第4章　超高粉煤灰掺量技术

4.1　概述

贵阳院自2007年以来，利用混凝土外加剂技术发展的成果，在现有的高掺粉煤灰水工混凝土技术基础上及完全满足水工混凝土现有技术性能指标的前提下，研究进一步提高粉煤灰掺量的关键技术，实现了目前相关规程规范对不同水工混凝土粉煤灰极限掺量的突破，为水工混凝土结构的温控和防裂提供更有利的条件。通过对粉煤灰利用量和利用水平的大幅提高，促进水电水利工程建设技术发展，实现节能减排、健康环保的可持续发展目标。贵阳院于2008年申请了中国水电工程顾问集团公司（现隶属于中国电力建设集团有限公司）的科技项目《超高粉煤灰掺量的水工混凝土关键技术研究》（CHC-KJ-2008-13）。

中国电建集团公司科研项目通过宏观性能和微观结构的系统试验研究，为超高粉煤灰掺量技术在贵州省董箐水电站、光照水电站、石垭子水电站、马马崖一级水电站等工程中的成功应用奠定基础，项目研究成果荣获2014年度中国电建集团科学技术一等奖、中国电力科学技术二等奖、水力发电科学技术三等奖、贵州省科技进步三等奖以及2015年度中国施工企业管理协会科学技术二等奖。同时，依托该项目成果，贵阳院主编贵州省地方标准《超高粉煤灰掺量水工混凝土应用技术规范》（DB52/T 1247—2017）于2017年12月8日正式发布。

4.1.1　研究背景

人类能源消费的剧增、化石燃料的匮乏乃至枯竭，以及生态环境的日趋恶化，迫使人们不得不思考人类社会的能源问题。国民经济的可持续发展，依仗能源的可持续供给，这就必须研究开发新能源和可再生能源。然而，由于种种原因，包括太阳能、风能、水能在内的巨大数量的能源，可以利用的仅占微乎其微的比例，因而，继续发展的潜力是巨大的。水电能源作为可再生、清洁能源之一，越来越受到各国的高度重视，近年来，许多发展中国家相继制定了一系列发展水电能源的政策。我国鼓励合理开发和利用水电资源的总体方针是确定的，而且于2003年开始，特大水电投资项目也开始向民资开放，近年以及未来数年，我国的水利水电工程建设将处于重要发展时期，一批高坝巨库（高度超过200m）的特大型大坝已经开工建设或者即将兴建。

水泥混凝土已经成为当今筑坝工程建设的最大宗和最主要的结构材料。据不完全统计，世界水泥年产量已超过15亿t，折合成混凝土应不少于60亿m3。与其他常用建筑材料（如钢筋、木材、塑料等）相比，水泥混凝土具有生产能耗相对低，原料来源广，工艺简便，同时它还具有耐久、防火、适应性强、应用方便等特点，因此在今后相当长的时间内，水泥混凝土仍将是应用最广、用量最大的建筑材料。

大坝建设中大量使用的水泥，是能源和资源消耗大户，在水泥的生产过程中会产生大量的CO2，一般生产1t水泥熟料将排放1t CO2气体，给全球造成环境污染、温室效应和全球气候变暖等一系列不利影响。而且我国水泥行业已经进入低速发展期，不得不直面产能过剩在加剧、能源和环境的约束力在加强等问题，在全球可持续发展的进程中，迫切需要用其他辅助胶凝材料来大比例替代水泥，减少水泥用量，降低水泥带来的不利影响。

我国水电工程筑坝混凝土材料自20世纪80年代末期至90年代初期，开始在工程中使用粉煤灰作为掺合料代替水泥的研究，以贵州省东风水电站大坝常态混凝土使用30%～35%Ⅱ级粉煤灰，以贵州省普定水电站坝体内部碾压混凝土使用60%左右Ⅱ级粉煤灰、外部碾压混凝土粉煤灰掺量达到50%为标志性成果，将我国水工混凝土材料技术提升到了一个新的水平。我国是煤炭资源丰富的国家，是世界最大的煤炭生产国和消费国，至2013年底，全国粉煤灰产生量为5.8亿t，按一亩地堆放约1500t粉煤灰计算，估计占用40万亩农田，而且大量存储的粉煤灰会造成空气、水环境的污染，破坏生态平衡，是严重的环境和社会问题。因此，如何充分发挥我国水电资源优势，全面提升混凝土筑坝材料的性能，通过混凝土筑坝材料的科学技术创新，将造成二次污染的大量粉煤灰建筑材料资源化，实现在混凝土筑坝材料中高值化综合利用并借此全面提升混凝土筑坝材料的性能，尤其是提高混凝土筑坝材料的可施工性能、适宜的强度和强度发展、满足设计要求的力学性能、特别是耐久性能，建设安全、高效、耐久的水电工程，并节约资源和能源，保护环境，走可持续发展的水电建设道路，这便是该项目研究的技术背景。

4.1.2　超高粉煤灰掺量定义

经过对已公开的有关文献的检索查新，目前针对水电工程建设的特点，未见“超高粉煤灰掺量的水工混凝土材料”的概念、研究和相关报道，更未见相关技术知识产权的报道。

从排斥粉煤灰到如今“Ⅰ级”粉煤灰供不应求，是我国混凝土技术的一大进步，许多人认为掺粉煤灰混凝土就是“高性能混凝土”，但是大部分掺量不超过20%，有规范还规定掺量不大于15%，尽管许多人接受粉煤灰对混凝土的耐久性作用、降低混凝土温升的作用、减小收缩和抗裂的作用等观点，但潜意识里仍然持怀疑态度，这种现状实际上仍然是几十年前对掺入掺合料混凝土的思想认识的延续，而且这么多年来，全国的水工常态及碾压混凝土，以粉煤灰掺量为重要指标的水工混凝土技术水平仍然停留在原有规范要求的基础上，几乎没有大的突破和创新，到目前为止，在大坝内部碾压混凝土中粉煤灰的掺量也只有不超过60%～65%的水平，而在常态混凝土，粉煤灰的掺量更低，因此为控制混凝土的温升和温差，不得不采取一系列的降温手段，以达到减少结构混凝土因温升太迅速、散热不及时而导致出现温度裂缝的目的。然而，由于混凝土材料与生俱来的热学性能和收缩变形性能，导致仍有很多水工混凝土结构从大坝建设的一开始便出现了不同程度的开裂现象，几乎没有一个工程能够幸免产生裂缝缺陷，对大坝结构的耐久性造成了较大的影响。另外，火力发电不仅消耗大量资源，而且所排放的大量粉煤灰（渣）和有害烟气对环境造成二次污染，因此综合利用粉煤灰资源，全面提升超高粉煤灰掺量的水工混凝土材料在现代筑坝技术中的适用性，保证大坝安全运行及提升混凝土结构的性能，并实现节约投资，节约资源，保护环境，使现代筑坝技术可持续发展是值得深入研究的重大课题。

“超高粉煤灰掺量”的提出，主要以《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》（DL/T 5055—2007）中规定掺量为基础，采用普通硅酸盐水泥的条件下，突破规范规定的粉煤灰掺量即为本技术的研究范围。