尼泊尔上塔马克西项目碱骨料反应试验

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1、尼泊尔上塔马克西项目碱骨料反应试验张宝红 宁顺才 李至林摘 要 随着水泥工业的转型升级，大型新型干法窑和代用燃料的广泛应用导致熟料和水泥中的碱含量增高，由此产生的碱骨料反应的危害越来越为人们所认识和担忧。有的工程在招标时就直接规定，必须进行长期的碱骨料反应试验以确定混凝土结构是否安全。由此就产生了在工程中是采用普通水泥还是低碱水泥的问题，这就决定着一个项目上的水泥采购和材料成本。本文就是一个典型的例子，从技术层面上解决了一项水泥成本的问题，为企业创造了经济利益。关键词 碱骨料反应 骨料的活性检验 线膨胀率。混凝土碱骨料反应（AAR）是指混凝土中的碱物质与骨料中能与碱反应的活性成分在混凝土硬化后

2、吸水逐渐发生膨胀性化学反应，导致混凝土工程产生开裂破坏的现象。一般情况下，混凝土中的碱主要来自水泥、粉煤灰、外加剂和水中，具有天然存在性。骨料中的活性成份很多，主要是含有活性氧化硅的矿物质，如蛋白石、玉髓、磷石英、微晶石英等，这些物质在自然界也分布广泛。这两者在混凝土中结合后，在水的作用下发生缓慢的化学反应，产生体积膨胀。在混凝土内部产生拉应力，破坏混凝土的结构，轻则导致混凝土工程使用寿命显著缩短，严重的可使混凝土完全丧失使用功能，并且具有不可修复性，因此,在工程界称之为混凝土的“癌症”。 1 合同中对碱骨料反应的规定及开展此项试验的意义尼泊尔上塔马克希水电站项目，大坝为混凝土重力坝，坝高约2

3、7m，混凝土总方量约20万m3，为引水式发电机组，总装机45万kW，属大II型水电站。工程地处中尼边境的喜玛拉雅山脉南麓，在地质年代划分上属于较年青的地质构造。合同中对混凝土骨料的碱骨料反应十分重视；明确规定除非完全排除大坝区的骨料具有活性，否则工程中用的所有的水泥均要求采用低碱水泥，水泥的碱含量小于0.6%（以碱当量Na2O+0.658K2O表示）。根据以往在尼泊尔境内施工经验可知，尼泊尔国内由于限于水泥生产技术和国内原材料的关系，截止到目前，工程中所用的水泥大部分来自印度。而低碱水泥主要出自印度南方，距尼泊尔比较近的印度地区水泥厂均不生产低碱水泥，只生产普通硅酸盐水泥。市场的成本分析表明，

4、一吨低碱水泥和一吨普通水泥相比较，运至工地的低碱水泥要比普通水泥费用增加近一成。本工程上所用水泥近8万吨，仅此一项就要增长成本近160万美元，合人民币1000万元。因此从经济效益方面考虑，非常有必要对此问题进行系统研究和试验，尽可能地使用普通水泥以降低项目成本。在仔细研究合同后，我们认为可以从以下二方面着手进行系统试验：（1）多角度全方位对骨料进行检验，以验证其是否具有活性成分。因为据现场观察，工程所处地地质岩石主要为板岩和片岩，夹杂着少量云母。并未发现有石英等结晶体的存在。（2）如果骨料真的具有活性，采用目前世界范围内认可的工程措施进行抑制碱骨料反应，在试验的基础上，摸索出规律性的结论和方法

5、，尽可能使用普通水泥。2 骨料的活性检验依据合同中推荐的试验标准，我们分别采用了三种试验方法对骨料进行活性检验。分别为：岩相标准分析法（参见美国标准ASTM C295），化学标准分析法（参见ASTM C289），快速砂浆条标准分析方法（参见美国标准ASTM C1260）。现分别描述如下。2.1 ASTM C295 岩相分析法。岩相法见美国ASTM标准C295混凝土骨料岩相检测指南，与此一致的我国有水工混凝土试验规程(DL/T5151-2001和SL352-2006)。岩相法的基本理论是基于光性矿物学。具体操作是把骨料磨制成薄片，在偏光显微镜下鉴定矿物成分及其含量，以及矿物结晶程度和结构。如显微

6、镜分辨有一定困难时，还可借助于扫描电镜，X-衍射分析、差热分析、红外光谱分析等手段，对矿物作出判断。如鉴定不含有碱活性的岩石或矿物，可判为非活性；如鉴定含有碱活性的矿物成分，则必须用其他试验方法来进一步论证。岩相法虽能够判断骨料中是否含有碱活性的岩石矿物。但这个方法只能定性而不能定量地评估含碱活性的骨料。采用此种方法，在大坝料源地选取不同样品送至一家有资质的试验室进行检验试验，经过系统检验结果表明大坝区的骨料成份主要由斜长石绿泥石云母角闪石等组成。基本上可以排除具有活性成份。2.2 ASTM C289 标准化学法化学法见美国ASTM 标准C289骨料潜在活性试验方法(化学法)，与此一致的我国有

7、水工混凝土试验规程(DL/T5151-2001和SL352-2006）。化学法是反映骨料与碱发生化学反应的能力。由于其反应时间短(24h)，检验快捷方便，特别是对高活性的骨料检验准确，因此常被当作一种现场检验的必备手段。这种方法是分别检验出骨料中含有的硅离子和碱离子，然后将点子绘到标准曲线上进行判断。如果点子落在了无害区，则通常可排除骨料具有活性；如果点子落在了有害区，则可肯定骨料具有活性；如果点子靠近了曲线区，则应采用第二种辅助手段进行检验。在和现场监理工程师沟通后，我们一道在大坝的料源地不同部位共取样20组，其中砂子10组，粗骨料10组。送到印度一家有资质的试验室进行检测，结论见表1。表1

8、样品编号硅离子（m.mol/L）碱离子（m.mol/L）所处区域（C289判别曲线）结论砂110.3110无害区无碱骨料反应砂211.3210无害区无碱骨料反应砂3990无害区无碱骨料反应砂410.3275无害区无碱骨料反应砂57.3175无害区无碱骨料反应砂611365无害区无碱骨料反应砂79.3445无害区无碱骨料反应砂812.345无害区无碱骨料反应砂910.7180无害区无碱骨料反应砂1010125无害区无碱骨料反应石18.8355无害区无碱骨料反应石215.2308无害区无碱骨料反应石35.2313无害区无碱骨料反应石48.5147无害区无碱骨料反应石57.8258无害区无碱骨料反应

9、石67.5408无害区无碱骨料反应石79.2283无害区无碱骨料反应石86.8368无害区无碱骨料反应石98.2393无害区无碱骨料反应石108.8310无害区无碱骨料反应上述检验结果也证明，骨料不具有活性。3 用ASTM C1260 快速砂浆条法快速砂浆条法见美国ASTM标准C1260-94骨料潜在碱活性试验方法(砂浆棒法)，与此一致的我国有水工混凝土试验规程DL/T5151-2001和SL352-2006 “骨料碱活性检验(砂浆长度法)”。砂浆条长度法一直是作为碱活性鉴定的经典方法，1951年由美国提出并制定了试验标准，并列入许多国家的标准中。此方法使用的水泥与骨料的质量比为12.25，骨

10、料的级配见表2，水灰比为0.47，养护24 h后脱模，试件浸水放入密封的塑料筒中，然后放入80的恒温水浴箱中。24 h后，在20恒温室中测量砂浆棒的基准长度，然后把试件仪浸泡在1N的NaOH溶液中，放入80恒温水浴箱中，观测3d，7d和14d的砂浆棒线膨胀率。试验的评定标准为，当第14天砂浆棒线膨胀率小于0.1%，则判断骨料是无害的；当线膨胀率大于0.2%，则判断骨料具有潜在有害碱活性；当线膨胀率在0.1%和0.2%之间为可疑骨料，需进行其他辅助试验，也可以把试件延至28d观测来评估。表2 砂浆长度法骨料级配表筛孔尺寸/mm质量百分比(%)筛孔尺寸/mm质量百分比(%)52.5100.630.

11、315252.51.25250.3150.16151.250.6325在和监理工程师沟通后，我们分别选用了印度产低碱水泥RASSI GOLG 53和普通水泥JP 43，BIRLA 43，与大坝料源区的粗细骨料混合制作成砂浆试件进行标准试验。并且为了进一步验证掺入粉煤灰和硅粉后对抑制碱骨料反应的效果，参照PCA（美国硅酸盐水泥协会手册）中推荐的标准方法，我们在现场分别选取了印度产NTP二级粉煤灰和CORNICH SF硅粉进行对比试验，粉煤灰掺量为20%，硅粉掺量为7%。试验方法等同于砂浆条法ASTM C1260，仅将其中的水泥用等量的粉煤灰和硅粉取代后，进行线膨胀率的检测。试验前，我们分别对水泥

12、，粉煤灰和硅粉进行了碱含量和细度检验。结果见表3、表4。表3 水泥的检验结果水泥品牌普硅JP 43普硅BIRLA 43低碱RASSI 53Na2O0.230.30.26K2O0.660.570.46碱含量0.660.680.56表4 粉煤灰和硅粉的检测结果产品粉煤灰NTPC硅粉CORNICHE SF细度（45um含量%）39.991.62Na2O0.120.26K2O1.052.4将上述水泥和粉煤灰，硅粉与取自大坝的粗细骨料混合做成砂浆条，按规定方法ASTM C1260 砂浆条法测定后，检验数据见表5。表5 纯水泥的标准砂浆条检测结果样品编号水泥3天线膨胀7天线膨胀14天线膨胀粗1普硅JP 4

13、30.00690.0590.069细1普硅JP 430.01470.0560.085粗2低碱Rassi 530.00290.0450.072细2低碱Rassi 530.01080.0550.082细3普硅BIRLA 430.01250.0630.076粗3普硅BIRLA 430.01360.0620.07在掺20%的粉煤灰和掺7%的硅粉后的检测结果见表6。表6样品编号水泥粉煤灰/硅粉3天线膨胀7天线膨胀14天线膨胀粗4普硅JP43粉煤灰0.0080.0110.016细4普硅JP 43粉煤灰0.01630.0250.03粗5低碱Rassi 53硅粉0.0080.0290.031细5低碱Rassi

14、 53硅粉0.01310.0250.04对比结果见下图表 从上述试验可以得出如下结论：（1）无论是使用普通水泥还是低碱水泥，标准砂浆条的14天线膨胀率均小于0.1%，说明大坝区的粗细骨料不具有活性，没有潜在碱骨料反应危害。（2）在掺入20%的粉煤灰后，砂浆条的线膨胀率仅仅0.016%和0.03%，远远小于标准值0.1%的规定，说明掺入20%的粉煤灰后，能有效地抑制碱骨料反应。（3）当掺入7%的硅粉后，砂浆条的线膨胀率为0.031%和0.04%，也小于标准值0.1%的规定。说明当掺入7%的硅粉后，也可以有效抑制碱骨料反应。4 结语4.1 通过检测证明了大坝料源地的骨料不具有活性成份，这就排除了骨料和水泥及外加剂中的碱产生反映的前提，因此任何水泥包括普通水泥在内的所有水泥都是可以用于本工程。 4.2 在和工程师沟通后，考虑到大坝混凝土为大体积混凝土，为减少水化热，降低产生温度裂缝的可能性，我们建议大坝区主要混凝土掺加粉煤灰；对于抗冲耐磨层的砼，我们拟使用硅粉，比例不低于7%。监理工程师的同意后，普通水泥得以批准使用。这就从技术层面上解决了困扰项目的普通水泥使用问题，降低了工程成本。