阜康抽水蓄能电站骨料碱活性及抑制试验研究

（新疆阜康抽水蓄能有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011）

0 引言

混凝土碱骨料反应（AAR）[1]是混凝土组成中水泥、外加剂、掺合料或拌和水中可溶性碱（钾、钠）溶解后与骨料中活性成分反应，其生成物吸水膨胀，使混凝土产生内应力，导致混凝土开裂甚至破坏[2]，是影响混凝土耐久性的重要因素之一。AAR 通常在工程服役多年后才发生，不仅很难阻止其破坏继续发展，且破坏后不宜修复，被称之为混凝土的“癌症”[3]。因此，在工程设计论证及建设过程中，应重视混凝土骨料碱活性论证工作。

1 概述

新疆阜康抽水蓄能电站位于新疆昌吉回族自治州阜康市境内，电站装机容量1200MW，为一等大（1）型工程，电站枢纽工程由上下水库、泄洪建筑物、输水系统、地下厂房及开关站等组成。混凝土骨料采用三岔子沟砂砾石料，料层为第四系冲洪积含漂石砂卵砾石层，卵砾石岩性以砂岩、砂砾岩、凝灰岩为主，少量灰岩、花岗岩等，砂粒成份为石英、长石及岩屑等，料场有用层储量约240×104m3。

阜康抽水蓄能电站可研阶段，设计单位在拟选的三岔子沟砾石料场取料，委托专业机构采用岩相法、砂浆棒快速法和混凝土棱柱体法进行骨料碱活性试验，综合相应试验成果表明，拟选三岔子沟砾石料场为具有潜在危害性反应的活性骨料，如作为混凝土骨料，存在发生碱活性反应的可能性。同时，2016年8月2日，下水库白杨河发生千年一遇特大洪水，对河床扰动比较大，下水库三岔子沟砂砾石料场变化比较大，为了确保工程安全与长期运行，进一步确认阜康抽水蓄能电站骨料碱活性特性，在施工阶段结合现场骨料生产加工情况，采用砂浆棒快速法再次开展骨料碱活性有关复核论证和碱活性抑制试验。

2 试验成果及分析

2.1 可研阶段骨料碱活性试验

2.1.1 骨料岩相法鉴定结果分析

三岔子沟天然料中，天然砂：试样中石英和长石占 50%～60%，含量较高，所以发生碱-硅酸反应的可能性较大；天然小石：试样中存在由岩屑、晶屑、少量玻屑组成的火山碎屑，基质中的一些定向板条状长石，可能由酸性玻屑变成，岩屑中含有少量石英和酸性火山岩，这些均存在发生碱-硅酸反应的可能性；天然中石：试样中含有少量火山碎屑，强烈定向，极不稳定；基质中有少量填充的酸性玻璃，强塑性变形，极不稳定。因此存在发生碱-硅酸反应的可能性；天然大石：试样中含量小于5%的杏仁体中含有石英成份，存在刚性岩屑、塑性岩屑、玻屑和刚性矿物碎屑等极不稳定物质，均有发生碱-硅酸反应的可能性。

由岩相法试验结果可见，三岔子沟天然料矿物成份中均含有一定量石英成份或极不稳定的火山碎屑、玻屑，均有可能遇水泥后发生碱-硅酸反应。

2.1.2 砂浆棒快速法成果分析

骨料岩相法成果显示三岔子沟砾石料场为具有潜在危害性反应的活性骨料，为节省时间，在进行砂浆棒快速法试验时，同时进行砂浆棒快速法抑制试验。试验用水泥为新疆天山P.O 42.5 普通硅酸盐水泥，试验用粉煤灰为新疆阜康天龙Ⅲ级粉煤灰。骨料碱活性砂浆棒快速法试验结果见表1。

表1 骨料碱活性砂浆棒快速法试验结果

由表1分析可知：（1）三岔子沟中石14d 砂浆棒膨胀率为0.197%，虽在0.10%～0.20%之间，但已经接近0.20%，并且28d 砂浆棒膨胀率大于0.20%，因此，中石骨料为具有潜在危害性反应的活性骨料；除此之外，三岔子沟天然砂、小石、大石14d 砂浆棒膨胀率均大于0.20%，说明三岔子沟天然料为具有潜在危害性反应的活性骨料。

（2）在试件中掺入粉煤灰后，对骨料的碱活性抑制效果较明显，随着掺量的增加，砂浆试件膨胀率迅速减小。

（3）对于三岔子沟天然骨料，当粉煤灰掺量大于20%时，28d 砂浆棒试件膨胀率均可降低到0.04%以下，远远小于0.10%的标准。

因此，当粉煤灰掺量达到20%后，即可有效抑制混凝土中的碱-硅酸反应。

2.1.3 混凝土棱柱体抑制试验成果分析

由于混凝土棱柱体法试验持续时间较长，为了能尽快提供试验成果，将棱柱体法试验与其它方法试验同时进行，混凝土棱柱体试验结果见表2。

表2 混凝土棱柱体抑制试验结果

由表2分析可知：三岔子沟料场骨料混凝土棱柱体基准试件360d（1年）膨胀率为0.028%，小于0.04%的混凝土棱柱体评价标准，依据混凝土棱柱体法判定标准，骨料为非活性骨料。

掺入不同掺量的粉煤灰后，试件膨胀率明显降低。粉煤灰掺量为20%时，三岔子沟料场骨料360d 试件膨胀率仅为0.011%～0.014%。由于试件膨胀率的增长率随龄期的延长而减小，所以，从目前的增长趋势来判定，2年龄期试件膨胀率会远小于0.04%。

在几种检验方法中，砂浆棒快速法适合于检验反应缓慢或只在后期才产生膨胀的骨料，而混凝土棱柱体法适用于检验反应较快的碱—硅酸和碱—碳酸盐反应骨料。从以上检验结果可以看出，三岔子沟天然料虽然反应较快的棱柱体法检验出该两种骨料为非活性骨料，但砂浆棒快速法检验出骨料为活性骨料，说明骨料属于反应缓慢或只在后期才产生危害性膨胀的活性骨料。因此，三岔子沟天然料为活性骨料。

在加入了20%的Ⅲ级粉煤灰后，即可有效抑制活性骨料的碱-硅酸反应。

2.2 施工阶段骨料碱活性分析及抑制试验

由于2016年8月2日，下水库白杨河发生千年一遇特大洪水，对河床扰动比较大，下水库三岔子沟砂砾石料场变化比较大，为进一步确认阜康抽水蓄能电站下水库三岔子沟骨料碱活性特性，阜康抽水蓄能电站施工阶段，设计单位重新对三岔子沟骨料碱活性进行了复核论证试验。为节省时间，在进行砂浆棒快速法试验时，同时进行砂浆棒快速法抑制试验。

2.2.1 试验用原材料

本次试验骨料取自下水库三岔子沟砂砾石料场，为确保试验成果具有代表性，根据料场骨料分布状况，试验骨料取自砂砾石料场上游和下游两个位置，分别是1#位置（615703.9,4868488.3）和2#位置（616183.7,4870162.1）。为了更能切合工程实际，参照可研阶段研究成果三岔子沟砂砾石料场各等级混凝土配合比中的平均砂率值（36%），将各位置所取砂、石骨料按砂∶石（破碎成机制砂）=36%∶64%的比例混合。水泥为新疆天山P.O 42.5 普通硅酸盐水泥，粉煤灰为新疆龙鑫Ⅱ级灰。

2.2.2 评定标准

砂浆棒快速法试验评定标准[4]如下：

（1）砂浆试件 14d 的膨胀率小于 0.1%，则骨料为非活性骨料；

（2）砂浆试件 14d 的膨胀率大于 0.2%，则骨料为具有潜在危害性反应的活性骨料；

（3）砂浆试件 14d 的膨胀率在 0.1%至 0.2%之间的，对这种骨料应结合现场记录、岩相分析、或开展其它的辅助试验、试件观测的时间延至 28d后的测试结果等来进行综合评定。

砂浆棒快速法抑制措施有效性评定标准：

若 28d 龄期对比试件膨胀率小于 0.10%，则该掺量下抑制材料对该种骨料的碱骨料反应危害抑制效果评定为有效。

2.2.3 试验成果与分析

三岔子沟砂砾石料场天然砂石骨料砂浆棒快速法及其抑制试验结果见表4及图1～图2所示。

表4 骨料砂浆棒快速法及其抑制试验结果

图1 1#取样点骨料砂浆棒快速法及其抑制试验试件膨胀率

图2 2#取样点骨料砂浆棒快速法及其抑制试验试件膨胀率

由试验结果得知：

（1）1#位置、2#位置样品骨料，其基准试件14d 膨胀率均大于0.2%，依据 DL/T 5151-2014《水工混凝土砂石骨料试验规程》中砂浆棒快速法试验评定标准判定，判定三岔子沟砂砾石料场骨料为具有潜在危害性反应的活性骨料，，发生碱-硅酸盐及碱-硅酸反应的可能性很大；

（2）抑制试验中，当粉煤灰掺量等于或大于15%时，1#、2#位置样品骨料对比砂浆试件28d 膨胀率均小于0.1%，判定15%及以上粉煤灰掺量，可以有效抑制三岔子沟砂砾石料场骨料的碱活性反应。

3 结论

1.通过可研阶段骨料碱活性试验成果和本次砂浆棒快速法试验成果，判定阜康抽水蓄能电站三岔子沟砂砾石料场骨料为具有潜在危害性反应的活性骨料。

2.通过不同掺量粉煤灰的碱活性抑制试验，判定15%及以上粉煤灰掺量，可以有效抑制三岔子沟砂砾石料场骨料的碱活性反应。可研阶段粉煤灰掺量为20%。究其原因，主要是两次试验所用粉煤灰品质不同，本次试验用粉煤灰为Ⅱ级灰，可研阶段所用粉煤灰为Ⅲ级灰，Ⅱ级粉煤灰在品质上要优于Ⅲ级粉煤灰很多，由试验结果得知，Ⅱ级粉煤灰对三岔子沟砂砾石料场骨料碱活性的抑制效果优于Ⅲ级粉煤灰。