2021年8月18日， 组织召开了由中国建筑科学研究院有限公司、中国路桥工程有限责任公司、云南交投集团公路建设有限公司完成的“混凝土用系列新型矿物掺合料开发及工程应用技术”科技成果鉴定会（视频）。鉴定委员会专家们认为，该成果为高性能混凝土提供了多元化矿物掺合料技术方案，在国内外市场应用前景广阔。

一、立项背景

随着国内基础设施建设和国家“一带一路”倡议的不断推进，混凝土作为最大宗的建筑材料，目前全球每年的用量已超过50亿立方米。大规模建设使得生产混凝土的原材料在区域内出现了相对短缺，传统的优质矿物掺合料如粉煤灰、矿渣粉等日益紧缺。而且，公路、铁路、水利工程往往地处偏远或在欠发达国家、地区，混凝土原材料外运的物流成本和时间成本十分巨大。此外，随着超高层等结构形式的多样化，以及在盐渍土等严酷服役环境下工程建设需求的增多，对混凝土提出了高流态、防腐蚀等功能型需求，通过矿物掺合料等混凝土原材料配制技术是提升混凝土性能的重要途径。鉴于上述原因，开发混凝土用新型矿物掺合料制备高性能混凝土，是工程建设的客观需要，也是技术、社会发展的必然趋势。

二、研究内容

在缺乏粉煤灰、矿渣粉、硅灰等传统矿物掺合料地区，本项目科研团队开发利用天然火山灰质材料或者天然岩石粉配制高性能混凝土，研究天然火山灰质材料低能耗极加工技术，天然火山灰质材料作为矿物掺合料的技术指标体系，天然火山灰质材料对混凝土工作性能、力学性能、耐久性能及长期性能的影响规律，天然火山灰质材料混凝土抗裂性能，天然火山灰质材料-水泥胶凝材料体系水化亚微观机理。使得天然火山灰质材料生产加工经济合理，细度、流动度比、活性指数、有害物含量、安定性等技术指标满足标准要求，天然火山灰质材料配制的混凝土性能满足工程要求。以天然火山灰、岩石粉、镍铁渣、磷渣等作为原材料开发复合矿物掺合料，解决工程建设矿物掺合料紧缺和特殊性能需求的难题。具体研究内容如下：

1.天然材料特性及其掺合料开发技术

项目组展开了天然火山灰质材料掺合料的研发，包括：天然火山灰质材料调研；基于高性能混凝土掺合料性能要求的天然火山灰质材料物理、化学指标分析和高效生产技术开发；以拌合物状态和耐久性为导向的天然火山灰质材料配制高性能混凝土技术及基本性能研究；以提高早期强度为导向的天然火山灰质材料制备预制高强混凝土的关键技术研究；天然火山灰质材料对高性能混凝土耐久性和长期性能影响规律研究；基于干旱、大暴露面积条件下天然火山灰质材料高性能混凝土成套养护技术研究；编制《天然火山灰质材料混凝土应用技术规程》及标准的国际推广探索。

项目组还对天然岩石粉及其复合掺合料进行了研发，包括：岩石粉的技术特性研究、普通复合矿物掺合料的研发及其在混凝土中应用、混凝土流变防腐剂和降粘增强剂的研发及其在混凝土中应用、应用地域性材料研发的复合掺合料在云临高速公路混凝土工程中应用、以及岩石粉微观性能的研究。

2.典型工业废渣作为掺合料的开发利用技术

研究包括：对镍铁渣粉、磷渣粉、及超细粉煤灰的开发及利用，展开了一下内容的研究：高炉镍铁渣粉特性、掺合料性能、水化特性以及高炉镍铁渣粉混凝土工作性能、力学性能、抗氯离子渗透性能和大掺量高炉镍铁渣粉性能研究；磷渣粉掺合料的基本性能，以及作为掺合料，磷渣粉及其中P2O5含量对混凝土性能影响的研究；超细粉煤灰作为混凝土掺合料的基本特性以及作为改性高性能注浆材料的研究。

3.复合掺合料及功能型复合掺合料的开发及应用

研究包括：对粉煤灰、矿渣粉、石灰石粉、钢渣、硅灰等不同掺合料复合叠加效应进行研究；烧矸粉、天然火山灰等低品质矿物掺合料的复合改性研究；早强型、降粘型功能型复合矿物掺合料的开发研究；功能型复合掺合料的颗粒协同效应、叠加效应和互补效应机理、关键技术指标及试验方法研究；针对实际工程应用的功能型复合掺合料应用技术及系列产品开发结合实际工程需要，开发功能复合掺合料应用技术及系列产品。

三、关键技术和创新点

1.针对粉煤灰、矿粉等常规矿物掺合料日益紧缺、混凝土性能需求不断提高的现状，系统研究了多种单一矿物掺合料、复合矿物掺合料及功能型复合矿物掺合料，形成了矿物掺合料复合的理论体系，建立了系列标准化技术指标。

2.揭示了天然火山灰质材料，石灰岩石粉、片麻岩石粉、花岗岩石粉等天然材料，镍铁渣和磷渣等工业废渣作为单一矿物掺合料的技术特性，建立了火山灰有效碱含量、岩石粉吸附特性、镍铁渣活性与安定性、磷渣五氧化二磷含量等关键质量控制指标及其测试与评价方法。

3.基于矿物掺合料之间诱导激活和颗粒紧密堆积原理，阐明了不同种类矿物掺合料之间的协同效应，提出了矿物掺合料活性提升与粉体颗粒级配优化方法，为针对性设计各种功能型复合矿物掺合料提供了理论指导。

4.开发了降黏型、防腐降黏型、蒸养早强型等功能型复合矿物掺合料，建立了黏度比、蒸养抗压强度比等标准化评价技术方法和指标，为不同应用场景下混凝土的制备和施工提供了针对性的技术解决方法。

四、经济社会环境效益

项目研究成果广泛应用于“一带一路”工程肯尼蒙内铁路、内马铁路等国际项目及国内多项重大工程项目中，2018年至2020年为工程建设节约成本约3.24亿元。

成果为缺乏粉煤灰等传统矿物掺合料地区的工程建设提供了技术支持，对保证混凝土工程质量具有重要意义，社会效益显著。同时，采用各类矿物掺合料，可以减少水泥用量，减少碳排放，环境效益显著。

肯尼亚蒙内铁路

国内首个120m全混凝土风电塔筒

五、总结

该项目成果已获授权中国发明专利12项、实用新型专利4项，制订国家标准2项、行业标准5项、团体标准2项、地方标准1项、企业标准1项、施工工法1项，出版专著2本，形成了具有自主知识产权的混凝土用系列矿物掺合料工程应用成套技术，在肯尼亚蒙内铁路、内马铁路、内罗毕西环路、内罗毕首都国际机场与欧洲大道连接快速路项目，以及国内首个120m全混凝土风电塔筒等16项国内外工程中得到应用。该项目成果为高性能混凝土提供了多元化矿物掺合料技术方案，在国内外市场应用前景广阔。