王戰(zhàn)勝

（中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610225）

0 引言

新疆JH一級水電站的主要任務(wù)是動(dòng)能回收。樞紐由攔河壩、泄洪洞、排沙洞、發(fā)電引水系統(tǒng)進(jìn)水口、引水洞和電站、過魚建筑物、生態(tài)放水建筑物組成。攔河壩、泄洪建筑物、引水建筑物、電站、魚道及生態(tài)放水管為2級，次要建筑物為3級。有壓引水隧洞上游接進(jìn)水口，下游接調(diào)壓室，洞徑6.2m，設(shè)計(jì)流速4.07m/s，鋼筋混凝土襯砌。自進(jìn)口至調(diào)壓室共由3條直線洞段和2條圓弧洞段組成，隧洞總長7563.18m，所有引水隧洞襯砌混凝土均要采用當(dāng)?shù)禺a(chǎn)骨料、水泥。

新疆JH一級水電站地區(qū)骨料均具有堿活性，附近水泥廠受當(dāng)?shù)卦牧舷拗凭鶡o法生產(chǎn)低堿水泥，采用這種骨料配置混凝土對耐久性產(chǎn)生不利影響，存在潛在的堿集料，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)裂縫或者破壞。而外購低堿水泥及無堿活性骨料均需前往幾千公里外甘肅省才能實(shí)現(xiàn)，成本高。因此，結(jié)合當(dāng)?shù)刭Y源，以抑制堿集料反應(yīng)為出發(fā)點(diǎn)開展襯砌混凝土配合比設(shè)計(jì)，對該工程建設(shè)意義重大。

1 堿-骨料反應(yīng)對混凝土破壞機(jī)理

混凝土堿-骨料反應(yīng)（Alkali-aggregate reaction,AAR）是指骨料中的特定成分在一定條件下與混凝土中的水泥、外加劑、摻合劑等中的堿物質(zhì)進(jìn)一步發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生膨脹、開裂等現(xiàn)象，嚴(yán)重的會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)破壞，是影響混凝土耐久性的重要因素之一；混凝土堿-骨料反應(yīng)根據(jù)反應(yīng)機(jī)制可分為堿硅酸鹽反應(yīng)和堿碳酸鹽反應(yīng)：堿-硅酸反應(yīng)（Alkali-Silica Reaction，簡稱ASR），是指混凝土中的堿與不定型二氧化硅的反應(yīng)；堿-碳酸鹽反應(yīng)（Alkali-Carbonate Reaction，簡稱ACR），是指混凝土中的堿與某些碳酸鹽礦物的反應(yīng)。堿-骨料反應(yīng)是固相與液相之間的反應(yīng)，其發(fā)生具備三個(gè)要素：Ⅰ堿活性骨料；Ⅱ有堿存在（K+、Na+等離子）；Ⅲ水。破壞情況見圖1。

圖1 混凝土堿-骨料反應(yīng)裂縫

2 混凝土配合比設(shè)計(jì)用原材料

（1）水泥。采用天山水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P·O42.5級水泥；水泥化學(xué)成分、物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1、表2所示。

表1 水泥中化學(xué)成份(單位：%）

表2 水泥物理力學(xué)性能指標(biāo)

（2）粉煤灰。粉煤灰采用新疆瑪納斯發(fā)電有限責(zé)任公司生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰，性能指標(biāo)見表3所示。

表3 粉煤灰化學(xué)分析及物理性能指標(biāo)（單位：%）

（3）骨料。骨料采用CHT料場生產(chǎn)骨料，性能指標(biāo)見表4所示。

表4 骨料性能指標(biāo)

根據(jù)堿活性試驗(yàn)（砂漿棒快速法）結(jié)果顯示CHT料場生產(chǎn)的骨料14d 膨脹率均不小于0.1%，需進(jìn)行抑制堿有效性試驗(yàn)。

（4）外加劑。外加劑采用五家渠格輝化工有限責(zé)任公司生產(chǎn)的FND減水劑和GH-AE 型引氣劑，性能指標(biāo)見表5所示。

（5）混凝土拌合用水?；炷涟韬陀盟疄镴H 一級水電站工程旁JH河水，水質(zhì)化學(xué)分析結(jié)果見表6所示。

3 抑制堿活性反應(yīng)的有效性試驗(yàn)

堿活性反應(yīng)抑制有效性試驗(yàn)主要是通過砂漿棒快速法測定試件的相關(guān)性能指標(biāo)，以驗(yàn)證抑制材料對堿-骨料反應(yīng)危害的抑制效果，以對比試件的28d 膨脹率小于0.1%為判斷該摻量抑制材料的抑制效果為有效的標(biāo)準(zhǔn)[1]。

砂漿棒快速法的試件配合比按照減水劑摻量0.8%，引氣劑摻量0.035%，粉煤灰摻量分別0、5%、10%、15%、20%、25%、30%制作7種試件，其配合比見表7所示，砂料級配見表8 所示。每個(gè)試件在80±2℃的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)28d測量膨脹率見表9所示。

表7 砂漿棒快速法試件配合比組成

表8 砂漿棒快速法試件砂級配組成

表9 砂漿棒28d膨脹率

表9 試驗(yàn)結(jié)果顯示，粉煤灰摻量不小于15%的情況下28d 對比試件膨脹率小于0.1%，說明該粉煤灰摻量情況下的抑制材料對堿-骨料反應(yīng)危害抑制效果為有效。后面將根據(jù)粉煤灰摻量不小于15%進(jìn)行抑制堿活性混凝土的配合比設(shè)計(jì)。

4 抑制堿活性混凝土的配合比設(shè)計(jì)

4.1 試配強(qiáng)度

抑制堿活性混凝土的試配強(qiáng)度應(yīng)按下式確定：

式中：fcu,o——混凝土試配強(qiáng)度，MPa；

fcu,k——混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa；

σ——混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，當(dāng)無統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)，混凝土可取4.0MPa[2]。

抑制堿活性混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)為：C25W6F200，fcu,o≥25+1.645×4.0=31.58MPa。

4.2 配合比設(shè)計(jì)參數(shù)及試件性能檢測

根據(jù)混凝土配合比的要求確定抑制堿活性混凝土的配合比見表10所示；抑制性材料粉煤灰摻量為15%、20%、25%、30%。

表10 確定抑制堿活性混凝土的配合比

拌合物性能及抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果見表11 所示。表11 結(jié)果顯示，混凝土中抑制性材料粉煤灰摻量15%和20%時(shí)，28d 抗壓強(qiáng)度大于31.58MPa，抗凍指標(biāo)不小于200 次凍融循環(huán)，抗?jié)B等級不小于W6，滿足C25W6F200設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。綜合考慮堿活性抑制性試驗(yàn)結(jié)果，抑制性材料摻量越大抑制效果越好，且粉煤灰摻量增大可以提高混凝土和易性和經(jīng)濟(jì)性，抑制堿活性混凝土配合比YZ-02 滿足設(shè)計(jì)要求，即粉煤灰摻量為20%。

表11 拌合物性能及抗壓強(qiáng)度

4.3 混凝土配合比確定

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果以及當(dāng)?shù)卦牧锨闆r，最后選定的抗硫酸鹽侵蝕混凝土配合比見表12所示。

表12 最終確定的抑制堿活性混凝土配合比(單位：kg)

4.4 混凝土配合比總堿含量計(jì)算

根據(jù)抑制堿活性混凝土原材料堿含量檢測結(jié)果，以及規(guī)范要求抑制性材料粉煤灰?guī)牖炷量倝A含量為有效堿的20%[3]，最后計(jì)算抑制堿活性混凝土配合比的總堿含量見表13所示。由表13可知，混凝土每立方米總堿含量為2.528kg/m3，滿足水工混凝土施工規(guī)范每立方米總堿含量不大于3.0kg/m3的要求。

表13 抑制堿活性配合比總堿含量

5 混凝土棱柱體長期抑制性試驗(yàn)

按照抑制堿活性混凝土配合比成型尺寸為75mm×75mm×275mm 的試塊3 組，分別編號為：YZH-01、YZH-02、YZH-03，將試塊放在（38±2）℃的高濕環(huán)境中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)2 年，分別測定膨脹率：YZH-01 為0.028%，YZH-02 為0.026%，YZH-03 為0.023%，2 年時(shí)間3 組的膨脹率平均值為0.026%，最大值為0.028%，滿足2年齡期試件膨脹率小于0.04%的要求，該種抑制材料摻量對堿集料反應(yīng)抑制有效。

6 結(jié)束語

通過以上試驗(yàn)分析可知，在無低堿水泥的情況下，通過摻加20%的粉煤灰，在此摻量范圍內(nèi)進(jìn)行引水隧洞襯砌混凝土配合比試驗(yàn)，試驗(yàn)表明該摻量粉煤灰抑制堿活性結(jié)果滿足規(guī)范要求。新疆地區(qū)普遍存在堿活性骨料，使用當(dāng)?shù)毓橇蠐郊右种菩圆牧戏勖夯疫M(jìn)行混凝土工程施工，成本較低且能夠有效抑制混凝土堿活性反應(yīng)，為工程建設(shè)的成本降低，提升經(jīng)濟(jì)效益發(fā)揮重要作用。