基于抑制堿集料反應的襯砌混凝土配合比設計
——以新疆JH一級水電站引水隧洞工程為例

王戰勝

（中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610225）

0 引言

新疆JH一級水電站的主要任務是動能回收。樞紐由攔河壩、泄洪洞、排沙洞、發電引水系統進水口、引水洞和電站、過魚建筑物、生態放水建筑物組成。攔河壩、泄洪建筑物、引水建筑物、電站、魚道及生態放水管為2級，次要建筑物為3級。有壓引水隧洞上游接進水口，下游接調壓室，洞徑6.2m，設計流速4.07m/s，鋼筋混凝土襯砌。自進口至調壓室共由3條直線洞段和2條圓弧洞段組成，隧洞總長7563.18m，所有引水隧洞襯砌混凝土均要采用當地產骨料、水泥。

新疆JH一級水電站地區骨料均具有堿活性，附近水泥廠受當地原材料限制均無法生產低堿水泥，采用這種骨料配置混凝土對耐久性產生不利影響，存在潛在的堿集料，可能導致結構裂縫或者破壞。而外購低堿水泥及無堿活性骨料均需前往幾千公里外甘肅省才能實現，成本高。因此，結合當地資源，以抑制堿集料反應為出發點開展襯砌混凝土配合比設計，對該工程建設意義重大。

1 堿-骨料反應對混凝土破壞機理

混凝土堿-骨料反應（Alkali-aggregate reaction,AAR）是指骨料中的特定成分在一定條件下與混凝土中的水泥、外加劑、摻合劑等中的堿物質進一步發生化學反應，導致混凝土結構產生膨脹、開裂等現象，嚴重的會使混凝土結構破壞，是影響混凝土耐久性的重要因素之一；混凝土堿-骨料反應根據反應機制可分為堿硅酸鹽反應和堿碳酸鹽反應：堿-硅酸反應（Alkali-Silica Reaction，簡稱ASR），是指混凝土中的堿與不定型二氧化硅的反應；堿-碳酸鹽反應（Alkali-Carbonate Reaction，簡稱ACR），是指混凝土中的堿與某些碳酸鹽礦物的反應。堿-骨料反應是固相與液相之間的反應，其發生具備三個要素：Ⅰ堿活性骨料；Ⅱ有堿存在（K+、Na+等離子）；Ⅲ水。破壞情況見圖1。

圖1 混凝土堿-骨料反應裂縫

2 混凝土配合比設計用原材料

（1）水泥。采用天山水泥有限責任公司生產的P·O42.5級水泥；水泥化學成分、物理力學性能指標見表1、表2所示。

表1 水泥中化學成份(單位：%）

表2 水泥物理力學性能指標

（2）粉煤灰。粉煤灰采用新疆瑪納斯發電有限責任公司生產的Ⅰ級粉煤灰，性能指標見表3所示。

表3 粉煤灰化學分析及物理性能指標（單位：%）

（3）骨料。骨料采用CHT料場生產骨料，性能指標見表4所示。

表4 骨料性能指標

根據堿活性試驗（砂漿棒快速法）結果顯示CHT料場生產的骨料14d 膨脹率均不小于0.1%，需進行抑制堿有效性試驗。

（4）外加劑。外加劑采用五家渠格輝化工有限責任公司生產的FND減水劑和GH-AE 型引氣劑，性能指標見表5所示。

（5）混凝土拌合用水。混凝土拌和用水為JH 一級水電站工程旁JH河水，水質化學分析結果見表6所示。

3 抑制堿活性反應的有效性試驗

堿活性反應抑制有效性試驗主要是通過砂漿棒快速法測定試件的相關性能指標，以驗證抑制材料對堿-骨料反應危害的抑制效果，以對比試件的28d 膨脹率小于0.1%為判斷該摻量抑制材料的抑制效果為有效的標準[1]。

砂漿棒快速法的試件配合比按照減水劑摻量0.8%，引氣劑摻量0.035%，粉煤灰摻量分別0、5%、10%、15%、20%、25%、30%制作7種試件，其配合比見表7所示，砂料級配見表8 所示。每個試件在80±2℃的環境中養護28d測量膨脹率見表9所示。

表7 砂漿棒快速法試件配合比組成

表8 砂漿棒快速法試件砂級配組成

表9 砂漿棒28d膨脹率

表9 試驗結果顯示，粉煤灰摻量不小于15%的情況下28d 對比試件膨脹率小于0.1%，說明該粉煤灰摻量情況下的抑制材料對堿-骨料反應危害抑制效果為有效。后面將根據粉煤灰摻量不小于15%進行抑制堿活性混凝土的配合比設計。

4 抑制堿活性混凝土的配合比設計

4.1 試配強度

抑制堿活性混凝土的試配強度應按下式確定：

式中：fcu,o——混凝土試配強度，MPa；

fcu,k——混凝土強度標準值，MPa；

σ——混凝土強度標準差，當無統計數據時，混凝土可取4.0MPa[2]。

抑制堿活性混凝土設計指標為：C25W6F200，fcu,o≥25+1.645×4.0=31.58MPa。

4.2 配合比設計參數及試件性能檢測

根據混凝土配合比的要求確定抑制堿活性混凝土的配合比見表10所示；抑制性材料粉煤灰摻量為15%、20%、25%、30%。

表10 確定抑制堿活性混凝土的配合比

拌合物性能及抗壓強度測試結果見表11 所示。表11 結果顯示，混凝土中抑制性材料粉煤灰摻量15%和20%時，28d 抗壓強度大于31.58MPa，抗凍指標不小于200 次凍融循環，抗滲等級不小于W6，滿足C25W6F200設計指標要求。綜合考慮堿活性抑制性試驗結果，抑制性材料摻量越大抑制效果越好，且粉煤灰摻量增大可以提高混凝土和易性和經濟性，抑制堿活性混凝土配合比YZ-02 滿足設計要求，即粉煤灰摻量為20%。

表11 拌合物性能及抗壓強度

4.3 混凝土配合比確定

根據試驗結果以及當地原材料情況，最后選定的抗硫酸鹽侵蝕混凝土配合比見表12所示。

表12 最終確定的抑制堿活性混凝土配合比(單位：kg)

4.4 混凝土配合比總堿含量計算

根據抑制堿活性混凝土原材料堿含量檢測結果，以及規范要求抑制性材料粉煤灰帶入混凝土總堿含量為有效堿的20%[3]，最后計算抑制堿活性混凝土配合比的總堿含量見表13所示。由表13可知，混凝土每立方米總堿含量為2.528kg/m3，滿足水工混凝土施工規范每立方米總堿含量不大于3.0kg/m3的要求。

表13 抑制堿活性配合比總堿含量

5 混凝土棱柱體長期抑制性試驗

按照抑制堿活性混凝土配合比成型尺寸為75mm×75mm×275mm 的試塊3 組，分別編號為：YZH-01、YZH-02、YZH-03，將試塊放在（38±2）℃的高濕環境中進行養護2 年，分別測定膨脹率：YZH-01 為0.028%，YZH-02 為0.026%，YZH-03 為0.023%，2 年時間3 組的膨脹率平均值為0.026%，最大值為0.028%，滿足2年齡期試件膨脹率小于0.04%的要求，該種抑制材料摻量對堿集料反應抑制有效。

6 結束語

通過以上試驗分析可知，在無低堿水泥的情況下，通過摻加20%的粉煤灰，在此摻量范圍內進行引水隧洞襯砌混凝土配合比試驗，試驗表明該摻量粉煤灰抑制堿活性結果滿足規范要求。新疆地區普遍存在堿活性骨料，使用當地骨料摻加抑制性材料粉煤灰進行混凝土工程施工，成本較低且能夠有效抑制混凝土堿活性反應，為工程建設的成本降低，提升經濟效益發揮重要作用。