杨房沟水电站混凝土骨料碱活性试验研究

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州，310014)

1 概述

杨房沟水电站主体及临时工程混凝土总量(含喷混凝土)约316.70万m3，需要成品骨料约695万t，计其加工、运输等损耗，设计需要用料约904万t，折合原岩自然方约332万m3，规划开采石料量约432万m3。混凝土骨料料源选择不仅对工程质量有直接影响，而且会直接影响工程投资，尤其是本工程枢纽建筑物采用混凝土双曲拱坝，坝体对混凝土质量要求较高，因此，设计单位在工程设计论证阶段，十分重视混凝土骨料碱活性论证工作。

杨房沟水电站可研阶段，设计单位曾先后在拟选花岗闪长岩石料场SK1孔深66.4m～70.9m、SK3孔深8m～13.5m、SK5孔深45m～49m各取样1组(样品编号分别为JK1、JK2和JK3)，SK2孔深34m～39m、SK4孔深18m～22m、SK6孔深76m～82m各取样1组(样品编号分别为SK2-1、SK4-1和SK6-1)，在探硐中取样3组(样品编号分别为R1、R2和R3)，委托南京工业大学国家建材行业集料碱活性研究测试中心分别采用岩相法、砂浆棒快速法、砂石碱活性快速法及混凝土棱柱体法等方法进行骨料碱活性试验，综合相应试验成果表明，拟选石料场花岗闪长岩无碱活性。此后，相应骨料料源选择方案也顺利通过有关专题咨询评审。

杨房沟水电站施工阶段，现场有关试验检测机构从砂石骨料加工系统成品骨料堆取样开展了花岗闪长岩骨料碱活性试验，采用砂浆棒快速法试验后发现少数样品的砂浆棒14d膨胀率介于0.1%～0.2%之间，存在一定程度疑似碱活性风险。根据《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T 5151-2014)中骨料碱活性检验(砂浆棒快速法)评定标准：“若试件14d的膨胀率小于0.1%，则骨料为非活性骨料。若试件14d的膨胀率大于0.2%，则骨料为具有潜在危害性反应的活性骨料。若试件14d的膨胀率在0.1%～0.2%，对这种骨料应结合现场使用历史、岩相分析、试件观测时间延至28d后的测试结果，或混凝土棱柱体法试验结果等进行综合评价”。

为了确保工程安全与长期运行，进一步确认杨房沟花岗闪长岩骨料碱活性特性，设计单位在施工阶段结合现场骨料生产加工情况，采用砂浆棒快速法和混凝土棱柱体法再次开展花岗闪长岩骨料碱活性有关复核论证试验。

本文系统梳理了杨房沟水电站自可研阶段以来所开展的骨料碱活性试验结果，综合分析论证杨房沟水电站花岗闪长岩骨料碱活性情况，为工程建设顺利推进提供技术支撑，同时可为类似在建工程提供借鉴。

2 试验结果及分析

2.1 可研阶段骨料碱活性试验

杨房沟水电站可研阶段开展的石料场花岗闪长岩骨料碱活性试验结果见表1～表4[1-3]。

表1 石料场花岗闪长岩岩相分析

表2石料场花岗闪长岩砂浆棒快速法试验结果

样品编号膨胀值(%)3d7d14d28dJK10.0190.0400.1010.182JK20.0170.0460.1030.186JK30.0140.0380.0820.167SK2-10.0090.0230.0640.189SK4-10.0110.0200.0540.165SK6-10.0150.0270.0530.145R10.0150.0160.0330.059R20.0130.0200.0300.063R30.0210.0240.0430.073

表3 石料场花岗闪长岩CECS48-1993砂石快速法试验结果

表4石料场花岗闪长岩混凝土棱柱体法试验结果

序号样品各龄期膨胀率(%)14d28d56d91d126d182d273d364d1SK2-10.0010.0010.0030.0090.0160.0200.0240.0272SK4-10.0000.0000.0020.0110.0120.0240.0250.0253SK6-10.0010.0010.0080.0110.0170.0240.0280.0314R1-0.0020.0000.0010.0030.0030.0050.0080.0095R20.0000.0010.0020.0020.0040.0060.0090.0116R30.0000.0000.0010.0020.0020.0040.0050.008

由表1～表4所示试验结果，可以得出：

(1)岩相分析结果表明，石料场样品JK1、JK2、JK3、SK2-1、SK4-1、SK6-1、R1、R2和R3均含有微晶石英或隐晶质石英，这些矿物有时会引起碱硅酸反应，需开展碱硅酸反应活性检验。因不含白云石，不需要进行碱碳酸盐反应活性检验。

(2)砂浆棒快速法试验结果表明，石料场样品JK3、SK2-1、SK4-1、SK6-1、R1、R2和R3配制的砂浆试件14d的膨胀率分别为0.082%、0.064%、0.054%、0.053%、0.033%、0.030%和0.043%，均小于0.1%，至28d时，砂浆试件膨胀率分别为0.167%、0.189%、0.165%、0.145%、0.059%、0.063%和0.073%，均小于0.20%，因此，样品JK3、SK2-1、SK4-1、SK6-1、R1、R2和R3均判定为不具有碱硅酸反应活性；JK1、JK2配制的砂浆试件14d的膨胀率分别为0.101%及0.103%，介于0.1%～0.2%之间，但28d砂浆试件膨胀率分别为0.182%及0.186%，均小于0.20%。综合后续其他样品的混凝土棱柱体法试验结果，样品JK1、JK2也可判定为不具有碱硅酸反应活性。

(3)按《砂、石碱活性快速试验方法》(CECS 48-1993)进行的试验成果表明，石料场样品JK1、JK2、JK3、SK2-1、SK4-1、SK6-1、R1、R2和R3配制的砂浆试件在三个水泥与集料比下的最大膨胀值为0.040%、0.049%、0.045%、0.035%、0.036%、0.035%、0.050%、0.044%和0.048%，均小于0.10%的限定值，因此，CECS48砂石碱活性快速试验方法判定JK1、JK2、JK3、SK2-1、SK4-1、SK6-1、R1、R2和R3均不具有碱硅酸反应活性。

(4)混凝土棱柱体法试验结果表明，至364d时石料场样品SK2-1、SK4-1、SK6-1、R1、R2和R3配制的混凝土棱柱体的膨胀率分别为0.027%、0.025%、0.031%、0.009%、0.011%和0.008%，均小于0.040%，因此均不具有碱硅酸反应活性。

结合上述几种试验成果论证，综合判定相应的花岗闪长岩不具有碱硅酸盐反应活性；因不含白云石，故不具有碱碳酸盐反应活性。

2.2 技施阶段骨料碱活性试验

杨房沟水电站技施阶段，设计单位结合混凝土配合比设计研究专题对试验用花岗闪长岩骨料采用砂浆棒快速法开展了碱活性复核试验，试验水泥采用现场前期工程用中热水泥，其碱含量(Na2Oeq当量含量)为0.51%，试验时用化学纯NaOH将水泥碱含量调整为0.90%，试验结果见图1。

图1 花岗闪长岩砂浆棒快速法试验结果(技施阶段)

砂浆棒快速法试验结果显示，14d膨胀率小于0.1%，根据《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T 5151-2014)的规定，可判断骨料为非活性骨料。为进一步研究骨料在碱性环境下的膨胀性，将试验延长至28d，结果显示，砂浆棒试件28d膨胀率为0.155%，也小于0.2%。

2.3 施工阶段骨料碱活性试验

杨房沟水电站施工阶段，针对现场试验检测机构得到的部分骨料砂浆棒快速法试件14d膨胀率大于0.1%(但不大于0.2%)而存在疑似碱活性的风险，设计单位重新采用基准水泥对开挖料花岗闪长岩和石料场花岗闪长岩碱活性进行了复核论证试验。试验按照《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T 5151-2014)规定的砂浆棒快速法进行，水泥为基准水泥(42.5强度等级，P.I型硅酸盐水泥，其碱含量为0.53%，试验时用化学纯NaOH将水泥碱含量调整为0.90%)，与此同时，试验过程中还同步开展了掺20%粉煤灰的砂浆棒快速法试验，相应试验结果见图2。

图2 花岗闪长岩砂浆棒快速法试验结果(施工阶段)

砂浆棒快速法试验结果显示，开挖料花岗闪长岩砂浆棒14d膨胀率小于0.1%，根据《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T 5151-2014)的规定，可判断骨料为非活性骨料；石料场花岗闪长岩砂浆棒14d膨胀率为0.103%，介于0.1%～0.2%之间，但其28d膨胀率为0.195%，仍然小于0.2%，结合可研阶段石料场花岗闪长岩混凝土棱柱体法试验结果，可判断石料场花岗闪长岩无碱活性。同步开展的开挖料人工砂和料场人工砂掺20%粉煤灰的砂浆棒快速法试验结果显示，其28d龄期砂浆棒膨胀率分别为0.046%和0.064%，均小于0.1%。根据《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL 5151-2014)5.6碱骨料反应抑制措施有效性试验(砂浆棒快速法)给定的评定标准，即使本工程所用骨料为活性骨料，通过掺入20%粉煤灰也可以有效抑制碱骨料反应危害。

《水工混凝土抑制碱骨料反应技术规范》(DL/T 5298-2013)中3.3.4规定：“当采用砂浆棒快速法、砂浆长度法或岩石柱法进行碱活性检验时，若评定结果为骨料具有碱活性，则应进行混凝土棱柱体法检验，并以混凝土棱柱体法评定结果为准”。《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL 5151-2014)规定：“混凝土棱柱体试件1年膨胀率小于0.04%时判定为非活性骨料”。在开展上述砂浆棒快速法试验的同时，设计单位也采用基准水泥对开挖料和石料场花岗闪长岩骨料同步进行了混凝土棱柱体法试验，试验结果见表5。混凝土棱柱体法试验结果表明，两种花岗闪长岩骨料1Y龄期膨胀率分别为0.014%和0.018%，均小于0.04%，据此可判断开挖料和石料场花岗闪长岩骨料均为非活性骨料。

表5 混凝土棱柱体法试验结果(施工阶段)

2.4 试验结果分析

长江科学院杨华全等人针对三峡工程花岗岩碱活性的研究结果表明，三峡基坑花岗岩的矿物组成主要是斜长石、石英、黑云母和少量角闪石，岩石呈花岗状结构和块状构造。下岸溪花岗岩的矿物组成主要是斜长石、钾长石、石英和少量绿泥石，岩石呈花岗岩状结构、斑状结构和块状构造，波状消光角小，没有微晶石英。用岩相法、化学法、砂浆长度法、小棒快速法、砂浆棒快速法、混凝土棱柱体法等各种方法检验，基坑闪云斜长花岗岩、下岸溪斑状花岗岩属非活性岩石[4-5]。其他类似工程花岗岩骨料也尚未发现有碱活性。

长江科学院吴超寰[6]针对三峡工程基坑花岗岩制砂对混凝土性能影响的研究结果表明，在50℃温度下，强碱溶液对黑云母和角闪石不会产生侵蚀；且冻融循环(>100次)试验、砂浆长度法(龄期大于20年)试验后的试件，在扫描电镜下观察，都没有发现黑云母和角闪石出现异常变化，可以认为黑云母和角闪石在混凝土内部不会发生有害化学变化。

综上本工程各阶段试验研究论证，杨房沟水电站开挖料花岗闪长岩和石料场花岗闪长岩属于非活性骨料。

3 结论

结合本工程各阶段试验研究论证，杨房沟水电站开挖料花岗闪长岩和石料场花岗闪长岩无碱硅酸活性，无碱碳酸活性，属于非活性骨料。