抑制碱活性与混凝土配合比优化相结合的思路分析

王 雷， 娄 鑫

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

凉山州木里河固增水电站工程采用引水式开发，工程主要包括首部枢纽、引水隧洞、调压室、压力管道、厂房及其他建筑物。该项目主体工程混凝土工程量约为31.79万m3，高峰月强度约为2.4万m3。混凝土设计强度为28 d龄期抗压强度。

固增水电站混凝土生产用骨料的料源为洞室开挖洞渣及料场山体爆破的岩石。在骨料加工生产前，项目部委托成都院及水电七局试验检测研究院对骨料料源的碱骨料潜在危害性进行了试验。试验结果表明：固增水电站采用的骨料料源存在潜在碱骨料危害性。试验室按照《水工混凝土砂石骨料试验规程》DL/T5151-2014[1]中快速砂浆棒法进行的测试结果表明：28 d膨胀率为0.632%，不满足规范要求的小于0.2%的要求。

按照以往经验，掺加粉煤灰可以抑制碱骨料存在的潜在危害性。但随着粉煤灰掺量提高，水泥用量减低，容易引起混凝土早期强度过低，对拆模时间有影响，尤其是隧洞衬砌混凝土过长的拆模等待时间会影响到施工进度；若粉煤灰掺量提高，水泥用量不降低，则会引起成本大幅度增加。

因此，如何解决这一问题成为该工程的关键点，亦成为项目管理的关键点。对解决该问题的具体过程进行了详述。

2 试验研究

2.1 试验材料

(1)水泥。该工程选用的水泥为PO42.5水泥，PO42.5水泥物理力学性能检验报告见表1。

表1 PO42.5水泥物理力学性能检验报告表

(2)粉煤灰。该工程选用的粉煤灰为Ⅱ级F类粉煤，Ⅱ级F类粉煤灰品质检验报告见表2。

表2 Ⅱ级F类粉煤灰品质检验报告表

此类粉煤灰亦被称为“吹灰”或“烧灰”。

与之相对应的是一种被称之为“磨灰”或“磨细灰”的粉煤灰。该类粉煤灰掺入混凝土中并不能起到传统粉煤灰增加混凝土后期强度、减少部分水泥用量和抑制碱骨料反应的效果，只能起到调节混凝土和易性的作用，因此，在选择粉煤灰时，一定要注意这两类粉煤灰的区别。

(3)减水剂。该工程选用的的减水剂为GK-3000高性能减水剂，GK-3000高性能减水剂品质检验报告见表3。

表3 GK-3000高性能减水剂品质检验报告表

2.2 试验方法

(1)理论依据。《水工混凝土结构设计规范》DL/T 5057-2009[5]中的6.1.5款规定：在混凝土结构构件设计中，不宜利用混凝土的后期强度，但经过充分论证后，也可根据建筑物的型式、所在地区的气候条件以及开始承受荷载的时间采用60 d或90 d龄期的抗压强度。

根据此条款内容得知：在特定的条件下，经过充分论证后亦可考虑利用60 d或90 d龄期的抗压强度。

(2)确定方案。为了解决混凝土骨料的碱活性，需要在混凝土配料时提高粉煤灰的掺量比例。而提高“吹灰”粉煤灰的掺量比例势必会导致混凝土后期强度的提高，若对这部分后期强度不加以利用，实质上是对工程质量的过度投入。加之粉煤灰掺量增大后，还会降低混凝土的水化热，对大坝、厂房结构物大体积混凝土抗裂十分有利。

根据该工程前期混凝土配合比试验总结出以下结论：与“磨灰”相比，使用“吹灰”拌制混凝土时，在混凝土28 d强度一致时，能够减少水泥的掺量，且“吹灰”混凝土早期强度更高。

由于粉煤灰的市场价格一般低于水泥的价格，所以，多掺粉煤灰可以在一定程度上减少水泥的掺量，进而达到节约成本的目的。

综上所述，总承包部决定研究使用高掺“吹灰”粉煤灰，同时推动工程将混凝土28 d龄期强度改为90 d龄期强度的设计变更，既可解决骨料的碱活性问题，又可以利用抑制碱活性材料(粉煤灰)提高混凝土强度。

2.3 相关试验

(1)抑制碱活性试验。在上述理论基础上进行了不同粉煤灰掺量下的碱骨料抑制试验，所取得的碱骨料抑制试验成果见表4。

表4 碱骨料抑制试验成果表

从碱骨料抑制试验成果表(表4)可以看出：粉煤灰掺量在30%时的抑制效果满足规范要求小于等于0.1%的要求。

(2)粉煤灰掺量对照试验。上述试验结果表明：目前固增水电站的粉煤灰掺量不应低于30%。在该前提条件下，试验室开展了相关试验，所取得的粉煤灰不同掺量砂浆强度试验成果见表5。

表5 粉煤灰不同掺量砂浆强度试验成果表

从表5中的试验数据可以看出：

①掺加粉煤灰的混凝土在28 d龄期时，30%、35%掺量的抗压强度均大于不掺加粉煤灰的混凝土抗压强度；

②掺加粉煤灰的混凝土在90 d龄期时，30%、35%掺量的抗压强度较不掺加粉煤灰的混凝土抗压强度增长较多；

③当粉煤灰掺量超过35%时，混凝土的前期抗压强度出现了明显的下降，且其90 d的抗压强度较30%、35%粉煤灰掺量的混凝土强度出现了一定程度的下降；

④粉煤灰掺量为30%、35%时，其90 d的抗压强度是28 d抗压强度的1.2倍以上，该水胶比时90 d抗压强度较28 d抗压强度增长了10 MPa。

从表5中的检测数据及结论可以看出：28 d后混凝土强度会因为粉煤灰的二次反应增长明显。如果将设计龄期从28 d更改至90 d，将会在一定程度上降低后期强度的浪费。

(3)配合比设计。根据设计图纸，对混凝土的设计要求见表6。

表6 混凝土设计要求表

经过多次试验优化和调整，最终采用的调整后的混凝土配合比见表7。

表7 调整后的配合比(参考)表

2.4 应用实例

水电工程建设的施工技术发展已有百年历史。在查阅了近30 a修建的水电站相关资料发现，在大体积混凝土及结构前期对强度要求不高的工程混凝土施工当中多数采用90 d或更长的混凝土设计龄期；对于所掺加的粉煤灰，其掺量从20%～40%不等。当粉煤灰掺量超过25%时，混凝土的设计龄期多为90 d(90 d及以上)。90 d设计龄期混凝土引用实例见表8。

表8 90 d设计龄期混凝土引用实例表

从应用实例可以看出：目前国内特大型、大型、中型水电站在混凝土浇筑过程中采用90 d及其以上的设计龄期较为普遍，且在结构投入运行后运行状态良好。

2.5 可能存在的问题

(1)由于引水隧洞混凝土施工作业循环周期短、混凝土前期抗压强度不能满足设计要求，可能存在安全隐患，因此，对于隧洞衬砌的脱模时间需要经过现场试验确定。

(2)按照工期要求，2019年5月混凝土需浇筑至高程2 206 m以上，使1号、2号泄洪闸具备过流条件。根据具体的施工情况可能存在在汛期到来之时混凝土浇筑龄期过短给结构安全运行带来隐患。针对该问题，可以采用区别对待的方式：对于等强时间足够的混凝土，可以采用90 d龄期强度混凝土；对于不足等强时间的混凝土，则仍使用28 d龄期强度混凝土。

(3)由于部分厂房工程施工的现浇板梁柱结构对混凝土前期强度及施工工期要求较为严格，不适于采用长龄期混凝土浇筑。鉴于该工程厂房施工采用“先框架后机窝”的施工顺序，故其框架板梁柱承受设计的外部荷载的时间普遍大于3个月，且厂房发电通水时间滞后首台机蜗壳、风罩混凝土亦超过了30 d，故厂房可以采用90 d设计龄期混凝土。

3 结 语

根据固增水电站混凝土的实际施工情况及配合比试验成果得出了以下结论：

(1)抑制碱骨料反应时，粉煤灰掺量不应低于30%。该掺量对于降低混凝土前期水化热、提高混凝土后期强度有益。因此，最终将设计龄期从28 d更改至90 d是有利的。

(2)将设计龄期从28 d更改至90 d对于其给部分现场混凝土结构运行安全带来的隐患可以通过调整配合比参数、调整施工作业工序、延续采用28 d设计龄期混凝土配合比进行解决与处理。

(3)根据规范内容：在混凝土结构构件设计中，不宜利用混凝土的后期强度。但在经过充分论证后，也可根据建筑物的型式、地区的气候条件以及开始承受荷载的时间采用60 d或90 d龄期的抗压强度。

在规范条文、混凝土配合比强度试验和等强工期分析全方位支撑下，固增水电站工程最终的混凝土设计龄期由28 d更改至90 d。

由于篇幅所限，文中未将上述可能存在的问题的论证过程和详细的配合比设计过程进行详细阐述，因此，新项目在计划借鉴本实例经验时应进行详细的论证，科学规划应用范围，利用理论知识为现场施工提供科学、合理、经济的建议。

经过成本测算得知：固增水电站混凝土配料的最终成本较之前降低了1 500万元，获得了良好的工程效益和经济效益。