新型掺合料在水利水电工程中的应用
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摘要：磷渣、钢渣、锂盐渣、锰矿渣等各种工业废弃物因其所具有的潜在活性，使其在技术上大规模应用成为可能，且有些已经被工程实践所证明。本文将简介以上各种新型掺合料，分析其活性机理及其作为掺合料的特点。
关键词：新型掺合料 水利工程活性机理缺点
1. 各种新型掺合料
1.1磷渣粉
1.1.1磷渣粉的来源
磷矿渣是用电炉法生产黄磷时所产生的一种以硅酸钙为主要成分的熔融物经淬冷成粒的工业废渣。磷渣粉是粒化的磷渣经物理粉磨而成的粉末体[8]。磷渣是具有潜在水硬活性的物质，其在水利水电工程中的大规模应用拥有广阔的环境效益、经济效益和社会效益。
1.1.2磷矿渣的活性机理
磷渣的水化过程是:水泥水化反应生成水化产物之一Ca(OH)2作为磷渣的碱性激发剂，极性水分子和OH-离子进入磷渣玻璃体结构的内部空隙,与活性阳离子作用使磷渣分解,玻璃体中的Ca2+ 、[AlO4]5-、Al3+、[SiO4]4-离子进入溶液,生成新的水化物，即水化硅酸盐和水化铝酸盐等[9]。
1.1.3磷矿渣做为掺合料存在的问题
磷矿渣作为掺合料掺入混凝土中，使得混凝土具有凝结时间长、后期强度高、极限拉伸值高和绝热温升低等特点，这对大体积水工混凝土施工和温控防裂具有积极意义。但是单掺磷矿渣的混凝土也存在着容易泌水、早期强度低、常态混凝土掺量不宜过大等不足。这主要是由于磷矿渣在早期水化缓慢，水化产物不足以填充混凝土中的孔隙，使得混凝土孔结构差。而后期随着磷矿渣水化的不断进行，混凝土的孔结构得到改善，孔总体积和孔径减小，混凝土更加密实，从而力学和耐久性能得到增强。大朝山水电站已经成功应用磷矿渣和火山灰双掺[4]，而国内多座水电站也已成功使用磷矿渣和粉煤灰双掺，均取得显著的经济和社会效益。
1.2钢渣
1.2.1钢渣的来源
钢渣主要来源于铁水与废钢中所含元素氧化后形成的氧化物，金属炉料带入的杂质，加入的造渣剂如石灰石、萤石、硅石等，以及氧化剂、脱硫产物和被侵蚀的炉衬材料等。
1.2.2钢渣的活性机理
钢渣的水化机理研究尚处于初级阶段，一般认为钢渣中含有与水泥相类似的硅酸三钙、硅酸二钙和铁铝酸盐等活性矿物质，具有水硬胶凝性，同时钢渣的矿物结构处于高能量不稳定状态，潜在活性很大。虽然钢渣中含有与水泥相类似的活性矿物质相，但其水化机理却与水泥不同。钢渣的水化一般要经过两个阶段，首先是完整的结构受到破坏，然后才是参与水化反应，因此钢渣的水化必然慢于水泥，但是也说明了钢渣可以增强后期强度。
1.2.3钢渣做为掺合料存在的问题
钢渣做为掺合料，已在国外得到大规模应用。但国内进展却非常缓慢，究其原因，主要是钢渣的应用存在以下几点问题：
钢渣中游离CaO的存在由此可能导致安定性不良的问题。
钢渣活性的激发钢渣活性的激发可采用物理和化学以及热力学激发的方法。物理激发可在钢渣超细粉磨中得到实现；化学激发一般是以石灰、硅酸钠和硫酸钠等混合激发钢渣的活性。
复掺的研究就目前掌握的水化机理来看，混凝土中单掺钢渣尚不能充分发挥其高碱性能，如果能通过与其他掺合料复掺，相互利用各自的优势，将为钢渣的应用创造一条捷径。
1.3锂盐渣
1.3.1锂盐渣的来源
锂渣粉是锂盐生产过程中产生的一种工业废渣,是锂辉石经1200℃左右的高温煅烧后，磨成的细粉在用硫酸法提取出碳酸锂熟料后，再经渗滤浸出洗涤后排出的残渣。锂渣粉的主要成分为氧化硅、氧化铝、氧化钙等，并含有6%左右以SO2-4离子形式存在的三氧化硫，其中的氧化硅和氧化铝多为无定形的，因此具有较高的火山灰活性[12]。
1.3.2 锂盐渣的活性机理
锂渣粉主要的活性来源是其具有的火山灰效应。锂渣粉含有较多的无定形的活性氧化硅和氧化铝等，因此其可以与水泥水化产生的Ca(OH)2发生火山灰反应，生成稳定的C-S-H凝胶和水化铝酸钙，消耗了Ca(OH)2 ，促进了水泥的进一步水化，同时细化了Ca(OH)2 晶体的晶粒尺寸，有助于混凝土中界面的粘结和强度的发展。
1.3.3锂盐渣做为掺合料存在的问题
锂渣粉改善混凝土性能的同时也存在应用上的障碍。其最重要的一点是掺量不能过大的问题。锂渣粉的掺量一般不宜超过20%，超过则对混凝土的强度增长有不利的影响。考虑到水利水电工程中倾向于使用大掺量掺合料，单掺锂渣粉显然不能满足实际工程的需要。因此，与其他掺合料双掺或者多掺就为锂渣粉的大规模应用创造了条件。一方面，双掺或者多掺有利于发挥锂渣粉优异的性能，达到优势互补的效果；另一方面，双掺或者多掺可以提高掺合料用量，取代水泥，减少由于水泥水化产生的热量与收缩等，利于水利水电工程的温控和抗裂，对提高工程结构和混凝土的耐久性具有积极意义。
1.4 锰矿渣
1.4.1 锰矿渣的来源
锰矿渣是以锰矿石冶炼生铁过程中排出的熔渣，在高温熔融状态下经水淬急冷后形成的，磨细后掺入混凝土中能发挥一定的潜在活性[14]。
1.4.2 锰矿渣的活性机理
从化学活性考虑，锰矿渣的活性机理包含两部分：玻璃体颗粒解体后自身潜在的水硬活性和活性组分与水泥水化产物Ca(OH)2 发生反应的火山灰效应。这二者相互交叉，其化学活性效应很难区分。从物理效应考虑，锰矿渣粉的物理效应主要是细填料效应。掺入锰矿渣可优化胶凝材料的颗粒级配，起到填充和碱水效果。
1.4.3 锰矿渣做为掺合料存在的问题
锰矿渣的掺入不仅降低节省了水泥用量，而且减少了水化热的产生，利于水工大体积混凝土的温控，但与粉煤灰双掺的降温效果却低于单掺粉煤灰。虽然掺锰矿渣混凝土早期强度降低很多，但可以通过提高锰矿渣的细度来改善这种缺陷。锰矿渣粉越细，其活性越能得到更好的发挥。除了在砂浆中起到细集料的填充作用外，材料颗粒的大小直接影响其水化速度和凝结硬化的效果，最终体现在强度上。比表面积越大，水化反应越充分，凝结硬化速度也越快，最终得到强度较高的硬化体。同时，较细的颗粒也可以改善锰矿渣混凝土的泌水现象。
3. 结论与展望
我国各种天然资源丰富，如能因地制宜，就地取材，将充分发掘和利用当地资源优势；同时我国又是一个工业废弃物排放的大国，如能实现废弃物的再利用，将产生积极的环境效益、经济效益和社会效益。开发并使用来自于自然资源和工业废弃物的混凝土掺合料，不仅可以减少混凝土中水泥用量，从而减少这种不可再生资源的损耗，实现可持续发展，而且节省了大量的建设成本，实现了工业废弃物的循环利用，有利于“节能减排”，促进构建“和谐社会”。
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