基于抑制碱集料反应的衬砌混凝土配合比设计——以新疆JH一级水电站引水隧洞工程为例

王战胜

（中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610225）

0 引言

新疆JH一级水电站的主要任务是动能回收。枢纽由拦河坝、泄洪洞、排沙洞、发电引水系统进水口、引水洞和电站、过鱼建筑物、生态放水建筑物组成。拦河坝、泄洪建筑物、引水建筑物、电站、鱼道及生态放水管为2级，次要建筑物为3级。有压引水隧洞上游接进水口，下游接调压室，洞径6.2m，设计流速4.07m/s，钢筋混凝土衬砌。自进口至调压室共由3条直线洞段和2条圆弧洞段组成，隧洞总长7563.18m，所有引水隧洞衬砌混凝土均要采用当地产骨料、水泥。

新疆JH一级水电站地区骨料均具有碱活性，附近水泥厂受当地原材料限制均无法生产低碱水泥，采用这种骨料配置混凝土对耐久性产生不利影响，存在潜在的碱集料，可能导致结构裂缝或者破坏。而外购低碱水泥及无碱活性骨料均需前往几千公里外甘肃省才能实现，成本高。因此，结合当地资源，以抑制碱集料反应为出发点开展衬砌混凝土配合比设计，对该工程建设意义重大。

1 碱-骨料反应对混凝土破坏机理

混凝土碱-骨料反应（Alkali-aggregate reaction,AAR）是指骨料中的特定成分在一定条件下与混凝土中的水泥、外加剂、掺合剂等中的碱物质进一步发生化学反应，导致混凝土结构产生膨胀、开裂等现象，严重的会使混凝土结构破坏，是影响混凝土耐久性的重要因素之一；混凝土碱-骨料反应根据反应机制可分为碱硅酸盐反应和碱碳酸盐反应：碱-硅酸反应（Alkali-Silica Reaction，简称ASR），是指混凝土中的碱与不定型二氧化硅的反应；碱-碳酸盐反应（Alkali-Carbonate Reaction，简称ACR），是指混凝土中的碱与某些碳酸盐矿物的反应。碱-骨料反应是固相与液相之间的反应，其发生具备三个要素：Ⅰ碱活性骨料；Ⅱ有碱存在（K+、Na+等离子）；Ⅲ水。破坏情况见图1。

图1 混凝土碱-骨料反应裂缝

2 混凝土配合比设计用原材料

（1）水泥。采用天山水泥有限责任公司生产的P·O42.5级水泥；水泥化学成分、物理力学性能指标见表1、表2所示。

表1 水泥中化学成份(单位：%）

表2 水泥物理力学性能指标

（2）粉煤灰。粉煤灰采用新疆玛纳斯发电有限责任公司生产的Ⅰ级粉煤灰，性能指标见表3所示。

表3 粉煤灰化学分析及物理性能指标（单位：%）

（3）骨料。骨料采用CHT料场生产骨料，性能指标见表4所示。

表4 骨料性能指标

根据碱活性试验（砂浆棒快速法）结果显示CHT料场生产的骨料14d 膨胀率均不小于0.1%，需进行抑制碱有效性试验。

（4）外加剂。外加剂采用五家渠格辉化工有限责任公司生产的FND减水剂和GH-AE 型引气剂，性能指标见表5所示。

（5）混凝土拌合用水。混凝土拌和用水为JH 一级水电站工程旁JH河水，水质化学分析结果见表6所示。

3 抑制碱活性反应的有效性试验

碱活性反应抑制有效性试验主要是通过砂浆棒快速法测定试件的相关性能指标，以验证抑制材料对碱-骨料反应危害的抑制效果，以对比试件的28d 膨胀率小于0.1%为判断该掺量抑制材料的抑制效果为有效的标准[1]。

砂浆棒快速法的试件配合比按照减水剂掺量0.8%，引气剂掺量0.035%，粉煤灰掺量分别0、5%、10%、15%、20%、25%、30%制作7种试件，其配合比见表7所示，砂料级配见表8 所示。每个试件在80±2℃的环境中养护28d测量膨胀率见表9所示。

表7 砂浆棒快速法试件配合比组成

表8 砂浆棒快速法试件砂级配组成

表9 砂浆棒28d膨胀率

表9 试验结果显示，粉煤灰掺量不小于15%的情况下28d 对比试件膨胀率小于0.1%，说明该粉煤灰掺量情况下的抑制材料对碱-骨料反应危害抑制效果为有效。后面将根据粉煤灰掺量不小于15%进行抑制碱活性混凝土的配合比设计。

4 抑制碱活性混凝土的配合比设计

4.1 试配强度

抑制碱活性混凝土的试配强度应按下式确定：

式中：fcu,o——混凝土试配强度，MPa；

fcu,k——混凝土强度标准值，MPa；

σ——混凝土强度标准差，当无统计数据时，混凝土可取4.0MPa[2]。

抑制碱活性混凝土设计指标为：C25W6F200，fcu,o≥25+1.645×4.0=31.58MPa。

4.2 配合比设计参数及试件性能检测

根据混凝土配合比的要求确定抑制碱活性混凝土的配合比见表10所示；抑制性材料粉煤灰掺量为15%、20%、25%、30%。

表10 确定抑制碱活性混凝土的配合比

拌合物性能及抗压强度测试结果见表11 所示。表11 结果显示，混凝土中抑制性材料粉煤灰掺量15%和20%时，28d 抗压强度大于31.58MPa，抗冻指标不小于200 次冻融循环，抗渗等级不小于W6，满足C25W6F200设计指标要求。综合考虑碱活性抑制性试验结果，抑制性材料掺量越大抑制效果越好，且粉煤灰掺量增大可以提高混凝土和易性和经济性，抑制碱活性混凝土配合比YZ-02 满足设计要求，即粉煤灰掺量为20%。

表11 拌合物性能及抗压强度

4.3 混凝土配合比确定

根据试验结果以及当地原材料情况，最后选定的抗硫酸盐侵蚀混凝土配合比见表12所示。

表12 最终确定的抑制碱活性混凝土配合比(单位：kg)

4.4 混凝土配合比总碱含量计算

根据抑制碱活性混凝土原材料碱含量检测结果，以及规范要求抑制性材料粉煤灰带入混凝土总碱含量为有效碱的20%[3]，最后计算抑制碱活性混凝土配合比的总碱含量见表13所示。由表13可知，混凝土每立方米总碱含量为2.528kg/m3，满足水工混凝土施工规范每立方米总碱含量不大于3.0kg/m3的要求。

表13 抑制碱活性配合比总碱含量

5 混凝土棱柱体长期抑制性试验

按照抑制碱活性混凝土配合比成型尺寸为75mm×75mm×275mm 的试块3 组，分别编号为：YZH-01、YZH-02、YZH-03，将试块放在（38±2）℃的高湿环境中进行养护2 年，分别测定膨胀率：YZH-01 为0.028%，YZH-02 为0.026%，YZH-03 为0.023%，2 年时间3 组的膨胀率平均值为0.026%，最大值为0.028%，满足2年龄期试件膨胀率小于0.04%的要求，该种抑制材料掺量对碱集料反应抑制有效。

6 结束语

通过以上试验分析可知，在无低碱水泥的情况下，通过掺加20%的粉煤灰，在此掺量范围内进行引水隧洞衬砌混凝土配合比试验，试验表明该掺量粉煤灰抑制碱活性结果满足规范要求。新疆地区普遍存在碱活性骨料，使用当地骨料掺加抑制性材料粉煤灰进行混凝土工程施工，成本较低且能够有效抑制混凝土碱活性反应，为工程建设的成本降低，提升经济效益发挥重要作用。