粉煤灰抑制两河口水电站砂岩碱骨料反应的试验研究

周麒雯 杨轶

（中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都610072）

摘要：由于客观条件的限制，两河口水电站主体工程混凝土不得不采用具有潜在碱活性的砂岩作为混凝土的人工骨料料源。结合两河口水电站的实际，开展的粉煤灰抑制砂岩ASR膨胀的试验研究结果表明：掺用不低于20%的Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰可以有效地抑制砂岩骨料的ASR膨胀变形，水泥品种、混凝土的总碱含量以及混凝土中碱的形态对粉煤灰抑制砂岩碱活性效果的均存在着一定的影响。

关键词：水工材料；碱骨料反应；粉煤灰；抑制；两河口水电站

1 引言

两河口水电站位于四川省甘孜州雅江县境内的雅砻江干流上，枢纽建筑物由砾石土心墙堆石坝、溢洪道、泄洪洞、放空洞和地下厂房等组成，其中砾石土心墙堆石坝最大坝高为295m。电站装机容量3000MW，多年平均年发电量约11018亿kW·h。电站主体工程混凝土量为291万m3，需骨料约600万t。由于工程区域内的天然砂砾石储量极少，无法满足工程的需要，因此主体工程混凝土均采用人工砂石骨料。在前期进行大量的地质勘察及试验的基础上，推荐当地的砂岩作为混凝土的人工骨料料源。按照《水工混凝土砂石骨料试验规程》（DL/T 5151—2001）中所规定的骨料碱活性检验方法对当地的砂岩碱活性进行检验的结果表明：当地砂岩为具有潜在碱硅酸反应（ASR）的骨料。由于碱骨料反应（AAR）一般是在混凝土成型后的若干年后才逐渐发生并贯穿在整个混凝土中，严重危害水工混凝土的耐久性和安全运行，因此对当地砂岩碱活性的抑制是两河口水电站水工枢纽混凝土设计的关键。

防止混凝土AAR是当今混凝土工程所面临的重要课题之一，其防治措施的研究已引起世界上许多国家的高度重视。一般来说，AAR是一个较缓慢的过程，有时需要几十年时间才会出现裂缝，特别是对于一些慢膨胀型的活性骨料，这一时间会更长。水利水电工程较长的使用寿命要求和水工混凝土所处的潮湿环境为AAR提供了充分的时间和环境条件。这表明在AAR方面，水工混凝土比普通混凝土具有更大的危险性。使用非活性骨料对防止水工混凝土AAR而言是最安全可靠的措施。但由于活性骨料特别是硅质活性骨料分布广泛以及受工程造价的影响，水工混凝土骨料的可选择余地愈来愈受到限制。在水工混凝土中使用粉煤灰置换部分水泥，不仅能延缓或抑制ASR，而且对水工混凝土的其他性能也有着一定的改善作用，同时对节约资源、保护环境也有重要意义。因此使用粉煤灰是解决水工混凝土中的ASR问题最实用、经济和有效的途径。本文结合两河口水电站的实际，开展了粉煤灰抑制砂岩ASR的试验研究。

2 粉煤灰抑制砂岩ASR的试验研究

2.1 粉煤灰抑制砂岩ASR的有效性评估

采用不同等级及不同掺量的粉煤灰抑制砂岩ASR的试验结果见图1，由试验结果可以看出：与不掺粉煤灰的14d砂浆膨胀率（14d砂浆膨胀率为0.239%）相比，当粉煤灰掺量分别为20%、30%、35%和40%时，采用Ⅰ级粉煤灰其14d砂浆膨胀率分别减少95.3%、97.3%、97.7%和98.7%；采用Ⅱ级粉煤灰其14d砂浆膨胀率比分别减少94.4%、96.4%、97.1%和97.3%。可见，粉煤灰对砂岩骨料的ASR砂浆膨胀率有着一定的抑制作用，其抑制效果随着粉煤灰掺量的增加而提高。在粉煤灰掺量相同的条件下，掺Ⅰ级粉煤灰的抑制效果略优于掺Ⅱ级粉煤灰。

采用砂浆膨胀抑制率、砂浆膨胀限定值及低于非活性骨料砂浆膨胀值三个指标，从粉煤灰取代水泥后抑制ASR的能力、粉煤灰取代水泥后抑制ASR膨胀的程度以及粉煤灰取代水泥后抑制ASR膨胀的工程安全性三个方面对掺粉煤灰抑制砂岩碱骨料反应的有效性进行分析。

由图2、图3可以看出：在掺20%的Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰条件下，粉煤灰砂浆的膨胀抑制率大于75%，表明掺20%的粉煤灰具有抑制砂岩碱骨料反应的效能；粉煤灰砂浆的14d膨胀率小于0.1 %，表明掺20%的粉煤灰抑制砂岩ASR的膨胀能满足标准要求；粉煤灰砂浆膨胀率低于非活性骨料的砂浆膨胀率，表明使用掺20%粉煤灰的活性砂岩的工程具有一定的安全性。由此可见，掺20%的Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰能够有效地抑制砂岩的ASR膨胀。

2.2 水泥品种对粉煤灰抑制砂岩ASR的影响

选用水工常用的中热水泥和普硅水泥，进行不同水泥品种对粉煤灰抑制砂岩骨料ASR膨胀变形影响的试验研究。试验选用Ⅰ级粉煤灰，粉煤灰掺量为20%，试验方法采用砂浆棒快速法和混凝土棱柱体法，试验结果见图4。

由试验结果可见，水泥的品种对粉煤灰抑制砂岩ASR膨胀有着一定的影响。在掺20%的Ⅰ级粉煤灰时，采用中热水泥时的28d砂浆膨胀率为0.036%，而采用普硅水泥时的28d砂浆膨胀率仅为0.010%。采用中热水泥时的365d混凝土膨胀率为0.027%。而采用普硅水泥时的365d混凝土膨胀率仅为0.014%。

砂浆棒快速法和混凝土棱柱体法的试验结果表明：与中热水泥相比，采用普硅水泥更有利于粉煤灰抑制砂岩骨料的ASR砂浆和混凝土的膨胀，这是普硅水泥中掺有一定量的具有抑制ASR特性的混合材料的缘故。

2.3 总碱含量对粉煤灰抑制砂岩ASR的影响

在工程实际中一般都是采用粉煤灰部分取代水泥，作为抑制ASR的工程措施。粉煤灰对活性集料的ASR膨胀的抑制效果不仅与粉煤灰自身的化学性质和物理性能有关，而且与环境中的总碱含量也有着很大的关系。为了探讨总碱含量对粉煤灰抑制砂岩ASR膨胀效果的影响，采用砂浆棒快速法以及混凝土棱柱体法进行了不同总碱含量条件下，砂岩骨料ASR膨胀变形以及粉煤灰抑制砂岩ASR膨胀变形的试验研究。

采用砂浆棒快速法和混凝土棱柱体法进行的不同总碱含量对砂岩骨料ASR膨胀影响的试验结果见图5。试验时通过外加10%的氢氧化钠溶液，使试验时的砂浆总含碱量分别为3.6kg/m3、5.4kg/m3和7.6kg/m3，混凝土总含碱量分别达到3.2kg/m3、5.3kg/m3和7.4kg/m3。粉煤灰的掺量为20%。

由试验结果可以看出：在掺20%的粉煤灰时，当总碱含量从3.6kg/m3提高到7.6kg/m3时，砂岩骨料ASR的砂浆膨胀率增加了45.8%；当总碱含量从3.2kg/m3提高到7.4kg/m3时，砂岩骨料ASR的混凝土膨胀率增加了5.6倍。可见砂浆和混凝土中总碱含量对粉煤灰抑制砂岩骨料的ASR混凝土膨胀有着一定的影响，随着总碱含量的增加，粉煤灰抑制砂岩ASR膨胀的效果有所减弱。

2.4 碱的形态对粉煤灰抑制砂岩ASR的影响

众所周知，混凝土是由固相、液相和气相组成的。气相是分布于混凝土中的大小不等的气孔；固相主要由水泥及掺合料水化后的水化产物和集料组成；液相就是存在于极细孔隙中的含有多种离子的水溶液，即所谓的孔溶液。混凝土中的碱来自于其各个组成成分：水泥、骨料、水、化学外加剂以及矿物外加剂，各个组成成分中，碱的存在形态不同。对碱骨料反应来说，不同形态的碱对其影响是不同的。

为了探讨碱的形态对粉煤灰抑制砂岩ASR膨胀的影响，选用Ⅰ级粉煤灰和中热水泥，进行不同形态的碱条件下粉煤灰抑制砂岩骨料ASR膨胀的试验研究。试验方法为混凝土棱柱体法，养护温度分别为38℃和60℃。试验时保持混凝土的总碱含量不变，通过调整胶材用量的方式以改变混凝土中固相的碱含量以及孔溶液的碱含量之比例，进行碱的存在形态对粉煤灰抑制砂岩ASR的影响的试验研究，试验结果见图6。

由试验结果可以看出：

在保持混凝土总碱含量为5.25kg/m3，当混凝土中胶材用量从294kg增加到546kg，混凝土外加碱从4.07kg/m3减少到3.07kg/m3时，掺20%粉煤灰砂岩骨料的ASR膨胀变形在养护温度为38℃条件下减少32.6%。在养护温度为60℃条件下减少58.3%。这是因为水泥中的碱以可溶和不可溶的形式存在。当水泥加水后，硫酸盐及碳酸盐形式的碱很快溶入水中，而固溶在熟料中的碱则随着矿物水化的进行而慢慢地溶入水中，同时溶入水中的碱又有部分被水化产物所吸收。水泥的水溶性碱一般在10%～60%之间变化。固溶在熟料中的碱绝大部分不参与碱骨料反应，可以称为无害碱，存在于孔溶液中的碱绝大部分参与碱骨料反应，称为有害碱。当混凝土中的总碱量保持不变时，提高其固相碱含量，减少其孔溶液中的碱含量，亦就是提高无害碱所占的比例，减少有害碱的含量，会减少砂岩骨料混凝土的ASR膨胀变形，提高粉煤灰抑制砂岩骨料ASR的效果。

试验研究结果表明：在保持混凝土的总碱含量为一恒定值时，仅仅改变混凝土中的不同形式碱所占的比例，其粉煤灰抑制砂岩ASR膨胀变形的效果就相差很大。由此可见，在工程实际中，不仅要控制混凝土的总碱含量，而且应对混凝土中碱所存在的形式引起重视。

3 结语

由于客观条件的限制，两河口水电站主体工程混凝土不得不采用具有潜在碱活性的砂岩作为混凝土的人工骨料料源。由于碱骨料反应一般是在混凝土成型后的若干年后才逐渐发生并贯穿在整个混凝土中，严重危害水工混凝土的耐久性和安全运行，因此对当地砂岩碱活性的抑制是两河口水电站水工枢纽混凝土设计的关键。

结合两河口水电站的实际，开展的粉煤灰抑制砂岩ASR膨胀的试验研究结果表明：掺用不低于20%的Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰可以有效地抑制砂岩骨料的ASR膨胀变形，水泥品种、混凝土的总碱含量以及混凝土中碱的形态对粉煤灰抑制砂岩碱活性的效果均存在着一定的影响。在工程实际中，不仅要控制混凝土的总碱含量，而且应对混凝土中碱所存在的形态引起重视。

参考文献

[1] 周麒雯，杨轶．两河口水电站砂板岩骨料碱活性抑制试验研究 [J]．水电站设计，2008（3）:50-53.

[2] 王爱勤，张承志，水工混凝土的碱骨料反应问题 [J]．水利学报，2003（2）:117-121.

[3] 李光伟，周麒雯．粉煤灰抑制集料ASR有效性的评估 [J]．水力发电，2007（5）:34-37.