于顯浩，游秋森，黃文龍，李新宇

（1.福建廈門抽水蓄能有限公司，福建廈門，361107；

2.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，310014）

1 概述

國際上已有大量因堿骨料反應(yīng)破壞的混凝土壩，如法國1935年修建的Chambon壩、加拿大1960年修建的Mactaquac水電站等，其中加拿大Mac-taquac水電站在耗費(fèi)巨大的修補(bǔ)加固費(fèi)用后仍然無法避免重建的命運(yùn)[1]。如何控制混凝土堿骨料反應(yīng)的危害是國內(nèi)外近年來的研究熱點(diǎn)之一。

我國水利水電行業(yè)早在1953年修建佛子嶺水庫時，就較為系統(tǒng)地開展了骨料堿活性試驗(yàn)[2]，在1964年頒布實(shí)施的《水工建筑物混凝土及鋼筋混凝土工程施工技術(shù)暫行規(guī)范》中就對含有堿活性礦物的骨料的使用條件進(jìn)行了專門規(guī)定[3]。業(yè)界目前對于摻加一定量粉煤灰可有效抑制堿骨料反應(yīng)已形成共識，國內(nèi)部分大型水電工程也采用了具有一定潛在堿活性的巖石作為混凝土骨料料源，如錦屏一級水電站[4]、拉西瓦水電站[5]等。在實(shí)踐基礎(chǔ)上，國內(nèi)已制定了骨料堿活性試驗(yàn)方法和抑制措施的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但尚未將堿活性骨料的可用性、結(jié)構(gòu)特征及其設(shè)計(jì)年限、使用環(huán)境等因素納入綜合考慮，新建混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生堿骨料反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)缺乏定量的評估方法。

廈門抽水蓄能電站位于福建省廈門市同安區(qū)汀溪鎮(zhèn)境內(nèi)，為一等大（1）型工程，其上水庫和下水庫擋水壩均采用混凝土面板堆石壩。上水庫大壩最大壩高62.3 m，下水庫大壩最大壩高95.5 m。電站混凝土總量約70萬m3，混凝土骨料選擇地下輸水發(fā)電系統(tǒng)凝灰?guī)r洞挖料。凝灰?guī)r洞挖料以微風(fēng)化巖石為主，巖性單一，強(qiáng)度較高，飽和抗壓強(qiáng)度平均值約100 MPa。前期已有骨料堿活性試驗(yàn)結(jié)果表明，電站擬用的凝灰?guī)r具有潛在堿硅酸反應(yīng)活性。

混凝土面板是廈門抽水蓄能電站上下庫堆石壩防滲的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其耐久性對工程安全至關(guān)重要，因此對凝灰?guī)r骨料開展了堿活性及其抑制措施的系統(tǒng)性試驗(yàn)，并綜合考慮抑制凝灰?guī)r骨料堿硅酸反應(yīng)的要求和實(shí)際工程原材料，對面板混凝土配合比進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了面板混凝土發(fā)生堿硅酸反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，得出風(fēng)險(xiǎn)可控的結(jié)論。

2 凝灰?guī)r骨料堿活性及其抑制效果試驗(yàn)

廈門抽水蓄能電站凝灰?guī)r巖相分析未見其中有碳酸鹽巖組分，不會有堿碳酸活性。采用DL/T 5151—2014《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》中的砂漿棒快速法對凝灰?guī)r骨料進(jìn)行堿硅酸活性試驗(yàn)[6]，試驗(yàn)采用基準(zhǔn)水泥和工程用II級粉煤灰，試驗(yàn)結(jié)果見表1和圖1。

根據(jù)DL/T 5151—2014《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》給出的骨料堿活性判定規(guī)則和表1所示試驗(yàn)結(jié)果，雖然凝灰?guī)r砂漿試件14 d膨脹率為0.094%，小于0.1%，可判定該骨料為非活性骨料，但考慮到該骨料砂漿試件28 d膨脹率為0.214%，且56 d膨脹率達(dá)到0.356%，尚無收斂趨勢，無法完全排除凝灰?guī)r堿硅酸活性危害，后續(xù)存在發(fā)生堿骨料反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。

為安全起見，將該凝灰?guī)r視為能發(fā)生潛在危害性反應(yīng)的活性骨料對待，同步開展了摻粉煤灰抑制堿骨料反應(yīng)效果的試驗(yàn)，為便于比對，抑制效果試驗(yàn)結(jié)果也列于表1和圖1。摻粉煤灰砂漿試件試驗(yàn)結(jié)果顯示，凝灰?guī)r砂漿試件在摻入一定量的粉煤灰后，膨脹率有較大幅度降低，不僅14 d膨脹率均在0.1%以下，且粉煤灰摻量達(dá)到20%時，28 d膨脹率也小于0.1%。根據(jù)DL/T 5298—2013《水工混凝土抑制堿骨料反應(yīng)技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定[7]，當(dāng)粉煤灰摻量達(dá)到20%時，抑制堿硅酸反應(yīng)有效，且粉煤灰摻量越大，抑制作用越明顯。

表1 凝灰?guī)r骨料堿硅酸反應(yīng)活性及抑制效果試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of ASR activity and inhibition effect of tuff aggregate

圖1 凝灰?guī)r骨料堿硅酸反應(yīng)活性及抑制試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Test results of ASR activity and inhibition effect of tuff ag-gregate

3 凝灰?guī)r骨料面板混凝土堿硅酸活性風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 風(fēng)險(xiǎn)分析方法

國內(nèi)目前尚無專門針對混凝土堿骨料反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)分析方法，僅部分技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對堿活性骨料的應(yīng)用條件進(jìn)行了專門規(guī)定，如DL/T 5241—2010《水工混凝土耐久性技術(shù)規(guī)范》規(guī)定了不同環(huán)境、不同等級工程應(yīng)用堿活性骨料時的混凝土總堿量等條件[8]。不少發(fā)達(dá)國家制定了一系列與結(jié)構(gòu)特征和應(yīng)用環(huán)境相關(guān)的基于風(fēng)險(xiǎn)評價的堿活性骨料使用標(biāo)準(zhǔn)、指南。例如：加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會堿骨料反應(yīng)技術(shù)小組于1999年專門頒布了《防止新建混凝土結(jié)構(gòu)中發(fā)生堿硅酸反應(yīng)的指南》（下文簡稱“加拿大指南”）[9-10]。該指南首先評估混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生堿硅酸反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，即根據(jù)新建結(jié)構(gòu)中骨料的堿活性程度、混凝土構(gòu)件的尺寸和所處環(huán)境確定結(jié)構(gòu)發(fā)生堿硅酸反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)水平；其次，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)水平和設(shè)計(jì)壽命確定防范等級；最后，根據(jù)防范等級采取相應(yīng)的防范措施。國際材料與結(jié)構(gòu)研究實(shí)驗(yàn)聯(lián)合會（RILEM）TC191委員會也制定了類似的導(dǎo)則[11]。上述用于混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生堿骨料反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評估標(biāo)準(zhǔn)，可通過少量試驗(yàn)直接評估其發(fā)生堿骨料反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)水平，直接提出相應(yīng)的防范措施。文中采用加拿大指南評估廈門抽水蓄能電站面板混凝土發(fā)生堿硅酸反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 確定結(jié)構(gòu)混凝土堿硅酸反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)水平

加拿大指南在確定骨料堿硅活性程度時，一般根據(jù)混凝土棱柱體法一年的試驗(yàn)結(jié)果，將硅質(zhì)骨料分為非活性、中等活性和高活性三種。在沒有混凝土棱柱體法試驗(yàn)結(jié)果時，也可以采用砂漿棒快速法14 d的試驗(yàn)結(jié)果來評定骨料的堿硅酸活性。具體評價標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 堿硅酸活性程度等級[10]Table 2 Grades of ASR activity

根據(jù)表1所示試驗(yàn)結(jié)果，雖然廈門抽水蓄能電站凝灰?guī)r骨料砂漿棒快速法試件14 d齡期膨脹率小于0.1%，但其28 d齡期膨脹率大于0.2%，為安全起見，可按中等活性骨料對待。

在此基礎(chǔ)上，綜合考慮混凝土構(gòu)件尺寸、環(huán)境濕度等因素，確定新建混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生堿硅酸反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)水平，具體標(biāo)準(zhǔn)見表3。風(fēng)險(xiǎn)水平對應(yīng)的數(shù)字越大，代表混凝土發(fā)生堿硅酸反應(yīng)的可能性越大。

表3 新建混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生堿硅酸反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)水平[10]Table 3 Risk level of ASR in new concrete structure

如前所述，廈門抽水蓄能電站的凝灰?guī)r骨料按中等活性骨料對待，由于面板混凝土長期與水接觸，因此，凝灰?guī)r骨料面板混凝土的堿硅酸反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)水平按3級考慮。

3.3 確定混凝土堿硅酸反應(yīng)防范級別和防范措施

實(shí)際工程中，主要通過使用非活性骨料或低堿水泥，或者兩種措施同時使用來抑制可能發(fā)生的堿硅酸反應(yīng)。如現(xiàn)行DL/T 5241—2010《水工混凝土耐久性技術(shù)規(guī)范》規(guī)定了不同環(huán)境條件下不同級別水工建筑物混凝土的最大允許堿含量，其中潮濕環(huán)境條件下1級水工建筑物混凝土中最大允許堿含量為2.5 kg/m3。加拿大指南則根據(jù)堿硅酸反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)水平和混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作壽命等因素，確定堿硅酸反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)防范級別和對應(yīng)的防范措施。其中，對風(fēng)險(xiǎn)水平較高、設(shè)計(jì)壽命大于50年的結(jié)構(gòu)混凝土，需采用Y級或Z級防范措施，其中Y級防范措施是限制混凝土中的總堿量小于1.8 kg/m3或摻入適量有效的摻和料；Z級措施是最嚴(yán)格的防范措施，則是限制混凝土中的總堿量小于1.8 kg/m3且摻入適量有效的摻和料。與現(xiàn)行DL/T 5241—2010《水工混凝土耐久性技術(shù)規(guī)范》相比，加拿大指南給出的混凝土中最大允許堿含量更低，要求更嚴(yán)。

如前所述，廈門抽水蓄能電站凝灰?guī)r骨料面板混凝土的堿硅酸反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)水平按3級考慮，需采取Y級預(yù)防措施，即限制混凝土中的堿含量小于1.8 kg/m3，或摻入適量摻和料。根據(jù)前述試驗(yàn)結(jié)果，需摻入不少于20%的粉煤灰。

4 基于堿硅酸反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)分析的凝灰?guī)r骨料面板混凝土配合比設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

混凝土面板是面板堆石壩的主要防滲結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度、耐久性和綜合抗裂能力同等重要。根據(jù)GB 50199—2013《水利水電工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[12]和DL/T 5057—2009《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]的規(guī)定，廈門抽水蓄能電站面板混凝土應(yīng)采用C30混凝土。但我國之前設(shè)計(jì)的絕大多數(shù)面板堆石壩面板混凝土基本采用C25混凝土，工程實(shí)踐表明，C25混凝土對于壩高200 m以下的混凝土面板堆石壩是合適的，單純提高混凝土強(qiáng)度等級很可能對面板混凝土抗裂不利。

與此同時，根據(jù)前述風(fēng)險(xiǎn)分析，為控制凝灰?guī)r骨料面板混凝土發(fā)生堿硅酸反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，需要限制混凝土中的堿含量小于1.8 kg/m3，或摻入不少于20%的粉煤灰。為確保工程安全并借鑒類似工程經(jīng)驗(yàn)，面板混凝土中摻加25%的粉煤灰。鑒于摻加25%粉煤灰的混凝土28 d齡期之后的抗壓強(qiáng)度還有較大幅度增長，采用28 d齡期強(qiáng)度設(shè)計(jì)會導(dǎo)致混凝土水膠比偏小、膠凝材料用量偏高，對混凝土抗裂不利。將面板混凝土設(shè)計(jì)齡期延長為90 d，設(shè)計(jì)指標(biāo)確定為C9030W10F100，可在確?；炷列阅軡M足設(shè)計(jì)要求的前提下盡量減少面板混凝土裂縫。

4.2 配合比設(shè)計(jì)及性能試驗(yàn)

基于前述分析和廈門抽水蓄能電站施工期原材料招標(biāo)情況，采用42.5普硅水泥、II級粉煤灰、緩凝型聚羧酸高性能減水劑和引氣劑，以及凝灰?guī)r骨料開展C9030W10F100面板混凝土配合比設(shè)計(jì)和性能試驗(yàn)?？紤]到工程現(xiàn)場施工條件，面板混凝土出機(jī)口坍落度按5~7 cm控制，含氣量按3.0%~4.0%控制，強(qiáng)度保證率按95%計(jì)算，配制強(qiáng)度為37.4 MPa。

根據(jù)混凝土配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)，確定面板混凝土的配合比主要參數(shù)為：水膠比0.45、砂率39%（人工砂細(xì)度模數(shù)2.87、石粉含量15.3%）、單位用水量125 kg/m3、粉煤灰摻量25%，單方混凝土材料用量見表4。

表4 凝灰?guī)r骨料面板混凝土推薦配合比Table 4 Mix proportion of face slab concrete with tuff aggregate

采用上述原材料和表4給出的配合比，所配制的混凝土抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B等級和抗凍等級均滿足設(shè)計(jì)要求，并有一定裕度。根據(jù)原材料品質(zhì)檢測結(jié)果，水泥堿含量0.64%、粉煤灰堿含量1.39%、聚羧酸減水劑堿含量1.57%。根據(jù)表4所示混凝土配合比，混凝土的總堿量為1.57 kg/m3，小于1.8 kg/m3，其中粉煤灰的有效堿含量按其實(shí)測值的20%計(jì)算。該混凝土中粉煤灰摻量為25%，同時滿足加拿大指南中Y級的兩種可選預(yù)防措施，也滿足DL/T 5241—2010《水工混凝土耐久性技術(shù)規(guī)范》的要求，可以有效抑制堿硅酸反應(yīng)產(chǎn)生的危害，風(fēng)險(xiǎn)可控。

5 結(jié)語

（1）廈門抽水蓄能電站擬采用的凝灰?guī)r骨料砂漿棒快速法試驗(yàn)試件14 d膨脹率為0.094%、28 d膨脹率為0.214%、56 d膨脹率為0.356%。試驗(yàn)還表明膠凝材料摻入不少于20%的粉煤灰可有效抑制骨料堿活性膨脹。鑒于工程重要性，此凝灰?guī)r可視為活性骨料，活性水平中等。

（2）綜合考慮上述凝灰?guī)r骨料的堿骨料反應(yīng)活性水平，以及廈門抽水蓄能電站面板混凝土長期位于水中的運(yùn)行條件，面板混凝土發(fā)生有害堿硅酸反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)水平為次高的3級水平（最高為4級），因此應(yīng)用中必須限制混凝土中的堿含量小于1.8 kg/m3。

（3）為降低凝灰?guī)r骨料面板混凝土堿硅酸反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，混凝土配合比設(shè)計(jì)考慮將其設(shè)計(jì)齡期從28 d修改為90 d，設(shè)計(jì)指標(biāo)修改為C90W10F100。經(jīng)針對實(shí)際工程原材料的優(yōu)化，面板混凝土粉煤灰摻量為25%且總堿量僅1.57 kg/m3，滿足國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，混凝土堿硅酸反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)可控。