白鹤滩水电站施工期玄武岩骨料碱活性长期跟踪分析

刘战鳌,王 玮,欧阳秋平,李鹏翔,肖开涛

(1.中国三峡建工(集团)有限公司 白鹤滩工程建设部,四川 宁南 615421; 2.长江科学院 材料与结构研究所,武汉 430010)

0 引 言

具有碱活性的骨料与水泥中的碱发生化学反应,引起混凝土膨胀、开裂,甚至破坏,这种化学反应称碱-骨料反应。碱-骨料反应成为混凝土耐久性的重要课题之一。碱-骨料反应(Alkali-aggregate Reaction,AAR)破坏发生在混凝土内部,且持续不断进行,修补与加固非常困难,有时甚至需要重建。自从1940年美国Stanton[1]提出碱-骨料反应以来,AAR已在世界各地造成巨大的损失,特别是水工建筑结构。据加拿大调查,魁北克水利局属480个大坝中有30%受AAR的破坏。较早的由AAR引起的水利工程破坏实例有美国的Parker 坝,该坝是一座混凝土拱坝,高98 m,于1938年建成。1940年发现大坝出现严重裂缝,后经大量研究证实,破坏是由于混凝土采用了安山岩等具有碱活性的砂石骨料和碱含量较高的硅酸盐水泥造成的。典型的破坏如美国的Fontana坝和Hiwassee坝,1940年前建成,经过40多年的正常运行,突然因AAR破坏发生膨胀开裂,不能正常运转,连年整治、维修,花费巨大[2]。类似的还有巴西的Moxoto坝[3]、法国的Shambon坝[4]和加拿大的博赫尔洛依斯水电站等[5]。

白鹤滩水电站总装机容量1 600万kW,是继长江三峡水电站及溪洛渡水电站之后的又一千万kW级的巨型水电站,是目前世界上在建规模最大的水电工程。白鹤滩水电站地下洞室群规模位居世界第一,洞室总长度达217 km,总开挖量达2 500万m3,地下洞室混凝土总浇筑量高达1 100万m3,骨料采用玄武岩细骨料+玄武岩粗骨料的组合方案。工程前期地质勘探资料表明,白鹤滩水电站玄武岩骨料岩性以微晶隐晶玄武岩为主,其次为杏仁状玄武岩、含杏仁状玄武岩、角砾熔岩和斑状玄武岩,若干杏仁状玄武岩试样局部区域可见微晶质至隐晶质石英和玉髓,含有一定的碱活性矿物成分。岩石岩性不同对混凝土的性能有一定的影响[6]。在地下洞室玄武岩开挖料利用方案中,提出要将杏仁状玄武岩、角砾熔岩等具有潜在碱活性的岩石剔除,但实际开采过程中很难将活性骨料单独分离。

由于碱-骨料反应问题的复杂性[7-9],为保证白鹤滩水电站地下洞室混凝土耐久性,根据《水工混凝土耐久性技术规范》(DL/T 5241—2010)[10]和《水工混凝土抑制碱-骨料反应技术规范》(DL/T 5298—2013)[11]的规定,从2017年11月至2021年8月,每季度在生产地下洞室混凝土的拌和系统取样开展了玄武岩骨料碱活性检测,为白鹤滩水电站地下洞室精品混凝土生产和精品工程建设提供技术支持。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

(1)水泥:低热42.5硅酸盐水泥,碱含量为0.40%,其物理力学性能见表1。

表1 水泥的物理力学性能

(2)粉煤灰:F类Ⅰ级粉煤灰,其细度、需水量比、烧失量等物理性能见表2。

表2 粉煤灰的物理性能

(3)粗骨料:由地下洞室玄武岩开挖料经机械分选、破碎、加工制得的玄武岩碎石,其表观密度、压碎值、含泥量等性能见表3。

表3 粗骨料性能

(4)细骨料:由地下洞室玄武岩开挖料经破碎、棒磨、加工制得的玄武岩人工砂,其细度模数、表观密度、吸水率等性能见表4。

表4 细骨料性能

1.2 试验方法

从2017年11月—2021年8月,每季度三滩和荒田拌和系统取样玄武岩骨料,按照碱活性检测相关规范要求开展玄武岩骨料碱活性检测。

(1)岩相法试验、砂浆棒快速法试验、混凝土棱柱体法试验、粉煤灰抑制有效性试验按《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T 151—2014)[12]有关规定进行。

(2)微观分析试验:对在1 mol/L NaOH溶液、80 ℃环境下养护28 d的砂浆棒快速法试件和在相对湿度≥95%、38 ℃环境下养护1 460 d的混凝土棱柱体法试件经无水乙醇浸泡中止水化,抽真空后表面喷镀铂金,采用扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)进行骨料浆体胶结界面微观形貌观测。试件中玄武岩骨料周边水泥浆体用能谱仪(Energy Dispersive Spectyroscope,EDS)进行元素分析。

2 试验结果与讨论

2.1 岩相法

在生产地下洞室混凝土的拌和系统抽取玄武岩粗骨料进行岩相鉴定,并分析了玄武岩粗骨料的矿物组成,判定其岩性组成。所抽取玄武岩骨料的岩相法结果见表5,岩石中不同岩性组成比例的统计结果见图1。

图1 玄武岩骨料的岩性组成统计结果

表5 玄武岩岩相法结果

从表5的岩相鉴定结果可以看出,白鹤滩水电站施工期玄武岩粗骨料中存在玄武岩、含杏仁玄武岩、杏仁玄武岩、角砾熔岩等不同岩性岩石。从矿物组成来看,这些岩石的主要矿物为斑晶、杏仁体、基质,同时含有少量的微晶石英或隐晶质石英、石英杏仁体等碱活性矿物成分,部分岩石还含有硅质玉髓,这些矿物成分可能会引起碱-硅酸反应。因岩相法通常仅用作初步判断,需进一步开展碱活性检测试验以综合评定玄武岩骨料的碱活性。

从图1的岩石岩性组成统计结果可见:2017—2021年取样玄武岩骨料的岩性组成随取样时间变化的波动较小,所取样玄武岩骨料中玄武岩占比54.2%,含杏仁玄武岩占比28.1%,杏仁玄武岩占比17.5%,角砾熔岩占比0.2%。由此观之,白鹤滩水电站主体工程施工期地下洞室混凝土骨料岩性主要含杏仁玄武岩和玄武岩,二者占比达82.3%以上,且岩性组成波动较小、相对较为稳定。

2.2 砂浆棒快速法

在三滩和荒田拌和系统取样玄武岩骨料(砂、小石、中石),采用砂浆棒快速法检测其碱活性,评定标准为:14 d的砂浆膨胀率<0.1%,则骨料是无害的;膨胀率>0.2%,则表明骨料具有潜在危害性反应的碱活性;膨胀率在0.1%～0.2%之间为可疑骨料,需进行其他必要的辅助试验,也可将试件延长至28 d龄期观测来作最后定论。

玄武岩骨料碱活性砂浆棒快速法检测结果见表6。由表6可以看出,2017—2021年所检测84组玄武岩骨料有74组判定为非活性骨料,占比88%;10组玄武岩骨料判定为具有潜在危害性反应的活性骨料,占比12%。其中,10组具有潜在危害性反应骨料的取样时间位于2017—2018年,其28 d膨胀率最大值为0.24%;2019—2021年期间所取样的54组玄武岩骨料均为非活性骨料。这是由于现场根据本试验研究反馈的玄武岩骨料岩性鉴定和碱活性检测的试验结果,在开挖过程中加强了地下洞室开挖料的现场鉴定,并在骨料生产过程中加强了砂石系统母岩的机械分选,降低了含活性矿物成分玄武岩骨料的比例,从源头保证了玄武岩骨料的品质。

表6 玄武岩骨料碱活性试验结果(砂浆棒快速法)

2.3 混凝土棱柱体法

为进一步评价拌和系统取样玄武岩骨料的碱活性,需采用混凝土棱柱体法进行检测,试验评定标准为:1 a龄期试件的膨胀率<0.04%,则骨料判定为非活性骨料;1 a龄期试件的膨胀率≥0.04%时,则骨料判定为具有潜在危害性反应的碱活性。

采用混凝土棱柱体法检测的玄武岩骨料碱活性试验结果见表7和图2。

注:ST19-4-2为玄武岩骨料的取样编号,代表三滩拌和楼2019年4季度2号样品;HT为荒田拌和楼。

表7 玄武岩骨料碱活性试验结果(混凝土棱柱体法)

试验结果表明,2017—2021年期间所检测16组混凝土棱柱体试件365 d膨胀率均<0.04%,据此判定所取样玄武岩骨料均为非活性骨料。与此同时,对2017—2021年期间所成型16组混凝土棱柱体试件进行了长龄期观测,各试件的膨胀曲线平缓,在90 d龄期后收敛,其1 460 d龄期膨胀率也均<0.04%,未产生危害性的碱-骨料反应。根据“当砂浆棒快速法与混凝土棱柱体法的结果不一致时,以混凝土棱柱体的试验结果为准”的判定规则,白鹤滩水电站施工期地下洞室混凝土所使用的玄武岩骨料均为非活性骨料。2017—2018年的骨料中含有角砾熔岩,含杏仁玄武岩、杏仁玄武岩的含量也较高,这些岩石含有一定量的微晶石英或隐晶质石英,导致了部分骨料的砂浆棒快速法28 d膨胀率>0.20%;这些微晶石英或隐晶质石英不属于高活性,且含量不高,所以用混凝土棱柱体法检测均为非活性。

2.4 粉煤灰抑制有效性试验

选取砂浆棒快速法试验中28 d膨胀率>0.2%的具有潜在危害性反应碱活性的玄武岩骨料,内掺粉煤灰作为抑制碱-骨料反应的措施,分别采用砂浆棒快速法和混凝土棱柱体法进行碱-骨料反应抑制措施有效性试验检验粉煤灰的抑制作用。试验所用水泥为低热42.5硅酸盐水泥,碱含量为0.40%,外加NaOH分别使水泥碱含量达到0.90%(砂浆棒快速法)、1.25%(混凝土棱柱体法),粉煤灰为F类I级粉煤灰,粉煤灰掺量选取为0、20%、25%这3种含量。采用砂浆棒快速法、混凝土棱柱体法检测的玄武岩骨料碱活性抑制试验结果见图3。

图3 碱-骨料反应抑制措施有效性试验结果

砂浆试件28 d龄期长度膨胀率<0.1%,且混凝土试件2 a龄期长度膨胀率<0.04%,抑制效果评定为有效。从图3可以看出:在掺入粉煤灰后,掺含活性成分玄武岩骨料砂浆和混凝土对比试件的膨胀率出现大幅减小,表明粉煤灰的掺入具有显著抑制碱-骨料反应的作用;以砂浆棒快速法试件为例,当掺入20%、25%的粉煤灰后,砂浆对比试件28 d龄期的膨胀率均<0.10%,能有效抑制碱-骨料反应的发生,相比未掺加粉煤灰时降低达73%、83%。由此可见,在采用碱含量0.40%低热42.5硅酸盐水泥的条件下,20%粉煤灰的掺入即可有效抑制碱-骨料反应的发生。

2.5 微观分析

将养护到龄期的砂浆棒快速法、混凝土棱柱体法试件表面镀金,采用日本电子JSM-6610扫描电镜(SEM)观察水泥水化产物和水泥-骨料界面过渡区微观形貌,并分析微区元素组成。混凝土棱柱体法和砂浆棒快速法试件中玄武岩骨料周边水泥浆体SEM微观形貌见图4,EDS微区元素分析结果见表8。

图4 砂浆棒快速法和混凝土棱柱体法试件SEM图像

表8 EDS分析结果

从图4可以看出,砂浆棒快速法试件中玄武岩骨料与胶凝材料的界面处,SiO2胶结物遭碱溶蚀并结构破坏,在少量骨料颗粒表面有花瓣状的碱硅凝胶产生,结构明显比较疏松,并且潜伏着膨胀性,界面有较明显的碱-骨料反应迹象。混凝土棱柱体法试件(0%粉煤灰和25%粉煤灰)玄武岩骨料与胶凝材料胶结良好,骨料表面矿物颗粒结构致密,胶凝材料与骨料均未见裂隙,界面处有大量块状水泥凝胶,未见碱硅凝胶和骨料侵蚀现象。

从表8所示的试验数据可知,玄武岩骨料周边的水化产物(以氧化物计)主要有CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3,还有少量MgO、Na2O和K2O,化学组成与水泥水化产物成分相近。碱硅反应产物中Na2O、K2O含量一般较高,而混凝土棱柱体法试件水泥反应产物中Na2O和K2O含量较低,说明无碱硅反应凝胶产生;砂浆棒快速法试件水泥反应产物中Na2O含量偏高,说明有碱硅凝胶反应产生,该试验结果与扫描电镜观测结果一致。

SEM、EDS试验结果表明,含有活性成分的玄武岩骨料仅在高温和高碱的试验条件下会发生碱-骨料反应;通过采用低碱含量的低热42.5硅酸盐水泥,并添加不低于20%的粉煤灰作掺合料,不会产生危害性的碱-骨料反应。

3 结 论

(1)白鹤滩水电站施工期玄武岩骨料中含有玄武岩、杏仁玄武岩、含杏仁玄武岩、角砾熔岩等岩石,主要矿物成分有斜长石、辉石、绿泥石和石英等,部分岩石含有少量的微晶-隐晶石英、硅质玉髓等活性矿物成分。

(2)经岩相法、砂浆棒快速法和混凝土棱柱体法等多种试验结果综合评定,白鹤滩水电站施工期所用玄武岩骨料均为非活性骨料。

(3)内掺粉煤灰大幅降低了含活性成分玄武岩骨料砂浆和混凝土对比试件的膨胀率,20%掺量粉煤灰即可有效抑制发生碱-骨料反应。

(4)SEM及EDS微观分析表明,含活性矿物成分的玄武岩骨料仅在高温和高碱的条件下才会发生碱-骨料反应。在使用碱含量<0.60%的低热42.5硅酸盐水泥且掺入≥20%粉煤灰作掺合料的条件下,白鹤滩水电站施工期玄武岩骨料用于混凝土工程不会产生危害性的碱-骨料反应。