高堿活性砂巖骨料在混凝土防滲面板中的應用

李寶仁，張軍，朱安龍，黃佳樂，夏萬求

（1.遼寧清原抽水蓄能有限公司籌建處，遼寧省沈陽市 110000；2.中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，浙江省杭州市 310000；3.江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西省南昌市 330603）

高堿活性砂巖骨料在混凝土防滲面板中的應用

李寶仁1，張軍1，朱安龍2，黃佳樂3，夏萬求3

（1.遼寧清原抽水蓄能有限公司籌建處，遼寧省沈陽市 110000；2.中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，浙江省杭州市 310000；3.江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西省南昌市 330603）

混凝土骨料的堿活性對混凝土的危害極大，嚴重威脅混凝土工程的安全運行。洪屏抽水蓄能電站工程上水庫防滲面板采用砂巖作為混凝土骨料，根據試驗檢測該砂巖骨料具有較強的堿活性。為確保工程安全運行，在有效抑制骨料堿活性的同時得到各項性能均滿足防滲面板要求的混凝土，分別對粉煤灰、礦渣灰、硅灰以及復合摻加粉煤灰和硅灰的抑制效果以及混凝土性能進行試驗研究。研究顯示，上述摻合料均可以達到有效抑制骨料堿活性的作用，但不同的摻合料對混凝土的性能存在不同的影響。通過混凝土配合比優化設計最終選定本工程采用的混凝土配合比，根據試驗檢測混凝土各項性能滿足設計和規范要求，成功實現了高堿活性砂巖骨料在混凝土防滲面板中的應用。

混凝土防滲面板；堿活性；砂巖；粉煤灰；礦渣灰；硅灰

0 引言

對于大型水電站，骨料的選用一般是就地取材，以取得良好的經濟性。然而根據目前工程運行和研究發現，一些骨料存在堿活性反應（簡稱ARR反應）問題，嚴重危害了混凝土建筑物的安全。例如砂巖、石灰巖、流紋巖、安山巖等。混凝土工程一旦發生ARR反應便難以遏制，不僅導致混凝土膨脹開裂，同時會促使混凝土其他性能的破壞作用加劇，最終導致混凝土結構散失使用功能，危及混凝土結構安全。ARR不僅危害大，而且基本無法修補，只能進行拆除重建，損失巨大，被稱為混凝土的“癌癥”。

洪屏抽水蓄能電站采用地下硐室開挖料，巖性為變質含礫中粗砂巖，具有較高的堿活性。本工程上水庫兩座混凝土面板堆石壩及庫岸防滲面板均采用該料作為混凝土骨料，防滲面板混凝土總方量約1.4萬m3。混凝土防滲面板是大壩和庫岸唯一的防滲層，而且為薄層結構，一旦發生堿活性反應造成面板破壞，將危及上水庫乃至整個工程的安全。因此抑制骨料的堿活性并得到滿足設計要求的混凝土是本工程需要解決的重要難題。本工程通過系統的堿活性抑制和配合比優化試驗研究，成功地解決了該砂巖骨料的堿活性問題，將高膨脹率堿活性砂巖應用于大型水電站防滲面板。

1 面板混凝土性能要求及原材料

1.1 面板混凝土材料性能要求

本工程防滲面板混凝土試驗設計指標及要求見表1。

表1 面板混凝土設計指標及要求Tab.1 Designed indexes and demands for concrete panel

其他未提及指標要求滿足《水工混凝土結構設計規范》（DL/T 5057—2009）要求。

1.2 混凝土原材料

混凝土粗骨料及人工砂均為地下硐室開挖的變質含礫中粗砂巖，水泥采用江西豐城南方水泥有限公司生產的“南方”牌P.O42.5水泥（以下簡稱“南方普硅”）；粉煤灰采用上高縣鼎易工程服務有限公司生產的Ⅱ級粉煤灰；外加劑采用安徽亨通外加劑有限公司生產的CH-S高效聚羧酸減水劑和CH引氣劑；纖維采用江蘇恒神纖維材料有限公司生產的“丹強絲”混凝土/砂漿抗裂防滲纖維。上述原材料均為本工程實際所采購的產品。

人工骨料的物理性能檢測均滿足規范要求；水泥的檢測結果表明，南方普硅水泥的性能符合國標技術要求，水泥28d抗壓強度56.2MPa，富裕較多。粉煤灰的品質檢測結果表明，除了粉煤灰的細度滿足Ⅱ級粉煤灰的技術要求，其他性能均滿足I級粉煤灰的技術要求。

2 骨料堿活性抑制措施研究

根據目前的研究成果，粉煤灰、礦渣灰、硅灰等對骨料的堿活性具有較好的抑制作用，目前我國采用比較多的是粉煤灰。但是對于具體的摻入量受原材料的影響存在一定的差異，而且摻量還要受混凝土其他方面性能的約束。本工程為了進一步查明不同摻合料的抑制效果及摻量影響，對粉煤灰、礦渣灰、硅灰等進行了對比試驗，并試探性的研究了混凝土含砂率、含氣量對膨脹性的影響。

不同試驗方法的檢測結果見表2，根據結果可以得出以下結論：

（1）本工程所用的砂巖骨料均存在堿活性骨料反應危害，砂漿棒快速法和混凝土棱柱體法檢測的膨脹率分別達到0.4%、0.081%。堿活性之高在國內工程中少見。

（2）粉煤灰、礦渣灰、硅灰對砂巖骨料堿活性均具有顯著的抑制效果，隨著摻量的增加，抑制效果有所增強。不同摻量抑制效果顯示，當摻量達到有效抑制效果后，繼續增加摻量的必要性不大。

（3）起到理想抑制效果時不同材料的摻量差別較大，一般情況下粉煤灰摻量達到20%、礦渣灰50%、硅灰4%均可以達到有效抑制的目的。

（4）本次試驗顯示，砂率和含氣量對混凝土的膨脹性存在一定的影響。隨著砂率的減小或者含氣量的增加，混凝土膨脹性有所減弱。

表2 不同方案試驗成果表Tab.2 Experimental results for different testing planes

3 面板混凝土配合比優化設計

3.1 面板混凝土配合比優選試驗

對單摻或復合摻加粉煤灰、礦粉、硅灰，不同石粉含量、含氣量、抑制劑等措施進行混凝土優選試驗，優選試驗內容包括：拌和物性能、抗壓強度、劈裂抗拉強度、極限拉伸值、干縮等。基本配合比的水膠比根據設計和規范要求以及其他工程面板混凝土配合比，定為0.40。考慮到施工運輸過程中坍落度損失，混凝土試驗坍落度控制在6～8cm。在此基礎上進行以下抑制措施優選試驗。優選試驗各配合比見表3。

表3 面板混凝土優選配合比Tab.3 Optimized concrete match ratio

3.2 試驗成果與分析

（1）力學性能影響研究。各配合比下混凝土的物理力學性能測試結果見表4（僅列出28天測試成果）。試驗結果表明，隨著粉煤灰的增加，混凝土的各項力學性能均有較大的降低；而隨著硅灰摻量的增加，混凝土的各項力學性能有所提高。粉煤灰和硅灰各摻量下各項力學性能均滿足設計指標要求。礦渣灰摻量為50%時，強度較低，與摻粉煤灰和硅灰相比降低程度較大，且抗壓強度不滿足設計指標要求。

（2）混凝土干縮性研究。由于采用砂巖骨料，存在早期吸水腫脹然后逐漸失水收縮引起的變形，混凝土的干縮均較大，90d齡期混凝土的干縮率達到（600±50）×10-6，比天然骨料混凝土的干縮增大較多。不同摻合料的混凝土干縮相差不大，硅粉混凝土干縮略大。

表4 物理力學性能Tab.4 Physical and Mechanical properties

4 面板混凝土配合比優選

根據不同摻合料對比試驗，從測試的力學性能而言除摻礦渣灰試件不滿足設計指標要求外，其他各試件均滿足。但是對比各力學性能的差異發現，摻有硅灰的早期強度提高很多，比較適合高強混凝土，對面板限裂存在一定的不利影響。結合堿活性抑制試驗成果，選擇水灰比0.4，沙率39%、摻25%粉煤灰的配合比作為基礎配合比，并結合限裂要求摻加1kg/m3改性聚丙烯纖維，進一步優化后推薦的混凝土配合比見表5。

表5 推薦配合比Tab.5 Recommended concrete match ratio

通過測試，該配合比下各項性能測試結果見表6。結果顯示，各項指標均滿足設計和規范要求，混凝土性能優異。

表6 推薦配合比混凝土物理力學性能Tab.6 Physical and Mechanical properties of recommended concrete match ratio

5 結束語

本工程由于采用硐室開挖的變質含礫中粗砂巖作為混凝土面板人工骨料，經測試骨料為具有潛在危害性活性骨料。砂漿棒快速法14d膨脹率0.448%，棱柱體法52周膨脹率0.081%，屬于高膨脹性骨料。膨脹率如此之高的砂巖骨料在防滲面板中的使用尚屬首次。

本工程分別對粉煤灰、礦渣灰、硅灰及粉煤灰+硅灰的堿活性抑制效果進行研究。成果表明對于本工程所用砂巖骨料，20%以上的粉煤灰、50%以上礦渣灰、4%以上硅灰或者20%粉煤灰+4%以上硅灰均可以有效抑制骨料的堿活性。

由于堆石壩對防滲面板性能要求較高，本工程在充分試驗論證的基礎上優選水灰比為0.4，人工砂率39%，摻加25%的粉煤灰以及1kg/m3改性聚丙烯纖維作為面板混凝土配合比。根據試驗，混凝土各項性能均滿足設計和規范的要求。

截至目前，本工程面板施工已完成近半年。經過參建單位聯合檢查，面板裂縫控制效果比較顯著，混凝土配合比設計合理。

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Application of High Alkali Active Sandstone Aggregates in Concrete Impervious Face Slab

LI Baoren1，ZHANG Jun1，ZHU Anlong2，HUANG Jiale3，XIA Wanqiu3
（1.Liaoning qingyuan Institute Pumped Storage Company Limited，Shenyang 110000，China；2.East China Survey and Design Institute of China Hydropower Consulting Group，Hangzhou 310000，China；3.Jiangxi Hongping Pumped Storage Company Limited，Hongping 330603，China）

The alkali activity of concrete aggregates has great harm to the concrete，which seriously threatens the safety operation of the concrete project.The sandstones are used as concrete aggregates to pouring impervious face slabs in Hongping Pumped Storage project.The experiments show that the sandstone aggregates have strong alkali activity.To ensure the safe operation of the project，and effectively inhibit aggregate alkali activity，the performances of mixed concrete meet the needs for impervious face slab.The effects of mixed fly ash，slag，and silica fume on concrete performances are investigated experimentally.Research shows that the admixtures can effectively suppress the role of aggregate alkali activity，and different blending material performances have some effect on concrete performances.Through the concrete match ratio optimization design，ultimately reasonable match ratio of concrete materials is determined.According to test results of the properties of concrete，the successful implementation of the application of high alkali reactivity of sandstone aggregate in concrete impermeable panel is performed.

concrete impervious face slabs； alkali activity；sandstone ； fly ash ； slag ； silica fume

TV741 文獻標識碼：A 學科代碼：570.35 DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2016.06.012

2016-07-15

張 軍（1971—），男，本科，高級工程師，主要研究方向：水利工程，水工。