大坝混凝土ASR工程抑制措施及长期效果评价

肖 翔

(上饶市国控水利水电工程建设监理有限公司，江西 上饶 334000)

混凝土是进行工程建设的主要材料之一，每年混凝土使用量超过30亿m3，消耗了大量的骨料，生产上可用的优质骨料越来越少，因此在工程实践中，很多时候不得不用到碱活性骨料，特别是在水利水电工程中，碱-骨料反应是导致结构破坏的重要因素，因此有必要对碱-骨料反应抑制措施和效果进行研究[1- 2]。

碱-骨料反应(AAR)根据碱活性成分的不同可划分为碱-硅酸反应(ASR)和碱、碳酸盐反应(ACR)，其中绝大部分碱-骨料反应均属于ASR[3]。现目前，抑制碱骨料反应的工程措施主要包括：①使用非活性骨料，这个措施随着优质骨料的越来越稀缺，很多时候无法采用；②隔绝与水接触，水利工程中混凝土很难做到完全与水隔绝；③控制总碱量；④使用其他矿物掺合料，如粉煤灰、矿渣、硅灰、偏高岭土等；⑤其他ASR措施，如使用低碱水泥[4- 8]。由于碱-骨料反应持续的时间很长，因此需要评估各种抑制措施的长期有效性。

本文对某大坝混凝土使用了活性砂岩骨料，提出了各种ASR工程抑制措施，并对其长期有效性进行了取芯试验，以期能为碱活性骨料在水利水电工程中的合理应用提供借鉴。

1 工程概况

某水电站大坝混凝土总方量达到300万m3，需要人工骨料总量约720万t，受经济和环境条件制约，绝大部分骨料只能采取就地取材的方式。水电站坝址附近地层岩性以砂岩和大理岩为主，大理岩抗断裂能力差，压碎指标高，同时从开采难度、储量等方面综合考虑，初步选用砂岩作为人工骨料的原料。砂岩以浅灰、灰色为主，部分为黄灰色，质地坚硬，主要由棱角状石英晶体、硅质岩屑、方解石、长石、白云岩、泥质胶结物等组成，其中石英晶体、方解石、长石等属于碱活性成分，骨料表面的活性SiO2等在碱性环境下会生成硅酸和碱金属硅酸盐，然后硅酸与碱金属硅酸盐会继续进行化学反应生成碱硅酸盐凝胶，这些碱硅酸凝胶吸收混凝土中的水分后发生膨胀，然后释放碱金属离子，释放的碱金属离子又继续参与化学反应生成碱金属硅酸盐，如此往复循环，造成混凝土膨胀率升高，严重的将导致混凝土开裂，混凝土耐久性降低，威胁大坝的长期安全与稳定性，因此工程现场要求对大坝混凝土人工骨料碱-硅酸反应(Alkali-Silica Reaction，简称ASR)采取一定的抑制措施。

2 ASR工程抑制措施

2.1 组合骨料

虽然大理岩抗断裂能力较砂岩差，但是由于砂岩特殊的组成成分和物理化学性质，在拌制混凝土过程中需要用到的大量的水，导致混凝土线膨胀系数增大、收缩变形增大，不利于大体积混凝土的温控防裂，同时存在集料的碱-硅酸反应，对于混凝土耐久性极为不利，故在工程现场掺入一定比例(20%～30%)的大理岩，组成混合骨料，并对2种混凝土的碱活性膨胀性进行了比较，结果如图1所示。

图1 不同骨料混凝土长期膨胀率

由图1可知，混凝土的膨胀率在前期增长很快，持续约1a，膨胀率转为缓慢增长阶段；纯砂岩骨料混凝土的膨胀率在早期低于组合骨料混凝土，但随着碱-硅酸反应的进行，膨胀率逐渐超过了组合骨料混凝土，当在约350d时，膨胀率达到0.15%，而组合骨料混凝土膨胀率则为0.092%，相比纯砂岩骨料混凝土，膨胀率降低了38.7%，因此采取大理岩+砂岩组合骨料方案(最大粒径120mm)相较于纯砂岩骨料方案更为合理，能够有效抑制碱-硅酸反应。

2.2 掺入粉煤灰

粉煤灰是目前抑制骨料碱反应的最佳材料，采用快速混凝土棱柱体法在工程现场对10%、20%、30%和35%等4种粉煤灰(Ⅰ级粉煤灰)掺量的混凝土进行了膨胀率试验，结果如图2所示。

图2 不同粉煤灰掺量的混凝土膨胀率试验结果

由图2可知，随着时间的增长，混凝土的膨胀率逐渐增大，并在后期逐渐达到稳定状态；相同时间下，粉煤灰掺量越高，混凝土的膨胀率越小，当粉煤灰掺量达到20%以后，对于碱骨料反应的抑制效果将十分明显，特别是对于混凝土碱骨料反应的长期抑制效果较好，可将后期膨胀率控制在0.025%以下，特别是当粉煤灰掺量达到35%以后，混凝土210d的膨胀率仅为0.014%，如果继续增加粉煤灰，可能会导致混凝土强度不足，因此，最终决定采用35%粉煤灰来改善混凝土碱骨料反应。

对比掺入粉煤灰前后全级配组合骨料混凝土碱活性试验结果，如图3所示。

图3 高掺粉煤灰前后混凝土长期膨胀率

由图3可知，掺入粉煤灰的混凝土5a后膨胀率仅为0.01%，而未掺入粉煤灰的混凝土膨胀率达到0.125%，掺入35%粉煤灰试验组的膨胀率抑制率达到了92%，这说明高掺粉煤灰对于砂岩骨料的碱活性抑制效果非常显著，高于组合骨料对混凝土碱-硅酸反应的影响。

2.3 严控总碱含量

为了进一步降低碱骨料反应对大坝混凝土的影响，在工程现场对不同总碱量的混凝土膨胀性进行了试验分析，混凝土仍采用组合骨料，骨料最大粒径为120mm，粉煤灰的掺量为35%，结果如图4所示。

图4 不同总碱量的混凝土长期膨胀率

由图4可知，当骨料的总碱量从5.25kg/m3降低至1.62kg/m3后，混凝土5a的总膨胀率降低了96%，在实际工程中，对每一批骨料的碱含量进行测定，超过1.5kg/m3的骨料将弃用，从而严控混凝土的碱-硅酸反应。

3 长期安全性评价

目前，该水电站已蓄水运行约5a，为了验证ASR工程抑制措施是否长期有效，在大坝不同位置处进行钻孔取芯，钻孔取芯深度约为1m，混凝土芯样直径约为50mm，共获得5个混凝土芯样，编号为1—5，对其现有损伤进行评定，并进行EDS微观测试和加速养护弹性波测试。

3.1 损伤等级评定

国内目前并没有关于混凝土碱-骨料反应损伤的评定标准，故参考国外相关规范，对5个混凝土芯样的服役5a后的损伤程度进行评定，结果见表1。

表1 混凝土芯样损伤评定

由表1可知，1、2、5号芯样的DRI均为0，3、4号芯样的DRI分别为47.5和20，均远小于100(对应混凝土膨胀率约为0.04%)，故该电站在采取ASR工程抑制措施后，质量良好，5a内均没有产生有危害性的碱-硅酸反应。

3.2 微观EDS测试

对取出的混凝土芯样进行EDS分析，得到混凝土水化产物的化学元素组成情况，见表2。

由表2可知，混凝土中水化产物以CaO和SiO2为主，平均占比分别为60.19%和20.74%，其次为Al2O3和Fe2O3，平均占比分别为7.51%和5.56%，MgO、K2O和Na2O的含量相对较少，平均占比分别仅为2.87%、2.45%和1.4%，混凝土中水化产物化学成分组成与水泥水化产物的成分基本相似，而碱-硅酸反应中，K2O、Na2O的含量一般较高，因此，可以从水化产物组成上判断，在大坝混凝土采取ASR工程抑制措施并服役5a后，碱-硅酸反应程度较低，对混凝土质量影响不大。

表2 混凝土芯样EDS测试结果

3.3 加速养护弹性波测试

在60℃下对5个混凝土芯样进行加速养护，并对不同养护临期混凝土的弹性波进行测试，结果如图5所示。

图5 加速养护后混凝土弹性波速

由图5可知，5个芯样的初始弹性波速分别为4421、4356、4560、4458和4386m/s，加速养护91d后，弹性波速分别为4343、4346、4359、4226和4445m/s，弹性波速降幅分别为1.76%、0.23%、4.4%、0.52%和-1.35%，这说明混凝土芯样在经过加速养护后仍不会产生明显的缺陷，经过加速养护后混凝土质量仍处于较好等级，后续也不会带来裂缝等损伤隐患，故ASR工程抑制措施是长期有效的。

4 结论

针对活性砂岩骨料易发生碱-硅酸(ASR)反应的缺陷，提出从多个方面对ASR进行工程抑制，并对其长期有效性进行了评价，得出如下结论。

(1)采取大理岩+砂岩组合骨料、掺入35%粉煤灰以及严格控制骨料总碱量低于1.5kg/m3的工程可以有效将ASR反应控制在较低水平。

(2)服役5a后，混凝土的DRI远小于100，K2O、Na2O的平均含量较低，表明混凝土5a内的ASR反应程度很低，没有产生危害性的碱-硅酸反应，对混凝土质量影响不大。

(3)在60℃加速养护91d后，混凝土的弹性波速平均降幅仅为2.1%，混凝土质量仍处于较好等级，表明ASR工程抑制措施是长期有效的。

(4)碱-硅酸反应的时间很长，本文仅对服役5a后混凝土的ASR工程抑制效果进行了评价，关于更长时间的ASR抑制效果还需做进一步研究。