錦屏一級(jí)大壩混凝土骨料堿活性抑制措施的長(zhǎng)期有效性研究

董 蕓，周澤聰，李鵬翔，劉 暢

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 材料與結(jié)構(gòu)研究所，武漢 430010；2.國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

1 研究背景

錦屏一級(jí)水電站位于四川省涼山州木里縣與鹽源縣交界處的雅礱江大河灣干流河段上，是建設(shè)在雅礱江流域上的控制性水電站，我國(guó)西電東送的骨干工程，也是雅礱江下游水電規(guī)劃梯級(jí)開(kāi)發(fā)的龍頭水庫(kù)。錦屏一級(jí)水電站屬于一等大(Ⅰ)型工程，擋水建筑物為特高混凝土雙曲拱壩，最大壩高305 m，是世界上已建成的最高拱壩。

錦屏一級(jí)水電站大壩混凝土用量約為595萬(wàn)m3，工程量巨大[1]，受環(huán)境與經(jīng)濟(jì)因素制約，工程建設(shè)用砂石材料只能就地取材。壩址附近的天然骨料儲(chǔ)量遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，大壩混凝土只能采用人工骨料，骨料料源選擇對(duì)錦屏一級(jí)水電站的建設(shè)至關(guān)重要。在可行性研究階段，曾對(duì)三灘右岸大理巖料場(chǎng)、大奔流溝砂巖料場(chǎng)進(jìn)行了大量勘探和骨料、混凝土試驗(yàn)，通過(guò)儲(chǔ)量與綜合性能對(duì)比，推薦大奔流溝砂巖作為錦屏一級(jí)水電站大壩混凝土的人工骨料，但試驗(yàn)結(jié)果表明大奔流溝砂巖為具有潛在危害性反應(yīng)的堿活性骨料。由于堿-骨料反應(yīng)嚴(yán)重危害大壩的耐久性和安全運(yùn)行[2]，為此，采取了砂巖骨料堿活性抑制措施，確保了特高拱壩混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期安全運(yùn)行。根據(jù)研究成果，工程采取了有效的組合骨料(砂巖粗骨料與大理巖細(xì)骨料)+高摻35% Ⅰ 級(jí)粉煤灰+控制混凝土總堿含量≤1.5 kg/m3的砂巖骨料堿活性抑制技術(shù)措施[3]，首次將堿活性骨料應(yīng)用于特高拱壩混凝土，解決了錦屏一級(jí)水電站大壩骨料料源選擇難題。

錦屏一級(jí)水電站建設(shè)過(guò)程中采取了嚴(yán)格的骨料堿活性抑制措施，現(xiàn)在大壩已建成運(yùn)行10 a，有必要對(duì)大壩混凝土骨料堿活性抑制措施的長(zhǎng)期有效性作出科學(xué)評(píng)價(jià)。本文對(duì)大壩混凝土骨料堿活性抑制措施研究進(jìn)行了簡(jiǎn)要的回顧總結(jié)，并通過(guò)對(duì)已經(jīng)服役10 a的大壩混凝土芯樣進(jìn)行巖相分析、微觀形貌和產(chǎn)物分析、加速養(yǎng)護(hù)測(cè)長(zhǎng)試驗(yàn)和彈性波測(cè)試等方法，驗(yàn)證了大壩混凝土骨料采取堿活性抑制措施在10 a后的大壩混凝土長(zhǎng)期安全性。

2 大壩混凝土骨料堿活性抑制措施

2.1 組合骨料(砂巖粗骨料+大理巖細(xì)骨料)

對(duì)于壩址附近儲(chǔ)量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的三灘大理巖、大奔流溝砂巖，進(jìn)行了全大理巖、全砂巖及組合骨料(砂巖粗骨料+大理巖細(xì)骨料)混凝土性能試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：?jiǎn)我还橇匣炷辆嬖谝欢ㄈ毕?，大理巖骨料的抗斷裂能力差，限制了混凝土抗拉強(qiáng)度的提高；砂巖骨料混凝土用水量偏高、線膨脹系數(shù)偏大，收縮變形量較大，對(duì)混凝土的溫控防裂不利，尤其砂巖骨料存在堿硅酸反應(yīng)活性，對(duì)混凝土長(zhǎng)期耐久性不利。組合骨料混凝土的綜合抗裂能力要優(yōu)于全砂巖混凝土的綜合抗裂能力。全砂巖混凝土的堿-骨料反應(yīng)膨脹率大于組合骨料混凝土的堿-骨料反應(yīng)膨脹率，大理巖砂替代砂巖砂后，膨脹率降低[4]。與全砂巖骨料相比，組合骨料方案可有效降低混凝土堿-骨料反應(yīng)活性[5]。

因此，錦屏一級(jí)水電站大壩最終選擇綜合抗裂性能優(yōu)，且能降低混凝土堿-骨料反應(yīng)活性的組合骨料(砂巖粗骨料+大理巖細(xì)骨料)方案，作為大壩混凝土的骨料方案。

2.2 高摻35%Ⅰ級(jí)粉煤灰

粉煤灰是目前最經(jīng)濟(jì)有效的骨料堿活性抑制材料。快速砂漿棒法和混凝土棱柱體法的試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)Ⅰ級(jí)粉煤灰摻量≥20%時(shí)，就可以有效抑制大奔流溝砂巖堿-骨料反應(yīng)[6]。

采用峨嵋中熱水泥、宣威Ⅰ級(jí)粉煤灰，四級(jí)配組合骨料和大壩混凝土實(shí)際配合比進(jìn)行的全級(jí)配混凝土堿活性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。摻35%粉煤灰后，大壩全級(jí)配混凝土棱柱體試件1 a膨脹率為0.009%，5 a膨脹率為0.01%，與不摻粉煤灰的試件相比，5 a膨脹率降低了90.8%。根據(jù)《水工混凝土抑制堿-骨料反應(yīng)技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5298—2013)[7]混凝土棱柱體法抑制堿-骨料反應(yīng)有效性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，2 a齡期對(duì)比試件的膨脹率應(yīng)<0.04%的限值，高摻35%Ⅰ級(jí)粉煤灰抑制砂巖骨料的堿活性效果十分顯著。

圖1 大壩混凝土實(shí)際配合比混凝土棱柱體法試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Experimental results of concrete prism method for actual engineering mix ratio

2.3 嚴(yán)控堿含量

堿是混凝土堿-骨料反應(yīng)的內(nèi)在因素之一，不含堿或堿含量濃度低于堿-骨料反應(yīng)發(fā)生所需限值時(shí)，混凝土不會(huì)發(fā)生堿-骨料反應(yīng)。試驗(yàn)表明，當(dāng)錦屏一級(jí)砂巖骨料混凝土的總堿含量從5.25 kg/m3降低為1.76 kg/m3時(shí)，混凝土的堿活性膨脹變形明顯降低，且隨著齡期的延長(zhǎng)其降低幅度增加，其中，1 a齡期時(shí)混凝土的堿活性膨脹變形可降低76.5%，5 a齡期可降低95.6%?？刂苹炷恋目倝A含量，對(duì)降低錦屏一級(jí)大壩混凝土的堿活性膨脹變形有明顯效果。通過(guò)研究，確定將錦屏一級(jí)水電站大壩混凝土的總堿含量控制在1.5 kg/m3以?xún)?nèi)[8]。在實(shí)際施工過(guò)程中，工程通過(guò)嚴(yán)控混凝土原材料堿含量來(lái)控制混凝土總堿含量。

經(jīng)過(guò)上述試驗(yàn)研究，錦屏一級(jí)水電站大壩混凝土采用砂巖粗骨料+大理巖細(xì)骨料組合人工骨料方案，通過(guò)采用“組合骨料(砂巖粗骨料+大理巖細(xì)骨料)+高摻粉煤灰+嚴(yán)控混凝土總堿量”的堿活性抑制技術(shù)措施，保證了大壩混凝土的長(zhǎng)期安全性能。

大壩壩體于2009年10月開(kāi)始澆筑，2013年12月封頂，在5 a的澆筑施工過(guò)程中，進(jìn)行了持續(xù)的砂巖骨料堿活性監(jiān)測(cè)，同時(shí)，鉆孔取芯得到的混凝土芯樣，其2 a的混凝土膨脹率均<0.02%，遠(yuǎn)小于《水工混凝土抑制堿-骨料反應(yīng)技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5298—2013)[7]混凝土棱柱體法抑制堿-骨料反應(yīng)有效性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的0.04%限值，部分監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 芯樣混凝土膨脹率監(jiān)測(cè)結(jié)果Table 1 Monitoring results of expansion rate of core samples

4 芯樣骨料堿活性抑制措施的長(zhǎng)期有效性試驗(yàn)

4.1 壩體鉆孔取芯

錦屏一級(jí)大壩建成運(yùn)行10 a后，在大壩的5個(gè)部位(二道壩，以及1 595、1 730、1 778 m高程廊道及1 829 m高程的左岸交通洞)鉆取直徑200 mm的芯樣，32根混凝土芯樣的編號(hào)及具體部位信息如表2所示。

表2 芯樣編號(hào)信息Table 2 Information of core samples

4.2 試驗(yàn)方法

4.2.1 芯樣外觀特征觀察

觀察芯樣混凝土中骨料的完整性、骨料周?chē)缑鎱^(qū)間裂縫、骨料周?chē)欠翊嬖诜磻?yīng)環(huán)，參照美國(guó)運(yùn)輸部發(fā)布的《堿-骨料反應(yīng)事實(shí)報(bào)告》[9]中的方法，檢測(cè)是否存在反應(yīng)物。

4.2.2 芯樣巖相分析

采用萊卡Leica DM750偏光顯微鏡觀察混凝土中骨料活性礦物組成和分布,定量觀察、檢測(cè)芯樣內(nèi)部的無(wú)凝膠骨料、帶凝膠骨料、無(wú)凝膠漿體、帶凝膠漿體、含凝膠孔隙數(shù)量，用于綜合評(píng)價(jià)堿-骨料反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。試驗(yàn)步驟參考《混凝土巖相學(xué)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程》(ASTM C856M—2020)[10]。

4.2.3 芯樣微觀形貌和產(chǎn)物分析

從混凝土芯樣中部取分析式樣，采用日本電子JSM-6610掃描電鏡(SEM)進(jìn)行測(cè)試，觀察骨料界面區(qū)是否有堿-骨料反應(yīng)產(chǎn)物，分析堿硅反應(yīng)產(chǎn)物的形貌特征和分布特點(diǎn)。同時(shí)對(duì)混凝土芯樣的微觀分析試樣進(jìn)行能譜分析(EDS)，分析骨料界面區(qū)水化產(chǎn)物的化學(xué)組成。

4.2.4 芯樣加速養(yǎng)護(hù)測(cè)長(zhǎng)試驗(yàn)

從現(xiàn)場(chǎng)鉆取的大壩芯樣中選取20組，每個(gè)部位取4組芯樣，加工成試件尺寸為直徑200 mm、長(zhǎng)260 mm的混凝土圓柱體，在不同溫度下(38、50、60、80 ℃)開(kāi)展大壩混凝土芯樣堿-骨料反應(yīng)長(zhǎng)齡期的變形監(jiān)測(cè)，研究大壩實(shí)際混凝土堿-骨料反應(yīng)的特性和膨脹趨勢(shì)。

將芯樣放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)，底部加水后，保證箱內(nèi)相對(duì)濕度>95%，在高溫養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行加速養(yǎng)護(hù)。加速養(yǎng)護(hù)至一定齡期，取出芯樣，冷卻24 h后在室溫下采用大量程千分尺進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量。沿芯樣的軸線方向，在芯樣兩個(gè)端面中心埋設(shè)不銹鋼測(cè)頭，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)測(cè)頭的距離來(lái)反映芯樣的長(zhǎng)度變化，芯樣膨脹率的測(cè)量參考《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5150—2017)[11]。

4.2.5 芯樣加速養(yǎng)護(hù)彈性波測(cè)試

對(duì)芯樣高溫加速養(yǎng)護(hù)前后進(jìn)行彈性波測(cè)試。彈性波是在混凝土、巖土、金屬等固體物質(zhì)中，由力或應(yīng)變激發(fā)而產(chǎn)生的擾動(dòng)波。大量研究表明，混凝土中的彈性波波速與其材料性質(zhì)之間存在相關(guān)關(guān)系。假設(shè)混凝土為理想彈性體，彈性縱波波速與混凝土的強(qiáng)度及彈性模量有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系[12]，可以用來(lái)評(píng)價(jià)檢測(cè)斷面內(nèi)部混凝土質(zhì)量分布情況。

采用武漢巖海開(kāi)發(fā)的RS-ST01C非金屬聲波檢測(cè)儀對(duì)混凝土芯樣進(jìn)行彈性波波速測(cè)試。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3.1 外觀特征觀察

大壩混凝土芯樣外觀檢查結(jié)果表明:混凝土中骨料完整，與砂漿膠結(jié)緊密，骨料周?chē)缑鎱^(qū)未見(jiàn)裂縫，砂巖骨料周?chē)淮嬖诜磻?yīng)環(huán)，未見(jiàn)堿硅反應(yīng)物，混凝土芯樣質(zhì)量良好。圖2為大壩混凝土典型芯樣的外觀。

圖2 大壩混凝土芯樣外觀Fig.2 Appearance of core samples

4.3.2 巖相分析

巖相分析結(jié)果表明：大壩混凝土芯樣粗骨料原巖多為細(xì)砂巖，含雜基和鈣質(zhì)膠結(jié)物。粒狀礦物也見(jiàn)有拉長(zhǎng)定向的現(xiàn)象，構(gòu)成片麻狀構(gòu)造，變質(zhì)細(xì)砂巖與漿體界線截然。二道壩芯樣漿體中多數(shù)為細(xì)砂巖碎屑顆粒，也見(jiàn)有鈣質(zhì)巖石碎屑，長(zhǎng)英質(zhì)礦單晶及集合體；其余芯樣漿體中骨料顆粒主要礦物和巖石顆粒大多為方解石質(zhì)，有單顆粒、巖石碎屑，也見(jiàn)有砂巖碎屑；漿體與骨料膠結(jié)較好，有約3%～8%的孔隙度，氣孔呈渾圓狀，基本<0.5 mm，未見(jiàn)堿-骨料反應(yīng)凝膠。內(nèi)部的無(wú)凝膠骨料少部分有細(xì)小裂縫，漿體少部分有細(xì)小裂縫。圖3為芯樣顯微照片。

圖3 大壩混凝土芯樣顯微照片F(xiàn)ig.3 Micrograph of core samples

4.3.3 微觀分析

圖4為1 778 m高程廊道處芯樣的掃描電鏡(SEM)圖片，分別是50、20、10、5 μm尺度下的微觀圖片。由圖4可知，膠凝材料中含有大量的微細(xì)粒方解石，粒徑為0.5～2 μm。骨料與膠凝材料的界面處得到了加強(qiáng)，骨料表面還比較致密完整，與膠凝材料膠結(jié)良好，界面處有塊狀水泥凝膠，看不到骨料的腐蝕現(xiàn)象，骨料與漿體界面區(qū)未見(jiàn)堿硅反應(yīng)產(chǎn)物，也未見(jiàn)堿硅凝膠。其他芯樣的掃描電鏡圖片及分析結(jié)果大致相同，均未發(fā)現(xiàn)堿-骨料反應(yīng)發(fā)生的跡象。

表3為混凝土芯樣的能譜分析(EDS)試驗(yàn)結(jié)果。由表3可以看出，骨料周邊反應(yīng)產(chǎn)物(以氧化物含量計(jì))以CaO、SiO2為主，F(xiàn)e2O3、Al2O3次之，還有少量MgO、Na2O和K2O。與水泥水化產(chǎn)物成分相似，堿硅反應(yīng)產(chǎn)物中Na2O含量一般較高，而大壩混凝土芯樣的EDS試驗(yàn)結(jié)果中Na2O和K2O含量偏低，說(shuō)明沒(méi)有堿硅凝膠產(chǎn)生。

表3 部分大壩混凝土芯樣主要氧化物含量Table 3 Content of main oxides of core samples %

4.3.4 加速養(yǎng)護(hù)測(cè)長(zhǎng)試驗(yàn)

大壩混凝土芯樣加速養(yǎng)護(hù)膨脹率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖5，加速養(yǎng)護(hù)條件下可以快速測(cè)試大壩混凝土芯樣的殘余膨脹變形。試驗(yàn)結(jié)果表明，大壩混凝土芯樣存在微弱的殘余膨脹，其中，1 730 m和1 829 m高程處的混凝土芯樣在80 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下，56 d齡期時(shí)的膨脹率最大，為0.015%，略高于工程實(shí)際配合比混凝土棱柱體法試驗(yàn)的2 a齡期膨脹率，但均遠(yuǎn)小于《水工混凝土抑制堿-骨料反應(yīng)技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5298—2013)[7]混凝土棱柱體法抑制堿-骨料反應(yīng)有效性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的0.04%限值。20組測(cè)試芯樣在加速養(yǎng)護(hù)條件下28 d齡期后膨脹率均趨于平穩(wěn)，未出現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，表明混凝土不會(huì)產(chǎn)生危害性的膨脹。

圖5 不同養(yǎng)護(hù)溫度下大壩混凝土芯樣膨脹率測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test results of expansion rate of core samples at different curing temperatures

4.3.5 彈性波測(cè)試

圖6為部分混凝土芯樣加速養(yǎng)護(hù)前后的彈性波波速變化。試驗(yàn)結(jié)果顯示大壩混凝土芯樣彈性波波速大多分布在4 100～4 650 m/s，加速養(yǎng)護(hù)前后彈性波波速變化不大，最大僅下降4.4%，參考Leslie和Cheeseman于1949年提出的彈性波波速檢測(cè)混凝土質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[13](見(jiàn)表4)，可知混凝土芯樣經(jīng)加速養(yǎng)護(hù)沒(méi)有產(chǎn)生膨脹開(kāi)裂等缺陷。

圖6 部分芯樣彈性波波速變化Fig.6 Change of elastic wave velocity of some core samples

表4 彈性波波速評(píng)定混凝土質(zhì)量參考標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Reference standard for evaluating concrete quality by elastic wave velocity

大壩混凝土芯樣加速養(yǎng)護(hù)前后質(zhì)量均良好，混凝土致密，根據(jù)彈性波波速與混凝土彈性模量等性能的相關(guān)性，歷經(jīng)10 a后大壩混凝土彈性模量隨齡期增長(zhǎng)發(fā)展良好，混凝土內(nèi)部沒(méi)有裂縫等損傷隱患。

5 結(jié) 論

(1)大壩混凝土芯樣外觀檢查、巖相分析、彈性波測(cè)試結(jié)果表明，大壩混凝土質(zhì)量良好，沒(méi)有產(chǎn)生危害性的堿-骨料反應(yīng)。

(2)大壩混凝土芯樣SEM分析表明，骨料與膠凝材料膠結(jié)良好，未發(fā)現(xiàn)堿-骨料反應(yīng)的跡象；大壩混凝土芯樣EDS分析結(jié)果表明，芯樣骨料界面凝膠產(chǎn)物堿含量較低，沒(méi)有堿硅反應(yīng)產(chǎn)物產(chǎn)生。

(3)加速養(yǎng)護(hù)條件下，不同部位大壩混凝土芯樣28 d齡期后均未出現(xiàn)膨脹率增長(zhǎng)趨勢(shì)，56 d齡期的最大膨脹率僅為0.015%，遠(yuǎn)低于混凝土棱柱體法抑制堿-骨料反應(yīng)有效性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的0.04%限值，表明其未來(lái)難以發(fā)生危害性膨脹。

(4)加速養(yǎng)護(hù)后大壩混凝土芯樣彈性波波速最大僅下降4.4%，變化不大，表明混凝土未出現(xiàn)膨脹開(kāi)裂等缺陷。

(5)錦屏一級(jí)水電站大壩混凝土采取了“組合骨料+高摻粉煤灰+嚴(yán)控堿含量”的砂巖骨料堿活性抑制措施，工程建設(shè)期間持續(xù)的砂巖骨料堿活性監(jiān)測(cè)，證明了骨料堿活性抑制措施的短期有效性；大壩運(yùn)行10 a后的芯樣試驗(yàn)結(jié)果，則證實(shí)了錦屏一級(jí)大壩混凝土采取的骨料堿活性抑制措施是長(zhǎng)期有效的。