锦屏一级大坝混凝土骨料碱活性抑制措施的长期有效性研究

董 芸，周泽聪，李鹏翔，刘 畅

(1.长江科学院 材料与结构研究所，武汉 430010；2.国家大坝安全工程技术研究中心，武汉 430010)

1 研究背景

锦屏一级水电站位于四川省凉山州木里县与盐源县交界处的雅砻江大河湾干流河段上，是建设在雅砻江流域上的控制性水电站，我国西电东送的骨干工程，也是雅砻江下游水电规划梯级开发的龙头水库。锦屏一级水电站属于一等大(Ⅰ)型工程，挡水建筑物为特高混凝土双曲拱坝，最大坝高305 m，是世界上已建成的最高拱坝。

锦屏一级水电站大坝混凝土用量约为595万m3，工程量巨大[1]，受环境与经济因素制约，工程建设用砂石材料只能就地取材。坝址附近的天然骨料储量远不能满足设计要求，大坝混凝土只能采用人工骨料，骨料料源选择对锦屏一级水电站的建设至关重要。在可行性研究阶段，曾对三滩右岸大理岩料场、大奔流沟砂岩料场进行了大量勘探和骨料、混凝土试验，通过储量与综合性能对比，推荐大奔流沟砂岩作为锦屏一级水电站大坝混凝土的人工骨料，但试验结果表明大奔流沟砂岩为具有潜在危害性反应的碱活性骨料。由于碱-骨料反应严重危害大坝的耐久性和安全运行[2]，为此，采取了砂岩骨料碱活性抑制措施，确保了特高拱坝混凝土结构长期安全运行。根据研究成果，工程采取了有效的组合骨料(砂岩粗骨料与大理岩细骨料)+高掺35% Ⅰ 级粉煤灰+控制混凝土总碱含量≤1.5 kg/m3的砂岩骨料碱活性抑制技术措施[3]，首次将碱活性骨料应用于特高拱坝混凝土，解决了锦屏一级水电站大坝骨料料源选择难题。

锦屏一级水电站建设过程中采取了严格的骨料碱活性抑制措施，现在大坝已建成运行10 a，有必要对大坝混凝土骨料碱活性抑制措施的长期有效性作出科学评价。本文对大坝混凝土骨料碱活性抑制措施研究进行了简要的回顾总结，并通过对已经服役10 a的大坝混凝土芯样进行岩相分析、微观形貌和产物分析、加速养护测长试验和弹性波测试等方法，验证了大坝混凝土骨料采取碱活性抑制措施在10 a后的大坝混凝土长期安全性。

2 大坝混凝土骨料碱活性抑制措施

2.1 组合骨料(砂岩粗骨料+大理岩细骨料)

对于坝址附近储量满足设计要求的三滩大理岩、大奔流沟砂岩，进行了全大理岩、全砂岩及组合骨料(砂岩粗骨料+大理岩细骨料)混凝土性能试验研究。研究结果表明：单一骨料混凝土均存在一定缺陷，大理岩骨料的抗断裂能力差，限制了混凝土抗拉强度的提高；砂岩骨料混凝土用水量偏高、线膨胀系数偏大，收缩变形量较大，对混凝土的温控防裂不利，尤其砂岩骨料存在碱硅酸反应活性，对混凝土长期耐久性不利。组合骨料混凝土的综合抗裂能力要优于全砂岩混凝土的综合抗裂能力。全砂岩混凝土的碱-骨料反应膨胀率大于组合骨料混凝土的碱-骨料反应膨胀率，大理岩砂替代砂岩砂后，膨胀率降低[4]。与全砂岩骨料相比，组合骨料方案可有效降低混凝土碱-骨料反应活性[5]。

因此，锦屏一级水电站大坝最终选择综合抗裂性能优，且能降低混凝土碱-骨料反应活性的组合骨料(砂岩粗骨料+大理岩细骨料)方案，作为大坝混凝土的骨料方案。

2.2 高掺35%Ⅰ级粉煤灰

粉煤灰是目前最经济有效的骨料碱活性抑制材料。快速砂浆棒法和混凝土棱柱体法的试验结果表明，当Ⅰ级粉煤灰掺量≥20%时，就可以有效抑制大奔流沟砂岩碱-骨料反应[6]。

采用峨嵋中热水泥、宣威Ⅰ级粉煤灰，四级配组合骨料和大坝混凝土实际配合比进行的全级配混凝土碱活性试验结果见图1。掺35%粉煤灰后，大坝全级配混凝土棱柱体试件1 a膨胀率为0.009%，5 a膨胀率为0.01%，与不掺粉煤灰的试件相比，5 a膨胀率降低了90.8%。根据《水工混凝土抑制碱-骨料反应技术规范》(DL/T 5298—2013)[7]混凝土棱柱体法抑制碱-骨料反应有效性检验评定标准，2 a龄期对比试件的膨胀率应<0.04%的限值，高掺35%Ⅰ级粉煤灰抑制砂岩骨料的碱活性效果十分显著。

图1 大坝混凝土实际配合比混凝土棱柱体法试验结果Fig.1 Experimental results of concrete prism method for actual engineering mix ratio

2.3 严控碱含量

碱是混凝土碱-骨料反应的内在因素之一，不含碱或碱含量浓度低于碱-骨料反应发生所需限值时，混凝土不会发生碱-骨料反应。试验表明，当锦屏一级砂岩骨料混凝土的总碱含量从5.25 kg/m3降低为1.76 kg/m3时，混凝土的碱活性膨胀变形明显降低，且随着龄期的延长其降低幅度增加，其中，1 a龄期时混凝土的碱活性膨胀变形可降低76.5%，5 a龄期可降低95.6%。控制混凝土的总碱含量，对降低锦屏一级大坝混凝土的碱活性膨胀变形有明显效果。通过研究，确定将锦屏一级水电站大坝混凝土的总碱含量控制在1.5 kg/m3以内[8]。在实际施工过程中，工程通过严控混凝土原材料碱含量来控制混凝土总碱含量。

经过上述试验研究，锦屏一级水电站大坝混凝土采用砂岩粗骨料+大理岩细骨料组合人工骨料方案，通过采用“组合骨料(砂岩粗骨料+大理岩细骨料)+高掺粉煤灰+严控混凝土总碱量”的碱活性抑制技术措施，保证了大坝混凝土的长期安全性能。

大坝坝体于2009年10月开始浇筑，2013年12月封顶，在5 a的浇筑施工过程中，进行了持续的砂岩骨料碱活性监测，同时，钻孔取芯得到的混凝土芯样，其2 a的混凝土膨胀率均<0.02%，远小于《水工混凝土抑制碱-骨料反应技术规范》(DL/T 5298—2013)[7]混凝土棱柱体法抑制碱-骨料反应有效性检验评定标准的0.04%限值，部分监测结果见表1。

表1 芯样混凝土膨胀率监测结果Table 1 Monitoring results of expansion rate of core samples

4 芯样骨料碱活性抑制措施的长期有效性试验

4.1 坝体钻孔取芯

锦屏一级大坝建成运行10 a后，在大坝的5个部位(二道坝，以及1 595、1 730、1 778 m高程廊道及1 829 m高程的左岸交通洞)钻取直径200 mm的芯样，32根混凝土芯样的编号及具体部位信息如表2所示。

表2 芯样编号信息Table 2 Information of core samples

4.2 试验方法

4.2.1 芯样外观特征观察

观察芯样混凝土中骨料的完整性、骨料周围界面区间裂缝、骨料周围是否存在反应环，参照美国运输部发布的《碱-骨料反应事实报告》[9]中的方法，检测是否存在反应物。

4.2.2 芯样岩相分析

采用莱卡Leica DM750偏光显微镜观察混凝土中骨料活性矿物组成和分布,定量观察、检测芯样内部的无凝胶骨料、带凝胶骨料、无凝胶浆体、带凝胶浆体、含凝胶孔隙数量，用于综合评价碱-骨料反应风险。试验步骤参考《混凝土岩相学检验标准规程》(ASTM C856M—2020)[10]。

4.2.3 芯样微观形貌和产物分析

从混凝土芯样中部取分析式样，采用日本电子JSM-6610扫描电镜(SEM)进行测试，观察骨料界面区是否有碱-骨料反应产物，分析碱硅反应产物的形貌特征和分布特点。同时对混凝土芯样的微观分析试样进行能谱分析(EDS)，分析骨料界面区水化产物的化学组成。

4.2.4 芯样加速养护测长试验

从现场钻取的大坝芯样中选取20组，每个部位取4组芯样，加工成试件尺寸为直径200 mm、长260 mm的混凝土圆柱体，在不同温度下(38、50、60、80 ℃)开展大坝混凝土芯样碱-骨料反应长龄期的变形监测，研究大坝实际混凝土碱-骨料反应的特性和膨胀趋势。

将芯样放入养护箱内，底部加水后，保证箱内相对湿度>95%，在高温养护箱内进行加速养护。加速养护至一定龄期，取出芯样，冷却24 h后在室温下采用大量程千分尺进行长度测量。沿芯样的轴线方向，在芯样两个端面中心埋设不锈钢测头，通过测量两个测头的距离来反映芯样的长度变化，芯样膨胀率的测量参考《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150—2017)[11]。

4.2.5 芯样加速养护弹性波测试

对芯样高温加速养护前后进行弹性波测试。弹性波是在混凝土、岩土、金属等固体物质中，由力或应变激发而产生的扰动波。大量研究表明，混凝土中的弹性波波速与其材料性质之间存在相关关系。假设混凝土为理想弹性体，弹性纵波波速与混凝土的强度及弹性模量有较强的相关关系[12]，可以用来评价检测断面内部混凝土质量分布情况。

采用武汉岩海开发的RS-ST01C非金属声波检测仪对混凝土芯样进行弹性波波速测试。

4.3 试验结果与分析

4.3.1 外观特征观察

大坝混凝土芯样外观检查结果表明:混凝土中骨料完整，与砂浆胶结紧密，骨料周围界面区未见裂缝，砂岩骨料周围不存在反应环，未见碱硅反应物，混凝土芯样质量良好。图2为大坝混凝土典型芯样的外观。

图2 大坝混凝土芯样外观Fig.2 Appearance of core samples

4.3.2 岩相分析

岩相分析结果表明：大坝混凝土芯样粗骨料原岩多为细砂岩，含杂基和钙质胶结物。粒状矿物也见有拉长定向的现象，构成片麻状构造，变质细砂岩与浆体界线截然。二道坝芯样浆体中多数为细砂岩碎屑颗粒，也见有钙质岩石碎屑，长英质矿单晶及集合体；其余芯样浆体中骨料颗粒主要矿物和岩石颗粒大多为方解石质，有单颗粒、岩石碎屑，也见有砂岩碎屑；浆体与骨料胶结较好，有约3%～8%的孔隙度，气孔呈浑圆状，基本<0.5 mm，未见碱-骨料反应凝胶。内部的无凝胶骨料少部分有细小裂缝，浆体少部分有细小裂缝。图3为芯样显微照片。

图3 大坝混凝土芯样显微照片Fig.3 Micrograph of core samples

4.3.3 微观分析

图4为1 778 m高程廊道处芯样的扫描电镜(SEM)图片，分别是50、20、10、5 μm尺度下的微观图片。由图4可知，胶凝材料中含有大量的微细粒方解石，粒径为0.5～2 μm。骨料与胶凝材料的界面处得到了加强，骨料表面还比较致密完整，与胶凝材料胶结良好，界面处有块状水泥凝胶，看不到骨料的腐蚀现象，骨料与浆体界面区未见碱硅反应产物，也未见碱硅凝胶。其他芯样的扫描电镜图片及分析结果大致相同，均未发现碱-骨料反应发生的迹象。

表3为混凝土芯样的能谱分析(EDS)试验结果。由表3可以看出，骨料周边反应产物(以氧化物含量计)以CaO、SiO2为主，Fe2O3、Al2O3次之，还有少量MgO、Na2O和K2O。与水泥水化产物成分相似，碱硅反应产物中Na2O含量一般较高，而大坝混凝土芯样的EDS试验结果中Na2O和K2O含量偏低，说明没有碱硅凝胶产生。

表3 部分大坝混凝土芯样主要氧化物含量Table 3 Content of main oxides of core samples %

4.3.4 加速养护测长试验

大坝混凝土芯样加速养护膨胀率测试结果见图5，加速养护条件下可以快速测试大坝混凝土芯样的残余膨胀变形。试验结果表明，大坝混凝土芯样存在微弱的残余膨胀，其中，1 730 m和1 829 m高程处的混凝土芯样在80 ℃养护温度下，56 d龄期时的膨胀率最大，为0.015%，略高于工程实际配合比混凝土棱柱体法试验的2 a龄期膨胀率，但均远小于《水工混凝土抑制碱-骨料反应技术规范》(DL/T 5298—2013)[7]混凝土棱柱体法抑制碱-骨料反应有效性检验评定标准的0.04%限值。20组测试芯样在加速养护条件下28 d龄期后膨胀率均趋于平稳，未出现增长趋势，表明混凝土不会产生危害性的膨胀。

图5 不同养护温度下大坝混凝土芯样膨胀率测试结果Fig.5 Test results of expansion rate of core samples at different curing temperatures

4.3.5 弹性波测试

图6为部分混凝土芯样加速养护前后的弹性波波速变化。试验结果显示大坝混凝土芯样弹性波波速大多分布在4 100～4 650 m/s，加速养护前后弹性波波速变化不大，最大仅下降4.4%，参考Leslie和Cheeseman于1949年提出的弹性波波速检测混凝土质量评定标准[13](见表4)，可知混凝土芯样经加速养护没有产生膨胀开裂等缺陷。

图6 部分芯样弹性波波速变化Fig.6 Change of elastic wave velocity of some core samples

表4 弹性波波速评定混凝土质量参考标准Table 4 Reference standard for evaluating concrete quality by elastic wave velocity

大坝混凝土芯样加速养护前后质量均良好，混凝土致密，根据弹性波波速与混凝土弹性模量等性能的相关性，历经10 a后大坝混凝土弹性模量随龄期增长发展良好，混凝土内部没有裂缝等损伤隐患。

5 结 论

(1)大坝混凝土芯样外观检查、岩相分析、弹性波测试结果表明，大坝混凝土质量良好，没有产生危害性的碱-骨料反应。

(2)大坝混凝土芯样SEM分析表明，骨料与胶凝材料胶结良好，未发现碱-骨料反应的迹象；大坝混凝土芯样EDS分析结果表明，芯样骨料界面凝胶产物碱含量较低，没有碱硅反应产物产生。

(3)加速养护条件下，不同部位大坝混凝土芯样28 d龄期后均未出现膨胀率增长趋势，56 d龄期的最大膨胀率仅为0.015%，远低于混凝土棱柱体法抑制碱-骨料反应有效性检验评定标准的0.04%限值，表明其未来难以发生危害性膨胀。

(4)加速养护后大坝混凝土芯样弹性波波速最大仅下降4.4%，变化不大，表明混凝土未出现膨胀开裂等缺陷。

(5)锦屏一级水电站大坝混凝土采取了“组合骨料+高掺粉煤灰+严控碱含量”的砂岩骨料碱活性抑制措施，工程建设期间持续的砂岩骨料碱活性监测，证明了骨料碱活性抑制措施的短期有效性；大坝运行10 a后的芯样试验结果，则证实了锦屏一级大坝混凝土采取的骨料碱活性抑制措施是长期有效的。