水工混凝土矿物掺和料的开发与应用研究综述

水工混凝土矿物掺和料的开发与应用研究综述

焦俊杰,张晨,田欣

陕西省水利电力勘测设计研究院  陕西省西安市   710000

摘要：水工建筑物体积庞大、运行环境复杂、服役周期长，为保障水工混凝土的抗裂性和长期耐久性，优质矿物掺和料已成为现代水工混凝土必不可少的重要组分。紧密围绕我国水利水电工程建设需求陆续开展水工混凝土矿物掺和料的开发与应用研究，并取得一系列原创性成果，编制了系列技术标准，部分研究成果在我国大中型水利水电工程中得到成功应用，是水利水电工程建设、混凝土矿物掺和料选择的主要依据之一。

关键词：矿物掺和料；水利水电工程；水工混凝土；开发与应用

一、意义

现代混凝土从硅酸盐水泥发明至今已有近两百年的历史，具有原材料可就地

取材，成本低、耐久性好、可塑性高、适用性强、使用广泛等特点，混凝土以其广泛的适用性和价格优势成为现代社会用量最大、最重要的的建筑材料，可以肯定的是，在当今和今后很长一段时间，混凝土材料仍是最主要的工程结构材料之一。当前，环境负面效应越来越受到人们关注，为实现混凝土行业的可持续性发展，探寻更加理想的水泥替代材料或水泥辅助掺和料显得极为重要。

水工混凝土有着其自身的特点，如材料需求量大和大体积施工，其凝胶体系的水化升温造成混凝土体系产生各种有害裂缝，这对工程质量和水工建筑物的运行产生极为不利的影响，而应用矿物掺和料是控制水工混凝土初期温升的有效措施之一。目前，水工混凝土中常用矿物掺和料有粉煤灰、粒化高炉矿渣和硅灰，均是工业生产中的副产品，利用这些火山灰和凝胶型材料的潜在能力，合理掺入混凝土中，可以改善混凝土的部分性能，解决某些水工混凝土应用中一些问题，同时取得节能环保和降低成本的效果。在我国水利工程建设中，由于某些工程受区域附近经济水平和交通状况的限制，获取远距离优质工业副产品运输经济成本极高，并且难以保证材料的供应而对工程进度造成影响，因此，作为水泥凝胶体系辅助掺和料具有巨大工程应用意义和经济效益。

二、水工混凝土矿物掺和料的分类

矿物掺和料是指以硅、铝、钙等一种或多种氧化物为主要成份，部分替代水泥、调节与改善混凝土性能的矿物质粉体材料，其掺量一般不低于5％。矿物掺和料用于混凝土中可产生两种作用效果：一是颗粒填充以改善胶凝材料颗粒级配，二是潜在水化活性生成稳定且具有胶凝性物质。基于矿物掺和料的作用效果，可将其分为填充型与活性掺和料两大类。填充型掺和料是指以改善胶凝材料颗粒级配为主要功能的矿物掺和料，活性较低，如磨细石粉，低活性天然火山灰材料，质量不符合相应技术规范的粒化高炉矿渣、电炉磷渣和粉煤灰等。活性掺和料是指不仅可改善胶凝材料颗粒级配，而且还具有潜在水化活性的矿物掺和料，主要是由Si-O、Al-O、Ca-O 组成的玻璃体，因其结构为热力学不稳定体，所以具有水化活性或潜在水化活性。基于矿物掺和料的功能、制备来源、玻璃体含量，长科院提出相应分类指标，并建立水工混凝土矿物掺和料的分类体系，常见的活性掺和料有矿渣、磷渣粉、粉煤灰、硅粉和天然火山灰材料，根据来源可分为天然火山灰质材料和人工火山灰质材料两种。天然火山灰质材料的主要化学成分为SiO2，其次为Al2O3，其潜在水化活性与玻璃体含量有关。根据天然火山灰材料的玻璃体含量，可将其分为火山玻璃体材料与硅质材料两种。火山玻璃材料是一种由火山喷出熔融物形成的硅酸盐、铝硅酸盐玻璃体，如浮石、凝灰岩（ 沸石）等；硅质材料通常是从溶液中沉积或是从有机物转化而成的氧化硅，常见的物质有硅藻土、硅藻石、蛋白石和燧石，其活性成分以无定形的二氧化硅或硅凝胶为主。人工火山灰质材料原指的是冶金工业、电厂、炼铜厂和黄磷厂等产生的典型工业副产品，如高炉矿渣、粉煤灰、硅粉、铜渣和磷渣等。研究发现［2］，黏土、页岩、高岭土、稻壳等材料煅烧后具有一定的火山灰活性。因此将“ 煅烧的材料”纳入人工火山灰材料范畴。

三、掺矿物掺和料水工混凝土配合比设计与施工

1、掺矿物掺和料水工混凝土配合比设计。混凝土配合比设计主要是确定原材料之间的关系及用量，配制出满足工作性、强度及耐久性等要求且经济合理的混凝土。以优质矿物掺和料的功能改善与应用研究为基础，工程开发提出了“两掺一低”的水工混凝土配合比设计理念，即采用高掺量的优质Ⅰ级粉煤灰、联合掺入高效减水剂与引气剂、低水胶比，形成了高性能水工大体积混凝土制备技术。三峡“两掺一低”混凝土与传统水工混凝土配合比，四级配花岗岩混凝土的用水量由原来113~120 kg／ m3 降低到85 kg／ m3 以下，单位用水量与胶凝材料用量显著降低，性能更优。在国内数水利水电工程中推广应用，成为我国现代水利水电工程混凝土设计的基本指导原则。基于现代水工混凝土设计理念与矿物掺和料特点，《水工混凝土配合比设计规程》明确配合比参数选择范围，将大体积水工混凝土设计龄期从28 d 延长至90 d、180 d，甚至360 d，修定了水胶比设计方法，取代了传统的保罗米计算公式。基于水工自密实混凝土在复杂部位的广阔应用前景，制定了掺入矿物掺和料提高浆体含量、降低水粉比、增加混凝土体积稳定性的设计原则，矿物掺和料在保证自密实特性的同时改善了混凝土的体积稳定性和耐久性，相关成果纳入《水工自密实混凝土技术规程》行业标准。

2、新型矿物掺和料水工RCC 施工技术。新型矿物掺和料的应用促进了现代水工混凝土施工技术的创新与发展。通过寒冷干旱地区双掺石灰石粉与粉煤灰碾压混凝土（ RCC）现场工艺试验，确定了投料、拌和、碾压、层面处理等施工工艺控制参数，形成了与高掺新型矿物掺和料相适应的RCC施工技术。四级配RCC（骨料最大粒径120 mm）作为筑坝材料，可提高骨料最大粒径、降低胶凝材料用量、增加碾压施工层厚、简化温控措施等，具有显著的技术经济效益，但存在大骨料分离、厚层增加施工及检测难度大等问题。该工程开展了磷渣粉四级配RCC 的系统研究。通过施工工艺研究确定现场四级配RCC采用投料顺序为人工砂→（水泥＋粉煤灰）→（水＋减水剂＋引气剂）→（小石＋中石＋大石＋特大石），拌和时间选择55 s。VC 值为3~5 s 的四级配RCC 拌和物大骨料裹浆情况较好。混凝土拌和物的运输采用：拌和楼→自卸车→料斗→高速皮带机＋垂直满管→自卸车→进水口施工便道卸料的顺序。提高四级配RCC 拌和物抗分离性的措施包括：合理的配合比及拌和时间、减少拌和物转运次数、降低垂直落料高度、多点卸料法及交叉卸料等。

新时代，开启新征程。国家“十四五”规划和2035 年远景目标纲要明确指出，要实施国家水网骨干工程，推进重大引调水、防洪减灾等一批强基础、增功能、利长远的重大项目建设。“十四五”时期，我国水利仍将处于大规模建设时期。未来将面临服役环境更加复杂、技术要求更加严苛、施工难度更为艰巨的水利水电工程，这些都对水工建筑材料提出了更高的要求。 

参考文献：

［1］石妍，王迎春，杨华全． 灰坝磨细灰与其他粉煤灰的性能对比研究［J］． 混凝土， 2019，31( 7) : 69－71

［2］王迎春，苏英，周世华．水泥混合材与混凝土掺和料［M］．北京: 化学工业出版社， 2018．

［3］张长森，孙德锋，刘英．低温烧粘土作水泥混合材的研究 ［J］． 水泥工程， 2017( 3) : 11－12．

［4］牟善彬，孙振亚．烧页岩的水化活性及在水泥混合材中的应用机理［J］． 非金属矿， 2018， 21( 1) : 29－30．