叶巴滩水电站混凝土可替代掺和料研究综述

2019-03-12周益舒

四川水力发电 2019年1期

周益舒

(华电金沙江上游水电开发有限公司，四川成都 610000)

1 概述

叶巴滩水电站位于四川与西藏界河金沙江上游河段上，系金沙江上游13个梯级水电站的第7级，上游为波罗水电站，下游与拉哇水电站衔接，电站装机容量224万kW(含20万kW泄放生态流量机组)。叶巴滩水电站主体工程共需要混凝土方量约为440万m3，因此，对掺和料的需求极大。掺和料是现代混凝土的重要组成材料，可以节约水泥，改善混凝土性能，特别是可以大幅降低大体积混凝土水化热温升，缓解混凝土温控防裂压力[1]。混凝土掺和料主要包括各种铝硅酸盐类的工业废渣和天然矿物，如粉煤灰、矿渣、钢渣、磷渣、硅粉、天然火山灰质材料等，其中以粉煤灰的应用最为成熟、最为普遍。但由于金沙江上游地区工业经济不发达，工程附近区域缺乏粉煤灰、矿渣等优质掺和料资源，最近的可供粉煤灰的大型电厂位于1 000 km以外，不仅运价昂贵，而且由于金沙江上游水电项目建设期长，建设期与周边地区众多水电工程发生重叠，致使粉煤灰的供应难以得到应有的保障。因此，掺和料对金沙江上游水电工程的建设成本和混凝土质量控制有着重要的影响，成为制约工程建设的关键因素之一。研究并选择合适的掺和料方案是保证金沙江上游水电工程混凝土质量，确保工程能够顺利建设的关键。

对距离叶巴滩经济运输半径范围内(距离坝址区约300 km范围内或运至坝区费用低于粉煤灰)，可以替代粉煤灰作为混凝土掺和料的材料主要为火山灰和磷渣。火山灰和磷渣作为混凝土掺和料已在其他工程上得到应用，本文拟通过对已使用火山灰和磷渣作为掺和料工程的混凝土性能进行综合分析，为其在叶巴滩工程的应用提供必要的技术支撑。

2 物理力学性能

不同工程中应用的火山灰和磷渣物理力学性能见表1，不同工程的火山灰和磷渣粉的基本性能指标符合DL/T 5273-2012《水工混凝土掺用天然火山灰质材料技术规范》和DL/T 5387-2007 《水工混凝土掺用磷渣粉技术规范》的有关规定，其中磷渣的活性较高，28d活性指数达到91.0%，火山灰28d活性指数叶超过了70%。

3 混凝土力学性能

表1 掺和料物理性能力学结果

磷渣和火山灰对混凝土抗压强度的影响见图1和图2。掺磷渣、火山灰和粉煤灰对混凝土抗压强度、劈拉强度的影响对比见表2。掺磷渣粉与掺粉煤灰相比，混凝土7 d龄期强度基本相当，混凝土28 d龄期抗压强度掺磷渣粉比掺粉煤灰时提高15%～25%，磷渣粉掺量越大，抗压强度提高越多；90 d、180 d龄期时二者抗压强度相当。火山灰掺量在40%以内，随掺量的增加，混凝土早期强度降低明显，但后期强度增长率较高，至90 d龄期时，高掺量火山灰混凝土的强度下降幅度不显著，甚至比低掺量火山灰混凝土的强度还高。

图1 磷渣对混凝土抗压强度的影响

图2 火山灰对混凝土抗压强度的影响

表2 磷渣粉和粉煤灰对混凝土抗压强度与劈拉强度的影响

磷渣和火山灰作为掺和料掺入到混凝土中虽会使混凝土的早期强度有所降低，但当掺量适当时，混凝土的后期强度与掺粉煤灰混凝土相当，掺磷渣混凝土的后期强度甚至还会超出掺粉煤灰的混凝土。这是因为，水泥早期水化被抑制，会使其晶体“生长发育”条件好，使水化产物的质量显著提高，水泥石结构更加致密，孔隙率下降，孔径变小，对混凝土后期强度的发展有利，使混凝土后期强度提高。此外，磷渣和火山灰又是具有一定活性的掺和料，其二次水化反应会提高水泥石的强度，改善界面过渡区结构和孔径分布，使混凝土后期强度提高。

4 混凝土变形性能

磷渣和火山灰对混凝土干缩的影响对比见图3。与掺粉煤灰相比，掺磷渣混凝土早期干缩略大，掺磷渣粉混凝土的干缩在后期基本与掺粉煤灰相当，磷渣粉与粉煤灰复掺时，混凝土的干缩值有减小的趋势；掺火山灰混凝土早起干缩增加的幅度较小，后期增长幅度较大，超过了30%。掺磷渣粉混凝土早期干缩较大，这可能与磷渣多为玻璃体物质，亲水能力较小，泌水较大，且早期水化较慢，所需水化用水亦较少，故可被蒸发水量也较多等原因有关。而火山灰由于比表面积较大，增加了混凝土的需水量，因此其干缩也更大。

图3 掺磷渣、火山灰和粉煤灰混凝土干缩率发展变化规律

磷渣和火山灰对混凝土轴拉强度、极限拉伸值的影响对比见表3。掺磷渣、火山灰与掺粉煤灰相比，混凝土极限拉伸值早期相当，但90 d、180 d龄期时混凝土的极限拉伸值增长明显，掺磷渣混凝土的增长幅度比掺火山灰混凝土略大。

5 混凝土耐久性能

磷渣和火山灰对混凝土抗冻性能的影响对比见表4。与掺粉煤灰混凝土相比，掺磷渣和火山灰不会对混凝土抗冻性能带来不利影响，类似于粉煤灰，只要强度发展，引入合适的气泡系统，掺磷渣和火山灰的混凝土也可以具有良好的抗冻性能。

表3 磷渣、火山灰和粉煤灰对混凝土轴拉强度与极限拉伸值的影响

表4 掺磷渣粉混凝土的抗冻性能

6 作用机理

6.1 磷渣在混凝土中的作用机理

粒化电炉磷渣具有较高的活性，但在一般条件下，磷渣并不具有水硬性，只有在激发剂存在的情况下才能发生水化反应，形成胶凝物质并具有水硬活性。掺磷渣的水泥加水后，首先是水泥熟料矿物发生水化反应，生成的氢氧化钙成为磷渣的碱性激发剂，使磷渣中的Ca2+、AlO45-、Al3+、SiO44-离子进入溶液，生成新的水化产物水化硅酸盐、水化铝酸盐等。由于石膏的存在，还会有水化硫铝(铁)酸钙、水化硅铝酸钙C2ASH8和水化石榴子石C3AH6等的生成[2]。

图4～图6为各试件7 d、28 d、90 d龄期水化产物的SEM照片。掺磷渣的净浆试件中除水泥开始水化外，还可发现少数磷渣颗粒表面开始水化，生成水化硅酸钙凝胶等水化产物，大部分磷渣颗粒边缘清晰，但表面有细小的被侵蚀的痕迹。由于磷渣水化程度低，可观察到在样品制作过程中磷渣从水泥石表面脱落留下的各种不规则的多边形坑；随着水泥水化的进行，大部分磷渣颗粒边缘开始受到侵蚀并开始水化，生成的水化产物主要为水化硅酸钙凝胶及非常细小的氢氧化钙晶体。水化产物与磷渣颗粒表面粘结并不牢固，可观察到在样品制作过程由于凝胶自表面脱落后，在未水化的磷渣表面留下的细小的松花状被侵蚀痕迹。说明此阶段磷渣表面的水化产物硅酸钙凝胶主要呈针状堆积。到90 d龄期时，磷渣颗粒大部分都已发生水化，与水泥颗粒的水化产物交叉联结，难以清晰辨认磷渣颗粒。已难以观察到由于样品制作过程磷渣颗粒脱落而在样品表面留下的凹坑，水化产物致密，孔隙(尤其大孔)较少。

6.2 火山灰在混凝土中的作用机理

掺30%火山灰水泥净浆7 d、28 d、90 d龄期水化产物SEM照片分别见图7。7 d龄期时，火山灰的反应较微弱，水泥石中都还存在大量孔隙，结构疏松。28 d龄期时，火山灰颗粒逐渐被纤维状、凝絮状和层状的水化产物所包裹，孔隙大量减少，C-S-H凝胶和水化硫铝酸盐交织形成比较密实的结构，只在水化产物表面看到少数的针状钙矾石，但晶体排列杂乱无章。90 d龄期时，随着水化的进行，水泥石结构致密化程度继续提高，C-S-H凝胶、CH等水化产物相互搭接形成硬化整体结构。在水泥石缝隙里可以看到少量充分发育的棒状和管状钙矾石晶体，晶体与胶体交叉连接在一起[3]。