瓦屋山水電站堿骨料反應(yīng)分析評定與抑制措施研究

(華電四川發(fā)電有限公司瓦屋山分公司，四川 洪雅，612360)

混凝土在澆筑成型后，存在于孔隙溶液中的堿與堿活性骨料逐漸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成堿-硅酸凝膠物，反應(yīng)產(chǎn)物積累到一定數(shù)量，吸收環(huán)境中的水分或潮濕空氣而膨脹，造成混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)酥松、開裂以至變形、變位等破壞現(xiàn)象，嚴(yán)重時會使混凝土結(jié)構(gòu)腐爛崩潰，稱為堿骨料反應(yīng)(Alkali-aggregate reaction，簡稱AAR)。堿骨料反應(yīng)是影響混凝土耐久性的重要因素之一，不僅很難阻止其破壞繼續(xù)發(fā)展，且破壞后不宜修復(fù)，被稱之為混凝土的“癌癥”[1]。瓦屋山水電站大壩面板混凝土配合比設(shè)計試驗過程中，發(fā)現(xiàn)部分試件表面的粗骨料凍融破壞，后續(xù)試驗研究和鑒定表明，部分骨料屬常見堿活性巖石，應(yīng)用于混凝土后，存在一定程度的堿骨料反應(yīng)。本文重點分析該水電站堿骨料反應(yīng)的試驗成果，介紹采取的堿骨料反應(yīng)抑制措施及取得的效果，供其他類似工程參考借鑒。

1 問題的提出

1.1 工程概況

瓦屋山水電站位于四川省眉山市洪雅縣瓦屋山鎮(zhèn)，該電站是周公河干流七級開發(fā)的第一級，也是龍頭水庫電站。該工程為一座壩高138.76m，總庫容5.843億m3，設(shè)計水頭253m，裝機容量240MW的中型電站工程。電站主體工程2003年7月10日正式開工，2007年4月10日實現(xiàn)水庫下閘蓄水，兩臺機組分別于2008年1月31日及2008年2月7日并網(wǎng)投入商業(yè)運行。

1.2 問題的提出

2005年9月下旬，在瓦屋山水電站大壩面板混凝土的配合比設(shè)計100次凍融試驗完成后，對試驗成果和試樣分析時發(fā)現(xiàn)，部分試件表面的部分粗骨料凍融破壞。為此，進行了后續(xù)試驗研究。物理性試驗成果表明，該骨料飽和面干吸水率為1.4%～2.0%，分析認(rèn)為主要是由于巖石微裂隙吸水后，凍融破壞所致；而同時進行的巖礦磨片鑒定發(fā)現(xiàn)，該骨料與該料場主要的微晶白云巖的巖性有明顯不同，微裂隙極發(fā)育、充填不好，以微晶結(jié)構(gòu)為主，硅質(zhì)含量占90%，室內(nèi)定名為燧石巖，燧石巖又屬常見堿活性巖石。同時，在磨子上料場開挖面的微晶白云巖中，也發(fā)現(xiàn)了與此相對應(yīng)的純白色和花白色的巖石條帶[2]。

由于該工程處于施工期，混凝土澆筑早已經(jīng)開始，而堿骨料反應(yīng)是影響混凝土耐久性的重要因素之一，當(dāng)混凝土工程一旦發(fā)生堿活性骨料反應(yīng)，便難以抑制，并將導(dǎo)致混凝土膨脹開裂，最終會造成混凝土結(jié)構(gòu)喪失使用功能，甚至破壞。因此，問題一經(jīng)提出，立即引起了高度重視，隨即展開了瓦屋山水電站混凝土堿活性專題試驗研究。試驗研究必須回答三個問題：①骨料中是否存在堿活性及其在料場中的比例；②若存在堿活性骨料，是否會引起已經(jīng)澆筑的混凝土發(fā)生堿骨料反應(yīng)；③怎樣防止以后澆筑的混凝土發(fā)生堿骨料反應(yīng)。

2 瓦屋山水電站堿骨料反應(yīng)分析與評定[2]

骨料堿活性評定是預(yù)防混凝土堿骨料反應(yīng)破壞的首要工作，直接影響到使用非堿活性骨料的可能性和抑制措施的合理性問題，進一步來說關(guān)系到預(yù)防混凝土發(fā)生堿骨料反應(yīng)破壞的成敗。骨料堿活性的檢驗方法包括巖相法、化學(xué)法、砂漿棒長度法、砂漿棒快速法、混凝土棱柱體法、巖石柱法等[3]。

由于當(dāng)時瓦屋山水電站工程已經(jīng)處于施工期和已經(jīng)澆筑部分混凝土的特殊性，因此，試驗研究分了兩個層次：一是對純白色條帶巖石和花白色條帶巖石的堿活性、工程施工中所采用的其他與混凝土有關(guān)的材料(如：水泥、粉煤灰、外加劑)中的堿含量進行研究；二是根據(jù)工程施工現(xiàn)場的實際，在微晶白云巖中按不同比例摻入具有堿活性的純白色條帶巖石和花白色條帶巖石，研究其是否具有堿骨料反應(yīng)。主要進行了以下試驗、檢測和研究工作(詳見表1)。

表1 瓦屋山水電站骨料堿活性試驗檢測項目及組數(shù) 單位：組

備注：已澆混凝土的堿活性骨料反應(yīng)試驗8組，計算混凝土總堿量28組。

2.1 堿骨料反應(yīng)試驗檢測成果

2.1.1 骨料堿活性檢測成果

對兩個主要人工開采料場(磨子上白云巖料場和將軍巖砂巖(野外定名)料場)的人工骨料及團寶山天然河砂骨料進行了堿活性檢測。考慮到在施工過程中，磨子上白云巖料場純花、純白巖石仍然有集中的可能，故分別在較純的白云巖中摻入7%、10%的純花巖石后制成試樣(純白巖石在該料場的開采斷面相對較厚，在開采時容易避開或棄掉而不予考慮)進行檢測，成果見表2。

表2 各料場骨料堿活性檢測成果

備注：硅質(zhì)7、硅質(zhì)10為在微晶白云巖中摻入7%、10%微晶白云巖夾硅質(zhì)條帶的試樣。

2.1.2 水泥、粉煤灰、外加劑堿含量檢測成果檢測結(jié)果見表3。

表3 水泥、粉煤灰、外加劑的堿含量試驗檢測成果

2.1.3 混凝土堿含量檢測成果

按照《水工混凝土施工規(guī)范》附錄C中(低)熱硅酸鹽水泥堿含量的計算公式[4]：混凝土堿含量(kg/m3)=中(低)熱硅酸鹽水泥堿含量(%)×水泥用量(kg/m3)+0.2×粉煤灰堿含量(%)×粉煤灰用量(kg/m3)+外加劑堿含量(%)×外加劑用量(kg/m3)+水堿含量(%)×用水量(kg/m3)，計算瓦屋山水電站各混凝土堿含量，成果見表4。

表4 瓦屋山水電站各混凝土堿含量 單位：kg/m3

2.1.4 已澆筑混凝土堿骨料反應(yīng)的模擬試驗成果

考慮到在錨束墩、頂拱襯砌混凝土堿含量較大的工程部位鋼筋相當(dāng)密集、結(jié)構(gòu)也相當(dāng)復(fù)雜，抽取芯樣的難度相當(dāng)大，故采用了按錨束墩C40混凝土(其總堿量在本工程中最大，為4.3kg/m3)施工配合比和試驗編號為BⅡ的面板混凝土配合比，在室內(nèi)成型試件進行模擬試驗的方案。為了便于分析比較不同含堿量對堿活性反應(yīng)的影響，還作了在混凝土中外摻堿量，使水泥含堿量分別達到1.0%、1.5%、2.0%等3種較為極端的堿與骨料反應(yīng)模擬試驗，模擬試驗成果見表5。

表5 混凝土堿骨料反應(yīng)試驗檢測成果

2.2 堿骨料反應(yīng)試驗成果分析與評定

(1)多種試驗成果表明：磨子上料場的純白色巖石(經(jīng)檢測后定名為燧石巖)和純花色條帶巖石(經(jīng)檢測后定名為微晶白云巖夾硅質(zhì)條帶)，以及將軍巖料場砂巖巖石屬于堿活性骨料。占磨子上料場95%以上的灰白色白云巖和團寶山料場的河砂，為非活性骨料。

(2)磨子上料場除以灰白色白云巖為主外，還有少量的純白色及夾少部分灰色條帶的巖石，其在該料場開采的5個梯級中，純花、純白巖石的體積比只占少數(shù)，分別為2.24%、1.14%、2.39%、4.25%、6.67%。經(jīng)摻合后試驗，在灰白色白云巖中，摻入純花巖石在10%以內(nèi)，仍未發(fā)現(xiàn)引起堿骨料反應(yīng)。

(3)模擬試驗表明：水泥水化所引起的混凝土試件在水中的膨脹量，150d后已經(jīng)趨于穩(wěn)定。因此，根據(jù)堿骨料反應(yīng)條件和試驗檢測成果，判定已施工的混凝土不具備發(fā)生堿骨料反應(yīng)的條件。

3 瓦屋山水電站堿骨料反應(yīng)抑制措施與效果

根據(jù)對堿骨料反應(yīng)的機理、類型和發(fā)生條件的認(rèn)識，結(jié)合本工程試驗研究檢測成果分析，以及國內(nèi)外工程對堿骨料反應(yīng)的抑制措施，瓦屋山水電站工程在建設(shè)過程中提出了以下抑制堿骨料反應(yīng)的措施：

(1)混凝土配制采用非堿活性骨料，當(dāng)受料源限制確實無法避免時，應(yīng)做相應(yīng)堿骨料反應(yīng)試驗，確定堿骨料含堿量限值。瓦屋山水電站就是通過試驗，放棄了將軍巖料場用作人工骨料來開采，而只開采用做面板堆石壩填筑料。磨子上料場根據(jù)各梯段純白和純花巖石(堿活性骨料)所占比例，一是避免活性骨料在混凝土中局部集中，通過試驗確定了摻入10%以內(nèi)的純花巖石后未發(fā)生堿骨料反應(yīng)；二是純白巖石在料場的開采斷面上呈較厚且集中分布，采取避開或棄掉的方式來開采。

(2)本工程在潮濕環(huán)境、重要部位的混凝土總堿量控制在2.5kg/m3以內(nèi)，一般部位的混凝土總堿量控制在3.0kg/m3以內(nèi)。為此，盡量選用低堿水泥(如規(guī)矩牌P.MH42.5)，盡量不用早強水泥和高堿水泥，控制水泥堿含量不大于0.8%；外加劑應(yīng)優(yōu)選ZB-1A、JM-B減水劑；優(yōu)選RH-B泵送劑；優(yōu)選KD-4速凝劑。

(3)對常見的硅質(zhì)堿活性骨料，可以采取摻一定數(shù)量的粉煤灰、礦渣、硅粉、沸石粉等措施，起到抑制堿骨料反應(yīng)的作用，但必須事先通過試驗確定混凝土配合比。瓦屋山水電站通過試驗后，對混凝土配合比進行了調(diào)整，摻入25%不低于Ⅱ級的粉煤灰，不但可以抑制堿骨料反應(yīng)，還可改善混凝土其它性能，經(jīng)濟上也是合理的。

瓦屋山水電站經(jīng)過2013年專家組的竣工安全鑒定和10多年來的運行檢查情況來看，大壩混凝土面板、趾板、引水隧洞及廠房混凝土均未發(fā)現(xiàn)有堿骨料反應(yīng)跡象，說明施工時采取的控制堿含量和摻粉煤灰的措施，對抑制堿硅酸鹽活性反應(yīng)的效果是良好的。

4 結(jié)語

鑒于堿骨料反應(yīng)是一種嚴(yán)重破壞混凝土的“癌癥”，特別是對于長期與水接觸或處于潮濕環(huán)境中的水工建筑物，其影響和危害性更大，希望各參建方工程技術(shù)人員都能高度重視堿骨料反應(yīng)的預(yù)防工作，高度重視料場前期勘察階段和工程實施階段的堿活性檢驗評定工作。對于中小型水利水電工程也毫不例外，否則一旦發(fā)生堿骨料反應(yīng)，將無法修復(fù)，不得不拆除重建，勢必造成巨大的經(jīng)濟損失。

當(dāng)受料源限制不得不采用堿活性骨料時，必須制定有效的抑制措施，控制堿含量和摻粉煤灰等活性摻合材料，避免混凝土發(fā)生堿骨料反應(yīng)破壞。