葉巴灘水電站混凝土可替代摻和料研究綜述

周 益 舒

(華電金沙江上游水電開發有限公司，四川 成都 610000)

1 概 述

葉巴灘水電站位于四川與西藏界河金沙江上游河段上，系金沙江上游13個梯級水電站的第7級，上游為波羅水電站，下游與拉哇水電站銜接，電站裝機容量224萬kW(含20萬kW泄放生態流量機組)。葉巴灘水電站主體工程共需要混凝土方量約為440萬m3，因此，對摻和料的需求極大。摻和料是現代混凝土的重要組成材料，可以節約水泥，改善混凝土性能，特別是可以大幅降低大體積混凝土水化熱溫升，緩解混凝土溫控防裂壓力[1]。混凝土摻和料主要包括各種鋁硅酸鹽類的工業廢渣和天然礦物，如粉煤灰、礦渣、鋼渣、磷渣、硅粉、天然火山灰質材料等，其中以粉煤灰的應用最為成熟、最為普遍。但由于金沙江上游地區工業經濟不發達，工程附近區域缺乏粉煤灰、礦渣等優質摻和料資源，最近的可供粉煤灰的大型電廠位于1 000 km以外，不僅運價昂貴，而且由于金沙江上游水電項目建設期長，建設期與周邊地區眾多水電工程發生重疊，致使粉煤灰的供應難以得到應有的保障。因此，摻和料對金沙江上游水電工程的建設成本和混凝土質量控制有著重要的影響，成為制約工程建設的關鍵因素之一。研究并選擇合適的摻和料方案是保證金沙江上游水電工程混凝土質量，確保工程能夠順利建設的關鍵。

對距離葉巴灘經濟運輸半徑范圍內(距離壩址區約300 km范圍內或運至壩區費用低于粉煤灰)，可以替代粉煤灰作為混凝土摻和料的材料主要為火山灰和磷渣。火山灰和磷渣作為混凝土摻和料已在其他工程上得到應用，本文擬通過對已使用火山灰和磷渣作為摻和料工程的混凝土性能進行綜合分析，為其在葉巴灘工程的應用提供必要的技術支撐。

2 物理力學性能

不同工程中應用的火山灰和磷渣物理力學性能見表1，不同工程的火山灰和磷渣粉的基本性能指標符合DL/T 5273-2012《水工混凝土摻用天然火山灰質材料技術規范》和DL/T 5387-2007 《水工混凝土摻用磷渣粉技術規范》的有關規定，其中磷渣的活性較高，28d活性指數達到91.0%，火山灰28d活性指數葉超過了70%。

3 混凝土力學性能

表1 摻和料物理性能力學結果

磷渣和火山灰對混凝土抗壓強度的影響見圖1和圖2。摻磷渣、火山灰和粉煤灰對混凝土抗壓強度、劈拉強度的影響對比見表2。摻磷渣粉與摻粉煤灰相比，混凝土7 d齡期強度基本相當，混凝土28 d齡期抗壓強度摻磷渣粉比摻粉煤灰時提高15%～25%，磷渣粉摻量越大，抗壓強度提高越多；90 d、180 d齡期時二者抗壓強度相當。火山灰摻量在40%以內，隨摻量的增加，混凝土早期強度降低明顯，但后期強度增長率較高，至90 d齡期時，高摻量火山灰混凝土的強度下降幅度不顯著，甚至比低摻量火山灰混凝土的強度還高。

圖1 磷渣對混凝土抗壓強度的影響

圖2 火山灰對混凝土抗壓強度的影響

表2 磷渣粉和粉煤灰對混凝土抗壓強度與劈拉強度的影響

磷渣和火山灰作為摻和料摻入到混凝土中雖會使混凝土的早期強度有所降低，但當摻量適當時，混凝土的后期強度與摻粉煤灰混凝土相當，摻磷渣混凝土的后期強度甚至還會超出摻粉煤灰的混凝土。這是因為，水泥早期水化被抑制，會使其晶體“生長發育”條件好，使水化產物的質量顯著提高，水泥石結構更加致密，孔隙率下降，孔徑變小，對混凝土后期強度的發展有利，使混凝土后期強度提高。此外，磷渣和火山灰又是具有一定活性的摻和料，其二次水化反應會提高水泥石的強度，改善界面過渡區結構和孔徑分布，使混凝土后期強度提高。

4 混凝土變形性能

磷渣和火山灰對混凝土干縮的影響對比見圖3。與摻粉煤灰相比，摻磷渣混凝土早期干縮略大，摻磷渣粉混凝土的干縮在后期基本與摻粉煤灰相當，磷渣粉與粉煤灰復摻時，混凝土的干縮值有減小的趨勢；摻火山灰混凝土早起干縮增加的幅度較小，后期增長幅度較大，超過了30%。摻磷渣粉混凝土早期干縮較大，這可能與磷渣多為玻璃體物質，親水能力較小，泌水較大，且早期水化較慢，所需水化用水亦較少，故可被蒸發水量也較多等原因有關。而火山灰由于比表面積較大，增加了混凝土的需水量，因此其干縮也更大。

圖3 摻磷渣、火山灰和粉煤灰混凝土干縮率發展變化規律

磷渣和火山灰對混凝土軸拉強度、極限拉伸值的影響對比見表3。摻磷渣、火山灰與摻粉煤灰相比，混凝土極限拉伸值早期相當，但90 d、180 d齡期時混凝土的極限拉伸值增長明顯，摻磷渣混凝土的增長幅度比摻火山灰混凝土略大。

5 混凝土耐久性能

磷渣和火山灰對混凝土抗凍性能的影響對比見表4。與摻粉煤灰混凝土相比，摻磷渣和火山灰不會對混凝土抗凍性能帶來不利影響，類似于粉煤灰，只要強度發展，引入合適的氣泡系統，摻磷渣和火山灰的混凝土也可以具有良好的抗凍性能。

表3 磷渣、火山灰和粉煤灰對混凝土軸拉強度與極限拉伸值的影響

表4 摻磷渣粉混凝土的抗凍性能

6 作用機理

6.1 磷渣在混凝土中的作用機理

粒化電爐磷渣具有較高的活性，但在一般條件下，磷渣并不具有水硬性，只有在激發劑存在的情況下才能發生水化反應，形成膠凝物質并具有水硬活性。摻磷渣的水泥加水后，首先是水泥熟料礦物發生水化反應，生成的氫氧化鈣成為磷渣的堿性激發劑，使磷渣中的Ca2+、AlO45-、Al3+、SiO44-離子進入溶液，生成新的水化產物水化硅酸鹽、水化鋁酸鹽等。由于石膏的存在，還會有水化硫鋁(鐵)酸鈣、水化硅鋁酸鈣C2ASH8和水化石榴子石C3AH6等的生成[2]。

圖4～圖6為各試件7 d、28 d、90 d齡期水化產物的SEM照片。摻磷渣的凈漿試件中除水泥開始水化外，還可發現少數磷渣顆粒表面開始水化，生成水化硅酸鈣凝膠等水化產物，大部分磷渣顆粒邊緣清晰，但表面有細小的被侵蝕的痕跡。由于磷渣水化程度低，可觀察到在樣品制作過程中磷渣從水泥石表面脫落留下的各種不規則的多邊形坑；隨著水泥水化的進行，大部分磷渣顆粒邊緣開始受到侵蝕并開始水化，生成的水化產物主要為水化硅酸鈣凝膠及非常細小的氫氧化鈣晶體。水化產物與磷渣顆粒表面粘結并不牢固，可觀察到在樣品制作過程由于凝膠自表面脫落后，在未水化的磷渣表面留下的細小的松花狀被侵蝕痕跡。說明此階段磷渣表面的水化產物硅酸鈣凝膠主要呈針狀堆積。到90 d齡期時，磷渣顆粒大部分都已發生水化，與水泥顆粒的水化產物交叉聯結，難以清晰辨認磷渣顆粒。已難以觀察到由于樣品制作過程磷渣顆粒脫落而在樣品表面留下的凹坑，水化產物致密，孔隙(尤其大孔)較少。

6.2 火山灰在混凝土中的作用機理

摻30%火山灰水泥凈漿7 d、28 d、90 d齡期水化產物SEM照片分別見圖7。7 d齡期時，火山灰的反應較微弱，水泥石中都還存在大量孔隙，結構疏松。28 d齡期時，火山灰顆粒逐漸被纖維狀、凝絮狀和層狀的水化產物所包裹，孔隙大量減少，C-S-H凝膠和水化硫鋁酸鹽交織形成比較密實的結構，只在水化產物表面看到少數的針狀鈣礬石，但晶體排列雜亂無章。90 d齡期時，隨著水化的進行，水泥石結構致密化程度繼續提高，C-S-H凝膠、CH等水化產物相互搭接形成硬化整體結構。在水泥石縫隙里可以看到少量充分發育的棒狀和管狀鈣礬石晶體，晶體與膠體交叉連接在一起[3]。

(a)×5000倍 (b)×3000倍圖4 凈漿試件7 d齡期水化產物的SEM照片(30%磷渣，70%水泥)

(a)×5000倍 (b)×3000倍圖5 凈漿試件28 d齡期水化產物的SEM照片(30%磷渣，70%水泥)

(a)×5000倍 (b)×3000倍圖6 凈漿試件90 d齡期水化產物的SEM照片(30%磷渣，70%水泥)

7 結 語

(1)與摻粉煤灰混凝土相比，摻磷渣和火山灰混凝土的早期強度有所降低，而且隨著摻量的增加，降幅也隨之增大；但后期強度卻與之相當，摻磷渣混凝土的后期強度甚至超過摻粉煤灰混凝土。

(2)磷渣和火山灰對混凝土極限拉伸值、軸拉強度、耐久性能影響較小，但磷渣替代粉煤灰后，早期干縮略有增加，后期基本相當；而火山灰替代粉煤灰后，混凝土干縮有增大的趨勢。

(a)7 d (b)28 d (c)90 d圖7 凈漿試件90d齡期水化產物的SEM照片(30%火山灰，70%水泥)

(3)磷渣和火山灰在混凝土中的作用機理類似，都是其與水泥水化生成的氫氧化鈣發生火山灰反應，只是生成的水化產物不同；這些新的水化產物使得混凝土內部結構更加密實，從而對混凝土產生相應的影響。