引绰济辽水利工程中混凝土集碱反应探究

　　摘    要：　混凝土部分骨料存在碱活性或潜在，同时由于水泥、外加剂、水等材料带入有害碱含量变化，增加了混凝土集碱反应发生的概率，需在工程建设前期设计和施工过程中采取有效抑制措施，预防碱集料反应发生，以确保工程设计合理寿命和正常功能的发挥。文中分析了引绰济辽工程有可能发生混凝土集碱反应的可能性和重点部位，并提出了抑制建议措施和注意事项。

　　关键词：　混凝土; 集碱反应; 抑制措施; 引绰济辽工程;

　　1、 工程概况

　　引绰济辽工程是一项从嫩江支流绰尔河引水到西辽河，向沿线城市及工业供水的大型跨流域引水工程，是我国实现水资源空间调度和可持续利用，统筹水资源统一利用开发，保护生态环境，有效缓解水资源分布不均的重大决策和重要工程，是国务院172项重大节水供水项目之一。工程由文得根水利枢纽和输水工程组成。枢纽工程由大坝、发电系统、溢洪道、副坝及鱼道等组成；输水工程由隧洞和PCCP管道组成。

　　引绰济辽工程属于跨流域调水项目，设计输水线路总长度390.263 km，工程建设跨越嫩江流域和西辽河流域等，流域内砂石骨料普遍存在潜在碱活性，岩性主要为状凝灰岩、凝灰角砾岩、酸性熔岩、凝灰砂砾岩、变质砂岩、板岩、安山岩，侵入岩为致密块状花岗岩、花岗斑岩，属于火山喷发形成岩类，其成分比较复杂，主要成分以Si O2,K2O,Na2O,Fe2O3等为主，一般都可作为天然建筑材料，但由于成分复杂，使用时一般都需进行检验，特别是在设计使用年限超过100年的工程中使用，需进行专门的论证和试验后方可使用。

　　混凝土集碱反应已是混凝土接遭遇破坏的等重要因素之一，由于引绰济辽工程涉及的区域范围内骨料大部分存在潜在碱骨料危害性，工程实施过程中必须引起高度重视，从原材料、混凝土配合比、施工质量、养护措施等方面加强管理，从而尽可能减少混凝土集碱破坏，以保证工程结构安全和达到设计寿命，确保大型引调水工程功能和效益的正常发挥不受影响。
 

　　2 、混凝土集碱反应及其危害

　　2.1、 概念

　　混凝土碱集骨料反应是指混凝土中的碱和环境中可能渗入的碱与混凝土集料（砂、石）中的活性矿物成分，在混凝土固化后缓慢发生化学反应产生胶凝物质因吸收水分后发生膨胀，最终导致混凝土从内向外延伸开裂和损毁的现象，它是破坏混凝土建筑的一个重要因素。

　　2.2 、来源

　　1）水泥中的碱是混凝土碱的最大来源，主要由生产水泥的原料粘土和燃料煤引入。碱在水泥中以可溶和不可溶的形式存在，当水泥加水后可溶碱很快溶入水中，有部分被水化产物所吸收，吸收越多对碱骨料反应而言越稳定和有利通过长期的作用可形成比较稳定的铝硅酸钠水化产物，有利于防止碱料反应的发生。通常溶入水中未被水化产物吸收的那部分碱（即有害碱）才参与反应，因此降低水泥中的可溶碱，增加固溶熟料中的碱是减少碱集料反应的有效途径。

　　2）生产水泥时或混凝土搅拌时掺入一定量的混合材（粉煤灰等），同样可分为总碱量、可溶性碱量及有害碱量3种，但对碱集料反应的作用最小。

　　3）由于拌合水和外加剂中的碱全部是水溶性的，均能参与碱集料反应，对碱集料反应的作用最大，因此，在防止碱集料反应时，对拌和用水和外加剂中的碱含量应格外注意。

　　2.3 、危害

　　由于混凝土集碱反应产生碱硅酸盐凝胶物质，有强烈的吸水性，吸水后膨胀引起混凝土内部膨胀应力，而且碱硅凝胶吸水后还会进一步促进碱骨料反应的发展，使混凝土内部膨胀应力增大，导致混凝土表面有无序的网状裂缝和混凝土内部开裂，逐渐发展会使混凝土结构遭到严重破坏和崩溃，严重影响工程安全，导致建筑物不能达到设计使用标准和寿命。

　　2.4、 工程重点控制部位

　　引绰济辽工程沿线使用的砂石骨料均已探明普遍存在潜在碱活性，根据碱反应存在的条件，结合引绰济辽工程设计结构、部位和使用条件，需高度重视和重点控制的混凝土骨料碱反应部位主要包括：电站、溢洪道、大坝防渗体、隧洞、PCCP混凝土管芯等存在于水下或潮湿的环境中工作符合混凝土碱骨料反应发生的条件混凝土建筑物等，特别是PCCP管道这种特殊结构的材料，由于混泥土厚度比较小，且为承高压结构，遭遇集碱反应后混凝土结构极易遭到破坏，严重影响工程安全，施工中须高度重视和严格控制。

　　3 、抑碱措施

　　3.1 、碱活性骨料判定及抑制标准

　　骨料碱活性的判定方法比较多，目前常用的主要有砂浆棒快速法、混凝土棱柱法判定。依据DL/T5151-2014《水工混凝土砂石骨料试验规程》和SL352-2006《水工混凝试验规程》、SL677-2014《水工混凝土施工规范》有关规定，采用砂浆棒快速法结果判定准则为：若试件14 d的膨胀率小于0.1%，则骨料判定为非活性骨料；若试件14 d的膨胀率大于0.2%，则骨料判定具有潜在危害性反应活性骨料；若试件14 d的膨胀率在0.1%～0.2%，对这种骨料应结合岩相分析，试件的观测需要延长至28 d后测试结果或混凝土棱柱体测试结果进行综合判定。

　　根据碱骨料反应抑制措施有效试验（砂浆棒快速法），依据DL/T 5151-2014《水工混凝土砂石骨料试验规程》，若28 d龄期对比试件膨胀率小于0.10%，则认为抑制材料对碱骨料反应危害抑制效果评定为有效。

　　3.2、 碱活性骨料抑制措施试验及效果

　　为有效抑制该区域骨料活性反应情况，选取某PCCP管道混凝土骨料集碱反应抑制试验，选取2组工程所在区域内不同产地骨料，分别进行不掺、掺15%、20%的粉煤灰措施进行抑制试验，结果表明不掺粉煤灰的石骨料均存在碱活性，分别掺用15%和20%粉煤灰时均可有效抑制骨料碱活性，抑制成果和抑制趋势如表1，图1，图2所示。从表1试验数据可以看出，掺15%和20%粉煤灰砂浆棒28 d膨胀率均小于0.10%,14 d膨胀率均小于0.03%，满足规范要求的抑制效果，可有效抑制骨料的碱活性，能够保证混凝土结构的安全。

　　表1 混凝土集碱反应试验碱活性砂浆膨胀率成果表（%）

　　4 、工程措施

　　混凝土碱反应发生的条件主要为原材料中可溶有害碱含量超标，有害碱在遇水融化后发生反应，因此，降低混凝土原材料中的可溶碱、掺加一定比列的混合材料等是减少碱集料反应的有效途径，同时可采用一定的物理措施将混凝土与潮湿环境进行有效隔离，阻断反应条件，也可有效抑制混凝土集碱反应。

　　图1 砂料抑碱试验成果曲线

　　图2 骨料料抑碱试验成果曲线

　　4.1 、采用低碱水泥

　　水泥作为混凝土中碱的主要带入材料，其碱含量直接决定了混凝土发生集碱反应的可能性。按照国标要求总碱含量（Na2O+0.658K2O）小于0.6%的水泥为低碱水泥，采用低碱水泥可有效控制混凝土总碱量，从而规避碱集料反应的发生。

　　4.2 、减少外加剂中的碱含量

　　外加剂如减水剂、引气剂、早强剂、防冻剂等的使用是现代混凝土技术发展的一个重要组成部分，但同时带来某些外加剂引入碱的问题。由于外加剂引入的碱全部是可溶性的，对碱集料反应的作用也最大。因此，为防止碱集料反应，对外加剂中的碱应格外注意。

　　4.3、 掺用适量粉煤灰等混合料

　　通过实验在混凝土中掺加一定比例粉煤灰等混合材料，具有增加混凝土的和易性、减少水泥用量、提高强度的作用，同时细掺和料能很快消耗水泥中的碱，是预防碱骨料反应的重要而又有效的措施，试验证明掺用15%20%粉煤灰、高炉矿渣等可有效抑制碱集料反应。

　　4.4、 控制混凝土总碱量

　　混凝土中的碱主要来自水泥、外加剂、掺和料能参与碱骨料反应的有效碱含量，在施工过程中加强施工管理，严格原材料质量控制，控制混凝土中的总碱量，尽可能预防和减弱集碱反应发生。

　　4.5 、阻断碱集反应条件

　　水是混凝土集碱反应发生和发展的一个必要条件，实践证明，越是在潮湿多水的环境条件下，碱集反应对工程的损害发展越快，因此对工程关键部位、结构采取一定的措施进行封闭或与水隔离（如涂刷防水材料、聚脲等），阻断碱反应的条件，同样可起到抑制碱骨料反应。

　　5 、主要控制要点

　　5.1 、工程施工过程中

　　5.1.1、 原材料选取

　　施工过程中严格按照规范和试验成果报告要求选取原材料，如选用低碱水泥，拌合水p H值不大于6.5、氯离子含量小于100 mg/L、硫酸根离子含量小于350 mg/L，砂料采用含泥量小于2%且细度模数Mx=2.3～3.0的中砂，粗骨料应采用含泥量不得大于1%连续级配，粉煤灰宜采用Ⅰ级灰，细度不大于12%，烧失量不大于5%，需水量比不大于95%，三氧化硫含量不大于3%，游离氧化钙含量不大于4%，外加剂不得造成混凝土中水溶性氯离子含量超过水泥重量0.06%限量的规定等，从原材料上控制和降低混凝土集碱反应的发生。

　　5.1.2、 配合比控制

　　在施工过程中，除要严格控制混凝土原材料质量外，要严格按照试验确定的混凝土配合比进行混凝土拌和生产，按规范要求进行现场材料检验，根据所采用的砂石骨料情况、坍落度值、胶凝材料和外加剂品种，确定用水量，一般情况下混凝土的坍落度宜控制在70～110 mm为宜，粉煤灰掺量要综合考虑试验确定对骨料碱活性抑制效果，掺量一般为水泥量的20%，在保证水胶比不变的前提下及时准确地进行混凝土施工配合比的调整，以保证混凝土的和易性。

　　5.1.3、 加强养护

　　混凝土养护是保障混凝土早期强度的最关键、最主要的措施之一，施工过程中要根据不同的工程部位和要求制定切实可行的养护措施，防止混凝土内外温度变化过大，引起干缩温度裂缝和表面龟裂的缺陷的产生，因为混凝土开裂后，在潮湿环境中水分将更容易进入混凝土结构内部，将加速混凝土集碱反应和混凝土机构膨胀破坏，从而对工程耐久性和安全造成威胁。

　　5.2、 运行过程中

　　由于引绰济辽工程涉及区域范围混凝土骨料大部分存在不同程度的碱活性或疑似碱活性，工程施工中虽根据试验采取抑制措施，但并不是完全消除了集碱反应对混凝土结构的破坏。因此，在工程建成或投入使用期间要对长期处于水下或潮湿环境的部位混凝土结构加强监测和观察，必要时可定期进行钻心取样检测，一旦发现有集碱反应破坏迹象立即采取措施进行加固和处理。

　　参考文献

　　[1] DL/T5151-2014，水工混凝土砂石骨料试验规程[S].
　　[2] 中水东北勘测设计研究有限责任公司科学研究院.引绰济辽工程碱活性骨料抑制效能试验研究报告[R].2015,3.
　　[3] 中国水利水电科学研究.引绰济辽工程砂石料碱活性检测报告（水科检〔2019〕020号）[R]. 2019,9.
　　[4]戴龙.水利工程混凝土检测与质量管理分析[J].水利规划与设计，2016(06):90-92.