深溪溝水電站河床料堿活性檢驗(yàn)及堿活性抑制試驗(yàn)研究

楊 軼，周麒雯

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都 610072)

1 前 言

防止混凝土堿骨料反應(yīng)(AAR)是當(dāng)今混凝土工程所面臨的重要課題之一，對(duì)其防治措施的研究已引起世界上許多國家的高度重視。一般來說，AAR是一個(gè)較緩慢的變化過程，混凝土有時(shí)需要幾十年時(shí)間才會(huì)出現(xiàn)裂縫，特別是對(duì)于一些慢膨脹型的活性骨料，時(shí)間將會(huì)更長(zhǎng)。水利水電工程較長(zhǎng)的使用壽命要求和水工混凝土所處的潮濕環(huán)境為AAR提供了充分的時(shí)間和環(huán)境條件，這表明在AAR方面，水工混凝土比普通混凝土具有更大的危險(xiǎn)性。

深溪溝水電站位于四川省大渡河干流的漢源、甘洛兩縣境內(nèi)大峽谷，是大渡河干流規(guī)劃的第十八級(jí)電站。電站裝機(jī)容量660MW，年發(fā)電量32.35億kW·h。作為反調(diào)節(jié)電站，可以解決因瀑布溝電站調(diào)峰運(yùn)行對(duì)下游用水帶來的不利影響。該水電站攔河壩為碾壓混凝土重力壩，壩高76.4m。大壩混凝土總量103.5萬m3。大壩混凝土擬采用兩種料源作為人工骨料:一種是洞室開挖過程中產(chǎn)生的洞挖可用料(主要為白云質(zhì)灰?guī)r);另一種是基坑覆蓋層開挖過程中產(chǎn)生的砂卵石礫料(以下簡(jiǎn)稱河床料)。洞挖料經(jīng)檢測(cè)，性能穩(wěn)定，適合作為混凝土骨料料源。而用于大壩工程的河床料巖性則成分復(fù)雜，巖性以花崗巖、石英片麻巖、角閃安山巖為主。其中角閃安山巖中的玻璃質(zhì)含量極高，達(dá)到65% ～70%，為具有潛在危害性反應(yīng)的堿活性骨料。由于AAR一般是在混凝土成型后的若干年后才逐漸發(fā)生并貫穿在整個(gè)混凝土中，嚴(yán)重危害水工混凝土的耐久性和安全運(yùn)行，因此對(duì)當(dāng)?shù)睾哟擦蠅A活性的抑制是深溪溝水電站大壩混凝土設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2 河床料堿活性的檢驗(yàn)

采用DL/T5151－2001《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》中“砂漿棒快速法”對(duì)河床料進(jìn)行堿活性檢驗(yàn)。該方法能在較短時(shí)間內(nèi)檢測(cè)出骨料在砂漿中的潛在有害的堿―硅酸反應(yīng)，適合于檢驗(yàn)反應(yīng)緩慢或只在后期才產(chǎn)生膨脹的骨料。為了減少試驗(yàn)的偶然性，對(duì)河床料進(jìn)行了四次平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。檢驗(yàn)結(jié)果表明，河床料砂漿試件14d膨脹率均大于0.2%。因此，可以判定，深溪溝水電站的河床料具有潛在堿硅反應(yīng)活性。

3 抑制河床料堿活性的試驗(yàn)研究

結(jié)合深溪溝水電站的實(shí)際情況，開展對(duì)當(dāng)?shù)氐暮哟擦蠅A活性進(jìn)行抑制的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)研究分為三個(gè)部分:(1)粉煤灰品種及摻量對(duì)抑制河床料堿活性的影響;(2)水泥品種對(duì)抑制河床料堿活性的影響;(3)粉煤灰抑制河床料堿活性有效性的評(píng)估。

3.1 試驗(yàn)原材料

本次試驗(yàn)所采用的水泥為峨勝普硅42.5級(jí)、金頂普硅42.5級(jí)及嘉華低熱42.5級(jí)，采用的粉煤灰為濤峰Ⅱ級(jí)灰和廣安Ⅱ級(jí)灰，水泥和粉煤灰的化學(xué)成分見表2。峨勝普硅42.5水泥、金頂普硅42.5水泥及嘉華低熱42.5水泥的壓蒸膨脹率分別為:0.016%、0.019%及0.021%，滿足砂漿棒快速法對(duì)水泥壓蒸膨脹率小于0.20%的要求。

表1 河床料堿活性檢驗(yàn)結(jié)果

表2 水泥和粉煤灰的化學(xué)成分 %

3.2 粉煤灰品種及摻量對(duì)抑制河床料堿活性的影響

采用深溪溝水電站大壩混凝土擬用的二種粉煤灰進(jìn)行粉煤灰抑制河床料堿活性影響的試驗(yàn)研究。其中水泥品種為峨勝普硅水泥，粉煤灰的摻量為20%、30%和40%，試驗(yàn)方法采用砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法。

采用砂漿棒快速法進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果見圖1。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出:隨著粉煤灰摻量的增加，河床料的砂漿膨脹率有所降低。當(dāng)粉煤灰摻量為20%時(shí)，摻濤峰Ⅱ級(jí)灰可以減少14d砂漿膨脹率的97.8%，摻廣安Ⅱ級(jí)灰可以減少14d砂漿膨脹率的96.1%;當(dāng)粉煤灰摻量為40%時(shí)，摻濤峰Ⅱ級(jí)灰可以減少14d砂漿膨脹率的99.1%，摻廣安Ⅱ級(jí)灰可以減少14d砂漿膨脹率的98.3%。在相同條件下，摻濤峰Ⅱ級(jí)灰抑制河床料堿活性膨脹的效果稍優(yōu)于摻廣安Ⅱ級(jí)灰。

圖1 粉煤灰品種和摻量對(duì)抑制河床料堿活性的影響(砂漿棒快速法)

采用混凝土棱柱體法試驗(yàn)的結(jié)果見圖2。由圖2可見:隨著粉煤灰摻量的增加，河床料的混凝土膨脹率有所降低。當(dāng)粉煤灰摻量為20%時(shí)，摻濤峰Ⅱ級(jí)灰可以減少一年混凝土膨脹率的76.1%，摻廣安Ⅱ級(jí)灰可以減少一年混凝土膨脹率的73.9%;當(dāng)粉煤灰摻量為40%時(shí)，摻濤峰Ⅱ級(jí)灰可以減少一年混凝土膨脹率的93.5%，摻廣安Ⅱ級(jí)灰可以減少一年混凝土膨脹率的89.1%。在相同條件下，摻濤峰Ⅱ級(jí)灰抑制河床料堿活性膨脹的效果稍優(yōu)于摻廣安Ⅱ級(jí)灰。

3.3 水泥品種對(duì)粉煤灰抑制河床料堿活性的影響

采用電站大壩混凝土擬用的三種水泥，進(jìn)行不同品種水泥對(duì)粉煤灰抑制河床料堿活性影響的試驗(yàn)研究。粉煤灰為濤峰Ⅱ級(jí)粉煤灰，摻量為30%。試驗(yàn)方法為砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法。

采用砂漿棒快速法進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果見圖3，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出:

當(dāng)不摻粉煤灰時(shí)，在三種水泥中，采用峨勝普硅水泥的砂漿膨脹率最大，采用金頂普硅水泥的膨脹率次之，采用嘉華低熱水泥的膨脹率最低。當(dāng)摻30%的濤峰Ⅱ粉煤灰時(shí)，采用峨勝普硅水泥的14d砂漿膨脹抑制率為98.7%，采用金頂普硅水泥為98.5%，采用嘉華低熱水泥為101.3%，表明當(dāng)采用相同粉煤灰以及粉煤灰摻量相同時(shí)，采用嘉華低熱水泥的抑制效果最好，采用金頂普硅水泥和峨勝普硅水泥的抑制效果差異不大。

圖2 粉煤灰品種和摻量對(duì)抑制河床料堿活性的影響(混凝土棱柱體法)

圖3 水泥品種對(duì)抑制河床料堿活性的影響(砂漿棒快速法)

圖4 水泥品種對(duì)抑制河床料堿活性的影響(混凝土棱柱體法)

采用混凝土棱柱體法進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果見圖4。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出:當(dāng)不摻粉煤灰時(shí)，在三種水泥中，采用金頂普硅水泥一年混凝土膨脹率最大，采用峨勝普硅水泥的膨脹率次之，采用嘉華低熱水泥的膨脹率最低。當(dāng)摻30%的濤峰Ⅱ粉煤灰時(shí)，三種水泥的混凝土一年膨脹率相差不大，相比而言采用金頂普硅水泥混凝土一年膨脹率最大。

3.4 粉煤灰抑制河床料堿活性有效性的評(píng)估

采用峨勝普硅水泥及嘉華低熱水泥，進(jìn)行不同摻量粉煤灰抑制河床料堿活性的試驗(yàn)研究，并與非活性骨料進(jìn)行比較，從而對(duì)粉煤灰抑制河床料堿活性的有效性進(jìn)行評(píng)估。粉煤灰為廣安Ⅱ級(jí)粉煤灰，粉煤灰的摻量為10%、20%和30%。試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出:

(1)隨著粉煤灰摻量的增加，河床料的砂漿膨脹率將減小。當(dāng)粉煤灰摻量大于20%時(shí)，兩種水泥砂漿的14d膨脹率均小于0.1%，滿足砂漿棒快速法14d膨脹率不得大于0.1%的要求，表明摻不小于20%的粉煤灰可以有效地抑制河床料的堿活性膨脹。

(2)與非活性骨料相比，當(dāng)粉煤灰摻量大于20%時(shí)，兩種水泥的砂漿膨脹率均小于非活性骨料的砂漿膨脹率，表明在粉煤灰摻量不小于20%的情況下，將河床料用于深溪溝水電站大壩混凝土中具有一定的安全性。

4 結(jié) 語

AAR是造成混凝土結(jié)構(gòu)破壞失效的重要原因之一。隨著我國重點(diǎn)工程建設(shè)的發(fā)展，預(yù)防AAR破壞、延長(zhǎng)工程的壽命已成為普遍關(guān)注并急需解決的問題。深溪溝水電站大壩混凝土采用的河床骨料巖性以花崗巖、石英片麻巖、角閃安山巖為主。其中角閃安山巖中的玻璃質(zhì)含量極高，達(dá)到65% ～70%，為具有潛在危害性反應(yīng)的堿活性骨料。通過對(duì)不同品種水泥、不同品種粉煤灰進(jìn)行的抑制河床骨料堿活性膨脹的試驗(yàn)研究可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

圖5 粉煤灰抑制河床料堿活性有效性的評(píng)估

(1)采用在混凝土中摻入一定量的粉煤灰可以抑制河床料的堿活性膨脹，其抑制效果隨著粉煤灰摻量的增加而有所提高。當(dāng)粉煤灰摻量不小于20%時(shí)，河床料的砂漿和混凝土的膨脹率滿足砂漿棒快速法及混凝土棱柱體法的有關(guān)要求，表明采用粉煤灰抑制河床料的堿活性膨脹是有效的。將摻20%粉煤灰河床料的砂漿膨脹率與非活性骨料的砂漿膨脹率相比，其砂漿膨脹率小于非活性骨料的膨脹率，表明在粉煤灰摻量不小于20%的情況下，將河床料用于深溪溝水電站大壩混凝土中具有一定的安全性。

(2)水泥品種對(duì)粉煤灰抑制河床料膨脹效果有著一定的影響，在相同的條件下，采用嘉華低熱水泥有利于粉煤灰抑制河床料的堿活性膨脹。

［1］姚燕.新型高性能混凝土耐久性的研究與工程應(yīng)用［M］.北京:中國建材工業(yè)出版社，2004.

［2］李光偉，等.粉煤灰抑制集料ASR有效性的評(píng)估［J］.水力發(fā)電，2007(5).

［3］周麒雯，等.錦屏一級(jí)水電站石英砂巖堿活性及堿活性抑制試驗(yàn)研究［C］∥楊顏.混凝土工程耐久性研究和應(yīng)用.成都:西南交通大學(xué)出版社，2006.