抑制混凝土骨料碱活性的试验分析

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(中国水利水电第十工程局有限公司二分局，四川 都江堰，611830)

1　工程概述

古瓦水电站属硕曲河干流乡城、得荣段“一库六级”梯级开发方案中的龙头水库电站，水库正常蓄水位3398m，最大坝高139m，总库容约2.396亿m3，电站装机容量205.4MW，其中主体电站装机容量201MW，生态机组4.4MW。

2　试验背景

首部枢纽混凝土骨料料源为三叠系上统拉纳山组变质砂岩夹砂质板岩，板岩约占7%～9%。岩石鉴定结果表明：变质砂岩中石英含量约75%～80%，斜长石偶见，硅泥质约占20%～25%，单轴湿抗压强度65.8MPa～96.3MPa，弹性模量36.9GPa～48.8GPa，干密度2.67g/cm3～2.73g/cm3，饱和吸水率0.21%～0.34%，软化系数为0.65～0.84。砂浆棒快速法试验成果显示：变质砂岩14d膨胀率在0.1%～0.2%之间，28d砂浆试件的膨胀率大于0.2%。因此，骨料为具有潜在危害反应的活性骨料。板岩主要为砂质板岩，岩石鉴定表明：板岩中石英约占20%～25%，黑云母或泥质约占70%～80%，单轴湿抗压强度64MPa～77MPa，弹性模量40.6GPa～42.8GPa，干密度ρd=2.73g/cm3～2.78g/cm3，饱和吸水率0.07%～0.31%，软化系数为0.71～0.81，为具有潜在危害反应的活性骨料。

所谓活性骨料即在碱性环境中能与水泥中碱发生反应的集料，这种反应一般在混凝土浇筑成型后逐渐进行，反应生成物吸水膨胀使混凝土产生内部应力引起膨胀开裂(膨胀最大可达3倍以上)，将导致混凝土失去设计性能。活性骨料经搅拌后大体上呈均匀分布，一旦发生碱骨料反应，混凝土内各部分均产生膨胀应力，混凝土自身将胀裂，发展严重的只能拆除，无法补救。另外，集料中的有害杂质，如膨胀性矿物、硫化物、硫酸盐、粘土矿物等也对混凝土结构工程造成一定的破坏。

鉴于碱活性骨料对混凝土有如此大的破坏，为确保混凝土施工质量，必须采取措施抑制混凝土骨料的碱活性。

3　骨料碱活性抑制方案选择

预防混凝土发生碱活性反应，主要从两方面考虑：第一种从料源上选择采用非活性骨料，以避免混凝土发生碱活性；第二种通过掺加超细掺和料来抑制碱骨料反应。

考虑施工现场所处环境的多样化，一般综合分析对比，以确定采取最优方案。通过查阅地质文件，古瓦水电站首部枢纽附近料源仅在河滩天然砂砾石料场有少量分布，不能满足施工所需，因此，第一种方案采用非活性骨料来防止混凝土发生碱活性反应的方案不可行。第二种方案通过掺加超细掺和料来抑制碱骨料反应，常用的超细掺和料有矿渣、粉煤灰、硅粉等，超细掺和料品种选择首先要遵守就近原则，即尽量选择当地或就近材料，以减少运输费用，降低混凝土工程造价，同时要注意选择供应与来源有保障的超细掺和料品种。工地附近仅在石棉县、炉霍县有粉煤灰和火山灰，因此，选用添加粉煤灰和火山灰分别试验分析，选择最优结果。

4　骨料碱活性抑制原理分析

对于存在碱活性的骨料，通常采用的方法是掺入超细掺和料来抑制碱骨料反应，其原理就是活性混合材料吸收水泥和外加剂中的碱或与其中的碱性物质发生效应，而且这种效应是在混凝土凝结硬化过程中发生，说明这些碱有利于激发上述掺和料的活性，并有利于混凝土强度和耐久性的提高。从掺和料对碱骨料反应的抑制作用看，实际上是上述掺和料吸收和消耗了混凝土中的碱并使碱的含量控制在安全线以下，使混凝土骨料碱活性反应发生的条件不完备。

5　骨料抑制碱活性试验

根据《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T5151-2014)相关规定，骨料碱活性抑制采用砂浆棒快速法和混凝土棱柱体法。本工程根据现场施工要求采用砂浆棒快速法分别对砂浆试件进行膨胀率测定，以此来判定掺加适量粉煤灰(火山灰)的混凝土对骨料碱活性反应的抑制作用。

5.1　粉煤灰物理力学性能

粉煤灰产地石棉县，通过检测，满足二级灰品质要求，其物理力学性能见表1。

表1粉煤灰物理力学性能检测结果

5.2　火山灰物理力学性能

火山灰产地炉霍县，其物理力学性能见表2。

表2火山灰物理力学性能检测结果

5.3　水泥物理力学性能

水泥为华新P.O42.5水泥，其物理力学性能见表3。

表3水泥物理力学性能检测结果

6　试验结果

采用华新水泥P.O42.5与粉煤灰和火山灰进行骨料的碱活性抑制试验，掺量分别为0%、15%、22%、30%四种；试验结果详见下表。

表4骨料的抑制碱活性试验结果

根据规范要求，若28d龄期对比试件膨胀率小于0.1%，则该掺量下抑制材料对该种骨料的碱骨料反应危害抑制效果评定为有效。

由上表可见粉煤灰和火山灰的掺入确实起到了抑制骨料碱活性反应的效果，当掺量为0%时，砂浆试件28d膨胀率为0.25%，大于规范要求的28d膨胀率小于0.1%；当掺量为15%时，砂浆试件粉煤灰28d膨胀率为0.12%，火山灰28d膨胀率为0.14%，均大于规范要求的28d膨胀率小于0.1%，没有起到抑制骨料碱活性反应的要求，为无效状态；当掺量为22%时，砂浆试件粉煤灰28d膨胀率为0.08%，火山灰28d膨胀率为0.09%，均小于规范要求的28d膨胀率小于0.1%，起到抑制骨料碱活性反应的要求，为有效状态；当掺量为30%时，砂浆试件粉煤灰28d膨胀率为0.06%，火山灰28d膨胀率为0.08%，均小于规范要求的28d膨胀率小于0.1%，起到抑制骨料碱活性反应的要求，为有效状态。

通过试验室室内试验，综合火山灰和粉煤灰抑制骨料碱活性效果分析对比，在同等掺量的情况下，粉煤灰抑制碱活性效果优于火山灰，虽然粉煤灰和火山灰都能抑制混凝土骨料碱活性，但是在选择的时候首先要遵守就近原则，即尽量选择当地或就近材料，以减少运输费用，降低混凝土工程造价，同时要注意选择供应与来源有保障的超细掺和料品种。

7　结语

目前混凝土中水泥用量的提高及含碱外加剂的普遍应用，鉴于不同工程所有骨料的岩相成分及结构不同，要根据骨料碱活性试验结果确定经济合理的抑制措施。通过在混凝土骨料中添加粉煤灰或火山灰可以明显改善混凝土内部孔隙结构，有效抑制混凝土骨料碱活性反应。