抑制堿活性與混凝土配合比優化相結合的思路分析

王 雷， 婁 鑫

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213)

1 概 述

涼山州木里河固增水電站工程采用引水式開發，工程主要包括首部樞紐、引水隧洞、調壓室、壓力管道、廠房及其他建筑物。該項目主體工程混凝土工程量約為31.79萬m3，高峰月強度約為2.4萬m3。混凝土設計強度為28 d齡期抗壓強度。

固增水電站混凝土生產用骨料的料源為洞室開挖洞渣及料場山體爆破的巖石。在骨料加工生產前，項目部委托成都院及水電七局試驗檢測研究院對骨料料源的堿骨料潛在危害性進行了試驗。試驗結果表明：固增水電站采用的骨料料源存在潛在堿骨料危害性。試驗室按照《水工混凝土砂石骨料試驗規程》DL/T5151-2014[1]中快速砂漿棒法進行的測試結果表明：28 d膨脹率為0.632%，不滿足規范要求的小于0.2%的要求。

按照以往經驗，摻加粉煤灰可以抑制堿骨料存在的潛在危害性。但隨著粉煤灰摻量提高，水泥用量減低，容易引起混凝土早期強度過低，對拆模時間有影響，尤其是隧洞襯砌混凝土過長的拆模等待時間會影響到施工進度；若粉煤灰摻量提高，水泥用量不降低，則會引起成本大幅度增加。

因此，如何解決這一問題成為該工程的關鍵點，亦成為項目管理的關鍵點。對解決該問題的具體過程進行了詳述。

2 試驗研究

2.1 試驗材料

(1)水泥。該工程選用的水泥為PO42.5水泥，PO42.5水泥物理力學性能檢驗報告見表1。

表1 PO42.5水泥物理力學性能檢驗報告表

(2)粉煤灰。該工程選用的粉煤灰為Ⅱ級F類粉煤，Ⅱ級F類粉煤灰品質檢驗報告見表2。

表2 Ⅱ級F類粉煤灰品質檢驗報告表

此類粉煤灰亦被稱為“吹灰”或“燒灰”。

與之相對應的是一種被稱之為“磨灰”或“磨細灰”的粉煤灰。該類粉煤灰摻入混凝土中并不能起到傳統粉煤灰增加混凝土后期強度、減少部分水泥用量和抑制堿骨料反應的效果，只能起到調節混凝土和易性的作用，因此，在選擇粉煤灰時，一定要注意這兩類粉煤灰的區別。

(3)減水劑。該工程選用的的減水劑為GK-3000高性能減水劑，GK-3000高性能減水劑品質檢驗報告見表3。

表3 GK-3000高性能減水劑品質檢驗報告表

2.2 試驗方法

(1)理論依據。《水工混凝土結構設計規范》DL/T 5057-2009[5]中的6.1.5款規定：在混凝土結構構件設計中，不宜利用混凝土的后期強度，但經過充分論證后，也可根據建筑物的型式、所在地區的氣候條件以及開始承受荷載的時間采用60 d或90 d齡期的抗壓強度。

根據此條款內容得知：在特定的條件下，經過充分論證后亦可考慮利用60 d或90 d齡期的抗壓強度。

(2)確定方案。為了解決混凝土骨料的堿活性，需要在混凝土配料時提高粉煤灰的摻量比例。而提高“吹灰”粉煤灰的摻量比例勢必會導致混凝土后期強度的提高，若對這部分后期強度不加以利用，實質上是對工程質量的過度投入。加之粉煤灰摻量增大后，還會降低混凝土的水化熱，對大壩、廠房結構物大體積混凝土抗裂十分有利。

根據該工程前期混凝土配合比試驗總結出以下結論：與“磨灰”相比，使用“吹灰”拌制混凝土時，在混凝土28 d強度一致時，能夠減少水泥的摻量，且“吹灰”混凝土早期強度更高。

由于粉煤灰的市場價格一般低于水泥的價格，所以，多摻粉煤灰可以在一定程度上減少水泥的摻量，進而達到節約成本的目的。

綜上所述，總承包部決定研究使用高摻“吹灰”粉煤灰，同時推動工程將混凝土28 d齡期強度改為90 d齡期強度的設計變更，既可解決骨料的堿活性問題，又可以利用抑制堿活性材料(粉煤灰)提高混凝土強度。

2.3 相關試驗

(1)抑制堿活性試驗。在上述理論基礎上進行了不同粉煤灰摻量下的堿骨料抑制試驗，所取得的堿骨料抑制試驗成果見表4。

表4 堿骨料抑制試驗成果表

從堿骨料抑制試驗成果表(表4)可以看出：粉煤灰摻量在30%時的抑制效果滿足規范要求小于等于0.1%的要求。

(2)粉煤灰摻量對照試驗。上述試驗結果表明：目前固增水電站的粉煤灰摻量不應低于30%。在該前提條件下，試驗室開展了相關試驗，所取得的粉煤灰不同摻量砂漿強度試驗成果見表5。

表5 粉煤灰不同摻量砂漿強度試驗成果表

從表5中的試驗數據可以看出：

①摻加粉煤灰的混凝土在28 d齡期時，30%、35%摻量的抗壓強度均大于不摻加粉煤灰的混凝土抗壓強度；

②摻加粉煤灰的混凝土在90 d齡期時，30%、35%摻量的抗壓強度較不摻加粉煤灰的混凝土抗壓強度增長較多；

③當粉煤灰摻量超過35%時，混凝土的前期抗壓強度出現了明顯的下降，且其90 d的抗壓強度較30%、35%粉煤灰摻量的混凝土強度出現了一定程度的下降；

④粉煤灰摻量為30%、35%時，其90 d的抗壓強度是28 d抗壓強度的1.2倍以上，該水膠比時90 d抗壓強度較28 d抗壓強度增長了10 MPa。

從表5中的檢測數據及結論可以看出：28 d后混凝土強度會因為粉煤灰的二次反應增長明顯。如果將設計齡期從28 d更改至90 d，將會在一定程度上降低后期強度的浪費。

(3)配合比設計。根據設計圖紙，對混凝土的設計要求見表6。

表6 混凝土設計要求表

經過多次試驗優化和調整，最終采用的調整后的混凝土配合比見表7。

表7 調整后的配合比(參考)表

2.4 應用實例

水電工程建設的施工技術發展已有百年歷史。在查閱了近30 a修建的水電站相關資料發現，在大體積混凝土及結構前期對強度要求不高的工程混凝土施工當中多數采用90 d或更長的混凝土設計齡期；對于所摻加的粉煤灰，其摻量從20%～40%不等。當粉煤灰摻量超過25%時，混凝土的設計齡期多為90 d(90 d及以上)。90 d設計齡期混凝土引用實例見表8。

表8 90 d設計齡期混凝土引用實例表

從應用實例可以看出：目前國內特大型、大型、中型水電站在混凝土澆筑過程中采用90 d及其以上的設計齡期較為普遍，且在結構投入運行后運行狀態良好。

2.5 可能存在的問題

(1)由于引水隧洞混凝土施工作業循環周期短、混凝土前期抗壓強度不能滿足設計要求，可能存在安全隱患，因此，對于隧洞襯砌的脫模時間需要經過現場試驗確定。

(2)按照工期要求，2019年5月混凝土需澆筑至高程2 206 m以上，使1號、2號泄洪閘具備過流條件。根據具體的施工情況可能存在在汛期到來之時混凝土澆筑齡期過短給結構安全運行帶來隱患。針對該問題，可以采用區別對待的方式：對于等強時間足夠的混凝土，可以采用90 d齡期強度混凝土；對于不足等強時間的混凝土，則仍使用28 d齡期強度混凝土。

(3)由于部分廠房工程施工的現澆板梁柱結構對混凝土前期強度及施工工期要求較為嚴格，不適于采用長齡期混凝土澆筑。鑒于該工程廠房施工采用“先框架后機窩”的施工順序，故其框架板梁柱承受設計的外部荷載的時間普遍大于3個月，且廠房發電通水時間滯后首臺機蝸殼、風罩混凝土亦超過了30 d，故廠房可以采用90 d設計齡期混凝土。

3 結 語

根據固增水電站混凝土的實際施工情況及配合比試驗成果得出了以下結論：

(1)抑制堿骨料反應時，粉煤灰摻量不應低于30%。該摻量對于降低混凝土前期水化熱、提高混凝土后期強度有益。因此，最終將設計齡期從28 d更改至90 d是有利的。

(2)將設計齡期從28 d更改至90 d對于其給部分現場混凝土結構運行安全帶來的隱患可以通過調整配合比參數、調整施工作業工序、延續采用28 d設計齡期混凝土配合比進行解決與處理。

(3)根據規范內容：在混凝土結構構件設計中，不宜利用混凝土的后期強度。但在經過充分論證后，也可根據建筑物的型式、地區的氣候條件以及開始承受荷載的時間采用60 d或90 d齡期的抗壓強度。

在規范條文、混凝土配合比強度試驗和等強工期分析全方位支撐下，固增水電站工程最終的混凝土設計齡期由28 d更改至90 d。

由于篇幅所限，文中未將上述可能存在的問題的論證過程和詳細的配合比設計過程進行詳細闡述，因此，新項目在計劃借鑒本實例經驗時應進行詳細的論證，科學規劃應用范圍，利用理論知識為現場施工提供科學、合理、經濟的建議。

經過成本測算得知：固增水電站混凝土配料的最終成本較之前降低了1 500萬元，獲得了良好的工程效益和經濟效益。