大壩混凝土ASR工程抑制措施及長期效果評(píng)價(jià)

肖 翔

(上饒市國控水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，江西 上饒 334000)

混凝土是進(jìn)行工程建設(shè)的主要材料之一，每年混凝土使用量超過30億m3，消耗了大量的骨料，生產(chǎn)上可用的優(yōu)質(zhì)骨料越來越少，因此在工程實(shí)踐中，很多時(shí)候不得不用到堿活性骨料，特別是在水利水電工程中，堿-骨料反應(yīng)是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的重要因素，因此有必要對(duì)堿-骨料反應(yīng)抑制措施和效果進(jìn)行研究[1- 2]。

堿-骨料反應(yīng)(AAR)根據(jù)堿活性成分的不同可劃分為堿-硅酸反應(yīng)(ASR)和堿、碳酸鹽反應(yīng)(ACR)，其中絕大部分堿-骨料反應(yīng)均屬于ASR[3]。現(xiàn)目前，抑制堿骨料反應(yīng)的工程措施主要包括：①使用非活性骨料，這個(gè)措施隨著優(yōu)質(zhì)骨料的越來越稀缺，很多時(shí)候無法采用；②隔絕與水接觸，水利工程中混凝土很難做到完全與水隔絕；③控制總堿量；④使用其他礦物摻合料，如粉煤灰、礦渣、硅灰、偏高嶺土等；⑤其他ASR措施，如使用低堿水泥[4- 8]。由于堿-骨料反應(yīng)持續(xù)的時(shí)間很長，因此需要評(píng)估各種抑制措施的長期有效性。

本文對(duì)某大壩混凝土使用了活性砂巖骨料，提出了各種ASR工程抑制措施，并對(duì)其長期有效性進(jìn)行了取芯試驗(yàn)，以期能為堿活性骨料在水利水電工程中的合理應(yīng)用提供借鑒。

1 工程概況

某水電站大壩混凝土總方量達(dá)到300萬m3，需要人工骨料總量約720萬t，受經(jīng)濟(jì)和環(huán)境條件制約，絕大部分骨料只能采取就地取材的方式。水電站壩址附近地層巖性以砂巖和大理巖為主，大理巖抗斷裂能力差，壓碎指標(biāo)高，同時(shí)從開采難度、儲(chǔ)量等方面綜合考慮，初步選用砂巖作為人工骨料的原料。砂巖以淺灰、灰色為主，部分為黃灰色，質(zhì)地堅(jiān)硬，主要由棱角狀石英晶體、硅質(zhì)巖屑、方解石、長石、白云巖、泥質(zhì)膠結(jié)物等組成，其中石英晶體、方解石、長石等屬于堿活性成分，骨料表面的活性SiO2等在堿性環(huán)境下會(huì)生成硅酸和堿金屬硅酸鹽，然后硅酸與堿金屬硅酸鹽會(huì)繼續(xù)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成堿硅酸鹽凝膠，這些堿硅酸凝膠吸收混凝土中的水分后發(fā)生膨脹，然后釋放堿金屬離子，釋放的堿金屬離子又繼續(xù)參與化學(xué)反應(yīng)生成堿金屬硅酸鹽，如此往復(fù)循環(huán)，造成混凝土膨脹率升高，嚴(yán)重的將導(dǎo)致混凝土開裂，混凝土耐久性降低，威脅大壩的長期安全與穩(wěn)定性，因此工程現(xiàn)場要求對(duì)大壩混凝土人工骨料堿-硅酸反應(yīng)(Alkali-Silica Reaction，簡稱ASR)采取一定的抑制措施。

2 ASR工程抑制措施

2.1 組合骨料

雖然大理巖抗斷裂能力較砂巖差，但是由于砂巖特殊的組成成分和物理化學(xué)性質(zhì)，在拌制混凝土過程中需要用到的大量的水，導(dǎo)致混凝土線膨脹系數(shù)增大、收縮變形增大，不利于大體積混凝土的溫控防裂，同時(shí)存在集料的堿-硅酸反應(yīng)，對(duì)于混凝土耐久性極為不利，故在工程現(xiàn)場摻入一定比例(20%～30%)的大理巖，組成混合骨料，并對(duì)2種混凝土的堿活性膨脹性進(jìn)行了比較，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同骨料混凝土長期膨脹率

由圖1可知，混凝土的膨脹率在前期增長很快，持續(xù)約1a，膨脹率轉(zhuǎn)為緩慢增長階段；純砂巖骨料混凝土的膨脹率在早期低于組合骨料混凝土，但隨著堿-硅酸反應(yīng)的進(jìn)行，膨脹率逐漸超過了組合骨料混凝土，當(dāng)在約350d時(shí)，膨脹率達(dá)到0.15%，而組合骨料混凝土膨脹率則為0.092%，相比純砂巖骨料混凝土，膨脹率降低了38.7%，因此采取大理巖+砂巖組合骨料方案(最大粒徑120mm)相較于純砂巖骨料方案更為合理，能夠有效抑制堿-硅酸反應(yīng)。

2.2 摻入粉煤灰

粉煤灰是目前抑制骨料堿反應(yīng)的最佳材料，采用快速混凝土棱柱體法在工程現(xiàn)場對(duì)10%、20%、30%和35%等4種粉煤灰(Ⅰ級(jí)粉煤灰)摻量的混凝土進(jìn)行了膨脹率試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同粉煤灰摻量的混凝土膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知，隨著時(shí)間的增長，混凝土的膨脹率逐漸增大，并在后期逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；相同時(shí)間下，粉煤灰摻量越高，混凝土的膨脹率越小，當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到20%以后，對(duì)于堿骨料反應(yīng)的抑制效果將十分明顯，特別是對(duì)于混凝土堿骨料反應(yīng)的長期抑制效果較好，可將后期膨脹率控制在0.025%以下，特別是當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到35%以后，混凝土210d的膨脹率僅為0.014%，如果繼續(xù)增加粉煤灰，可能會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度不足，因此，最終決定采用35%粉煤灰來改善混凝土堿骨料反應(yīng)。

對(duì)比摻入粉煤灰前后全級(jí)配組合骨料混凝土堿活性試驗(yàn)結(jié)果，如圖3所示。

圖3 高摻粉煤灰前后混凝土長期膨脹率

由圖3可知，摻入粉煤灰的混凝土5a后膨脹率僅為0.01%，而未摻入粉煤灰的混凝土膨脹率達(dá)到0.125%，摻入35%粉煤灰試驗(yàn)組的膨脹率抑制率達(dá)到了92%，這說明高摻粉煤灰對(duì)于砂巖骨料的堿活性抑制效果非常顯著，高于組合骨料對(duì)混凝土堿-硅酸反應(yīng)的影響。

2.3 嚴(yán)控總堿含量

為了進(jìn)一步降低堿骨料反應(yīng)對(duì)大壩混凝土的影響，在工程現(xiàn)場對(duì)不同總堿量的混凝土膨脹性進(jìn)行了試驗(yàn)分析，混凝土仍采用組合骨料，骨料最大粒徑為120mm，粉煤灰的摻量為35%，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同總堿量的混凝土長期膨脹率

由圖4可知，當(dāng)骨料的總堿量從5.25kg/m3降低至1.62kg/m3后，混凝土5a的總膨脹率降低了96%，在實(shí)際工程中，對(duì)每一批骨料的堿含量進(jìn)行測定，超過1.5kg/m3的骨料將棄用，從而嚴(yán)控混凝土的堿-硅酸反應(yīng)。

3 長期安全性評(píng)價(jià)

目前，該水電站已蓄水運(yùn)行約5a，為了驗(yàn)證ASR工程抑制措施是否長期有效，在大壩不同位置處進(jìn)行鉆孔取芯，鉆孔取芯深度約為1m，混凝土芯樣直徑約為50mm，共獲得5個(gè)混凝土芯樣，編號(hào)為1—5，對(duì)其現(xiàn)有損傷進(jìn)行評(píng)定，并進(jìn)行EDS微觀測試和加速養(yǎng)護(hù)彈性波測試。

3.1 損傷等級(jí)評(píng)定

國內(nèi)目前并沒有關(guān)于混凝土堿-骨料反應(yīng)損傷的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，故參考國外相關(guān)規(guī)范，對(duì)5個(gè)混凝土芯樣的服役5a后的損傷程度進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果見表1。

表1 混凝土芯樣損傷評(píng)定

由表1可知，1、2、5號(hào)芯樣的DRI均為0，3、4號(hào)芯樣的DRI分別為47.5和20，均遠(yuǎn)小于100(對(duì)應(yīng)混凝土膨脹率約為0.04%)，故該電站在采取ASR工程抑制措施后，質(zhì)量良好，5a內(nèi)均沒有產(chǎn)生有危害性的堿-硅酸反應(yīng)。

3.2 微觀EDS測試

對(duì)取出的混凝土芯樣進(jìn)行EDS分析，得到混凝土水化產(chǎn)物的化學(xué)元素組成情況，見表2。

由表2可知，混凝土中水化產(chǎn)物以CaO和SiO2為主，平均占比分別為60.19%和20.74%，其次為Al2O3和Fe2O3，平均占比分別為7.51%和5.56%，MgO、K2O和Na2O的含量相對(duì)較少，平均占比分別僅為2.87%、2.45%和1.4%，混凝土中水化產(chǎn)物化學(xué)成分組成與水泥水化產(chǎn)物的成分基本相似，而堿-硅酸反應(yīng)中，K2O、Na2O的含量一般較高，因此，可以從水化產(chǎn)物組成上判斷，在大壩混凝土采取ASR工程抑制措施并服役5a后，堿-硅酸反應(yīng)程度較低，對(duì)混凝土質(zhì)量影響不大。

表2 混凝土芯樣EDS測試結(jié)果

3.3 加速養(yǎng)護(hù)彈性波測試

在60℃下對(duì)5個(gè)混凝土芯樣進(jìn)行加速養(yǎng)護(hù)，并對(duì)不同養(yǎng)護(hù)臨期混凝土的彈性波進(jìn)行測試，結(jié)果如圖5所示。

圖5 加速養(yǎng)護(hù)后混凝土彈性波速

由圖5可知，5個(gè)芯樣的初始彈性波速分別為4421、4356、4560、4458和4386m/s，加速養(yǎng)護(hù)91d后，彈性波速分別為4343、4346、4359、4226和4445m/s，彈性波速降幅分別為1.76%、0.23%、4.4%、0.52%和-1.35%，這說明混凝土芯樣在經(jīng)過加速養(yǎng)護(hù)后仍不會(huì)產(chǎn)生明顯的缺陷，經(jīng)過加速養(yǎng)護(hù)后混凝土質(zhì)量仍處于較好等級(jí)，后續(xù)也不會(huì)帶來裂縫等損傷隱患，故ASR工程抑制措施是長期有效的。

4 結(jié)論

針對(duì)活性砂巖骨料易發(fā)生堿-硅酸(ASR)反應(yīng)的缺陷，提出從多個(gè)方面對(duì)ASR進(jìn)行工程抑制，并對(duì)其長期有效性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得出如下結(jié)論。

(1)采取大理巖+砂巖組合骨料、摻入35%粉煤灰以及嚴(yán)格控制骨料總堿量低于1.5kg/m3的工程可以有效將ASR反應(yīng)控制在較低水平。

(2)服役5a后，混凝土的DRI遠(yuǎn)小于100，K2O、Na2O的平均含量較低，表明混凝土5a內(nèi)的ASR反應(yīng)程度很低，沒有產(chǎn)生危害性的堿-硅酸反應(yīng)，對(duì)混凝土質(zhì)量影響不大。

(3)在60℃加速養(yǎng)護(hù)91d后，混凝土的彈性波速平均降幅僅為2.1%，混凝土質(zhì)量仍處于較好等級(jí)，表明ASR工程抑制措施是長期有效的。

(4)堿-硅酸反應(yīng)的時(shí)間很長，本文僅對(duì)服役5a后混凝土的ASR工程抑制效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，關(guān)于更長時(shí)間的ASR抑制效果還需做進(jìn)一步研究。