锦屏一级水电站抑制拱坝混凝土碱骨料反应的工程措施

李光伟 周麒雯

（中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都610071）

摘要：受客观条件的限制，锦屏一级水电站拱坝混凝土不得不采用具有潜在碱活性的变质石英砂岩作为人工骨料。结合工程实际开展的抑制拱坝混凝土碱骨料反应的试验研究结果表明：在拱坝混凝土中采用组合骨料、高掺35%的粉煤灰和控制混凝土总碱含量等工程措施可以有效地抑制拱坝混凝土中石英砂岩的碱骨料反应膨胀变形。

关键词：水工材料；拱坝混凝土；碱骨料反应；抑制措施；组合骨料；高掺粉煤灰；混凝土总碱含量

1 引言

锦屏一级水电站位于四川省凉山州盐源县和木里县境内，是雅砻江干流下游河段的控制性梯级电站。电站装机6台，总容量360万kW。拦河大坝为世界第一高的双曲拱坝，最大坝高为305m。拱坝混凝土用量约595万m3，需人工骨料约1440万t。工程区域内出露的岩石主要为大理岩和砂岩，在大量的勘探试验研究基础上，通过综合性能对比，推荐当地大奔流沟料场的砂岩作为拱坝混凝土的人工骨料料源。该料场岩石的岩性为三叠系杂谷脑组第三段1～3层中厚～厚层变质石英砂岩。对该岩石进行的岩相分析结果（见图1）表明：该石英砂岩基本由石英晶体、方解石和长石晶体镶嵌构造而成，有一些淡斜绿泥石、白云母分布在岩石中，含有5%～12%分布在局部区域的微晶石英，该矿物成分会引起碱硅酸反应（ASR）[1]。

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，贯穿在整个混凝土中，严重危害大坝的耐久性和安全运行，因此抑制该料场石英砂岩碱活性膨胀是提高锦屏一级水电站拱坝混凝土寿命的关键。

2 抑制拱坝混凝土碱骨料反应的工程措施

鉴于锦屏一级水电站的实际情况，在拱坝混凝土中采用组合人工骨料、高掺35%的Ⅰ级粉煤灰和控制混凝土总碱含量不大于1.8kg/m3工程措施抑制石英砂岩的碱骨料反应。

2.1 采用组合人工骨料

采用工程区域内非活性的大理岩砂作为细骨料，替换具有一定活性的石英岩砂，以降低拱坝混凝土中活性骨料的含量，从而减少拱坝混凝土中石英砂岩的ASR膨胀变形。

在骨料最大粒径分别为20mm和40mm的条件下，采用试件尺寸为100mm×100mm×515mm的混凝土棱柱体进行的组合骨料对混凝土碱活性膨胀影响的试验研究结果（见图2）表明：与全石英砂岩混凝土相比，当骨料最大粒径为20mm时，采用组合骨料可以减少混凝土一年ASR膨胀变形的39.5%。当骨料最大粒径为40mm时，采用组合骨料可以减少混凝土一年ASR膨胀变形的46.5%。

2.2 高掺35%的Ⅰ级粉煤灰

使用粉煤灰置换部分水泥，不仅能够延缓或抑制ASR，而且对混凝土的其他性能也有一定的改善作用，同时对节约资源、保护环境也有重要意义。掺加粉煤灰抑制ASR膨胀的机理在于：粉煤灰对碱的物理稀释、吸附，与Ca（OH）2的火山灰反应减少甚至消除体系中的Ca（OH）2以及火山灰反应生成的低Ca/Si比产物对碱的吸附、滞留和对体系的致密化作用[2]。

不同掺量Ⅰ级粉煤灰抑制石英砂岩ASR膨胀的试验结果（见图3）表明：掺不低于20%的粉煤灰对于石英砂岩ASR膨胀有着明显的抑制作用，并随着掺量的增加，粉煤灰抑制石英砂岩ASR膨胀的效果越好。当Ⅰ级粉煤灰掺量为35%时可以有效地抑制石英砂岩ASR膨胀。

2.3 控制混凝土总碱含量不大于1.8kg/m3

碱是混凝土ASR的内在因素之一，随着混凝土中碱含量的增加，混凝土的ASR膨胀值将增大，控制混凝土中的碱含量是防止ASR的有效措施之一，其基于当混凝土碱含量低于一定值时（通常认为3kg/m3Na2Oeq），混凝土孔溶液中K+、Na+和OH-浓度便低于某临界值，ASR便难于发生或反应程度较轻，不足以使混凝土开裂破坏[3]。

在混凝土不同的总碱含量条件下进行的粉煤灰抑制石英砂岩ASR膨胀的试验结果（见图4）表明：混凝土的总碱含量对粉煤灰抑制砂岩ASR膨胀的效果有着一定的影响，随着混凝土的总碱含量的增加，石英砂岩的ASR膨胀率越来越大。

在掺35%的Ⅰ级粉煤灰条件下，控制混凝土的总碱含量不大于1.8kg/m3时，混凝土一年的ASR膨胀变形小于0.01 %，不足以使混凝土开裂破坏。

3 抑制拱坝混凝土ASR膨胀工程措施的模拟验证试验

为了对采用组合骨料、高掺35%的Ⅰ级粉煤灰和控制混凝土总碱含量不大于1.8kg/m3等工程措施抑制拱坝混凝土中石英砂岩ASR的有效性进行全面的评价，采用实际工程用的中热水泥和Ⅰ级粉煤灰（中热水泥的碱含量为0.42%, Ⅰ级粉煤灰的碱含量为0.85%），进行全级配大体积混凝土长龄期抑制ASR工程模拟试验，混凝土的强度等级为C18040，复掺一定量的缓凝高效减水剂和引气剂，混凝土的总碱含量小于1.8kg/m3。

试验采用尺寸为300mm×300mm×1350mm的全级配大体积混凝土棱柱体，成型时在混凝土的中心部位预埋两个差动式电阻应变仪，在不同龄期采用水工比例电桥测量试件的长度变化。试件成型后连试模一起放入温度20±3℃，相对湿度95%以上的养护室中养护24±4h后拆模，在20±2℃的恒温室中测量试件的基准长度。考虑两种养护条件：一种为38℃室内养护；另一种为室外自然养护。不同养护条件下全级配大体积混凝土试件见图5，全级配大体积混凝土的ASR膨胀变形试验结果见图6。

由试验研究结果可以看出：养护条件的改变对混凝土碱活性的膨胀存在着一定的影响。38℃室内养护的混凝土碱活性膨胀值要高于室外自然环境条件下养护的混凝土碱活性膨胀值，平均高约20×10-6，这是由于温度对ASR的膨胀存在着激发效应的缘故。在室内38℃养护条件下，拱坝混凝土三年的膨胀变形为0.0004%，在自然环境条件下养护，拱坝混凝土三年的变形为收缩0.0021%。

试验结果表明采用组合人工骨料、高掺35%的Ⅰ级粉煤灰和控制混凝土总碱含量不大于1.8kg/m3等工程措施后，拱坝混凝土的变形十分稳定，没有产生ASR的有害变形。

4 结语

AAR是导致混凝土耐久性下降的重要原因之一，半个世纪以来已在世界范围内造成了巨大损失。一般来说，AAR是一个较缓慢的过程，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[4]。受客观条件的制约，锦屏一级水电站拱坝混凝土不得不采用具有潜在碱活性的石英砂岩作为人工骨料，有效地抑制石英砂岩骨料的ASR膨胀是提高拱坝混凝土寿命的关键。

结合工程实际开展的抑制拱坝混凝土碱骨料反应的试验研究结果表明：在拱坝混凝土中采用大理岩人工砂替代砂岩人工砂、高掺35%的Ⅰ级粉煤灰和控制混凝土总碱含量不大于1.8kg/m3等工程措施可以有效地抑制拱坝混凝土中石英砂岩的ASR膨胀变形，从而可以提高拱坝混凝土的耐久寿命。

参考文献

[1] 李光伟，周麒雯．锦屏一级水电站大坝混凝土的碱骨料反应 [C]//水工大坝混凝土材料和温度控制研究与进展．北京：中国水利水电出版社，2009:68-74.

[2] 杨德斌，裹-掺混合材体系抑制碱集料反应及其去冰盐、硫酸盐的协同作用D．南京：南京化工大学，1996.

[3] 张承志，王爱勤．关于混合材抑制碱集料反应的一些问题 [J]．混凝土与水泥制品，2006（5）:5-8.

[4] 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.