在基础设施建设快速发展的背景下，山体隧道工程数量不断增加，隧道开挖过程中产生了大量洞渣。这些洞渣若能作为混凝土骨料循环利用，不仅可降低工程成本，还能减少天然骨料开采对环境的破坏。然而，部分山体隧道洞渣可能含有活性二氧化硅等成分，会在一定条件下与混凝土中的碱发生碱骨料反应，导致混凝土膨胀开裂，严重影响结构耐久性。因此，科学评定山体隧道洞渣的碱活性并探索有效的抑制措施，对保障工程安全与推动绿色施工具有重要意义。

一、隧道洞渣碱活性评定方法

（一）岩相分析

岩相分析作为评定隧道洞渣碱活性的基础方法，主要通过偏光显微镜对洞渣矿物组成和结构进行观察，重点判断是否存在潜在活性矿物；该方法操作程序首先需采集具有代表性的洞渣样品，进行适当破碎、研磨，制备成厚度约0.03mm的岩石薄片，随后置于偏光显微镜下进行系统观察；观察过程中重点识别已知具有碱活性的特征矿物，如蛋白石、玉髓、微晶石英、火山玻璃、变质石英等，记录其含量、分布和结构特征；当发现这些特征矿物时，即可初步判定洞渣具有碱活性风险；该方法优势在于检测速度快，设备需求相对简单，技术门槛较低；一般情况下，完整的岩相分析可在数小时内完成，能快速筛选出具有潜在风险的骨料^[1]；此外，岩相分析还能提供矿物种类、含量、结构等多维度信息，为碱活性机理研究提供微观依据；岩相分析也存在一定局限性，如难以精确量化活性程度，且对观察者的专业水平和经验要求较高；由于不同矿物的碱活性存在差异，单纯依靠目视观察可能导致判断偏差；总体而言，岩相分析是评定洞渣碱活性的重要基础方法，能够提供矿物学层面的初步判断，为后续定量测试提供指导。

（二）砂浆棒快速法

砂浆棒快速法，作为评定山体隧道洞渣碱活性的高效方法，具有操作规范、周期短的显著特点；该方法具体步骤首先需将洞渣按标准破碎、筛分，制备成符合粒径要求（通常为0.315-5mm）的砂料，然后与水泥（碱含量通常控制为0.9%±0.1%）按照标准配比（水泥︰骨料=1︰2.25，水灰比=0.47）混合，制成尺寸为25.4mm×25.4mm×285mm的标准砂浆试件；试件成型后养护24小时，然后浸泡在80℃±2℃的恒温水中24h，测量初始长度作为基准值；随后将试件浸入特定的高温高碱环境中进行加速反应，典型条件为80℃的1mol/L氢氧化钠溶液；测试过程中需定期（通常为1天、3天、7天、14天）取出试件，在保持温度的条件下迅速测量其长度变化，计算膨胀率；评判标准一般以14天膨胀率为主要依据，通常膨胀率<0.10%判定为无害骨料，>0.20%判定为有害骨料，介于两者之间需进一步验证；该方法的理论基础是通过高温高碱环境加速碱骨料反应进程，在短期内显现可能需要数月甚至数年才能在实际工程中表现出的膨胀特性；方法优势在于试验周期短、条件严苛，能快速识别高活性骨料；局限性主要表现在极端环境可能导致反应机理与实际工程条件存在差异，有时会高估某些骨料的碱活性风险^[2]。

（三）砂浆棒长度法

砂浆棒长度法是一种更为标准化、条件相对温和的碱活性评定方法，适用于山体隧道洞渣碱活性的精确判定；该方法遵循ASTM C227或相关国标进行操作，具体步骤包括：首先将洞渣按照标准要求破碎、筛分、清洗，制备成符合规格的砂料；随后按照规定配比（通常水泥︰骨料=1︰2.25，水灰比=0.47）配制砂浆，制成标准尺寸（25.4mm×25.4mm×285mm）的砂浆试件；试件成型后进行初始养护并记录基准长度；接着将试件置于恒温恒湿环境下（通常为38℃，相对湿度95%以上）长期养护，或浸入1mol/L氢氧化钠溶液中；在养护过程中，需定期测量试件长度变化，记录不同龄期（如14天、28天、56天、3个月、6个月等）的膨胀率数据；该方法评判标准通常以3个月或6个月的膨胀率为主要依据，一般膨胀率超过0.10%即判定为有害骨料；砂浆棒长度法的原理是在接近实际工程的温和条件下，观察洞渣与碱性环境长期接触后的膨胀特性；与砂浆棒快速法相比，该方法环境条件更接近实际，能更真实地反映碱骨料反应的发展过程；测试结果可靠性高，能较准确地预测骨料在实际工程中的表现；该方法显著特点是需要长期监测，试验周期通常为3-6个月，有时甚至需要监测1年以上；测试过程中需精确控制温湿度等环境参数，确保测量精度。

二、碱骨料反应抑制措施研究

（一）掺加矿物掺合料

1.粉煤灰

作为火力发电厂燃煤后的固体废弃物，粉煤灰因其特殊的化学成分和物理特性，在抑制山体隧道洞渣碱骨料反应中展现出显著效果；其主要化学成分为活性氧化铝（Al₂O₃）和二氧化硅（SiO₂），物理形态呈微米级球形颗粒，比表面积通常在300-500m²/kg之间^[3]；粉煤灰抑制碱骨料反应的核心机理包括两个方面，首先是化学消耗机制，粉煤灰中的活性组分能与水泥水化产生的氢氧化钙（Ca(OH)₂）发生火山灰反应，生成稳定的C-S-H凝胶和C-A-S-H水化产物，同时消耗体系中的碱（Na⁺、K⁺）离子，有效降低孔溶液碱浓度，减弱碱与活性骨料的接触几率；其次是物理稀释效应，适量掺加粉煤灰可稀释水泥中的碱含量，直接降低体系总碱量；此外，粉煤灰颗粒细小，能显著改善混凝土微观结构，填充毛细孔隙，降低渗透性，阻碍碱离子向骨料扩散，进一步延缓碱骨料反应进程；粉煤灰的抑制效果与其掺量、活性指数、化学成分等因素密切相关，研究表明，掺量通常在20%-30%时，抑制效果最为显著；I级粉煤灰因其较高活性，抑制效果通常优于II级粉煤灰；值得注意的是，粉煤灰活性在早期较低，抑制效果需一定时间才能充分发挥，且不同来源的粉煤灰效果可能存在明显差异。

2.矿渣粉

矿渣粉是钢铁冶炼过程中的副产物，经急冷、粉磨后呈现为细腻的粉末状材料，主要化学成分包括CaO、SiO₂、Al₂O₃和MgO等；其显著特性是具有较高的潜在水硬性，这意味着在碱性激发环境下能够表现出类似水泥的硬化性能；矿渣粉抑制碱骨料反应的主要机理分为三个层面，化学消耗方面，矿渣粉在水化过程中能迅速消耗体系中的氢氧化钙和碱离子，降低孔溶液pH值和碱浓度，减弱碱骨料反应的驱动力；物理结构改善方面，矿渣粉水化产物能填充混凝土中的毛细孔隙，形成更为致密的微观结构，降低碱溶液渗透性，阻碍离子迁移和反应扩散^[4]；水化产物稳定性方面，矿渣粉形成的水化产物以C-S-H凝胶为主，结构更为稳定，碱结合能力强，能长期固定碱离子，防止其参与碱骨料反应；矿渣粉的抑制效果与其品质密切相关，如活性指数、比表面积、玻璃体含量等指标直接影响其效能；一般而言，S95级矿渣粉因其较高活性和细度，抑制效果更为显著；掺量也是关键因素，通常掺量在40%-50%时能达到最佳抑制效果；与粉煤灰相比，矿渣粉在早期即表现出良好的抑制效果，适用于对早期抑制有要求的工程；在工程实践中，矿渣粉还常与粉煤灰等其他掺合料复合使用，发挥协同作用，形成更全面的抑制体系。

（二）使用低碱水泥

低碱水泥作为抑制山体隧道洞渣碱骨料反应的直接有效措施，其核心特征在于严格控制水泥中的碱含量；按国际通用标准，低碱水泥指的是等效碱含量（Na₂O+0.658K₂O）低于0.6%的特种水泥，有些工程要求更为严格，将标准提高到0.4%甚至更低；低碱水泥抑制碱骨料反应的机理直接而明确，通过从源头减少混凝土体系中的碱含量，降低孔溶液中碱离子浓度，直接减弱碱与活性骨料反应的驱动力；水泥中的碱主要以硫酸碱（K₂SO₄、Na₂SO₄）和碱金属氧化物（K₂O、Na₂O）形式存在，这些物质在水化过程中迅速溶解释放碱离子，提高孔溶液pH值达13以上，成为引发碱骨料反应的主要来源；降低水泥碱含量，可显著降低孔溶液pH值和碱浓度，延缓或抑制碱骨料反应的发生；制备低碱水泥的关键在于选择低碱原料，控制生产工艺参数，或采用特殊降碱工艺如碱挥发法、矿化剂添加法等；在实际应用中，低碱水泥的效果与其真实碱含量、碱释放率以及工程环境条件密切相关；值得注意的是，即便使用低碱水泥，外部碱的渗入（如海水、除冰盐等）仍可能导致碱骨料反应风险，因此在高风险环境中，低碱水泥通常需与其他抑制措施协同使用，如与矿物掺合料复合应用，形成多重保障体系；低碱水泥与30%以上的I级粉煤灰或40%以上的S95级矿渣粉配合使用，可形成极为有效的抑制体系，几乎能完全消除碱骨料反应风险。

（三）优化混凝土配合比

优化混凝土配合比是抑制山体隧道洞渣碱骨料反应的重要技术手段，主要通过改善混凝土微观结构和物理特性实现抑制效果；该措施核心内容包括降低水胶比、优化骨料级配和控制用水量等关键参数；水胶比的降低是最直接有效的优化手段，通常建议将水胶比控制在0.40以下，有条件时甚至降至0.35或更低；降低水胶比的技术原理在于减少混凝土水化后的毛细孔隙量和连通性，形成更加致密的微观结构，显著降低孔溶液的渗透性和离子迁移速率，从物理角度阻碍碱离子向活性骨料表面迁移，延缓碱骨料反应的发生和发展；实现低水胶比配制的关键技术手段是使用高效减水剂或高性能减水剂，如聚羧酸系减水剂，在保证混凝土工作性的同时显著降低用水量；骨料级配优化是另一项重要措施，主要通过调整粗细骨料比例（通常控制在1.4-1.8范围内）、合理设计骨料粒径分布曲线（遵循富勒曲线或0.45幂曲线）、优化最大粒径与最小粒径比值，提高骨料填充效率，减少孔隙率^[5]；细度模数管控也是关键点，一般建议将砂石的细度模数控制在2.5-3.0之间，以获得最佳密实效果；除此之外，掺加适量的硅灰（通常为胶凝材料质量的5%-10%）能显著填充混凝土微观孔隙，提高密实度，增强抗渗性；控制水泥用量也是配合比优化的重要方面，建议将水泥用量限制在350-400kg/m³范围内，既能满足强度需求又能控制总碱含量；矿物掺合料如粉煤灰、矿渣粉的添加不仅能降低水化热，还能与低水胶比协同作用，进一步优化混凝土微观结构和抗渗性能，提升抑制效果。

三、试验案例分析

本试验选取某高速公路隧道工程出渣作为研究对象，该洞渣呈灰白色，主要为变质砂岩和片麻岩，经破碎后按标准方法进行碱活性评定；采用三种评定方法对洞渣样品进行系统检测，评定结果如表1所示，可以明确判断该洞渣具有较高碱活性风险，必须采取抑制措施；岩相分析观察到大量微晶石英和少量火山玻璃，显示出明显的碱活性矿物特征，砂浆棒快速法和砂浆棒长度法的定量测试进一步证实了这一判断。

表1 某隧道洞渣碱活性评定结果

针对该高活性洞渣，设计了四组不同配合比的混凝土进行抑制措施试验，配合比设计及试验结果见表2；试验采用混凝土棱柱体法(ASTM C1293)，测量混凝土试件在38℃、相对湿度95%条件下的长期膨胀率，重点对比不同抑制措施的效果；结果显示，单一措施如仅使用低碱水泥(A2组)或仅掺加矿物掺合料(A3组)的抑制效果有限，而综合采用低碱水泥与复合掺合料(A4组)时抑制效果最为显著，28天膨胀率降至0.03%，远低于0.10%的安全标准，56天膨胀率仅为0.05%，90天膨胀率为0.07%，均满足长期安全要求。

表2 不同抑制措施的混凝土28天膨胀率比较

试验结果表明，对于该类高活性洞渣，必须采用综合抑制措施才能有效控制碱骨料反应风险；A4组方案作为最佳抑制方案，采用了低碱水泥(碱含量0.5%)、高掺量复合矿物掺合料(30%粉煤灰+40%矿渣粉)和低水胶比(0.38)三重措施，形成了协同抑制效应；其中低碱水泥降低了碱源，复合掺合料消耗体系中的碱，低水胶比提高了混凝土的致密性，共同作用有效抑制了碱骨料反应；该抑制方案具有明显的工程适用性，为类似山体隧道洞渣的资源化利用提供了可靠技术路径。

四、结论

隧道洞渣碱活性评定是确保工程安全的关键。岩相分析、砂浆棒快速法和砂浆棒长度法各有优劣，共同为准确判断提供依据。抑制碱骨料反应的措施中，矿物掺合料、低碱水泥及配合比优化，均能从不同角度削弱反应条件。试验表明，综合措施可形成协同效应，有效降低膨胀风险，为洞渣在工程中的安全应用筑牢技术根基，为同类工程提供实践参考。