大坝混凝土中的碱骨料反应

该大坝混凝土强度设计标号仅 2*(-)* ;>%3") ! 相当于 2(
-) ?@A"$ 且 施 工 质 量 较 差 $ 尤 其 是 -1+)(-1+’ 年 二 次 世 界 大
战期间 $ 施工质量更差 $ 混凝土中存在着大量的缺陷 ! 裂缝 % 孔 洞 等 "$ 大 坝 蓄 水 运 行 时 $ 形 成 了 大 量 的 渗 漏 和 冻 胀 % 冻 融 破 坏 # 外部观测结果表明 $ 坝顶垂直位移出现逐年升高的现象 $ 局部坝 段 较 为 明 显 $ 如 +, 号 坝 段 自 -1’1 年 至 -1,- 年 $ 坝 顶 垂直位移升高 //.0- "" # 为分析原因 $从 -1,- 年开始 $ 长江水 利水电科学研究院进行了大坝混凝土中的碱 $ 活性骨料反应 试验分析 $ 试验方法按 ) 水工混凝土试验规程 *!-12) 年 " 规定 的 化 学 法 ! 类 似 于 BCD? ),1+ 0-" 和 砂 浆 棒 长 度 法 ! 类 似 于
中图分类号 !TU&’’ "’( 文献标识码 !D
已建的 %’ 座混凝土高坝和 &! 余座水闸的混凝土耐久性和老 化病害状态进行了调查 $ 总结了影响水工混凝土耐久性的六 类主要病害 $ 即裂缝 ’ 渗漏 ’ 冻融破坏 ’ 冲磨空蚀 ’ 水质侵蚀和 碳化以及钢筋锈蚀破坏 $ 调查中没有发现由于碱 $ 活性骨料 反应引起工程破坏的实例 & 分析其原因 $主要是由于中国对水 工混凝土工程的碱 $ 活性骨料反应问题重视较早 & 上世纪 "! 年 代 初 期 $吴 仲 伟 院 士 在 治 淮 工 程 "梅 山 ’佛 子 岭 水 库 大 坝 ( 中 $ 就吸取了美国派克坝碱 $ 活性骨料破坏的教训 $ 也引进了 当时 \MT] 对碱 $ 活性骨料的鉴定方法 "化学法和砂浆棒长度 法 (& 在 (#^’ 年水利电力部颁发的 * 水工混凝土试验规程 + 中 $ 就列入了化学法和砂浆棒长度法两种碱 $ 活性骨料的鉴定方 法 %(#)’ 年 修 订 的 * 水 工 混 凝 土 试 验 规 程 + 中 $ 又 补 充 了 岩 相 法 ’ 碳酸盐骨料碱活性鉴定方法以及抑制骨料碱活性效应试 验 方 法 %’!!( 年 修 订 的 * 水 工 混 凝 土 试 验 规 程 + 中 $ 又 补 充 了
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文章编号 !!""#$#%&’ "’!!"#!($!!%&$!&
水 力 发 电
第 "! 卷第 ! 期 #$$% 年 ! 月
中国大坝混凝土中的碱骨料反应
李金玉
" 中国水利水电科学研究院 $ 北京 (!!!%)#
关键词 !老坝 % 混凝土 % 碱骨料反应 % 中国 摘 要 !中国大坝混凝土工程中 $从上世纪 "! 年代初开始 $对骨料的碱活性和碱骨料反应就较为重视 $从地质勘探规程 到水工混凝土试验方法中 $均列入了有关碱骨料及碱骨料反应试验方法的规定 & 中国已建的混凝土大坝中 $有些也含有 一定量的碱活性骨料 $但由于采用了低标号水泥和大量的活性混合材 $因此至今未发生碱骨料破坏反应 %但也有个别工 程 $虽经碱骨料反应的检测 $并采用了一定的抑制措施 $但运行 ’! 年后 $在大坝溢流面混凝土中出现了碱骨料反应的微 观和宏观裂缝破坏 & 这就从一个侧面反映了碱骨料反应的试验方法 ’判断标准 ’抑制措施等尚需进一步完善 &
碱度降低值
/3 %!"45%6# 2*.’* +0./1 2,./* ,0.,2
/’$/3 %) 2’.)’ ’,.21 21.-’
结果判别 非活性 非活性 非活性 非活性
宽缝重力坝和单支墩大头坝 $ 最大坝高 -*+ " $ 长 //* " $ 混凝 土总量 ,,.’ 万 "/$ 电站装机 ++.0’ 万 ;< $ 年发电量 )).1 亿 & ;< = # 该工程于 -1’1(-12) 年施工 $ 至今已运行 +) 年 # 柘溪 水电站大坝混凝土 采 用 天 然 骨 料 $ 其 中 含 1.-& 的 燧 石 $ 经 化 学法和砂浆棒法检测 $ 均为碱活性骨料 $ 但混凝土标号较低 $ 设计标号 !), 9 " 为 -**(-’* ;>%3")! 相当于 -*(-’ ?@A"# 施工 期水泥供应紧缺 $ 采用 /** 号或 +** 号混合水泥及矿渣硅酸 盐 水 泥 $ 水 泥 中 活 性 混 合 材 含 量 达 ’*& 以 上 $ 而 且 为 了 节 约 水泥 $ 在施工时又掺加了 -’&(/*& 的烧粘 土 $ 混 凝 土 中 最 大 水泥用量平均为 -’* ;>%"/$ 水灰比较大 $ 为 *.’’(*.1* # 该大坝 工程设计强度偏低 $ 施工合格率仅为 0*& $ 加之均匀性较差 $ 施工期就产生了较多的裂缝 $ 水库蓄水后裂缝进一步发展 $ 在 大坝上游面至廊道形成了贯穿性裂缝 $ 产生水幕状射水 $ 后经 多次加固 $ 该工程才摘掉了 ’ 病坝 ( 的帽子 # 经 -1,’ 年调查和 以后的安全定期检查 $ 大坝混凝土至今尚未发现由于碱活性 骨料反应而形成的裂缝破坏及异常变形 $ 其原因可能就在于 大坝混凝土中水泥用量很低 $ 又采用了含有大量活性混合材 的低标号水泥 $ 以及混凝土 中 掺 加 了 -’&(/*& 的 活 性 混 合 材 $因 此 $虽 然 骨 料 中 含 有 少 量 的 碱$活 性 骨 料 $但 没 有 发 生 破坏性的碱 $ 活性骨料反应 #
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典型工程实例
柘溪水电站
柘溪水电站位于湖南省安化县资江中游 $ 混凝土大坝为
丰满大坝混凝土骨料化学法检测结果 可溶性二氧 化硅溶出量
设计与施工
碱活性骨料的砂浆棒长度快速鉴定法 !,*: 法 " 和混凝土棱柱 体法 # 因此 $ 碱 $ 活性骨料反应问题在水工混凝土工程中一直 得到了重视 $ 并开展了许多试验研究工作 # 对每个高坝工程 $ 尤其是国家级重点工程 $ 从地质勘探 % 料场选择时就要求进行 骨料的碱活性检测 $ 尽量避免采用碱 $ 活性骨料 # 同时 $ 水工 混凝土工程 $ 尤其是大坝工程 $ 属大体积混凝土 $ 如何降低坝 体混凝土的发热量 $ 尽量避免或减少由于温度应力而产生混 凝土裂缝 $ 一直是水工混凝土工程中最重要的研究课题之一 # 为此 $ 从上世纪 ’* 年代开始 $ 在大坝混凝土工程中就采用了 掺加活性混合材如粉煤灰等的技术措施 # 粉煤灰在水工混凝 土中的较早推广应用 $ 也为中国大坝混凝土工程中防止碱 $ 活性骨料反应破坏起到了良好的作用 # 但是 $ 毕竟中国建了众 多混凝土高坝 $ 其中一些工程采用的天然骨料中就含有一定 的活性骨料 $而早期的化学法和砂浆棒法在鉴定骨料碱活性上 又存在着一定的局限性 $ 因此在中国北方已有一个大坝混凝 土工程中发现了碱 $ 活性骨料反应 $ 并在冻融 % 冻胀破坏的联 合作用下 $引起大坝溢流面混凝土的破坏 # 因此 $进一步重视大 坝 混 凝 土 中 碱$活 性 骨 料 反 应 的 研 究 和 采 用 合 理 的 工 程 措 施 $ 将是保证我国大坝混凝土耐久性 % 安全性的重要课题 #
!
问题的由来
中国是世界上筑坝数量最多的国家 & 在高坝中 $#!V 以上
是混凝土坝 $其原因是混凝土坝比其他材料坝更为安全可靠 ’ 耐久性强 & 大坝混凝土相对其他工程的混凝土来讲 $ 其材料方 面的特点是骨料粒径大 $ 最大骨料粒径 达 ("! JJ ) 普 通 混 凝 土骨料最大粒径为 &! JJ ($ 骨料用量 比 例 高 $ 占 混 凝 土 材 料 总量 " 质量 ( 的 #!V 左右 " 普通混凝土为 W"VX)!V ($ 因此骨料 性状对混凝土质量的影响就更为显著和重要 & 碱 $ 活性骨料 反应问题是混凝土耐久性中的重要课题 $ 世界上碱 $ 活性骨 料反应的发现和工程破坏实例也多来自于水工混凝土工程 $ 如大坝 ’ 水闸 ’ 水电站等 & 其原因就是水工混凝土直接与水接 触 $混凝土中往往含有较多的水或直接处于水饱和状态 $ 因此 一旦混凝土中水泥的含碱量 "Y4’Z ’[’Z ( 较高 $ 而骨料又具有 潜在的活性 $那么碱 $ 活性骨料反应就不可避免 & 半个多世纪以来 $ 中国建设了许多高混凝土坝 $ 在这些工 程中是否存在碱 $ 活性骨料反应破坏 $ 一直为人们所关注 & 上 世纪 )! 年代中期 $ 中国水利水电科学研究院等单位 $ 对全国
!!!!!!!!收稿日期 !’!!&$!’$()
作者简介 ! 李金玉 )(#&’ ,#$ 男 $ 江苏常州人 $ 教授级高 工 $ 博 士 生导师 $ 主要从事水工混凝土材料试验研究工作 R
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第 /- 卷第 - 期
李金玉 , 中国大坝混凝土中的碱骨料反应
BCD?))0+0-"$ 同时也进行了砂石料场不同粒径骨料的岩相
分析 $结果见表 -# 可疑活性骨料的化学法检测结果见表 )$砂 浆棒长度法测试结果见表 /#
表! 骨料品种 流纹岩 安山岩 凝灰岩 总含量 表# 骨料品种 安山岩 凝灰岩 闪长玢岩 凝灰熔岩 表$ 活性骨 料含量 丰满水电站大坝混凝土骨料中碱 " 活性骨料的含量 不同粒径 !""# 骨料中的碱 $ 活性骨料含量 %&