第1章 绪论
水泥混凝土的应用最早可以追溯至古罗马时代。自1824年波特兰水泥问世后，经过近两个世纪的发展，特别是20世纪80年代后，建筑工业和技术都得到了迅速发展。材料科学和结构科学的快速发展推动混凝土技术发生了深刻的变化。混凝土原材料更趋多样、配合比设计方法日益更新、结构设计要求不断提高，以及混凝土生产、运输、施工和质量控制技术的不断改进，使得混凝土的性能得到相应改善和提高，混凝土技术得到飞速发展。
水泥混凝土具有较高的强度和耐久性，可以通过调整其组成，使其具有不同的物理力学特性，以满足工程的不同要求；混凝土拌和物具有可塑性，可以浇筑成各种形状的构件或整体结构。水泥混凝土的这种易得性、通用性、适应性、相对经济性以及可应用多种结构形式的工程属性，可以预测在未来相当长的一个时期，仍将是应用最为广泛的建筑材料。
据统计，世界水泥消费量由2001年的16.4亿t猛增到2014年的41.8亿t，增长了155%。同期，我国的水泥产量由6.6亿t猛增到24.8亿t，增长了近3倍。从1985年起，我国水泥产量已连续29年居世界第一位。水泥工业是资源密集型产业，水泥生产消耗大量的石灰石、黏土、煤等不可再生的资源，同时排放数以亿吨计的CO2、SO2和NOx等废气及粉尘，对环境造成严重污染。据统计，生产每吨水泥大概排放0.815tCO2，由此推算2014年我国水泥工业排放的CO2约占全国排放量的25%。这给我国环境保护和资源能源的合理利用带来了巨大的压力。党的十八大报告中明确提出“建设生态文明，推进绿色发展、循环发展、低碳发展……为全球生态安全作出贡献”。国务院颁发的国发〔2012〕40号《节能减排“十二五”规划》中明确指出“深入贯彻节约资源和保护环境基本国策，坚持绿色发展和低碳发展，是其保障本规划实施的重要措施”。因此，减少水泥混凝土行业带来的CO2排放量已势在必行。
随着经济持续快速增长，在创造社会财富的工业化过程中，也产生了大量的工业废弃物如矿渣、粉煤灰、钢渣、磷渣、硅粉等，这些工业废弃物因技术、经济等原因长期废弃而得不到利用，不仅是自然资源的浪费，而且污染环境。在全球能源和自然资源保护日益重要的背景下，大多数工业国家对工业固体废弃物在水泥混凝土施工过程中对经济、环境和技术方面的优势表现出积极的兴趣。迄今为止，这种在水工混凝土中掺入工业废弃物的“变废为宝”的做法，在我国已有60多年的历史。大量的科学研究与工程实践证明，矿物掺和料在减少水泥生产对环境冲击方面具有很多技术优势，经过一定的质量控制或制备技术获得的优质矿物掺和料的加入，可明显改善硅酸盐水泥自身难以克服的组成、结构等方面的缺陷，包括劣化的界面区、耐久性不良的晶相结构、高水化热温升造成的混凝土裂缝等，赋予了水工混凝土优异的耐久性能和工作性能，超越了传统的降低成本和环境保护的意义，已成为现代水工混凝土不可或缺的组分。
水利水电工程事关国计民生，是国民经济赖以生存和发展的基础。我国2010年水电装机为2.2亿kW，2014年已突破3亿kW，预计2030年将超过4亿kW，2050年将超过5亿kW。目前一批水利水电工程已相继开工建设，还有一大批水利水电工程进入前期筹建阶段。混凝土是水利水电工程建设应用的主要建筑材料，混凝土质量直接影响工程安全运行与服役寿命。矿物掺和料的制备、应用涉及水工混凝土材料科学研究的各个方面。在现代水工混凝土技术中，经过一定质量控制的矿物掺和料已成为水工高性能混凝土不可或缺的组分之一。对矿物掺和料的研究推动了水工混凝土技术的发展，而同时水工混凝土技术的发展要求也为矿物掺和料的应用研究指明了方向，提供了动力。
20世纪50年代，长江科学院开展了粉煤灰、矿渣粉等矿物掺和料用于水工混凝土的可行性研究。20世纪90年代起，长江科学院对掺粉煤灰、磷渣粉、石灰石粉、天然火山灰质材料胶凝体系的水化机理、品质控制、性能规律、配制技术及测试技术方面开展了广泛深入的研究，推动了粉煤灰、磷渣粉、石灰石粉、天然火山灰质材料等矿物掺和料在部分大中型水利水电工程中的应用，取得了显著的经济效益和社会效益。
粉煤灰是我国水工混凝土最常用的矿物掺和料。1958年,第一次三峡科研会议以后，长江科学院随即开展了三峡工程混凝土掺和料的研究。1962年，在修建陆水水利枢纽时，采用武汉青山热电厂的粉煤灰作混凝土掺和料进行了试验，为后续三峡工程混凝土掺用粉煤灰奠定了基础。由于当时国内用粉煤灰做水泥的混合材或混凝土的掺和料都处于起步阶段，对粉煤灰的品质尚未制定统一的标准。1973年，长江科学院与中国建筑材料科学研究院共同主持制定了我国第一个粉煤灰品质的国家标准GB 1596—1979《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》。在此期间，长江科学院参与了国家“七五”攻关项目《三峡工程快速施工中粉煤灰的应用》，对粉煤灰品质、性能优化及其在混凝土中的应用效果进行了研究。并于1987年对国家标准GB 1596—1979《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》进行了修订，依据需水量比，将用于水泥做混合材的粉煤灰划分为两个等级，用于混凝土做掺和料的粉煤灰划分为三个等级，由国家技术监督局于1991年颁布，1992年实施。
当时为了获得符合GB 1596—1979《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》要求细度的粉煤灰，往往采用磨细法将粗灰全部加工成细灰，但能耗大、噪声污染严重。此外，磨细的粉煤灰需水量比不一定能得到改善，甚至在一定程度上会增大。为解决Ⅰ级粉煤灰难以生产的问题，长江科学院在1988年协助湖北省松木坪电厂首次提出采用分选法加工粉煤灰，成功生产出Ⅰ级粉煤灰，并用于清江隔河岩水电站，也为三峡工程使用分选法生产Ⅰ级粉煤灰积累了经验。同时，长江科学院逐步开展了三峡工程掺粉煤灰混凝土的性能试验，提出了为确保混凝土质量，三峡工程混凝土应掺用Ⅰ级粉煤灰的建议。1994年，在国家自然科学基金委员会和中国长江三峡集团公司联合资助的“三峡水利枢纽工程几个关键问题的应用基础研究”中，由长江科学院牵头对高掺粉煤灰混凝土的长期性能进行了全面的试验研究。这些研究成果都为以后三峡工程使用Ⅰ级粉煤灰作为混凝土掺和料提供了坚实的理论基础。基于研究成果及工程应用经验总结，并在借鉴国外标准分类方法的基础上，对GB 1596—1991《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》再次进行了修订，将粉煤灰按CaO含量分为F类和C类两个类别，按需水量比分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级三个等级，于2005年颁布。同时结合水工混凝土的自身特点，长江科学院主编了电力行业标准DL/T 5055—2007《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》，进一步推动了水工混凝土掺用粉煤灰技术的发展。三峡工程应用Ⅰ级粉煤灰的成功经验为后续水利水电工程应用其作为混凝土掺和料产生了示范效应。
矿渣粉是仅次于粉煤灰最为常见的一种矿物掺和料。矿渣粉基本上是作为原料用来生产矿渣水泥或是作为胶凝材料与水泥混合后使用，直到20世纪60年代，磨细矿渣（矿渣粉）才作为混凝土的独立组分得到应用。为提高混凝土中矿渣粉的利用程度，全球超过30个国家制定了矿渣用作水泥混合材及混凝土掺和料的相关标准，如美国材料实验协会（ASTM）于1992年发布了ASTM C 989《混凝土和砂浆用磨细粒化高炉矿渣》标准，英国于1986年发布了BS 6699《矿渣粉作为混凝土单独组分的技术规范》。近些年来，高强高性能混凝土的快速发展推动了矿渣粉的规模化应用，矿渣粉用作混凝土掺和料的优势也被发挥出来。但与粉煤灰相比，国内外有关矿渣粉在水工混凝土中的应用报道很少。
2003年以来，长江科学院先后针对贵州索风营水电站、沙沱水电站以及湖北龙潭嘴水电站混凝土掺和料短缺问题，利用当地丰富的磷渣资源，开展了大量试验研究，与此同时，结合中央级公益性科研院所基本科研业务费“再生资源利用与绿色水工建筑材料研究”（YWF0907）项目，对磷渣的水化机理进行了深入研究，为以上工程成功应用磷渣粉掺和料提供了重要的技术支撑。
长江科学院通过试验论证与研究，首次将石灰石粉与粉煤灰双掺料成功应用于新疆寒冷地区大坝碾压混凝土。长江科学院还结合中央级公益性科研院所基本科研业务费“石灰石粉作为碾压混凝土掺和料的应用研究”（YWF0728），全面研究了石灰石粉对碾压混凝土性能的影响规律。
除此之外，长江科学院还先后开发了高钛矿渣粉、凝灰岩粉、砂板岩石粉等材料用作水工混凝土新型矿物掺和料，取得了系列研究成果。基于科研成果总结与工程应用经验积累，主持制定了一系列的水工混凝土掺用矿物掺和料技术规范，包括DL/T 5055—2007《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》、DL/T 5387—2007《水工混凝土掺用磷渣粉技术规范》、DL/T 5273—2012《水工混凝土掺用天然火山灰质材料技术规范》与DL/T 5304—2013《水工混凝土掺用石灰石粉技术规范》。
矿物掺和料不仅可以改善水工混凝土的工作性、提高混凝土的抗裂性能，还可以有效抑制碱-骨料反应的发生。自20世纪60年代起，长江科学院针对丹江口、万安、葛洲坝、三峡等水利水电工程，先后研究了粉煤灰、矿渣粉、烧页岩和烧黏土等矿物掺和料对混凝土碱-骨料反应的抑制机理等。其中，三峡工程的矿物掺和料抑制碱-骨料反应观测龄期长达30余年。根据多年的研究成果，以上研究成果已纳入电力行业标准DL/T 5298—2013《水工混凝土抑制碱-骨料反应技术规范》和DL/T 5151—2014《水工混凝土砂石骨料试验规程》，这些研究成果为保障我国水利水电工程混凝土的耐久性提供了重要的技术支撑。
近30年来，我国水工混凝土用矿物掺和料的发展与应用十分迅速。例如，以前粉煤灰作为废弃物污染环境，现在得到很好的利用，在很多水利水电工程地区已经供不应求；磷渣粉以往是十分难以处理的废弃物，目前在水工混凝土领域中也得到有效利用。由此可见，矿物掺和料在水工混凝土中的应用技术已成为工程界关注的研究领域，其应用使现代水工混凝土更耐久、更绿色、更环保，是进一步推动我国水工混凝土可持续发展的动力。