周 益 舒

(華電金沙江上游水電開(kāi)發(fā)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(gè)梯級(jí)水電站的第7級(jí)，上游為波羅水電站，下游與拉哇水電站銜接，電站裝機(jī)容量224萬(wàn)kW(含20萬(wàn)kW泄放生態(tài)流量機(jī)組)。葉巴灘水電站主體工程共需要混凝土方量約為440萬(wàn)m3，因此，對(duì)摻和料的需求極大。摻和料是現(xiàn)代混凝土的重要組成材料，可以節(jié)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]?；炷翐胶土现饕ǜ鞣N鋁硅酸鹽類(lèi)的工業(yè)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(zhì)材料等，其中以粉煤灰的應(yīng)用最為成熟、最為普遍。但由于金沙江上游地區(qū)工業(yè)經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)，工程附近區(qū)域缺乏粉煤灰、礦渣等優(yōu)質(zhì)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(yùn)價(jià)昂貴，而且由于金沙江上游水電項(xiàng)目建設(shè)期長(zhǎng)，建設(shè)期與周邊地區(qū)眾多水電工程發(fā)生重疊，致使粉煤灰的供應(yīng)難以得到應(yīng)有的保障。因此，摻和料對(duì)金沙江上游水電工程的建設(shè)成本和混凝土質(zhì)量控制有著重要的影響，成為制約工程建設(shè)的關(guān)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(zhì)量，確保工程能夠順利建設(shè)的關(guān)鍵。

對(duì)距離葉巴灘經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸半徑范圍內(nèi)(距離壩址區(qū)約300 km范圍內(nèi)或運(yùn)至壩區(qū)費(fèi)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?；鹕交液土自鳛榛炷翐胶土弦言谄渌こ躺系玫綉?yīng)用，本文擬通過(guò)對(duì)已使用火山灰和磷渣作為摻和料工程的混凝土性能進(jìn)行綜合分析，為其在葉巴灘工程的應(yīng)用提供必要的技術(shù)支撐。

2 物理力學(xué)性能

不同工程中應(yīng)用的火山灰和磷渣物理力學(xué)性能見(jiàn)表1，不同工程的火山灰和磷渣粉的基本性能指標(biāo)符合DL/T 5273-2012《水工混凝土摻用天然火山灰質(zhì)材料技術(shù)規(guī)范》和DL/T 5387-2007 《水工混凝土摻用磷渣粉技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，其中磷渣的活性較高，28d活性指數(shù)達(dá)到91.0%，火山灰28d活性指數(shù)葉超過(guò)了70%。

3 混凝土力學(xué)性能

表1 摻和料物理性能力學(xué)結(jié)果

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

圖1 磷渣對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 火山灰對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

表2 磷渣粉和粉煤灰對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度與劈拉強(qiáng)度的影響

磷渣和火山灰作為摻和料摻入到混凝土中雖會(huì)使混凝土的早期強(qiáng)度有所降低，但當(dāng)摻量適當(dāng)時(shí)，混凝土的后期強(qiáng)度與摻粉煤灰混凝土相當(dāng)，摻磷渣混凝土的后期強(qiáng)度甚至還會(huì)超出摻粉煤灰的混凝土。這是因?yàn)?，水泥早期水化被抑制，?huì)使其晶體“生長(zhǎng)發(fā)育”條件好，使水化產(chǎn)物的質(zhì)量顯著提高，水泥石結(jié)構(gòu)更加致密，孔隙率下降，孔徑變小，對(duì)混凝土后期強(qiáng)度的發(fā)展有利，使混凝土后期強(qiáng)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(yīng)會(huì)提高水泥石的強(qiáng)度，改善界面過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)和孔徑分布，使混凝土后期強(qiáng)度提高。

4 混凝土變形性能

磷渣和火山灰對(duì)混凝土干縮的影響對(duì)比見(jiàn)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(dāng)，磷渣粉與粉煤灰復(fù)摻時(shí)，混凝土的干縮值有減小的趨勢(shì)；摻火山灰混凝土早起干縮增加的幅度較小，后期增長(zhǎng)幅度較大，超過(guò)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(zhì)，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(fā)水量也較多等原因有關(guān)。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(fā)展變化規(guī)律

磷渣和火山灰對(duì)混凝土軸拉強(qiáng)度、極限拉伸值的影響對(duì)比見(jiàn)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(dāng)，但90 d、180 d齡期時(shí)混凝土的極限拉伸值增長(zhǎng)明顯，摻磷渣混凝土的增長(zhǎng)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(duì)混凝土抗凍性能的影響對(duì)比見(jiàn)表4。與摻粉煤灰混凝土相比，摻磷渣和火山灰不會(huì)對(duì)混凝土抗凍性能帶來(lái)不利影響，類(lèi)似于粉煤灰，只要強(qiáng)度發(fā)展，引入合適的氣泡系統(tǒng)，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(duì)混凝土軸拉強(qiáng)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(jī)理

6.1 磷渣在混凝土中的作用機(jī)理

?；姞t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(fā)劑存在的情況下才能發(fā)生水化反應(yīng)，形成膠凝物質(zhì)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(fā)生水化反應(yīng)，生成的氫氧化鈣成為磷渣的堿性激發(fā)劑，使磷渣中的Ca2+、AlO45-、Al3+、SiO44-離子進(jìn)入溶液，生成新的水化產(chǎn)物水化硅酸鹽、水化鋁酸鹽等。由于石膏的存在，還會(huì)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(chǎn)物的SEM照片。摻磷渣的凈漿試件中除水泥開(kāi)始水化外，還可發(fā)現(xiàn)少數(shù)磷渣顆粒表面開(kāi)始水化，生成水化硅酸鈣凝膠等水化產(chǎn)物，大部分磷渣顆粒邊緣清晰，但表面有細(xì)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(guò)程中磷渣從水泥石表面脫落留下的各種不規(guī)則的多邊形坑；隨著水泥水化的進(jìn)行，大部分磷渣顆粒邊緣開(kāi)始受到侵蝕并開(kāi)始水化，生成的水化產(chǎn)物主要為水化硅酸鈣凝膠及非常細(xì)小的氫氧化鈣晶體。水化產(chǎn)物與磷渣顆粒表面粘結(jié)并不牢固，可觀察到在樣品制作過(guò)程由于凝膠自表面脫落后，在未水化的磷渣表面留下的細(xì)小的松花狀被侵蝕痕跡。說(shuō)明此階段磷渣表面的水化產(chǎn)物硅酸鈣凝膠主要呈針狀堆積。到90 d齡期時(shí)，磷渣顆粒大部分都已發(fā)生水化，與水泥顆粒的水化產(chǎn)物交叉聯(lián)結(jié)，難以清晰辨認(rèn)磷渣顆粒。已難以觀察到由于樣品制作過(guò)程磷渣顆粒脫落而在樣品表面留下的凹坑，水化產(chǎn)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(jī)理

摻30%火山灰水泥凈漿7 d、28 d、90 d齡期水化產(chǎn)物SEM照片分別見(jiàn)圖7。7 d齡期時(shí)，火山灰的反應(yīng)較微弱，水泥石中都還存在大量孔隙，結(jié)構(gòu)疏松。28 d齡期時(shí)，火山灰顆粒逐漸被纖維狀、凝絮狀和層狀的水化產(chǎn)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(shí)的結(jié)構(gòu)，只在水化產(chǎn)物表面看到少數(shù)的針狀鈣礬石，但晶體排列雜亂無(wú)章。90 d齡期時(shí)，隨著水化的進(jìn)行，水泥石結(jié)構(gòu)致密化程度繼續(xù)提高，C-S-H凝膠、CH等水化產(chǎn)物相互搭接形成硬化整體結(jié)構(gòu)。在水泥石縫隙里可以看到少量充分發(fā)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)物的SEM照片(30%磷渣，70%水泥)

7 結(jié) 語(yǔ)

(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(qiáng)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(qiáng)度卻與之相當(dāng)，摻磷渣混凝土的后期強(qiáng)度甚至超過(guò)摻粉煤灰混凝土。

(2)磷渣和火山灰對(duì)混凝土極限拉伸值、軸拉強(qiáng)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(dāng)；而火山灰替代粉煤灰后，混凝土干縮有增大的趨勢(shì)。

(a)7 d (b)28 d (c)90 d圖7 凈漿試件90d齡期水化產(chǎn)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(jī)理類(lèi)似，都是其與水泥水化生成的氫氧化鈣發(fā)生火山灰反應(yīng)，只是生成的水化產(chǎn)物不同；這些新的水化產(chǎn)物使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，從而對(duì)混凝土產(chǎn)生相應(yīng)的影響。