深溪沟水电站河床料碱活性检验及碱活性抑制试验研究

杨 轶，周麒雯

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 前 言

防止混凝土碱骨料反应(AAR)是当今混凝土工程所面临的重要课题之一，对其防治措施的研究已引起世界上许多国家的高度重视。一般来说，AAR是一个较缓慢的变化过程，混凝土有时需要几十年时间才会出现裂缝，特别是对于一些慢膨胀型的活性骨料，时间将会更长。水利水电工程较长的使用寿命要求和水工混凝土所处的潮湿环境为AAR提供了充分的时间和环境条件，这表明在AAR方面，水工混凝土比普通混凝土具有更大的危险性。

深溪沟水电站位于四川省大渡河干流的汉源、甘洛两县境内大峡谷，是大渡河干流规划的第十八级电站。电站装机容量660MW，年发电量32.35亿kW·h。作为反调节电站，可以解决因瀑布沟电站调峰运行对下游用水带来的不利影响。该水电站拦河坝为碾压混凝土重力坝，坝高76.4m。大坝混凝土总量103.5万m3。大坝混凝土拟采用两种料源作为人工骨料:一种是洞室开挖过程中产生的洞挖可用料(主要为白云质灰岩);另一种是基坑覆盖层开挖过程中产生的砂卵石砾料(以下简称河床料)。洞挖料经检测，性能稳定，适合作为混凝土骨料料源。而用于大坝工程的河床料岩性则成分复杂，岩性以花岗岩、石英片麻岩、角闪安山岩为主。其中角闪安山岩中的玻璃质含量极高，达到65% ～70%，为具有潜在危害性反应的碱活性骨料。由于AAR一般是在混凝土成型后的若干年后才逐渐发生并贯穿在整个混凝土中，严重危害水工混凝土的耐久性和安全运行，因此对当地河床料碱活性的抑制是深溪沟水电站大坝混凝土设计的关键。

2 河床料碱活性的检验

采用DL/T5151－2001《水工混凝土砂石骨料试验规程》中“砂浆棒快速法”对河床料进行碱活性检验。该方法能在较短时间内检测出骨料在砂浆中的潜在有害的碱―硅酸反应，适合于检验反应缓慢或只在后期才产生膨胀的骨料。为了减少试验的偶然性，对河床料进行了四次平行试验，试验结果见表1。检验结果表明，河床料砂浆试件14d膨胀率均大于0.2%。因此，可以判定，深溪沟水电站的河床料具有潜在碱硅反应活性。

3 抑制河床料碱活性的试验研究

结合深溪沟水电站的实际情况，开展对当地的河床料碱活性进行抑制的试验研究。试验研究分为三个部分:(1)粉煤灰品种及掺量对抑制河床料碱活性的影响;(2)水泥品种对抑制河床料碱活性的影响;(3)粉煤灰抑制河床料碱活性有效性的评估。

3.1 试验原材料

本次试验所采用的水泥为峨胜普硅42.5级、金顶普硅42.5级及嘉华低热42.5级，采用的粉煤灰为涛峰Ⅱ级灰和广安Ⅱ级灰，水泥和粉煤灰的化学成分见表2。峨胜普硅42.5水泥、金顶普硅42.5水泥及嘉华低热42.5水泥的压蒸膨胀率分别为:0.016%、0.019%及0.021%，满足砂浆棒快速法对水泥压蒸膨胀率小于0.20%的要求。

表1 河床料碱活性检验结果

表2 水泥和粉煤灰的化学成分 %

3.2 粉煤灰品种及掺量对抑制河床料碱活性的影响

采用深溪沟水电站大坝混凝土拟用的二种粉煤灰进行粉煤灰抑制河床料碱活性影响的试验研究。其中水泥品种为峨胜普硅水泥，粉煤灰的掺量为20%、30%和40%，试验方法采用砂浆棒快速法和混凝土棱柱体法。

采用砂浆棒快速法进行的试验结果见图1。由试验结果可以看出:随着粉煤灰掺量的增加，河床料的砂浆膨胀率有所降低。当粉煤灰掺量为20%时，掺涛峰Ⅱ级灰可以减少14d砂浆膨胀率的97.8%，掺广安Ⅱ级灰可以减少14d砂浆膨胀率的96.1%;当粉煤灰掺量为40%时，掺涛峰Ⅱ级灰可以减少14d砂浆膨胀率的99.1%，掺广安Ⅱ级灰可以减少14d砂浆膨胀率的98.3%。在相同条件下，掺涛峰Ⅱ级灰抑制河床料碱活性膨胀的效果稍优于掺广安Ⅱ级灰。

图1 粉煤灰品种和掺量对抑制河床料碱活性的影响(砂浆棒快速法)

采用混凝土棱柱体法试验的结果见图2。由图2可见:随着粉煤灰掺量的增加，河床料的混凝土膨胀率有所降低。当粉煤灰掺量为20%时，掺涛峰Ⅱ级灰可以减少一年混凝土膨胀率的76.1%，掺广安Ⅱ级灰可以减少一年混凝土膨胀率的73.9%;当粉煤灰掺量为40%时，掺涛峰Ⅱ级灰可以减少一年混凝土膨胀率的93.5%，掺广安Ⅱ级灰可以减少一年混凝土膨胀率的89.1%。在相同条件下，掺涛峰Ⅱ级灰抑制河床料碱活性膨胀的效果稍优于掺广安Ⅱ级灰。

3.3 水泥品种对粉煤灰抑制河床料碱活性的影响

采用电站大坝混凝土拟用的三种水泥，进行不同品种水泥对粉煤灰抑制河床料碱活性影响的试验研究。粉煤灰为涛峰Ⅱ级粉煤灰，掺量为30%。试验方法为砂浆棒快速法和混凝土棱柱体法。

采用砂浆棒快速法进行的试验结果见图3，从试验结果可以看出:

当不掺粉煤灰时，在三种水泥中，采用峨胜普硅水泥的砂浆膨胀率最大，采用金顶普硅水泥的膨胀率次之，采用嘉华低热水泥的膨胀率最低。当掺30%的涛峰Ⅱ粉煤灰时，采用峨胜普硅水泥的14d砂浆膨胀抑制率为98.7%，采用金顶普硅水泥为98.5%，采用嘉华低热水泥为101.3%，表明当采用相同粉煤灰以及粉煤灰掺量相同时，采用嘉华低热水泥的抑制效果最好，采用金顶普硅水泥和峨胜普硅水泥的抑制效果差异不大。

图2 粉煤灰品种和掺量对抑制河床料碱活性的影响(混凝土棱柱体法)

图3 水泥品种对抑制河床料碱活性的影响(砂浆棒快速法)

图4 水泥品种对抑制河床料碱活性的影响(混凝土棱柱体法)

采用混凝土棱柱体法进行的试验结果见图4。从试验结果可以看出:当不掺粉煤灰时，在三种水泥中，采用金顶普硅水泥一年混凝土膨胀率最大，采用峨胜普硅水泥的膨胀率次之，采用嘉华低热水泥的膨胀率最低。当掺30%的涛峰Ⅱ粉煤灰时，三种水泥的混凝土一年膨胀率相差不大，相比而言采用金顶普硅水泥混凝土一年膨胀率最大。

3.4 粉煤灰抑制河床料碱活性有效性的评估

采用峨胜普硅水泥及嘉华低热水泥，进行不同掺量粉煤灰抑制河床料碱活性的试验研究，并与非活性骨料进行比较，从而对粉煤灰抑制河床料碱活性的有效性进行评估。粉煤灰为广安Ⅱ级粉煤灰，粉煤灰的掺量为10%、20%和30%。试验结果见图5。

从试验结果可以看出:

(1)随着粉煤灰掺量的增加，河床料的砂浆膨胀率将减小。当粉煤灰掺量大于20%时，两种水泥砂浆的14d膨胀率均小于0.1%，满足砂浆棒快速法14d膨胀率不得大于0.1%的要求，表明掺不小于20%的粉煤灰可以有效地抑制河床料的碱活性膨胀。

(2)与非活性骨料相比，当粉煤灰掺量大于20%时，两种水泥的砂浆膨胀率均小于非活性骨料的砂浆膨胀率，表明在粉煤灰掺量不小于20%的情况下，将河床料用于深溪沟水电站大坝混凝土中具有一定的安全性。

4 结 语

AAR是造成混凝土结构破坏失效的重要原因之一。随着我国重点工程建设的发展，预防AAR破坏、延长工程的寿命已成为普遍关注并急需解决的问题。深溪沟水电站大坝混凝土采用的河床骨料岩性以花岗岩、石英片麻岩、角闪安山岩为主。其中角闪安山岩中的玻璃质含量极高，达到65% ～70%，为具有潜在危害性反应的碱活性骨料。通过对不同品种水泥、不同品种粉煤灰进行的抑制河床骨料碱活性膨胀的试验研究可以得出以下几点结论:

图5 粉煤灰抑制河床料碱活性有效性的评估

(1)采用在混凝土中掺入一定量的粉煤灰可以抑制河床料的碱活性膨胀，其抑制效果随着粉煤灰掺量的增加而有所提高。当粉煤灰掺量不小于20%时，河床料的砂浆和混凝土的膨胀率满足砂浆棒快速法及混凝土棱柱体法的有关要求，表明采用粉煤灰抑制河床料的碱活性膨胀是有效的。将掺20%粉煤灰河床料的砂浆膨胀率与非活性骨料的砂浆膨胀率相比，其砂浆膨胀率小于非活性骨料的膨胀率，表明在粉煤灰掺量不小于20%的情况下，将河床料用于深溪沟水电站大坝混凝土中具有一定的安全性。

(2)水泥品种对粉煤灰抑制河床料膨胀效果有着一定的影响，在相同的条件下，采用嘉华低热水泥有利于粉煤灰抑制河床料的碱活性膨胀。

［1］姚燕.新型高性能混凝土耐久性的研究与工程应用［M］.北京:中国建材工业出版社，2004.

［2］李光伟，等.粉煤灰抑制集料ASR有效性的评估［J］.水力发电，2007(5).

［3］周麒雯，等.锦屏一级水电站石英砂岩碱活性及碱活性抑制试验研究［C］∥杨颜.混凝土工程耐久性研究和应用.成都:西南交通大学出版社，2006.