云南石門坎水電站混凝土骨料堿活性特征研究

李 雷，周益民，王泉偉

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南鄭州 450003)

堿骨料反應(yīng)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(xué)反應(yīng)，引起混凝土不均勻膨脹，導(dǎo)致開(kāi)裂、甚至破壞，這種化學(xué)反應(yīng)稱為堿—骨料反應(yīng)，按照與堿反應(yīng)的巖石類型，堿—骨料反應(yīng)分為三種類型，即堿—硅酸反應(yīng)、堿—硅酸鹽反應(yīng)和堿—碳酸鹽反應(yīng)。堿骨料反應(yīng)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(yīng)的危害通常出現(xiàn)的時(shí)間較長(zhǎng)，混凝土的膨脹在數(shù)年后仍繼續(xù)增長(zhǎng)，修復(fù)極其困難，危害十分嚴(yán)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(qiáng)度較低、膠凝材料用量較少、長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境中、壽命要求較長(zhǎng)。這些差異以不同方式影響著水工混凝土堿骨料反應(yīng)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(kù)總庫(kù)容1.97 億m3，正常蓄水位756.00 m，死水位740.00 m，調(diào)節(jié)庫(kù)容0.807億 m3。電站裝機(jī)容量130 MW，多年平均發(fā)電量5.73億kW·h，年利用小時(shí)4 408 h。水庫(kù)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(zhǎng)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(jí)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(jí)配混凝土;③表孔過(guò)流面、表孔牛腿、中孔支撐大梁、啟閉機(jī)樓面、交通橋及工作橋橋面采用C2830W8F100二級(jí)配混凝土;④中孔過(guò)流面采用C2840W8F100二級(jí)配抗沖耐磨混凝土;⑤其余部位采用C9020W8F100三、四級(jí)配混凝土。壩體所用混凝土主要為 C9025W8F100三、四級(jí)配混凝土和 C9020W8F100 三、四級(jí)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(gòu)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(dāng)量Na2O含量)為0.47%，屬低堿水泥。雙摻料的堿含量(等當(dāng)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(dāng)量Na2O含量)分別為12.06% 和 3.19%［2］。

3 混凝土骨料堿活性檢驗(yàn)結(jié)果與分析

八箭山石料場(chǎng)用作骨料的巖石為石英砂巖、鈣質(zhì)細(xì)砂巖，根據(jù)其巖性選用巖相法、砂漿棒長(zhǎng)度法、砂漿棒快速法、壓蒸法(砂、石堿活性快速試驗(yàn)方法 CECS 48∶93)和混凝土棱柱體法進(jìn)行試驗(yàn)，評(píng)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(yàn)堿活性骨料的品種和分量。采用巖相法試驗(yàn)，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(jiàn)圖1。對(duì)施工所用骨料進(jìn)行堿活性檢驗(yàn)，骨料主要由石英晶體和方解石鑲嵌構(gòu)造而成，其中粗骨料含有少量云母、長(zhǎng)石和約4%微晶質(zhì)—隱晶質(zhì)石英，見(jiàn)圖2;細(xì)骨料含有少量云母、長(zhǎng)石和約5%微晶質(zhì)—隱晶質(zhì)石英，見(jiàn)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(xì)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(jié)晶程度和缺陷密度有關(guān)［6－7］。蛋白石和玻璃質(zhì)二氧化硅屬于無(wú)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(jié)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(rèn)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(yīng)活性。

3.2 測(cè)長(zhǎng)法

3.2.1 砂漿棒長(zhǎng)度法

砂漿棒長(zhǎng)度法是測(cè)定水泥砂漿試件的長(zhǎng)度變化，以鑒定水泥中的堿與活性骨料間反應(yīng)所引起的膨脹是否具有潛在危害。取6組原巖進(jìn)行砂漿棒長(zhǎng)度法試驗(yàn)，結(jié)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(cè)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(zhǎng)度法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，將養(yǎng)護(hù)溫度從38℃提高到80℃，將濕氣養(yǎng)護(hù)改為1 mol/L NaOH溶液養(yǎng)護(hù)。提高溫度和堿度，加快堿活性反應(yīng)速度，評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)記錄、巖相法或開(kāi)展其它輔助試驗(yàn)、試件觀測(cè)時(shí)間延至28 d后的測(cè)試結(jié)果等進(jìn)行綜合評(píng)定。快速測(cè)出骨料在砂漿中潛在有害的堿硅酸反應(yīng)，尤其適合檢驗(yàn)反應(yīng)緩慢或只在后期產(chǎn)生膨脹的骨料。采用砂漿棒快速法對(duì)原巖進(jìn)行堿活性檢驗(yàn)，分析檢驗(yàn)結(jié)果，判定用于工程的混凝土骨料具有潛在危害性反應(yīng)活性［3－4］。取施工中加工的成品骨料進(jìn)行砂漿棒快速法試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4，粗骨料具有堿活性反應(yīng)。砂的試件在 14 d時(shí)膨脹值為 0.140%，介于0.10% ～0.20%之間，至28 d時(shí)，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(yīng)活性。

3.2.3 壓蒸法

壓蒸法試驗(yàn)即《砂、石堿活性快速試驗(yàn)方法》CECS 48∶93，試驗(yàn)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(cè)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(cè)量其最終膨脹值。在水泥和骨料三種配比試驗(yàn)結(jié)果中用最大膨脹值評(píng)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(cè)試砂、石的堿活性，適用于鑒定堿硅酸反應(yīng)類骨料的堿活性。

前期在八箭山石料場(chǎng)取原巖，后期取施工中加工成品骨料，進(jìn)行壓蒸法試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。壓蒸法檢驗(yàn)結(jié)果顯示，大多數(shù)原巖具有堿硅酸反應(yīng)活性，砂不具堿硅酸反應(yīng)活性。

表1 壓蒸法檢驗(yàn)骨料堿活性試驗(yàn)結(jié)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(chǎng)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(jí)配各1/3等量混合，砂的細(xì)度模數(shù)為2.7±0.2，粗細(xì)骨料比為6∶4，水泥堿含量通過(guò)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(jìn)行混凝土棱柱體法堿活性檢驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)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(jìn)行混凝土棱柱體法試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)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(yīng)活性。

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

4 混凝土堿硅酸反應(yīng)抑制作用評(píng)估

4.1 堿硅酸反應(yīng)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(yàn)，摻合料摻量為30%、40%、50%和55%時(shí)，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(yīng)，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(jìn)行抑制堿活性反應(yīng)，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(yīng)。摻合料抑制堿活性反應(yīng)見(jiàn)圖5。

圖5 砂漿棒快速法檢驗(yàn)堿活性反應(yīng)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(yàn)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(hù)2 d后拆模，測(cè)量試件的初始長(zhǎng)度，然后將試件分別在40℃、60℃、80℃和95℃濕空氣中養(yǎng)護(hù)，在確定的齡期將混凝土試件冷卻至20±2℃并測(cè)定試件的長(zhǎng)度變化，計(jì)算膨脹率，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖6可以對(duì)比看出，添加摻合料混凝土試件隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，膨脹率趨于增大，364 d的膨脹率＜0.4%，不具堿活性反應(yīng)，抑制效果很明顯。

4.2 混凝土?xí)r效推測(cè)

圖7為混凝土試件養(yǎng)護(hù)在不同溫度中的膨脹率，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的升高，混凝土試件的膨脹發(fā)展加快，說(shuō)明溫度升高會(huì)加速混凝土中堿硅酸反應(yīng)膨脹。利用不同溫度下養(yǎng)護(hù)的混凝土試件的膨脹率求取堿硅酸反應(yīng)膨脹的活化能，再根據(jù)95℃條件下達(dá)到失效膨脹值的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，推算水電站所在位置年平均溫度條件下養(yǎng)護(hù)的時(shí)間，進(jìn)而確定混凝土堿硅酸反應(yīng)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(cè)堿活性反應(yīng)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(hù)時(shí)的膨脹率，通過(guò)回歸分析、作圖和計(jì)算，得到C9025W8F100三級(jí)配、C9025W8F100四級(jí)配和C9020W8F100四級(jí)配混凝土試件堿硅酸反應(yīng)膨脹活化能分別為 25.2、26.4、20.0 kJ/mol。C9020W8F100 四級(jí)配的活化能最低，其堿活性反應(yīng)較弱。依據(jù)描述溫度對(duì)堿集料反應(yīng)膨脹影響的Arrenhius方程k=Ae－Ea/RT(k為溫度T時(shí)堿集料反應(yīng)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(jié)構(gòu)的堿集料反應(yīng)膨脹與時(shí)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(shí)間與工程結(jié)構(gòu)混凝土安全服役時(shí)間的數(shù)學(xué)模型，即:

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

由此推導(dǎo)，計(jì)算 C9025W8F100三級(jí)配、C9025W8F100四級(jí)配和C9020W8F100四級(jí)配混凝土的安全使用時(shí)間為137年、187年和53年。C9020W8F100四級(jí)配混凝土中水泥含量少，對(duì)應(yīng)堿含量也少，且從圖6和圖7可以看出，其堿活性反應(yīng)比較緩慢，因此C9020W8F100四級(jí)配混凝土的安全使用時(shí)間應(yīng)該大于另外兩種混凝土。

5 結(jié)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(guò)砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法檢測(cè)，具有潛在堿活性反應(yīng)。采用攙和摻合料抑制混凝土堿活性反應(yīng)，效果明顯。但是試驗(yàn)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(yīng)抑制作用相應(yīng)會(huì)減弱。而且，試驗(yàn)只針對(duì)壩體混凝土(C9025W8F100三、四級(jí)配和C9020W8F100四級(jí)配混凝土)進(jìn)行了檢測(cè)，因此采用其它配合比混凝土的工程部位，應(yīng)進(jìn)行定期巡視、檢查，如發(fā)現(xiàn)混凝土出現(xiàn)裂縫，則進(jìn)行試驗(yàn)分析，采取應(yīng)對(duì)措施。

［1］ 國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)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(bào)告［R］.普洱:云南大唐國(guó)際李仙江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，2011.

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

［3］ 長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院.石門坎水電站混凝土骨料堿活性試驗(yàn)報(bào)告［R］.普洱:云南大唐國(guó)際李仙江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，2007.

［4］ 南京工業(yè)大學(xué)科技開(kāi)發(fā)中心.李仙江石門坎水電站八箭山料場(chǎng)石英砂巖堿活性及其抑制試驗(yàn)研究［R］.普洱:云南大唐國(guó)際李仙江流域水電開(kāi)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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