阜康抽水蓄能電站骨料堿活性及抑制試驗研究

（新疆阜康抽水蓄能有限公司，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引言

混凝土堿骨料反應（AAR）[1]是混凝土組成中水泥、外加劑、摻合料或拌和水中可溶性堿（鉀、鈉）溶解后與骨料中活性成分反應，其生成物吸水膨脹，使混凝土產生內應力，導致混凝土開裂甚至破壞[2]，是影響混凝土耐久性的重要因素之一。AAR 通常在工程服役多年后才發生，不僅很難阻止其破壞繼續發展，且破壞后不宜修復，被稱之為混凝土的“癌癥”[3]。因此，在工程設計論證及建設過程中，應重視混凝土骨料堿活性論證工作。

1 概述

新疆阜康抽水蓄能電站位于新疆昌吉回族自治州阜康市境內，電站裝機容量1200MW，為一等大（1）型工程，電站樞紐工程由上下水庫、泄洪建筑物、輸水系統、地下廠房及開關站等組成。混凝土骨料采用三岔子溝砂礫石料，料層為第四系沖洪積含漂石砂卵礫石層，卵礫石巖性以砂巖、砂礫巖、凝灰巖為主，少量灰巖、花崗巖等，砂粒成份為石英、長石及巖屑等，料場有用層儲量約240×104m3。

阜康抽水蓄能電站可研階段，設計單位在擬選的三岔子溝礫石料場取料，委托專業機構采用巖相法、砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法進行骨料堿活性試驗，綜合相應試驗成果表明，擬選三岔子溝礫石料場為具有潛在危害性反應的活性骨料，如作為混凝土骨料，存在發生堿活性反應的可能性。同時，2016年8月2日，下水庫白楊河發生千年一遇特大洪水，對河床擾動比較大，下水庫三岔子溝砂礫石料場變化比較大，為了確保工程安全與長期運行，進一步確認阜康抽水蓄能電站骨料堿活性特性，在施工階段結合現場骨料生產加工情況，采用砂漿棒快速法再次開展骨料堿活性有關復核論證和堿活性抑制試驗。

2 試驗成果及分析

2.1 可研階段骨料堿活性試驗

2.1.1 骨料巖相法鑒定結果分析

三岔子溝天然料中，天然砂：試樣中石英和長石占 50%～60%，含量較高，所以發生堿-硅酸反應的可能性較大；天然小石：試樣中存在由巖屑、晶屑、少量玻屑組成的火山碎屑，基質中的一些定向板條狀長石，可能由酸性玻屑變成，巖屑中含有少量石英和酸性火山巖，這些均存在發生堿-硅酸反應的可能性；天然中石：試樣中含有少量火山碎屑，強烈定向，極不穩定；基質中有少量填充的酸性玻璃，強塑性變形，極不穩定。因此存在發生堿-硅酸反應的可能性；天然大石：試樣中含量小于5%的杏仁體中含有石英成份，存在剛性巖屑、塑性巖屑、玻屑和剛性礦物碎屑等極不穩定物質，均有發生堿-硅酸反應的可能性。

由巖相法試驗結果可見，三岔子溝天然料礦物成份中均含有一定量石英成份或極不穩定的火山碎屑、玻屑，均有可能遇水泥后發生堿-硅酸反應。

2.1.2 砂漿棒快速法成果分析

骨料巖相法成果顯示三岔子溝礫石料場為具有潛在危害性反應的活性骨料，為節省時間，在進行砂漿棒快速法試驗時，同時進行砂漿棒快速法抑制試驗。試驗用水泥為新疆天山P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，試驗用粉煤灰為新疆阜康天龍Ⅲ級粉煤灰。骨料堿活性砂漿棒快速法試驗結果見表1。

表1 骨料堿活性砂漿棒快速法試驗結果

由表1分析可知：（1）三岔子溝中石14d 砂漿棒膨脹率為0.197%，雖在0.10%～0.20%之間，但已經接近0.20%，并且28d 砂漿棒膨脹率大于0.20%，因此，中石骨料為具有潛在危害性反應的活性骨料；除此之外，三岔子溝天然砂、小石、大石14d 砂漿棒膨脹率均大于0.20%，說明三岔子溝天然料為具有潛在危害性反應的活性骨料。

（2）在試件中摻入粉煤灰后，對骨料的堿活性抑制效果較明顯，隨著摻量的增加，砂漿試件膨脹率迅速減小。

（3）對于三岔子溝天然骨料，當粉煤灰摻量大于20%時，28d 砂漿棒試件膨脹率均可降低到0.04%以下，遠遠小于0.10%的標準。

因此，當粉煤灰摻量達到20%后，即可有效抑制混凝土中的堿-硅酸反應。

2.1.3 混凝土棱柱體抑制試驗成果分析

由于混凝土棱柱體法試驗持續時間較長，為了能盡快提供試驗成果，將棱柱體法試驗與其它方法試驗同時進行，混凝土棱柱體試驗結果見表2。

表2 混凝土棱柱體抑制試驗結果

由表2分析可知：三岔子溝料場骨料混凝土棱柱體基準試件360d（1年）膨脹率為0.028%，小于0.04%的混凝土棱柱體評價標準，依據混凝土棱柱體法判定標準，骨料為非活性骨料。

摻入不同摻量的粉煤灰后，試件膨脹率明顯降低。粉煤灰摻量為20%時，三岔子溝料場骨料360d 試件膨脹率僅為0.011%～0.014%。由于試件膨脹率的增長率隨齡期的延長而減小，所以，從目前的增長趨勢來判定，2年齡期試件膨脹率會遠小于0.04%。

在幾種檢驗方法中，砂漿棒快速法適合于檢驗反應緩慢或只在后期才產生膨脹的骨料，而混凝土棱柱體法適用于檢驗反應較快的堿—硅酸和堿—碳酸鹽反應骨料。從以上檢驗結果可以看出，三岔子溝天然料雖然反應較快的棱柱體法檢驗出該兩種骨料為非活性骨料，但砂漿棒快速法檢驗出骨料為活性骨料，說明骨料屬于反應緩慢或只在后期才產生危害性膨脹的活性骨料。因此，三岔子溝天然料為活性骨料。

在加入了20%的Ⅲ級粉煤灰后，即可有效抑制活性骨料的堿-硅酸反應。

2.2 施工階段骨料堿活性分析及抑制試驗

由于2016年8月2日，下水庫白楊河發生千年一遇特大洪水，對河床擾動比較大，下水庫三岔子溝砂礫石料場變化比較大，為進一步確認阜康抽水蓄能電站下水庫三岔子溝骨料堿活性特性，阜康抽水蓄能電站施工階段，設計單位重新對三岔子溝骨料堿活性進行了復核論證試驗。為節省時間，在進行砂漿棒快速法試驗時，同時進行砂漿棒快速法抑制試驗。

2.2.1 試驗用原材料

本次試驗骨料取自下水庫三岔子溝砂礫石料場，為確保試驗成果具有代表性，根據料場骨料分布狀況，試驗骨料取自砂礫石料場上游和下游兩個位置，分別是1#位置（615703.9,4868488.3）和2#位置（616183.7,4870162.1）。為了更能切合工程實際，參照可研階段研究成果三岔子溝砂礫石料場各等級混凝土配合比中的平均砂率值（36%），將各位置所取砂、石骨料按砂∶石（破碎成機制砂）=36%∶64%的比例混合。水泥為新疆天山P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為新疆龍鑫Ⅱ級灰。

2.2.2 評定標準

砂漿棒快速法試驗評定標準[4]如下：

（1）砂漿試件 14d 的膨脹率小于 0.1%，則骨料為非活性骨料；

（2）砂漿試件 14d 的膨脹率大于 0.2%，則骨料為具有潛在危害性反應的活性骨料；

（3）砂漿試件 14d 的膨脹率在 0.1%至 0.2%之間的，對這種骨料應結合現場記錄、巖相分析、或開展其它的輔助試驗、試件觀測的時間延至 28d后的測試結果等來進行綜合評定。

砂漿棒快速法抑制措施有效性評定標準：

若 28d 齡期對比試件膨脹率小于 0.10%，則該摻量下抑制材料對該種骨料的堿骨料反應危害抑制效果評定為有效。

2.2.3 試驗成果與分析

三岔子溝砂礫石料場天然砂石骨料砂漿棒快速法及其抑制試驗結果見表4及圖1～圖2所示。

表4 骨料砂漿棒快速法及其抑制試驗結果

圖1 1#取樣點骨料砂漿棒快速法及其抑制試驗試件膨脹率

圖2 2#取樣點骨料砂漿棒快速法及其抑制試驗試件膨脹率

由試驗結果得知：

（1）1#位置、2#位置樣品骨料，其基準試件14d 膨脹率均大于0.2%，依據 DL/T 5151-2014《水工混凝土砂石骨料試驗規程》中砂漿棒快速法試驗評定標準判定，判定三岔子溝砂礫石料場骨料為具有潛在危害性反應的活性骨料，，發生堿-硅酸鹽及堿-硅酸反應的可能性很大；

（2）抑制試驗中，當粉煤灰摻量等于或大于15%時，1#、2#位置樣品骨料對比砂漿試件28d 膨脹率均小于0.1%，判定15%及以上粉煤灰摻量，可以有效抑制三岔子溝砂礫石料場骨料的堿活性反應。

3 結論

1.通過可研階段骨料堿活性試驗成果和本次砂漿棒快速法試驗成果，判定阜康抽水蓄能電站三岔子溝砂礫石料場骨料為具有潛在危害性反應的活性骨料。

2.通過不同摻量粉煤灰的堿活性抑制試驗，判定15%及以上粉煤灰摻量，可以有效抑制三岔子溝砂礫石料場骨料的堿活性反應。可研階段粉煤灰摻量為20%。究其原因，主要是兩次試驗所用粉煤灰品質不同，本次試驗用粉煤灰為Ⅱ級灰，可研階段所用粉煤灰為Ⅲ級灰，Ⅱ級粉煤灰在品質上要優于Ⅲ級粉煤灰很多，由試驗結果得知，Ⅱ級粉煤灰對三岔子溝砂礫石料場骨料堿活性的抑制效果優于Ⅲ級粉煤灰。