高性能混凝土及制品在水利工程中的研究与应用

　　山东省水利科学研究院主任研究员马德富

　　1 前言

      高性能混凝土（HPC）是20世纪90年代初提出的，是一种新型的高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上，以耐久性为主要设计指标，针对不同用途和要求，采用现代技术制作的、低水胶比的混凝土。混凝土的耐久性是指混凝土结构在自然环境、使用环境及材料内部因素作用下保持其工作能力的性能。最常见的劣化过程有钢筋锈蚀、冻融循环、硫酸盐侵蚀和碱—集料反应。混凝土耐久性与国民经济、社会安定、环境保护、可持续发展等密切相关，是混凝土材料科学的重大研究课题，是工程界关注的重大科技问题。

　　水利水电枢纽工程一般位于大江大河之上、高山峡谷之中，如大坝、水闸、渠道等均为混凝土表面无装饰的裸露工程，素面朝天、经风雨历严寒，运行环境与一般市政工程、工业及民用建筑相比，自然条件极为复杂与恶劣（温湿度变化、干湿交替、碳化、冻融循环、溶蚀与磨蚀、碱骨料反应、环境中各种有害物质侵蚀等）。因此，全方位综合解决水利工程的耐久性问题，意义重大。中央一号文件《关于加快水利改革发展的决定》》（中发[2011]1号）正式颁布，第一次鲜明提出水利具有很强的公益性、基础性、战略性。水利行业所用混凝土具有不同特点，混凝土及制品用量相当可观，在其中推广应用高性能混凝土及制品具有良好的社会经济效益。

　　2 高性能混凝土及制品研究的新发展

      2.1 制定了混凝土耐久性设计规范

      国外在研究思路上强调全方位综合解决混凝土耐久性问题，在设计阶段就必须精心考虑耐久性，明确强度与耐久性是两个独立的方面，并不能相互保障。在技术上突出应用现代高新技术配制耐久100年、500年乃至1000年的混凝土。化学外加剂和矿物外加剂已成为耐久混凝土的必需组分。

　　高性能混凝土及制品在水利工程中的研究与应用马德富* 王锦龙 杨 萌 刘（山东省水利科学研究院，250014）摘 要：本文介绍了高性能混凝土及制品在耐久性方面研究和工程应用的进展。内容涉及混凝土耐久性设计规范、碱—集料反应和抗钢筋锈蚀性能的预防、中等强度高性能混凝土、化学外加剂和高性能预制混凝土制品的快速发展等方面，在此基础上结合我国未来10年水利大投入、大建设、大发展形势，提出了高性能混凝土及制品在水利工程工程中的研究与应用方向。

　   国内在研究思路上由传统的按强度设计转变为按耐久性设计的观念逐渐被接受。应用高新技术和现代混凝土技术解决耐久性问题已较为普及。化学外加剂和矿物外加剂日益广泛应用于配制耐久混凝土，如我国三峡大坝、南水北调等重点工程。《混凝土结构设计规范》GB50010-2002、《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T50476-2008、《水工混凝土结构设计规范》

　　SL191-2008都对混凝土结构耐久性提出了基本规定，根据工程所处环境作用等级、设计使用年限（100年、50年、30年）确定混凝土强度等级、最大水胶比和混凝土钢筋保护层厚度。强调在工程设计阶段就必须同样精确的考虑强度和耐久性，符合可持续发展要求。

　　2.2 碱—集料反应和抗钢筋锈蚀性能的控制在工程中得到充分重视

      碱—集料反应指混凝土中的碱与集料中的活性组分之间发生的破坏性膨胀反应，俗称混凝土的癌症，是指混凝土中某些活性矿物集料与混凝土空隙中的碱性溶液之间发生的化学反应。这种反应能使混凝土的局部体积发生膨胀，引起开裂和强度降低，严重时会导致混凝土完全破坏，是影响混凝土安全性的主要因素之一，特别是在恶劣的海洋环境和盐污染环境中，更会严重影响混凝土结构的耐久性和安全性，造成巨大损失。碱集料反应所导致的严重后果已逐渐被人们所认识。近年来，大型水利工程已经开始重视碱骨料反应和钢筋锈蚀问题，采取下列具体措施来保证这两方面的耐久性：准确判定集料碱活性、选用低碱水泥、控制混凝土总碱含量、采用矿物外加剂抑制集料碱活性、控制混凝土各组分中的氯离子含量。越来越多的水利工程在开工前对骨料进行碱活性检验，并采取积极措施预防碱骨料反应发生，如三峡工程水泥熟料中的碱含量限制为小于0.5%。在混凝土结构设计时，采取增加混凝土保护层厚度，表面防护等技术措施减少环境对混凝土的侵蚀。

　　山东省最大的具有灌溉、防洪、发电、城市及工业供水等综合功能的大（1）型水利枢纽工程峡山水库，总库容14.05亿m3，1960年9月建成投产。该水库溢洪闸设计泄量15000m3/s，校核泄量18500m3/s，共15孔，每孔净宽16.0m，闸室长26.0m，采用弧型闸门，ZS2—125型拍式启闭机。闸底板、闸墩及护坦均为钢筋混凝土结构。

　　溢洪闸投入运行以来，在1982年7月观测检查发现，闸墩普遍存在裂缝。2000年按照水利部对病险水闸安全鉴定的要求，对溢洪闸进行了安全鉴定检测，现场检测发现护坦混凝土表面层大面积成溃散状，钢筋裸露锈蚀，破坏最深处达0.2m。护坦末端防冲梁的钢筋混凝土表面松散解体，钢筋锈蚀悬空。用SEM/EDS对2组岩芯试样观察分析发现，许多石英质细集料已经严重溃烂，裂纹以集料为中心呈放射状发展。用偏光显微镜观察，同样发现许多细集料为微晶石英和玉髓，在这些集料的周围存在放射状裂纹，这种分布的裂纹仍是由于碱集料反应引起的。

　　为延长峡山水库溢洪闸工程使用寿命，2009年对该溢洪闸护坦进行了拆除重建，对闸墩、闸底板混凝土裂缝化学灌浆、增设聚合物砂浆防渗封闭层处理。对新浇混凝土所用原材料、施工配合比试验论证，严格控制每立方米混凝土的含碱量，不用引起碱集料反应的骨料，采用低碱水泥、掺加粉煤灰及高效引气减水剂等措施，避免混凝土碱骨料反应的再次发生。[Page]

　　2.3 高性能混凝土用化学外加剂快速发展混凝土化学外加剂和矿物外加剂（磨细矿渣、粉煤灰、硅灰、磨细天然沸石）是配制高性能混凝土必不可少的原材料。

　　在化学外加剂方面：自高性能混凝土问世后，我国对高性能混凝土的研究和应用随即广泛展开，并迅速遍及各个行业。对高性能混凝土的认同、采用的技术途径、研究现状与发展趋势和国外是基本同步和接轨的。我国自20世纪50年代开始研制和少量使用混凝土化学外加剂，以松香热聚物引气剂、木质素磺酸钙等为代表的第一代混凝土外加剂。70年代中后期，清华大学等单位研制出奈系高效减水剂，标志我国第二代高效减水剂研究基本成熟。90年代中后期，我国才开始研制第三代高性能外加剂，以胺基磺酸盐和聚羧酸盐两类为主。中国混凝土外加剂学会和中国混凝土外加剂协会的成立，对行业整体进步起到了促进作用。以聚羧酸盐为代表的高性能减水剂是合成高效减水剂的发展方向，其生产工艺比奈系简单，投资比奈系少，在性能上又有明显的优点，具有较好的技术经济效益。在工业萘供应不稳定、持续涨价的影响下，新型合成外加剂在原料供应、价位上就有了竞争优势，因此也有了较好的发展空间。我国聚羧酸盐高效减水剂生产技术与国外产品还有差距，关键国外厂家的基础化工比较好，分子量分布精确，我国的聚羧酸盐高效减水剂还需要解决好吸附、消泡等问题。

　　通过各种不同功能组分的恰当复配，可以得到综合性能优异的复合型混凝土外加剂，满足工程混凝土多种要求。山东省水利科学研究院自主创新，于2005年研制成功了“SKY高性能引气减水剂”并由山东省科学技术厅组织鉴定。鉴定认为“SKY高性能引气减水剂”是根据水利水电工程的特点，通过分子结构的改性和复合，具有溶解性高，稳泡性好，气泡分布均匀，与水泥的适应好，配制的砂浆或混凝土易密性佳，坍落度损失率小，拉压比高，抗裂性能好，抗冻融和抗盐蚀能力强，提高了新拌混凝土或砂浆的工作性和硬化后的耐久性。“SKY高性能引气减水剂”经山东省建材工业新型材料检测中心检测，主要技术指标优高性能混凝土及制品在水利工程中的研究与应用协会PCCP.indd 54 2011-5-10 21:03:0055首届全国预应力钢筒混凝土管（PCCP）行业发展高峰论坛文集高性能混凝土及制品在水利工程中的研究与应用于国家标准的要求，经实际工程应用，效果良好。总之这项研究成果经济效益显著，具有重要的推广价值。其研究成果达到国际同类技术先进水平，应予推广应用。该成果曾荣获山东省水利科技进步一等奖。

　　2.4 中等强度等级高性能混凝土的研究与应用

      一般认为高性能混凝土的抗压强度应大于等于50MPa。我国的吴中伟院士结合中国水泥和混凝土强度的实际情况，创新性地提出中等强度等级高性能混凝土的理念，认为，应该根据用途和经济合理等条件对性能有所侧重，现阶段HPC强度低限可向中等标号（30MPa）适当延伸，但以不损害混凝土内部结构（孔结构、界面结构、水化物结构等）的发展与耐久性为度。这一主张具有重大的技术经济意义。

　　南水北调（山东段）工程分为南北、东西两条输水干线，形成“T”字形输水大动脉，是特大型跨流域调水的战略性工程，举世瞩目。工程沿线大都采用现浇混凝土衬砌结构，建成后服役条件复杂，混凝土衬砌结构的耐久性对调水工程长期安全运行、提高输水的可靠性和效益发挥至关重要。山东省水利科学研究院、山东省南水北调工程建设管理局等单位在2003年结合南水北调工程，承担了大型国家重点项目南水北调工程的技术攻关。针对南水北调工程是跨流域、跨省区的长距离输水干渠，工程设计、建设过程中需要解决渠道混凝土板的抗渗、抗冻融、混凝土自生收缩、干燥收缩和冷缩以及大面积连续快速现浇施工导致的开裂等问题，开展了大型渠道衬砌现浇中等强度等级高性能混凝土（C30、F200、W8）配合比优化及耐久性研究。提出了大型渠道衬砌连续现浇混凝土可行的技术方案，首次将中等强度等级高性能混凝土新技术应用于大型调水渠道衬砌工程建设，节约工程投资，同时提高了工程使用寿命，直接和间接效益可观，总体达到国际先进水平，为南水北调和其他长距离调水渠道混凝土衬砌提供了强有力的技术支撑，推动了我国水利科技进步。该成果通过工程应用及5年实体观测表明，混凝土衬砌大板密实，表面无裂缝，在实际工程中应用效果良好。同时，粉煤灰等工业废料的高附加值利用也将对保护环境和建材业的可持续发展具有重要意义。“大型渠道衬砌高性能混凝土研究与应用”获2008年度山东省科学技术进步一等奖。南水北调济平干渠设计单元工程于2008年获中国水利工程优质（大禹）奖。于2010年10月22日通过了国家验收。

　　2.5 高性能预制混凝土制品快速发展随着近年来建筑技术和高性能混凝土的发展，我国的预制混凝土制品发生了巨大变化。大口径预应力钢筒混凝土管（PCCP管）、预应力高强混凝土管桩（PHC桩）、排水管等制品成为预制制品家族的主要成员。

　　预应力钢筒混凝土管（P rest ressed Concrete Cyl inderPipe）简称PCCP，是一种新型的钢性管材。它是带有钢筒的高强度混凝土管芯缠绕预应力钢丝，喷以水泥砂浆保护层，采用钢制承插口，同钢筒焊在一起，承插口有凹槽和胶圈形成了滑动式胶圈的柔性接头，是钢板、混凝土、高强钢丝和水泥砂浆几种材料组成的复合结构，具有钢材和混凝土各自的特性。PCCP具有合理的复合结构、承受内外压较高、接头密封性好、抗震能力强、施工方便快捷、防腐性能好、维护方便等特性，被工程界所关注，广泛应用于长距离输水干线、压力倒虹吸、城市供水工程、工业有压输水管线、电厂循环水工程下水管道、压力排污干管等。与以往管材相比，PCCP具有适用范围广，经济寿命长、抗震性能好、安装方便、运行费用低，基本不漏水等优点。我国引用预应力钢筒混凝土管（PCCP）的水利工程有：山西万家寨引黄工程、深圳东部引水工程、哈尔滨磨盘山引水工程、山东省胶东地区引黄调水工程（管径DN1600、DN1800、DN2000、DN2200四种规格C50 PCCP管总长60km）、济南市东联供水工程、淄博市城乡同源同网饮水安全供水工程（输水管道采用C45管径为DN800-1200 PCCP管输水管道长26.1km）等工程。山东电力管道工程公司、山东山水水泥集团有限公司管道分公司、山东龙泉管道工程股份有限公司等PCCP管道生产企业在运用过程中受到好评。山东电力管道工程公司和北京河山引水管业公司等单位经过系统研究，成功生产了高耐久直径40 0 0mm的PCCP管是目前国内最大直径的PCCP管材，成功用于国家重点工程南水北调北京段引水工程，刷新了我国大口径PCCP管的生产记录，填补了国内管材品种的一项空白。

　　当今的混凝土预制制品都朝着大型化、高强、表面无裂纹、加快模具周转方向发展，在水泥和外加剂品种选择、水泥和外加剂适应性等问题上都需要进行大量的科研试验工作。[Page]

　　3 百年寿命高性能混凝土工程

      按照规范，对于重大、重要工程应该按照100年寿命来设计混凝土。近年来，我国已有若干工程采用设计寿命为100年，工程中结合环境条件和特点，采取专门有效措施。比较著名的百年工程有：三峡工程、杭州湾大桥、青岛跨海大桥等。

　　举世瞩目的三峡大坝高性能混凝土在施工中有着严格的要求。三峡工程大坝为混凝土重力坝，最大坝高181m，主体工程的混凝土总量达28000万m3，其中大坝混凝土约20000万m3。

　　三峡工程高性能混凝土的要求是使混凝土具有较高的耐久性、抗裂性、低热性、体积稳定性、良好的工作性和经济合理性。其协会PCCP.indd 55 2011-5-10 21:03:0056配合比设计思想及采取的技术措施主要是通过采用优质缓凝高效减水剂、引气剂、Ⅰ级粉煤灰、具有微膨胀性质的中热水泥（MgO含量3.5%~5.0%的水泥）、限制原材料及混凝土中总碱含量（人工骨料混凝土总碱量小于2.5kg/m3，天然骨料混凝土总碱量小于2.0kg/m3）、缩小水胶比加大粉煤灰掺量等综合措施和技术路线，成功的把花岗岩骨料四级配混凝土用水量由110kg/m3降低到85kg/m3左右，降低了混凝土绝热温升和干缩，提高了混凝土的抗裂性和施工和易性；外部混凝土抗冻等级达F300；使三峡工程大坝混凝土配合比实现了高性能的目标，达到了国际一流水平，保证了三峡工程混凝土的耐久性。

　　4 大力推广高性能混凝土及制品的应用

      4.1 扩大高性能混凝土及制品在水利行业的应用中央、山东省一号文件《关于加快水利改革发展的决定》》

　　（中发[2011]1号、鲁发[2011]1号）正式颁布，这在党的重要文件中，第一次将水利提升到关系经济安全、生态安全、国家安全的战略高度，第一次鲜明提出水利具有很强的公益性、基础性、战略性，今后将加大公共财政对水利的投入，未来10年的水利投资将达到4万亿。我省将在以下六方面大力加强水利基础设施建设：加快防洪工程建设；加快山东水网建设；加快城乡供水工程建设；加快农田水利建设；加快水生态保护与水污染防治；加快水利信息化建设。水利行业所用混凝土具有不同特点，混凝土及制品用量相当可观，在其中推广应用高性能混凝土及制品具有良好的社会经济效益。

　　4.2 建立混凝土耐久性数据库混凝土耐久性已成为中国混凝土追寻的目标和技术热点。

　　在高性能混凝土及制品耐久性研究和应用还有许多问题亟待去解决。我国幅员辽阔，气候差异很大，高性能混凝土及制品的要求也很不相同。协调、联合相关单位建立起典型地区高性能混凝土及制品耐久性资料汇集和连续检测网络对研究混凝土耐久性非常重要。

　　4.3 加强宣传力度。

　　《预应力钢筒混凝土管》（GB/T 19685-2005）实施，为预应力钢筒混凝土管道产品质量的进一步提高奠定了良好基础。

　　从实际出发，策划组织一系列的宣传活动，如中国混凝土与水泥制品协会于2011年5月25日在青岛举办的“首届全国预应力钢筒混凝土管（PCPC）行业发展高峰论坛”；为了促进大直径预应力钢筒混凝土管（PCCP）在国内长距离输水工程中的推广应用，中国水利学会于2005年2月18日在北京举办的“大直径PCCP管道应用技术研讨会”等活动，让大家认识市场潜力与动向，扩大高性能混凝土及制品在各行业的应用。

　　参考文献：

　　[1] 陆佑楣。三峡大坝混凝土施工，北京：中国电力出版社，2003[2] 冯乃谦。高性能混凝土，北京：中国建筑工业出版社，1996[3] 姚燕，王玲，田培。 高性能混凝土，北京：化学工业出版社，2006[4] 马德富 等…高性能补偿收缩混凝土研究及在渠道衬砌工程中的应用技术报告，山东省水利科学研究院 山东省调水工程技术研究中心，2006作者简介马德富，男，1964年生，工程技术应用研究员，从事水工材料研究。