水工混凝土礦物摻和料的開發(fā)與應(yīng)用研究綜述

石 妍，李家正，董 蕓，周世華，林育強(qiáng)，陳 霞

(水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

1 研究背景

水工建筑物通常體積龐大、混凝土內(nèi)部溫升高、溫控防裂難度大，從技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性方面要求水工混凝土具有中低強(qiáng)度、低熱、抗裂、長期耐久、就地取材等特點(diǎn)[1]。水工混凝土中摻入優(yōu)質(zhì)礦物摻和料取代部分水泥，不僅可以提高工業(yè)廢渣的資源化利用程度、降低對自然能源資源消耗，還可以顯著改善混凝土的性能，礦物摻和料已成為現(xiàn)代水工混凝土不可或缺的重要組成。粉煤灰、礦渣粉等工業(yè)廢渣經(jīng)過適當(dāng)篩選、粉磨、加工和改性后取代部分水泥用作混凝土礦物摻和料[2]，不僅能改善混凝土的工作性能，還可以降低混凝土絕熱溫升，提高混凝土的抗裂性與長期耐久性能，且有助于提高工業(yè)廢渣的資源化利用程度，大幅降低水泥混凝土工業(yè)的能源和資源消耗，是混凝土行業(yè)可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)綠色高性能化的重要技術(shù)路線。

1958年第一次三峽科研會議以后，長江科學(xué)院(以下簡稱長科院)隨即開展了三峽工程混凝土摻和料的研究。1962年，結(jié)合三峽試驗(yàn)壩——陸水蒲圻水利樞紐的建設(shè)，吳超寰[3]采用武漢青山熱電廠粉煤灰開始了粉煤灰作為混凝土摻和料的探索性試驗(yàn)，并于1973年主持起草了國家標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB 1596—79)[4]。1994年，Ⅰ級粉煤灰作為混凝土摻和料陸續(xù)用于三峽工程[5]，極大提高了工程混凝土的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能，人們認(rèn)識到，粉煤灰不僅是單純的礦物填充料，更是配制高性能水工混凝土不可缺少的功能組分，之后，采用優(yōu)質(zhì)粉煤灰摻和料成為水工界的普遍共識；自2000年左右，西部水電工程建設(shè)蓬勃發(fā)展，許多工程面臨粉煤灰等傳統(tǒng)摻和料資源短缺的問題，楊華全等[6-9]充分利用當(dāng)?shù)貜U渣開發(fā)多種技術(shù)可行且經(jīng)濟(jì)合理的新型礦物摻和料，如磷渣粉、石灰石粉、天然火山灰質(zhì)材料、鈦渣粉等，拓展了水工混凝土礦物摻和料的品種與范圍，同時，主持起草了一系列行業(yè)技術(shù)規(guī)范，為多個重點(diǎn)水電水利工程的高抗裂膠凝體系設(shè)計與選擇提供了解決方案。多年來，長科院聯(lián)合國內(nèi)多家單位，在大中型水利水電工程礦物摻和料的開發(fā)與應(yīng)用研究方面，開展了廣泛深入的研究，形成了水工混凝土摻用礦物摻和料的技術(shù)體系，并在國內(nèi)外百余項(xiàng)工程中成功應(yīng)用，推動了混凝土筑壩技術(shù)進(jìn)步，取得了顯著的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與社會效益。基于以上相關(guān)工作，本文進(jìn)行回顧與分析，為進(jìn)一步推動混凝土新型礦物摻和料的技術(shù)發(fā)展，保障水利水電、交通能源等行業(yè)的工程建設(shè)以及資源可持續(xù)利用等提供技術(shù)支撐。

2 水工混凝土礦物摻和料的分類

礦物摻和料是指以硅、鋁、鈣等一種或多種氧化物為主要成份，部分替代水泥、調(diào)節(jié)與改善混凝土性能的礦物質(zhì)粉體材料，其摻量一般不低于5%。礦物摻和料用于混凝土中可產(chǎn)生兩種作用效果[10]：一是顆粒填充以改善膠凝材料顆粒級配，二是潛在水化活性生成穩(wěn)定且具有膠凝性物質(zhì)?；诘V物摻和料的作用效果，可將其分為填充型與活性摻和料兩大類。填充型摻和料是指以改善膠凝材料顆粒級配為主要功能的礦物摻和料，活性較低，如磨細(xì)石粉，低活性天然火山灰材料，質(zhì)量不符合相應(yīng)技術(shù)規(guī)范的粒化高爐礦渣、電爐磷渣和粉煤灰等?；钚該胶土鲜侵覆粌H可改善膠凝材料顆粒級配，而且還具有潛在水化活性的礦物摻和料，主要是由Si-O、Al-O、Ca-O組成的玻璃體，因其結(jié)構(gòu)為熱力學(xué)不穩(wěn)定體，所以具有水化活性或潛在水化活性。基于礦物摻和料的功能、制備來源、玻璃體含量，長科院提出相應(yīng)分類指標(biāo)[10-11]，并建立水工混凝土礦物摻和料的分類體系，見表1。

表1 水工混凝土礦物摻和料的分類Table 1 Classification of mineral admixtures forhydraulic concrete

常見的活性摻和料有礦渣、磷渣粉、粉煤灰、硅粉和天然火山灰材料，根據(jù)來源可分為天然火山灰質(zhì)材料和人工火山灰質(zhì)材料兩種。天然火山灰質(zhì)材料的主要化學(xué)成分為SiO2，其次為Al2O3，其潛在水化活性與玻璃體含量有關(guān)。根據(jù)天然火山灰材料的玻璃體含量，可將其分為火山玻璃體材料與硅質(zhì)材料兩種。火山玻璃材料是一種由火山噴出熔融物形成的硅酸鹽、鋁硅酸鹽玻璃體，如浮石、凝灰?guī)r(沸石)等；硅質(zhì)材料通常是從溶液中沉積或是從有機(jī)物轉(zhuǎn)化而成的氧化硅，常見的物質(zhì)有硅藻土、硅藻石、蛋白石和燧石，其活性成分以無定形的二氧化硅或硅凝膠為主。人工火山灰質(zhì)材料原指的是冶金工業(yè)、電廠、煉銅廠和黃磷廠等產(chǎn)生的典型工業(yè)副產(chǎn)品，如高爐礦渣、粉煤灰、硅粉、銅渣和磷渣等。研究發(fā)現(xiàn)[12-15]，黏土、頁巖、高嶺土、稻殼等材料煅燒后具有一定的火山灰活性。因此將“煅燒的材料”納入人工火山灰材料范疇。

3 不同膠凝材料體系的水化機(jī)理研究

要認(rèn)識不同礦物摻和料的正負(fù)效應(yīng)，揚(yáng)長避短并加以合理應(yīng)用，就需要了解其對膠凝體系的水化進(jìn)程、水化產(chǎn)物種類及數(shù)量、孔隙結(jié)構(gòu)以及水化放熱過程等方面的影響及作用機(jī)理[1]。優(yōu)質(zhì)粉煤灰可以產(chǎn)生良好的減水效應(yīng)、致密效應(yīng)與活化效應(yīng)，摻量越大，二次水化的程度就越大，水化產(chǎn)物Ca(OH)2的峰值相對較低。粉煤灰球形玻璃體表面較為致密，因此其早期水化程度較低，但進(jìn)入加速期后水化會加速，且后期水化可持續(xù)數(shù)10 a。粉煤灰的摻入降低水泥水化熱，但粉煤灰二次水化也會釋放一定的水化熱，水化熱降低的百分比低于粉煤灰替代水泥的百分比。

對比而言，磨細(xì)礦渣粉的顆粒形態(tài)、礦物組成與水泥相近，其活性受礦渣淬冷工藝和細(xì)度影響很大，優(yōu)質(zhì)礦渣粉的火山灰活性高于粉煤灰，體現(xiàn)出早期反應(yīng)優(yōu)勢[16]。磷渣粉的火山灰活性也較高，但一定摻量下存在最佳粉磨細(xì)度，磷渣粉加速膠凝體系進(jìn)入誘導(dǎo)期，但推遲膠凝體系進(jìn)入加速期，主因在于磷渣易溶性磷酸鹽與難溶性氟鹽成分[17]。因此，磷渣粉導(dǎo)致膠凝體系緩凝，水化熱總量降低，早期水化熱峰值及出現(xiàn)時間均延遲。石灰石粉縮短了水泥水化的誘導(dǎo)期[18]，使其提前進(jìn)入加速期，促進(jìn)水泥早期水化(稀釋、微晶核、分散和活性作用)，但阻礙了后期水化(屏蔽作用)，低摻量時(≤10%)減少漿體中的無害孔，但摻量≥60%時，摻石灰石粉水泥漿體的孔隙結(jié)構(gòu)趨于劣化。不同天然火山灰材料的品質(zhì)差異大[19]，浮石微粉火山灰活性較好，與 Ⅰ 粉煤灰相當(dāng)，而凝灰?guī)r、玄武巖粉等活性可能低于 Ⅱ 級粉煤灰。

多年來，長科院持續(xù)開展水泥基復(fù)合膠凝材料研究，系統(tǒng)揭示了多元膠凝體系的水化動力學(xué)與熱力學(xué)特性，闡明了多元膠凝體系的顆粒堆積、水化歷程、反應(yīng)放熱及相互間水化促進(jìn)機(jī)理，明確多元膠凝體系的優(yōu)勢在于緊密堆積、功能協(xié)同與時空互補(bǔ)效應(yīng)。通過摻入特定顆粒分布的粉體[20-21]，可調(diào)整水泥的顆粒級配，使混合粉體具有緊密堆積結(jié)構(gòu)，優(yōu)化多元膠凝粉體的活性組分、含量和細(xì)度，調(diào)控其各組分膠凝反應(yīng)進(jìn)程、水化放熱過程和強(qiáng)度發(fā)展過程。漿體標(biāo)準(zhǔn)稠度時需水量比試驗(yàn)結(jié)果見圖1，水泥-礦渣A、水泥-超細(xì)水泥二元粉體中發(fā)生了明顯的緊密堆積效應(yīng)，且存在一個最優(yōu)堆積組合，即摻和料最優(yōu)摻量[22]。多元膠凝體系的漿體孔隙率結(jié)果見圖2，其中粉煤灰、石灰石粉的45 μm方孔篩篩余占比分別為9.4%、31.1%，對比水泥-粉煤灰、水泥-石灰石粉的二元膠凝體系，水泥-粉煤灰-石灰石粉三元體系的孔結(jié)構(gòu)更為致密，孔隙率顯著低于二元膠凝體系[23]。

圖1 漿體標(biāo)準(zhǔn)稠度時需水量比試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Test results of water requirement ratio of pastewith standard consistency

圖2 多元膠凝體系的漿體孔隙率結(jié)果Fig.2 Results of paste porosity of multi-elementcementitious systems

復(fù)合膠凝體系尤其是三元膠凝體系的時空互補(bǔ)效應(yīng)，主要是在不同的時期，多元膠凝體系中總有某一組分的顆粒級配、水化進(jìn)程及水化產(chǎn)物占主導(dǎo)地位，完善硬化漿體的結(jié)構(gòu)，降低開裂敏感性[24]。復(fù)合膠凝體系的研究有利于提出基于摻和料品種、活性、細(xì)度及比例的多元膠凝體系性能優(yōu)化與調(diào)控原則。如復(fù)摻粉煤灰與礦渣粉最佳比例為2∶3，充分利用礦渣粉早期強(qiáng)度高和粉煤灰后期強(qiáng)度增幅大的特性，膠凝體系孔結(jié)構(gòu)也更為致密。復(fù)摻粉煤灰和石灰石粉，同樣能實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化和調(diào)控[2]。

4 摻和料對水工混凝土性能的影響規(guī)律研究

4.1 工作性能

因化學(xué)組成與結(jié)構(gòu)、顆粒級配、比表面積、熱力學(xué)特性等的差異，礦物摻和料不同程度地改變混凝土的凝結(jié)時間[9,25]。粉煤灰、磷渣粉、礦渣粉以及天然火山灰質(zhì)材料延長混凝土凝結(jié)時間，摻量越大、緩凝越顯著,而石灰石粉縮短混凝土凝結(jié)時間，尤其在濕度越低的環(huán)境下。礦渣粉的比表面積對凝結(jié)特性的影響程度高于其他礦物摻和料。等質(zhì)量取代水泥時，礦物摻和料的摻入增大漿體體積，增加新拌混凝土的黏聚性。優(yōu)質(zhì)粉煤灰產(chǎn)生明顯的減水效果，改善拌和物和易性并減少泌水;磷渣粉可提高混凝土拌和物的流動性、增強(qiáng)保塑性、降低坍落度損失;石灰石粉基本不影響混凝土用水量，礦渣較粗時混凝土用水量較大、泌水較多，增大比表面積，能明顯減少泌水現(xiàn)象;火山灰微粉品種不同，致使混凝土單位用水量差異較大[26]。通常，多元膠凝材料體系發(fā)揮緊密堆積效應(yīng)，可進(jìn)而改善混凝土的和易性。

4.2 力學(xué)性能

摻粉煤灰、磷渣粉混凝土的早期強(qiáng)度較低，但后期強(qiáng)度增長幅度大，工程應(yīng)用時可考慮選擇較長的設(shè)計齡期。摻礦渣微粉的混凝土早期強(qiáng)度較高，但后期強(qiáng)度增長率低于粉煤灰混凝土?；炷翉?qiáng)度隨石灰石粉摻量的增加而降低。天然火山灰質(zhì)材料的活性大小直接影響混凝土力學(xué)性能的高低。摻和料比表面積越大，活性指數(shù)越高，反應(yīng)速度愈快，反應(yīng)程度愈充分，如磷渣粉比表面積超過300 m2/kg，可提高混凝土強(qiáng)度，低于180 m2/kg則顯著降低混凝土早期強(qiáng)度[27]。合理的摻和料復(fù)摻方案，利于發(fā)揮多元膠凝粉體的時空互補(bǔ)效應(yīng)，改變多元膠凝漿體的強(qiáng)度發(fā)展進(jìn)程，獲得更優(yōu)的混凝土性能。如水泥-粉煤灰-礦渣粉、水泥-粉煤灰-磷渣粉體系的活性效應(yīng)疊加，均比摻和料單摻的混凝土性能更優(yōu)；石灰石粉宜與粉煤灰、磷渣粉、火山灰或礦渣粉等活性摻和料復(fù)摻用作混凝土摻和料，以彌補(bǔ)石灰石粉活性較低、混凝土后期強(qiáng)度發(fā)展慢的問題。

礦物摻和料對水工混凝土強(qiáng)度的影響主要體現(xiàn)在品種、化學(xué)組成、比表面積、摻量、活性指數(shù)和需水量比等方面[28]。李家正等[29]提出了適用于水工大體積混凝土抗壓強(qiáng)度的時變數(shù)學(xué)模型，見式(1)，該模型考慮了礦物摻和料的摻量及水化特性，提高了預(yù)測精度。

fc(t)=

(1)

式中：fc(t)是混凝土抗壓強(qiáng)度；t是齡期；C是水泥特性有關(guān)的常數(shù)；a是混凝土含氣量(%)；α是摻和料摻量(%)；β是水膠比；K1、K2、De是與摻和料特性有關(guān)的常數(shù)，ρs、ρw、ρc分別是砂子、水、水泥的密度(g/cm3)；g*為粗骨料堆積密實(shí)度(m3)；g是每方混凝土的粗骨料體積(m3)；r是與骨料有關(guān)的常數(shù)，可近似取0.14。

4.3 體積穩(wěn)定性

混凝土的體積穩(wěn)定性直接影響到水工建筑物的抗裂耐久性，不容忽視。摻和料種類、品質(zhì)及摻量均對體積穩(wěn)定性有影響，優(yōu)質(zhì)粉煤灰、磷渣粉具有減水作用，可改善混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，從而減少混凝土干縮變形[30-31]。但礦渣粉與石灰石粉等的摻入，通常會增加混凝土的早期干縮，因?yàn)樵谙嗤z比條件下，提高總膠材用量，與優(yōu)質(zhì)粉煤灰的復(fù)摻，是減小干縮量的有效途徑[32]。天然火山灰質(zhì)材料品質(zhì)也會影響混凝土干縮變形，不同摻和料混凝土的干縮曲線見圖3，圖中的曲靖Ⅰ和曲靖Ⅱ分別為Ⅰ級粉煤灰混凝土和Ⅱ級粉煤灰混凝土。干縮率由大到小的大致規(guī)律為：浮石粉≈凝灰?guī)r粉混凝土>硅藻土混凝土≈Ⅱ級粉煤灰混凝土>火山碎屑巖、玄武巖粉混凝土>Ⅰ級粉煤灰混凝土[33]。

圖3 不同摻和料混凝土的干縮曲線Fig.3 Drying shrinkage curves of concrete withdifferent admixtures

同時，摻和料種類、品質(zhì)及摻量均影響混凝土的自生體積變形。粉煤灰、礦渣粉、磷渣粉等高火山灰活性礦物摻和料可降低混凝土的液相堿度，有效抑制恒溫絕濕情況下的混凝土體積膨脹或收縮，從而提高大壩的體積穩(wěn)定性；而石灰石粉、低活性的火山灰質(zhì)材料則有增加體積變形的趨勢，應(yīng)加強(qiáng)混凝土的早期養(yǎng)護(hù)。摻和料品種對水泥漿體的線膨脹系數(shù)影響較大，但對大體積混凝土的影響程度降低[34]。

4.4 耐久性

優(yōu)質(zhì)粉煤灰因改善了混凝土的致密性和強(qiáng)度，從而提高了混凝土的抗凍、抗?jié)B以及抗離子侵蝕，有助于保障水工混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及長期耐久性。對壩工界一直關(guān)心的高摻粉煤灰混凝土“貧鈣”問題[5]，理論上，粉煤灰摻量每增加10%(摻量在20%～70%之間)，單位體積混凝土內(nèi)Ca(OH)2數(shù)量減少1/3；粉煤灰摻量≤30%時Ca(OH)2含量≥8 kg/m3；粉煤灰摻量>50%時Ca(OH)2含量<4 kg/m3。除摻量外，Ca(OH)2含量還與粉煤灰品質(zhì)及水化程度有關(guān)。研究表明，三峽工程大壩內(nèi)部混凝土粉煤灰摻量45%左右，混凝土中Ca(OH)2含量為 4 ～7 kg/m3，體系堿度能滿足耐久性要求。

在保證混凝土強(qiáng)度前提下，摻入礦物摻和料并控制其摻量，引入合適的氣泡體系，水工混凝土的抗凍與抗?jié)B性能均能達(dá)到設(shè)計要求。優(yōu)質(zhì)摻和料還可提高水工混凝土的抗碳酸侵蝕與抗硫酸鹽侵蝕能力，合理摻量下?lián)胶土蠌?fù)摻的效果更佳。石灰石粉不具有抗硫酸鹽侵蝕作用，低溫時還會引起碳硫硅鈣石型侵蝕。軟水溶蝕作用下，為避免膠凝體系中Ca(OH)2加速流失而導(dǎo)致的水化硅酸鈣分解，工程中應(yīng)控制摻和料摻量或降低混凝土水膠比。同時，摻入礦物摻和料是抑制堿骨料反應(yīng)最經(jīng)濟(jì)、有效的措施[35-36]，長科院針對三峽工程花崗巖骨料的長期堿活性研究已達(dá)30多年(1984年起)，研究證實(shí)了工程使用的斑狀花崗巖(石)與閃云斜長花崗巖(砂)屬于慢反應(yīng)骨料，采用的優(yōu)質(zhì)粉煤灰技術(shù)方案有效保障了工程的長期安全耐久[37]。

5 摻礦物摻和料水工混凝土配合比設(shè)計與施工工藝研究

5.1 摻礦物摻和料水工混凝土配合比設(shè)計

混凝土配合比設(shè)計主要是確定原材料之間的關(guān)系及用量，配制出滿足工作性、強(qiáng)度及耐久性等要求且經(jīng)濟(jì)合理的混凝土。以優(yōu)質(zhì)礦物摻和料的功能改善與應(yīng)用研究為基礎(chǔ)，中國長江三峽工程開發(fā)總公司(現(xiàn)在為中國長江三峽集團(tuán)有限公司)組織長科院等相關(guān)單位[38-39]，在三峽工程中首次提出了“兩摻一低”的水工混凝土配合比設(shè)計理念，即采用高摻量的優(yōu)質(zhì)Ⅰ級粉煤灰、聯(lián)合摻入高效減水劑與引氣劑、低水膠比，形成了高性能水工大體積混凝土制備技術(shù)。三峽“兩摻一低”混凝土與傳統(tǒng)水工混凝土配合比及性能對比見表2，三峽大壩四級配花崗巖混凝土的用水量由原來113～120 kg/m3降低到85 kg/m3以下，單位用水量與膠凝材料用量顯著降低，性能更優(yōu)。三峽經(jīng)驗(yàn)在國內(nèi)數(shù)十個大中型水利水電工程中推廣應(yīng)用，成為我國現(xiàn)代水利水電工程混凝土設(shè)計的基本指導(dǎo)原則。

表2 三峽“兩摻一低”混凝土與傳統(tǒng)水工混凝土配合比及性能對比Table 2 Comparison of mix proportion and performance between Three Gorges Project’s concrete and traditional hydraulic concrete

基于現(xiàn)代水工混凝土設(shè)計理念與礦物摻和料特點(diǎn)，長科院起草了《水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(DL/T 5330—2015)[40]，明確配合比參數(shù)選擇范圍，將大體積水工混凝土設(shè)計齡期從28 d延長至90 d、180 d，甚至360 d，修定了水膠比設(shè)計方法，取代了傳統(tǒng)的保羅米計算公式?；谒ぷ悦軐?shí)混凝土在復(fù)雜部位的廣闊應(yīng)用前景，制定了摻入礦物摻和料提高漿體含量、降低水粉比、增加混凝土體積穩(wěn)定性的設(shè)計原則，礦物摻和料在保證自密實(shí)特性的同時改善了混凝土的體積穩(wěn)定性和耐久性，相關(guān)成果納入《水工自密實(shí)混凝土技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5720—2015)[41]電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

5.2 新型礦物摻和料水工RCC施工技術(shù)

新型礦物摻和料的應(yīng)用促進(jìn)了現(xiàn)代水工混凝土施工技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展。通過寒冷干旱地區(qū)雙摻石灰石粉與粉煤灰碾壓混凝土(RCC)現(xiàn)場工藝試驗(yàn)，確定了投料、拌和、碾壓、層面處理等施工工藝控制參數(shù)，形成了與高摻新型礦物摻和料相適應(yīng)的RCC施工技術(shù)。

四級配RCC(骨料最大粒徑120 mm)作為筑壩材料，可提高骨料最大粒徑、降低膠凝材料用量、增加碾壓施工層厚、簡化溫控措施等，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，但存在大骨料分離、厚層增加施工及檢測難度大等問題?；谏炽娬竟こ?，長科院在國內(nèi)首次開展了磷渣粉四級配RCC的系統(tǒng)研究[42-43]。通過施工工藝研究確定現(xiàn)場四級配RCC采用投料順序?yàn)槿斯ど啊?水泥+粉煤灰)→(水+減水劑+引氣劑)→(小石+中石+大石+特大石)，拌和時間選擇55 s。VC值為3～5 s的四級配RCC拌和物大骨料裹漿情況較好?；炷涟韬臀锏倪\(yùn)輸采用：拌和樓→自卸車→料斗→高速皮帶機(jī)+垂直滿管→自卸車→進(jìn)水口施工便道卸料的順序。提高四級配RCC拌和物抗分離性的措施包括：合理的配合比及拌和時間、減少拌和物轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)、降低垂直落料高度、多點(diǎn)卸料法及交叉卸料等?？紤]一定的相對壓實(shí)度富裕度，層厚為0.4、0.5 m時四級配RCC施工工藝參數(shù)推薦值列于表3。

表3 間歇上升區(qū)四級配RCC施工工藝參數(shù)推薦值Table 3 Recommended values of constructiontechnique parameters for four-gradation RCC inintermittent ascending zone

6 成果推廣與工程應(yīng)用

6.1 水工混凝土摻用礦物摻和料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系

《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB 1596—1979)是由長江科學(xué)院與中國建筑材料科學(xué)研究院共同主持起草的我國第一個粉煤灰國家標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用于水泥做混合材和用于混凝土做摻和料的粉煤灰的品質(zhì)指標(biāo)，但沒有劃分等級。1991年，長科院與中國建筑材料科學(xué)研究院對GB 1596做了修訂，將用于混凝土做摻和料的粉煤灰劃分為3個等級。2005年，GB 1596進(jìn)行再一次修訂，將粉煤灰分為F類(無煙煤或煙煤煅燒收集)和C類(高鈣灰、褐煤或次褐煤煅燒收集)，并增加了放射性、均勻性和堿含量的技術(shù)要求。為了適應(yīng)我國水電水利工程建設(shè)的需要，長科院負(fù)責(zé)起草了《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5055—2007)[44]，提出用于水工混凝土的粉煤灰品質(zhì)技術(shù)要求，以及不同部位的粉煤灰限制摻量，該標(biāo)準(zhǔn)于2018年發(fā)布了英文版。

隨著新型礦物摻和料的研究并在水利水電工程中的應(yīng)用，楊華全等逐步形成并完善了水工混凝土應(yīng)用礦物摻和料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系?！端せ炷翐接昧自奂夹g(shù)規(guī)范》(DL/T 5387—2007)[45]結(jié)合工程實(shí)踐，考慮了磷渣的粉磨加工工藝、化學(xué)組成、質(zhì)量系數(shù)、比表面積、活性指數(shù)與混凝土各項(xiàng)性能的關(guān)系，為推廣磷渣粉在水工混凝土中的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。根據(jù)我國天然火山灰質(zhì)材料及其工程應(yīng)用特點(diǎn)，制定的《水工混凝土摻用天然火山灰質(zhì)材料技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5273—2012)[11]，明確了天然火山灰質(zhì)材料的分類、定義及品質(zhì)控制指標(biāo)，為工程應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。充分研究石灰石粉的粉磨加工工藝、亞甲基藍(lán)吸附量、CaCO3含量、細(xì)度對多元膠凝體系及混凝土性能的影響，制定了《水工混凝土摻用石灰石粉技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5304—2013)[46]。鑒于硅粉在水工抗沖磨混凝土、噴射混凝土以及修補(bǔ)、抑制骨料堿活性等方面的應(yīng)用，結(jié)合相關(guān)研究與工程經(jīng)驗(yàn)，制定了《水工混凝土摻用硅粉技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5777—2018)[47]，包括硅粉技術(shù)要求、水工混凝土摻用硅粉的技術(shù)要求、摻硅粉混凝土的質(zhì)量控制和檢查。

6.2 工程應(yīng)用

近年來，研究成果已推廣應(yīng)用至長江、黃河、金沙江、雅礱江、烏江、大渡河等流域的100余個工程，包括三峽、南水北調(diào)、錦屏、特克斯山口、沙沱、溪洛渡、水布埡、向家壩、小浪底、巴基斯坦Karot等國內(nèi)外重要工程，解決了水工大體積混凝土礦物摻和料開發(fā)與應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)問題，為這些工程成功建設(shè)提供了重要的科技支撐。

以三峽工程為契機(jī)，首次將Ⅰ級粉煤灰作為功能性材料大規(guī)模用于大體積水工混凝土，確定在高壩常態(tài)混凝土中的摻量高達(dá)45%，推動了Ⅰ級粉煤灰在我國水利水電工程中的應(yīng)用[48]。所配制的三峽工程混凝土后期強(qiáng)度增長率高，極限拉伸值穩(wěn)定增長，彈性模量中等，自生體積微膨脹變形，抗裂指數(shù)提高13.1%～50.0%，混凝土抗凍等級最高可達(dá)到F1250，代表了當(dāng)時國內(nèi)外水工混凝土的最高水平[49-50]。

烏江流域水電工程建設(shè)中充分利用了貴州豐富的磷渣資源，保證了混凝土礦物摻和料的穩(wěn)定供應(yīng)，節(jié)省了工程投資。索風(fēng)營水電站(RCC重力壩，壩高115.8 m，混凝土70 萬m3)首次采用磷渣粉與粉煤灰1:1復(fù)摻的技術(shù)方案，混凝土具有良好的可碾性、抗裂耐久和經(jīng)濟(jì)性，成功取出Φ219 mm、最大長度超過11 m的大壩芯樣[51-52]。沙沱水電站(RCC重力壩，壩高156 m)，采用磷渣粉與粉煤灰復(fù)摻制備大壩四級配RCC，與單摻粉煤灰比較，復(fù)摻四級配RCC可碾性好，用水量相當(dāng)或略低，早期絕熱溫升低，混凝土中后期強(qiáng)度、抗裂、耐久性能更優(yōu)[53]。

錦屏Ⅰ級水電站混凝土雙曲拱壩壩高305 m，為世界第一高壩。工程區(qū)域巖層以變質(zhì)砂巖和板巖為主，均具有潛在堿活性。通過突破拱壩混凝土中30%的粉煤灰摻量限制，采用高摻量粉煤灰(35%)、大理巖人工砂替代砂巖人工砂，同時控制混凝土總堿含量≤1.8 kg/m3等措施，有效抑制了砂巖骨料堿活性，保障了超高拱壩混凝土的工程質(zhì)量，解決了骨料料源選擇重大技術(shù)問題[54-55]。

特克斯山口水庫是新疆境內(nèi)建設(shè)的第一座RCC重力壩，大壩內(nèi)部RCC全部采用石灰石粉與粉煤灰復(fù)摻方案，制備的雙摻料RCC可碾性好，完全滿足現(xiàn)場施工需要，大壩取出了Φ150 mm，最長9.76 m的芯樣[23，56]。

雅魯藏布江中游大古水電站海拔高約3 400 m，壩高124 m，是世界海拔最高的RCC壩，傳統(tǒng)優(yōu)質(zhì)粉煤灰等礦物摻和料的運(yùn)距超過2 000 km，既增加工程造價，又受地域、氣候及運(yùn)輸條件等影響而得不到有效保障，進(jìn)而影響工程建設(shè)。因此，大壩內(nèi)部及護(hù)坡等部位混凝土，充分利用了當(dāng)?shù)刭Y源豐富的凝灰?guī)r粉天然火山灰質(zhì)材料，成為高海拔地區(qū)應(yīng)用天然火山灰質(zhì)摻和料的首個工程[57]。

7 結(jié) 語

水工建筑物體積龐大、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、服役周期長，為保障水工混凝土的抗裂性和長期耐久性，優(yōu)質(zhì)礦物摻和料已成為現(xiàn)代水工混凝土必不可少的重要組分。緊密圍繞我國水利水電工程建設(shè)需求，自20世紀(jì)50年代開始，長科院陸續(xù)開展水工混凝土礦物摻和料的開發(fā)與應(yīng)用研究，并取得一系列原創(chuàng)性成果，編制了系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，部分研究成果在我國大中型水利水電工程中得到成功應(yīng)用，是水利水電工程建設(shè)、混凝土礦物摻和料選擇的主要依據(jù)之一，同時可為建筑、交通、能源、鐵路等行業(yè)的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

現(xiàn)有的理論與技術(shù)成果，為水工混凝土的設(shè)計提供了重要的支撐，為推動水工大體積混凝土技術(shù)進(jìn)步起到了重要的作用。隨著江河源頭水資源的開發(fā)，當(dāng)?shù)匦滦偷V物摻和料的進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用仍是十分有前景的研究方向。高活性火山灰質(zhì)材料的進(jìn)一步探尋，多品種天然火山灰質(zhì)材料的差異識別，某些火山灰活性未達(dá)標(biāo)的火成巖材料的合理開發(fā)應(yīng)用(如砂板巖粉、玄武巖粉、花崗巖粉等)，以及相應(yīng)品質(zhì)控制與工程應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的的豐富與完善等，均需要深入系統(tǒng)的研究。同時，不同摻和料品種與水泥復(fù)合膠凝體系的性能定向調(diào)控與材料組成比例、品質(zhì)控制參數(shù)之間的關(guān)系，受混凝土技術(shù)特性及服役條件影響，無法完全明確，需要結(jié)合具體工程需求提出具體的性能調(diào)控方法。

對于礦物摻和料在復(fù)雜場景下的應(yīng)用，某些關(guān)鍵技術(shù)仍需積累更多的大中型水利水電工程案例，如磷渣粉四級配RCC筑壩技術(shù)，石灰石粉與粉煤灰雙摻料RCC筑壩技術(shù)，天然火山灰質(zhì)材料應(yīng)用于西部高寒地區(qū)水工混凝土，以及水工自密實(shí)混凝土、濕噴法噴射混凝土等特種混凝土的特性，均有待進(jìn)一步在更多工程中推廣應(yīng)用，并進(jìn)行成果論證總結(jié)，這也是礦物摻和料應(yīng)用技術(shù)系統(tǒng)中應(yīng)持續(xù)研究的方向之一。而且，礦物摻和料的普遍使用改變了水工混凝土的組成與性能，直接影響水工混凝土的施工性能、服役特性及長期耐久性，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)踐和研究成果，持續(xù)跟蹤其長期性能演變規(guī)律，關(guān)注多元膠凝體系水工混凝土的全壽命周期耐久性能，以保障大中型水利水電工程的健康安全服役。