Ⅱ區、堅固性為5%的閩江河砂，采用手壓和鑲嵌機兩種方式壓型，六個粒級每個粒級制備2片薄片，其他條件一致的情況下在偏光顯微鏡鏡下進行平行分析，其試驗結果如下見圖1。

圖1 壓型方法與留存率關系圖

由圖1可以發現，鑲嵌機壓型的樣品載玻片留存率均大于手壓成型，而且4.75～2.36 mm粒級1、2.36～1.18 mm粒級2兩個粒級手壓方式成型明顯低于鑲嵌機壓型，同時1.18～0.6 mm粒級3、0.6～0.3 mm粒級4相對低于鑲嵌機壓型、0.3～0.15 mm粒級5、0.15～0.075 mm粒級6兩者較接近。主要原因是由于細骨料屬于散粒材料，顆粒小且不易手拿，手壓成型時受力不均勻，導致顆粒膠結不牢，同時撒布不均勻，造成顆粒堆疊，堆疊部分的顆粒粗磨時就被磨掉，尤其是大顆粒，而鑲嵌機可以進行熱固性壓型，同時鑲嵌機采用高精度的驅動電機和滑動部件，能夠在短時間內實現精確定位，使顆粒撒布和受力都非常均勻，顆粒越小，壓型越好。

4.2 樣品的膠結

試驗選用同一批次凝灰巖機制砂和閩江河砂，膠粘劑選用502膠水、中藍晨光555型萬能膠粘劑、冷杉膠、環氧樹脂，首先使用阿貝折射儀測量載玻片和膠粘劑的折射率，其中載玻片折射率為1.522、502膠水為1.437、中藍晨光555型萬能膠粘劑為1.535、冷杉膠為1.526、環氧樹脂為1.524。然后使用鑲嵌機分別進行對試樣的膠結，用偏光顯微鏡測定堿活性礦物的含量，試驗分析結果見表1。

表1 不同膠粘劑與堿活性礦物含量

由表1可以發現，冷杉膠、環氧樹脂做膠粘劑制片，在偏光顯微鏡下測定堿活性礦物的含量也比較接近。502膠水、中藍晨光555型萬能膠粘劑制片，測出的堿活性礦物的含量比較小。主要的原因在于，冷杉膠、環氧樹脂的折射率與載玻片的折射率相近，502膠水、中藍晨光555型萬能膠粘劑的折射率與載玻片的折射率相差比較大。在各礦物晶體中，原子或者分子的排列方式在各個方向上并不相同，導致光線在晶體內傳播收到不同的影響，這就會產生雙折射，膠粘劑載玻片的折射率相差比較大則干涉色不均衡，影響礦物的識別。

4.3 金剛砂的規格

試驗選用同一批次凝灰巖機制砂和閩江河砂兩種類型的細骨料，同時選用80#、120#、150#、400#、600#、800#金剛砂進行磨片。每個片先用自動磨片機粗磨至0.3 mm，再用不同型號的金剛砂進行細磨并使薄片的平均厚度在0.03 mm，試驗分析情況見表2。

表2 各型號金剛砂的磨片與偏光顯微鏡下的觀測情況

由表2可以發現，用80#、120#、150#的金剛砂進行磨片，在偏光顯微鏡下圖像模糊，影響鑒定。隨著金剛砂號數的增大，薄片的質量越好，鏡下圖像清晰，越便于礦物識別。原因在于用80#、120#、150#的金剛砂進行磨片，會造成礦物表面損傷，薄片不等厚，如礦物破碎，鏡下礦物之間重疊界線不清，礦物識別困難等現象。隨著金剛砂號數的增加，精磨用時也增加，影響磨片的效率。

5 小結

鐵路細骨料巖相分析需要豐富的理論知識，而制片則需要扎實的實踐經驗。巖相分析準確與否，取決于制片成功與否，制片直接影響巖相分析結果科學準確性。薄片薄至每片0.03 mm，差之毫厘，失之千里。巖相分析制片需要試驗人員細致、耐心和一絲不茍的精神。文章通過凝灰巖機制砂和閩江河砂兩種細骨料為研究對象，開展了一系列巖相分析制片試驗研究，供試驗同行參考討論。主要結論如下：

（1）由于細骨料的微觀結構松散、成分分散，沒有明顯的原子、分子、晶粒或其他結構單元，對粒徑大小、形狀等因素敏感，容易受到外部環境影響，故而細骨料制片相較于粗骨料更加困難，必須使用鑲嵌機壓型，同時鑲嵌機壓型可以有效增加樣品載玻片留存率，細骨料在薄片上顆粒均勻分布，有利于偏光顯微鏡下的觀測礦物含量，減少了堿活性礦物含量誤判的可能性，提高了準確度。樣品留存率越大，圖像越有利于分析，試驗結果更加真實，樣品留存率越小，代表性越差。

（2）由于材料的折射率越高，使入射光發生折射的能力越強。故而薄片制片中，應盡量選擇與載玻片的折射率一致的膠粘劑，如冷杉膠、環氧樹脂等，這樣有利于對偏光顯微鏡下礦物的識別，特別是對副礦物的識別。制片過程中如需調整膠粘劑的折射率可用丙酮、松節油進行調節，同時不同的介質對不同頻率的光，具有不同的折射率，所以巖相分析時，因特別注意光的色散現象，操作間保持一定亮度。

（3）金剛砂是一種理想的磨料材料，具有耐磨性好、表面光潔度高等特點，廣泛用于磨削、拋光等領域，巖相分析制片過程中應尤其重視金剛砂號數的選用，在薄片細磨中，應選用不同規格的金剛砂分別對薄片進行精磨，先用120#金剛砂進行粗磨片，再用800#金剛砂進行細磨片，這樣可以提高磨片效率，又能讓薄片厚度一致，礦物成分可以清晰地識別。