李 雷，周益民，王泉偉

(黃河勘測規(guī)劃設計有限公司，河南鄭州 450003)

堿骨料反應是指混凝土中的堿性物質(zhì)與骨料中的活性成分發(fā)生化學反應，引起混凝土不均勻膨脹，導致開裂、甚至破壞，這種化學反應稱為堿—骨料反應，按照與堿反應的巖石類型，堿—骨料反應分為三種類型，即堿—硅酸反應、堿—硅酸鹽反應和堿—碳酸鹽反應。堿骨料反應發(fā)生的條件為骨料中含有活性成分，環(huán)境中有足夠的堿性和濕度。堿骨料反應的危害通常出現(xiàn)的時間較長，混凝土的膨脹在數(shù)年后仍繼續(xù)增長，修復極其困難，危害十分嚴重。水工混凝土與普通混凝土不同，其骨料粒徑較大、混凝土強度較低、膠凝材料用量較少、長期處于潮濕環(huán)境中、壽命要求較長。這些差異以不同方式影響著水工混凝土堿骨料反應膨脹的行為。

1 工程概況

云南石門坎水電站位于李仙江干流云南省普洱市境內(nèi)把邊江上，左岸為墨江縣，右岸為寧洱縣。壩址以上控制流域面積6 410 km2，多年平均流量130.3 m3/s，多年平均年徑流量為41.2億m3。校核洪水位756.58 m，水庫總庫容1.97 億m3，正常蓄水位756.00 m，死水位740.00 m，調(diào)節(jié)庫容0.807億 m3。電站裝機容量130 MW，多年平均發(fā)電量5.73億kW·h，年利用小時4 408 h。水庫為大(2)型，樞紐工程等別為Ⅱ等。

擋水建筑物為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程758.00 m，壩頂長度296.26 m，壩頂寬度7 m，最大壩高111 m。底寬 23.917 m，厚高比 0.222。

2 混凝土主要原材料

大壩混凝土共342 569 m3，劃分為五部分:①墊座采用 C9025W8F100 四級配混凝土;②6#、7#、8#壩段 674 m 以下，5#、9#686.00 m 以下，4#、10#698.00 m 以下，3#、11#、12#壩段 704.00 m 以下和閘墩部位均采用 C9025W8F100三、四級配混凝土;③表孔過流面、表孔牛腿、中孔支撐大梁、啟閉機樓面、交通橋及工作橋橋面采用C2830W8F100二級配混凝土;④中孔過流面采用C2840W8F100二級配抗沖耐磨混凝土;⑤其余部位采用C9020W8F100三、四級配混凝土。壩體所用混凝土主要為 C9025W8F100三、四級配混凝土和 C9020W8F100 三、四級配混凝土［1］。

石門坎水電站主體工程混凝土所用水泥由業(yè)主統(tǒng)購的元江永發(fā)水泥有限公司生產(chǎn)的“滇王”牌P.O42.5普通硅酸鹽水泥。摻合料是普洱天浩有限公司生產(chǎn)鐵礦渣與石灰?guī)r粉按1∶1混和的雙摻料。外加劑采用江蘇博特外加劑有限公司生產(chǎn)的JM-Ⅱ緩凝高效減水劑和JM-2000C引氣劑以及石家莊中偉建材有限公司生產(chǎn)的DH-9A引氣劑。C40抗沖耐磨混凝土所用硅粉和纖維的生產(chǎn)廠家是成都科良建材有限公司，硅粉的二氧化硅SiO2含量≥85%。水泥的堿含量(等當量Na2O含量)為0.47%，屬低堿水泥。雙摻料的堿含量(等當量Na2O含量)為0.66%。JM-Ⅱ緩凝高效減水劑和DQ-9AQ引氣劑的堿含量(等當量Na2O含量)分別為12.06% 和 3.19%［2］。

3 混凝土骨料堿活性檢驗結果與分析

八箭山石料場用作骨料的巖石為石英砂巖、鈣質(zhì)細砂巖，根據(jù)其巖性選用巖相法、砂漿棒長度法、砂漿棒快速法、壓蒸法(砂、石堿活性快速試驗方法 CECS 48∶93)和混凝土棱柱體法進行試驗，評判堿活性。

3.1 巖相法

巖相法是用肉眼和顯微鏡觀察，鑒定砂、石骨料的種類和成分，從而檢驗堿活性骨料的品種和分量。采用巖相法試驗，用作混凝土骨料的巖石均含有一定數(shù)量的微晶—隱晶質(zhì)石英，部分石英砂巖還含有硅質(zhì)巖屑和玉髓［2－4］，見圖1。對施工所用骨料進行堿活性檢驗，骨料主要由石英晶體和方解石鑲嵌構造而成，其中粗骨料含有少量云母、長石和約4%微晶質(zhì)—隱晶質(zhì)石英，見圖2;細骨料含有少量云母、長石和約5%微晶質(zhì)—隱晶質(zhì)石英，見圖3。

圖1 巖樣中的石英晶體、微晶質(zhì)—隱晶質(zhì)石英、玉髓Fig.1 The quartz crystals，micritic to crystalline quartz，chalcedony in the rock sample

圖2 粗骨料中的石英晶體、方解石、云母和微晶質(zhì)—隱晶質(zhì)石英Fig.2 The quartz crystals，calcite，mica and micritic to crystalline quartz in the coarse aggregate

圖3 細骨料中的石英晶體、微晶質(zhì)—隱晶質(zhì)石英、云母和方解石Fig.3 The quartz crystals，micritic to crystalline quartz，mica and calcite in the fine aggregate

沉積巖類硅質(zhì)巖堿活性成分有微晶、隱晶質(zhì)石英、玉髓、蛋白石、燧石、碧玉、瑪瑙等［5］。研究發(fā)現(xiàn)，不同類型的礦物組分其堿活性大小與其結晶程度和缺陷密度有關［6－7］。蛋白石和玻璃質(zhì)二氧化硅屬于無定形(非晶體)的二氧化硅，而玉髓、鱗石英、方石英、隱晶質(zhì)—微晶質(zhì)石英等屬于結晶不完整的二氧化硅［8－9］。蛋白石和玻璃質(zhì)二氧化硅屬于快膨脹型堿活性礦物，玉髓、鱗石英、方石英、隱晶質(zhì)—微晶質(zhì)石英等屬于慢膨脹型礦物［10］。Mc Connell等人和Gaskin等人認為，按照堿活性遞減的順序可排列如下:蛋白石，玉髓，松脂石，方石英，磷石英，隱質(zhì)石英［11］。因此，根據(jù)巖相法分析，混凝土骨料具有堿硅酸反應活性。

3.2 測長法

3.2.1 砂漿棒長度法

砂漿棒長度法是測定水泥砂漿試件的長度變化，以鑒定水泥中的堿與活性骨料間反應所引起的膨脹是否具有潛在危害。取6組原巖進行砂漿棒長度法試驗，結果顯示180 d齡期內(nèi)試件膨脹率均＜0.10%，為非活性骨料［3］。

圖4 砂漿棒快速法測得骨料膨脹率Fig.4 The aggregate inflation measured by accelerated mortar bar method

3.2.2 砂漿棒快速法

砂漿棒快速法是在砂漿棒長度法的基礎上進行了改進，將養(yǎng)護溫度從38℃提高到80℃，將濕氣養(yǎng)護改為1 mol/L NaOH溶液養(yǎng)護。提高溫度和堿度，加快堿活性反應速度，評定標準為14 d膨脹率＜0.1%，則為非堿活性骨料;＞0.2%為堿活性骨料;介于0.1% ～0.2%之間，應結合現(xiàn)場記錄、巖相法或開展其它輔助試驗、試件觀測時間延至28 d后的測試結果等進行綜合評定?？焖贉y出骨料在砂漿中潛在有害的堿硅酸反應，尤其適合檢驗反應緩慢或只在后期產(chǎn)生膨脹的骨料。采用砂漿棒快速法對原巖進行堿活性檢驗，分析檢驗結果，判定用于工程的混凝土骨料具有潛在危害性反應活性［3－4］。取施工中加工的成品骨料進行砂漿棒快速法試驗，試驗結果見圖4，粗骨料具有堿活性反應。砂的試件在 14 d時膨脹值為 0.140%，介于0.10% ～0.20%之間，至28 d時，砂漿試件的膨脹值為0.220%，＞0.20%，考慮到砂含有5%的微晶質(zhì)—隱晶質(zhì)石英，綜合判定砂具有堿硅酸反應活性。

3.2.3 壓蒸法

壓蒸法試驗即《砂、石堿活性快速試驗方法》CECS 48∶93，試驗分三組，每組按水泥與骨料的重量比分別為10∶1、5∶1、2∶1制件，試件成型后 1 d 脫模，測量其初始值，然后在100℃水蒸汽中蒸養(yǎng)4 h，再在150℃10%KOH溶液中壓蒸6 h，測量其最終膨脹值。在水泥和骨料三種配比試驗結果中用最大膨脹值評定骨料的堿活性。膨脹值≥0.01%為活性骨料，＜0.01%為非活性。壓蒸法特征是快速測試砂、石的堿活性，適用于鑒定堿硅酸反應類骨料的堿活性。

前期在八箭山石料場取原巖，后期取施工中加工成品骨料，進行壓蒸法試驗，試驗結果見表1。壓蒸法檢驗結果顯示，大多數(shù)原巖具有堿硅酸反應活性，砂不具堿硅酸反應活性。

表1 壓蒸法檢驗骨料堿活性試驗結果Table1 The results of aggregate alkali activity tested by autoclave method

3.2.4 混凝土棱柱體法

從八箭山石料場取6組原巖試樣，加工成骨料，按粗骨料20～15 mm、15～10 mm和10～5 mm三級配各1/3等量混合，砂的細度模數(shù)為2.7±0.2，粗細骨料比為6∶4，水泥堿含量通過添加NaOH調(diào)整為1.25%，水灰比為0.42 ～0.45，成型為 75 mm ×75 mm ×275 mm的混凝土棱柱體試件，進行混凝土棱柱體法堿活性檢驗。試驗結果為在1年齡期內(nèi)6組試件的膨脹率均＜0.04%，為非活性骨料。取工程施工加工的成品骨料，進行混凝土棱柱體法試驗。試驗結果顯示，14 d、28 d、56 d、91 d、126 d、182 d、273 d、364 d 齡期，試件的膨脹率分別為 0.002%、0.006%、0.012%、0.034%、0.041%、0.047%、0.057%、0.060%。364 d 的膨脹率為0.060%，＞0.040%，因此判定人工骨料具有堿硅酸反應活性。

分析上述試驗結果，砂漿棒長度法對活性高的巖石的判斷是合適的，但它對一些活性不高或緩慢反應的巖石不能作出可靠的結論;混凝土棱柱體法對一些活性不高或緩慢反應的巖石也不能作出可靠的結論，砂漿棒快速法對硅質(zhì)骨料，尤其是低活性或反應緩慢骨料與工程使用記錄具有較好的一致性，被認為是比較精確可靠的;壓蒸法周期短，檢測結果能與其它方法和工程實際相符。綜合巖相法、砂漿棒長度法、砂漿棒快速法、壓蒸法、混凝土棱柱體法的試驗結果，判斷八箭山石料場用于工程的人工骨料具有潛在危害性反應的堿活性。

4 混凝土堿硅酸反應抑制作用評估

4.1 堿硅酸反應抑制

使用鐵礦渣和石灰石粉，按1∶1混合作為摻合料。采用砂漿棒快速法試驗，摻合料摻量為30%、40%、50%和55%時，14 d的砂漿膨脹率分別為0.093%、0.053%、0.077%和0.096%，均 ＜0.1%，能抑制堿活性反應，但抑制效果不明顯。使用摻合料QT(80%礦粉，20%石灰石粉)，按0%、20%、30%、40%進行抑制堿活性反應，砂漿棒快速法14 d膨脹率分別為0.149%、0.11%、0.102% 和 0.077%。摻合料 QT 攙和量＞31%，能有效抑制堿活性反應。摻合料抑制堿活性反應見圖5。

圖5 砂漿棒快速法檢驗堿活性反應抑制效果Fig.5 The inhibiting effect of active alkali-aggregate reaction by accelerated mortar bar method

按表2混凝土配合比配制混凝土，摻合料為鐵礦渣和石灰石粉按1∶1混合，攙和量約為30%。按照DL/T 5151—2001《水工混凝土試驗規(guī)程》成型450 mm×450 mm×1 350 mm的混凝土試件，在20±2℃的潮濕環(huán)境中養(yǎng)護2 d后拆模，測量試件的初始長度，然后將試件分別在40℃、60℃、80℃和95℃濕空氣中養(yǎng)護，在確定的齡期將混凝土試件冷卻至20±2℃并測定試件的長度變化，計算膨脹率，試驗結果見圖6。從圖6可以對比看出，添加摻合料混凝土試件隨著養(yǎng)護齡期的延長，膨脹率趨于增大，364 d的膨脹率＜0.4%，不具堿活性反應，抑制效果很明顯。

4.2 混凝土時效推測

圖7為混凝土試件養(yǎng)護在不同溫度中的膨脹率，隨著養(yǎng)護溫度的升高，混凝土試件的膨脹發(fā)展加快，說明溫度升高會加速混凝土中堿硅酸反應膨脹。利用不同溫度下養(yǎng)護的混凝土試件的膨脹率求取堿硅酸反應膨脹的活化能，再根據(jù)95℃條件下達到失效膨脹值的養(yǎng)護時間，推算水電站所在位置年平均溫度條件下養(yǎng)護的時間，進而確定混凝土堿硅酸反應的安全性。

表2 工程混凝土配合比Table 2 The mix ratio of engineering concrete

圖6 混凝土法檢測堿活性反應抑制效果Fig.6 The inhibiting effect of active alkali-aggregate reaction by concrete prism method

根據(jù)混凝土試件在40℃、60℃、80℃和95℃潮濕空氣中養(yǎng)護時的膨脹率，通過回歸分析、作圖和計算，得到C9025W8F100三級配、C9025W8F100四級配和C9020W8F100四級配混凝土試件堿硅酸反應膨脹活化能分別為 25.2、26.4、20.0 kJ/mol。C9020W8F100 四級配的活化能最低，其堿活性反應較弱。依據(jù)描述溫度對堿集料反應膨脹影響的Arrenhius方程k=Ae－Ea/RT(k為溫度T時堿集料反應膨脹的速率常數(shù)，Ea為表觀活化能，R為氣體常數(shù)，A為特征常數(shù))，混凝土結構的堿集料反應膨脹與時間ε=k(T)tn(n為特征常數(shù)，k(T)為速度常數(shù))，建立混凝土試件在升溫加速條件下失效的時間與工程結構混凝土安全服役時間的數(shù)學模型，即:

圖7 混凝土法測試不同溫度堿活性反應Fig.7 The alkali active reaction under different temperature by concrete prism method

由此推導，計算 C9025W8F100三級配、C9025W8F100四級配和C9020W8F100四級配混凝土的安全使用時間為137年、187年和53年。C9020W8F100四級配混凝土中水泥含量少，對應堿含量也少，且從圖6和圖7可以看出，其堿活性反應比較緩慢，因此C9020W8F100四級配混凝土的安全使用時間應該大于另外兩種混凝土。

5 結論

石門坎水電站大壩混凝土所用骨料含有微晶—隱晶質(zhì)二氧化硅和少量玉髓堿活性成分，通過砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法檢測，具有潛在堿活性反應。采用攙和摻合料抑制混凝土堿活性反應，效果明顯。但是試驗摻合料攙和量約為30%，而工程混凝土摻合料為15%～30%，堿活性反應抑制作用相應會減弱。而且，試驗只針對壩體混凝土(C9025W8F100三、四級配和C9020W8F100四級配混凝土)進行了檢測，因此采用其它配合比混凝土的工程部位，應進行定期巡視、檢查，如發(fā)現(xiàn)混凝土出現(xiàn)裂縫，則進行試驗分析，采取應對措施。

［1］ 國家電力監(jiān)管委員會大壩安全監(jiān)察中心.云南李仙江石門坎水電站工程蓄水安全鑒定報告［R］.普洱:云南大唐國際李仙江流域水電開發(fā)有限公司，2011.

［2］ 南京工業(yè)大學科技開發(fā)中心.李仙江石門坎水電站混凝土堿硅酸反應抑制作用評估［R］.普洱:云南大唐國際李仙江流域水電開發(fā)有限公司，2012.

［3］ 長江水利委員會長江科學院.石門坎水電站混凝土骨料堿活性試驗報告［R］.普洱:云南大唐國際李仙江流域水電開發(fā)有限公司，2007.

［4］ 南京工業(yè)大學科技開發(fā)中心.李仙江石門坎水電站八箭山料場石英砂巖堿活性及其抑制試驗研究［R］.普洱:云南大唐國際李仙江流域水電開發(fā)有限公司，2007.

［5］ SL 251—2000，水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程［S］.

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