劉戰(zhàn)鰲,王 瑋,歐陽秋平,李鵬翔,肖開濤

(1.中國三峽建工(集團(tuán))有限公司 白鶴灘工程建設(shè)部,四川 寧南 615421; 2.長江科學(xué)院 材料與結(jié)構(gòu)研究所,武漢 430010)

0 引 言

具有堿活性的骨料與水泥中的堿發(fā)生化學(xué)反應(yīng),引起混凝土膨脹、開裂,甚至破壞,這種化學(xué)反應(yīng)稱堿-骨料反應(yīng)。堿-骨料反應(yīng)成為混凝土耐久性的重要課題之一。堿-骨料反應(yīng)(Alkali-aggregate Reaction,AAR)破壞發(fā)生在混凝土內(nèi)部,且持續(xù)不斷進(jìn)行,修補(bǔ)與加固非常困難,有時甚至需要重建。自從1940年美國Stanton[1]提出堿-骨料反應(yīng)以來,AAR已在世界各地造成巨大的損失,特別是水工建筑結(jié)構(gòu)。據(jù)加拿大調(diào)查,魁北克水利局屬480個大壩中有30%受AAR的破壞。較早的由AAR引起的水利工程破壞實(shí)例有美國的Parker 壩,該壩是一座混凝土拱壩,高98 m,于1938年建成。1940年發(fā)現(xiàn)大壩出現(xiàn)嚴(yán)重裂縫,后經(jīng)大量研究證實(shí),破壞是由于混凝土采用了安山巖等具有堿活性的砂石骨料和堿含量較高的硅酸鹽水泥造成的。典型的破壞如美國的Fontana壩和Hiwassee壩,1940年前建成,經(jīng)過40多年的正常運(yùn)行,突然因AAR破壞發(fā)生膨脹開裂,不能正常運(yùn)轉(zhuǎn),連年整治、維修,花費(fèi)巨大[2]。類似的還有巴西的Moxoto壩[3]、法國的Shambon壩[4]和加拿大的博赫爾洛依斯水電站等[5]。

白鶴灘水電站總裝機(jī)容量1 600萬kW,是繼長江三峽水電站及溪洛渡水電站之后的又一千萬kW級的巨型水電站,是目前世界上在建規(guī)模最大的水電工程。白鶴灘水電站地下洞室群規(guī)模位居世界第一,洞室總長度達(dá)217 km,總開挖量達(dá)2 500萬m3,地下洞室混凝土總澆筑量高達(dá)1 100萬m3,骨料采用玄武巖細(xì)骨料+玄武巖粗骨料的組合方案。工程前期地質(zhì)勘探資料表明,白鶴灘水電站玄武巖骨料巖性以微晶隱晶玄武巖為主,其次為杏仁狀玄武巖、含杏仁狀玄武巖、角礫熔巖和斑狀玄武巖,若干杏仁狀玄武巖試樣局部區(qū)域可見微晶質(zhì)至隱晶質(zhì)石英和玉髓,含有一定的堿活性礦物成分。巖石巖性不同對混凝土的性能有一定的影響[6]。在地下洞室玄武巖開挖料利用方案中,提出要將杏仁狀玄武巖、角礫熔巖等具有潛在堿活性的巖石剔除,但實(shí)際開采過程中很難將活性骨料單獨(dú)分離。

由于堿-骨料反應(yīng)問題的復(fù)雜性[7-9],為保證白鶴灘水電站地下洞室混凝土耐久性,根據(jù)《水工混凝土耐久性技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5241—2010)[10]和《水工混凝土抑制堿-骨料反應(yīng)技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5298—2013)[11]的規(guī)定,從2017年11月至2021年8月,每季度在生產(chǎn)地下洞室混凝土的拌和系統(tǒng)取樣開展了玄武巖骨料堿活性檢測,為白鶴灘水電站地下洞室精品混凝土生產(chǎn)和精品工程建設(shè)提供技術(shù)支持。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

(1)水泥:低熱42.5硅酸鹽水泥,堿含量為0.40%,其物理力學(xué)性能見表1。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

(2)粉煤灰:F類Ⅰ級粉煤灰,其細(xì)度、需水量比、燒失量等物理性能見表2。

表2 粉煤灰的物理性能

(3)粗骨料:由地下洞室玄武巖開挖料經(jīng)機(jī)械分選、破碎、加工制得的玄武巖碎石,其表觀密度、壓碎值、含泥量等性能見表3。

表3 粗骨料性能

(4)細(xì)骨料:由地下洞室玄武巖開挖料經(jīng)破碎、棒磨、加工制得的玄武巖人工砂,其細(xì)度模數(shù)、表觀密度、吸水率等性能見表4。

表4 細(xì)骨料性能

1.2 試驗方法

從2017年11月—2021年8月,每季度三灘和荒田拌和系統(tǒng)取樣玄武巖骨料,按照堿活性檢測相關(guān)規(guī)范要求開展玄武巖骨料堿活性檢測。

(1)巖相法試驗、砂漿棒快速法試驗、混凝土棱柱體法試驗、粉煤灰抑制有效性試驗按《水工混凝土砂石骨料試驗規(guī)程》(DL/T 151—2014)[12]有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

(2)微觀分析試驗:對在1 mol/L NaOH溶液、80 ℃環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28 d的砂漿棒快速法試件和在相對濕度≥95%、38 ℃環(huán)境下養(yǎng)護(hù)1 460 d的混凝土棱柱體法試件經(jīng)無水乙醇浸泡中止水化,抽真空后表面噴鍍鉑金,采用掃描電鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)進(jìn)行骨料漿體膠結(jié)界面微觀形貌觀測。試件中玄武巖骨料周邊水泥漿體用能譜儀(Energy Dispersive Spectyroscope,EDS)進(jìn)行元素分析。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 巖相法

在生產(chǎn)地下洞室混凝土的拌和系統(tǒng)抽取玄武巖粗骨料進(jìn)行巖相鑒定,并分析了玄武巖粗骨料的礦物組成,判定其巖性組成。所抽取玄武巖骨料的巖相法結(jié)果見表5,巖石中不同巖性組成比例的統(tǒng)計結(jié)果見圖1。

圖1 玄武巖骨料的巖性組成統(tǒng)計結(jié)果

表5 玄武巖巖相法結(jié)果

從表5的巖相鑒定結(jié)果可以看出,白鶴灘水電站施工期玄武巖粗骨料中存在玄武巖、含杏仁玄武巖、杏仁玄武巖、角礫熔巖等不同巖性巖石。從礦物組成來看,這些巖石的主要礦物為斑晶、杏仁體、基質(zhì),同時含有少量的微晶石英或隱晶質(zhì)石英、石英杏仁體等堿活性礦物成分,部分巖石還含有硅質(zhì)玉髓,這些礦物成分可能會引起堿-硅酸反應(yīng)。因巖相法通常僅用作初步判斷,需進(jìn)一步開展堿活性檢測試驗以綜合評定玄武巖骨料的堿活性。

從圖1的巖石巖性組成統(tǒng)計結(jié)果可見:2017—2021年取樣玄武巖骨料的巖性組成隨取樣時間變化的波動較小,所取樣玄武巖骨料中玄武巖占比54.2%,含杏仁玄武巖占比28.1%,杏仁玄武巖占比17.5%,角礫熔巖占比0.2%。由此觀之,白鶴灘水電站主體工程施工期地下洞室混凝土骨料巖性主要含杏仁玄武巖和玄武巖,二者占比達(dá)82.3%以上,且?guī)r性組成波動較小、相對較為穩(wěn)定。

2.2 砂漿棒快速法

在三灘和荒田拌和系統(tǒng)取樣玄武巖骨料(砂、小石、中石),采用砂漿棒快速法檢測其堿活性,評定標(biāo)準(zhǔn)為:14 d的砂漿膨脹率<0.1%,則骨料是無害的;膨脹率>0.2%,則表明骨料具有潛在危害性反應(yīng)的堿活性;膨脹率在0.1%～0.2%之間為可疑骨料,需進(jìn)行其他必要的輔助試驗,也可將試件延長至28 d齡期觀測來作最后定論。

玄武巖骨料堿活性砂漿棒快速法檢測結(jié)果見表6。由表6可以看出,2017—2021年所檢測84組玄武巖骨料有74組判定為非活性骨料,占比88%;10組玄武巖骨料判定為具有潛在危害性反應(yīng)的活性骨料,占比12%。其中,10組具有潛在危害性反應(yīng)骨料的取樣時間位于2017—2018年,其28 d膨脹率最大值為0.24%;2019—2021年期間所取樣的54組玄武巖骨料均為非活性骨料。這是由于現(xiàn)場根據(jù)本試驗研究反饋的玄武巖骨料巖性鑒定和堿活性檢測的試驗結(jié)果,在開挖過程中加強(qiáng)了地下洞室開挖料的現(xiàn)場鑒定,并在骨料生產(chǎn)過程中加強(qiáng)了砂石系統(tǒng)母巖的機(jī)械分選,降低了含活性礦物成分玄武巖骨料的比例,從源頭保證了玄武巖骨料的品質(zhì)。

表6 玄武巖骨料堿活性試驗結(jié)果(砂漿棒快速法)

2.3 混凝土棱柱體法

為進(jìn)一步評價拌和系統(tǒng)取樣玄武巖骨料的堿活性,需采用混凝土棱柱體法進(jìn)行檢測,試驗評定標(biāo)準(zhǔn)為:1 a齡期試件的膨脹率<0.04%,則骨料判定為非活性骨料;1 a齡期試件的膨脹率≥0.04%時,則骨料判定為具有潛在危害性反應(yīng)的堿活性。

采用混凝土棱柱體法檢測的玄武巖骨料堿活性試驗結(jié)果見表7和圖2。

注:ST19-4-2為玄武巖骨料的取樣編號,代表三灘拌和樓2019年4季度2號樣品;HT為荒田拌和樓。

表7 玄武巖骨料堿活性試驗結(jié)果(混凝土棱柱體法)

試驗結(jié)果表明,2017—2021年期間所檢測16組混凝土棱柱體試件365 d膨脹率均<0.04%,據(jù)此判定所取樣玄武巖骨料均為非活性骨料。與此同時,對2017—2021年期間所成型16組混凝土棱柱體試件進(jìn)行了長齡期觀測,各試件的膨脹曲線平緩,在90 d齡期后收斂,其1 460 d齡期膨脹率也均<0.04%,未產(chǎn)生危害性的堿-骨料反應(yīng)。根據(jù)“當(dāng)砂漿棒快速法與混凝土棱柱體法的結(jié)果不一致時,以混凝土棱柱體的試驗結(jié)果為準(zhǔn)”的判定規(guī)則,白鶴灘水電站施工期地下洞室混凝土所使用的玄武巖骨料均為非活性骨料。2017—2018年的骨料中含有角礫熔巖,含杏仁玄武巖、杏仁玄武巖的含量也較高,這些巖石含有一定量的微晶石英或隱晶質(zhì)石英,導(dǎo)致了部分骨料的砂漿棒快速法28 d膨脹率>0.20%;這些微晶石英或隱晶質(zhì)石英不屬于高活性,且含量不高,所以用混凝土棱柱體法檢測均為非活性。

2.4 粉煤灰抑制有效性試驗

選取砂漿棒快速法試驗中28 d膨脹率>0.2%的具有潛在危害性反應(yīng)堿活性的玄武巖骨料,內(nèi)摻粉煤灰作為抑制堿-骨料反應(yīng)的措施,分別采用砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法進(jìn)行堿-骨料反應(yīng)抑制措施有效性試驗檢驗粉煤灰的抑制作用。試驗所用水泥為低熱42.5硅酸鹽水泥,堿含量為0.40%,外加NaOH分別使水泥堿含量達(dá)到0.90%(砂漿棒快速法)、1.25%(混凝土棱柱體法),粉煤灰為F類I級粉煤灰,粉煤灰摻量選取為0、20%、25%這3種含量。采用砂漿棒快速法、混凝土棱柱體法檢測的玄武巖骨料堿活性抑制試驗結(jié)果見圖3。

圖3 堿-骨料反應(yīng)抑制措施有效性試驗結(jié)果

砂漿試件28 d齡期長度膨脹率<0.1%,且混凝土試件2 a齡期長度膨脹率<0.04%,抑制效果評定為有效。從圖3可以看出:在摻入粉煤灰后,摻含活性成分玄武巖骨料砂漿和混凝土對比試件的膨脹率出現(xiàn)大幅減小,表明粉煤灰的摻入具有顯著抑制堿-骨料反應(yīng)的作用;以砂漿棒快速法試件為例,當(dāng)摻入20%、25%的粉煤灰后,砂漿對比試件28 d齡期的膨脹率均<0.10%,能有效抑制堿-骨料反應(yīng)的發(fā)生,相比未摻加粉煤灰時降低達(dá)73%、83%。由此可見,在采用堿含量0.40%低熱42.5硅酸鹽水泥的條件下,20%粉煤灰的摻入即可有效抑制堿-骨料反應(yīng)的發(fā)生。

2.5 微觀分析

將養(yǎng)護(hù)到齡期的砂漿棒快速法、混凝土棱柱體法試件表面鍍金,采用日本電子JSM-6610掃描電鏡(SEM)觀察水泥水化產(chǎn)物和水泥-骨料界面過渡區(qū)微觀形貌,并分析微區(qū)元素組成?；炷晾庵w法和砂漿棒快速法試件中玄武巖骨料周邊水泥漿體SEM微觀形貌見圖4,EDS微區(qū)元素分析結(jié)果見表8。

圖4 砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法試件SEM圖像

表8 EDS分析結(jié)果

從圖4可以看出,砂漿棒快速法試件中玄武巖骨料與膠凝材料的界面處,SiO2膠結(jié)物遭堿溶蝕并結(jié)構(gòu)破壞,在少量骨料顆粒表面有花瓣狀的堿硅凝膠產(chǎn)生,結(jié)構(gòu)明顯比較疏松,并且潛伏著膨脹性,界面有較明顯的堿-骨料反應(yīng)跡象?；炷晾庵w法試件(0%粉煤灰和25%粉煤灰)玄武巖骨料與膠凝材料膠結(jié)良好,骨料表面礦物顆粒結(jié)構(gòu)致密,膠凝材料與骨料均未見裂隙,界面處有大量塊狀水泥凝膠,未見堿硅凝膠和骨料侵蝕現(xiàn)象。

從表8所示的試驗數(shù)據(jù)可知,玄武巖骨料周邊的水化產(chǎn)物(以氧化物計)主要有CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3,還有少量MgO、Na2O和K2O,化學(xué)組成與水泥水化產(chǎn)物成分相近。堿硅反應(yīng)產(chǎn)物中Na2O、K2O含量一般較高,而混凝土棱柱體法試件水泥反應(yīng)產(chǎn)物中Na2O和K2O含量較低,說明無堿硅反應(yīng)凝膠產(chǎn)生;砂漿棒快速法試件水泥反應(yīng)產(chǎn)物中Na2O含量偏高,說明有堿硅凝膠反應(yīng)產(chǎn)生,該試驗結(jié)果與掃描電鏡觀測結(jié)果一致。

SEM、EDS試驗結(jié)果表明,含有活性成分的玄武巖骨料僅在高溫和高堿的試驗條件下會發(fā)生堿-骨料反應(yīng);通過采用低堿含量的低熱42.5硅酸鹽水泥,并添加不低于20%的粉煤灰作摻合料,不會產(chǎn)生危害性的堿-骨料反應(yīng)。

3 結(jié) 論

(1)白鶴灘水電站施工期玄武巖骨料中含有玄武巖、杏仁玄武巖、含杏仁玄武巖、角礫熔巖等巖石,主要礦物成分有斜長石、輝石、綠泥石和石英等,部分巖石含有少量的微晶-隱晶石英、硅質(zhì)玉髓等活性礦物成分。

(2)經(jīng)巖相法、砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法等多種試驗結(jié)果綜合評定,白鶴灘水電站施工期所用玄武巖骨料均為非活性骨料。

(3)內(nèi)摻粉煤灰大幅降低了含活性成分玄武巖骨料砂漿和混凝土對比試件的膨脹率,20%摻量粉煤灰即可有效抑制發(fā)生堿-骨料反應(yīng)。

(4)SEM及EDS微觀分析表明,含活性礦物成分的玄武巖骨料僅在高溫和高堿的條件下才會發(fā)生堿-骨料反應(yīng)。在使用堿含量<0.60%的低熱42.5硅酸鹽水泥且摻入≥20%粉煤灰作摻合料的條件下,白鶴灘水電站施工期玄武巖骨料用于混凝土工程不會產(chǎn)生危害性的堿-骨料反應(yīng)。