高性能混凝土及制品在水利工程中的研究與應(yīng)用

　　山東省水利科學(xué)研究院主任研究員馬德富

　　1 前言

      高性能混凝土（HPC）是20世紀(jì)90年代初提出的，是一種新型的高技術(shù)混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上，以耐久性為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，針對不同用途和要求，采用現(xiàn)代技術(shù)制作的、低水膠比的混凝土?；炷恋哪途眯允侵富炷两Y(jié)構(gòu)在自然環(huán)境、使用環(huán)境及材料內(nèi)部因素作用下保持其工作能力的性能。最常見的劣化過程有鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)、硫酸鹽侵蝕和堿—集料反應(yīng)?；炷聊途眯耘c國民經(jīng)濟(jì)、社會安定、環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展等密切相關(guān)，是混凝土材料科學(xué)的重大研究課題，是工程界關(guān)注的重大科技問題。

　　水利水電樞紐工程一般位于大江大河之上、高山峽谷之中，如大壩、水閘、渠道等均為混凝土表面無裝飾的裸露工程，素面朝天、經(jīng)風(fēng)雨歷嚴(yán)寒，運(yùn)行環(huán)境與一般市政工程、工業(yè)及民用建筑相比，自然條件極為復(fù)雜與惡劣（溫濕度變化、干濕交替、碳化、凍融循環(huán)、溶蝕與磨蝕、堿骨料反應(yīng)、環(huán)境中各種有害物質(zhì)侵蝕等）。因此，全方位綜合解決水利工程的耐久性問題，意義重大。中央一號文件《關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》》（中發(fā)[2011]1號）正式頒布，第一次鮮明提出水利具有很強(qiáng)的公益性、基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性。水利行業(yè)所用混凝土具有不同特點(diǎn)，混凝土及制品用量相當(dāng)可觀，在其中推廣應(yīng)用高性能混凝土及制品具有良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

　　2 高性能混凝土及制品研究的新發(fā)展

      2.1 制定了混凝土耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范

      國外在研究思路上強(qiáng)調(diào)全方位綜合解決混凝土耐久性問題，在設(shè)計(jì)階段就必須精心考慮耐久性，明確強(qiáng)度與耐久性是兩個(gè)獨(dú)立的方面，并不能相互保障。在技術(shù)上突出應(yīng)用現(xiàn)代高新技術(shù)配制耐久100年、500年乃至1000年的混凝土。化學(xué)外加劑和礦物外加劑已成為耐久混凝土的必需組分。

　　高性能混凝土及制品在水利工程中的研究與應(yīng)用馬德富* 王錦龍 楊 萌 劉（山東省水利科學(xué)研究院，250014）摘 要：本文介紹了高性能混凝土及制品在耐久性方面研究和工程應(yīng)用的進(jìn)展。內(nèi)容涉及混凝土耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范、堿—集料反應(yīng)和抗鋼筋銹蝕性能的預(yù)防、中等強(qiáng)度高性能混凝土、化學(xué)外加劑和高性能預(yù)制混凝土制品的快速發(fā)展等方面，在此基礎(chǔ)上結(jié)合我國未來10年水利大投入、大建設(shè)、大發(fā)展形勢，提出了高性能混凝土及制品在水利工程工程中的研究與應(yīng)用方向。

　   國內(nèi)在研究思路上由傳統(tǒng)的按強(qiáng)度設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)榘茨途眯栽O(shè)計(jì)的觀念逐漸被接受。應(yīng)用高新技術(shù)和現(xiàn)代混凝土技術(shù)解決耐久性問題已較為普及?；瘜W(xué)外加劑和礦物外加劑日益廣泛應(yīng)用于配制耐久混凝土，如我國三峽大壩、南水北調(diào)等重點(diǎn)工程?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2002、《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T50476-2008、《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》

　　SL191-2008都對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性提出了基本規(guī)定，根據(jù)工程所處環(huán)境作用等級、設(shè)計(jì)使用年限（100年、50年、30年）確定混凝土強(qiáng)度等級、最大水膠比和混凝土鋼筋保護(hù)層厚度。強(qiáng)調(diào)在工程設(shè)計(jì)階段就必須同樣精確的考慮強(qiáng)度和耐久性，符合可持續(xù)發(fā)展要求。

　　2.2 堿—集料反應(yīng)和抗鋼筋銹蝕性能的控制在工程中得到充分重視

      堿—集料反應(yīng)指混凝土中的堿與集料中的活性組分之間發(fā)生的破壞性膨脹反應(yīng)，俗稱混凝土的癌癥，是指混凝土中某些活性礦物集料與混凝土空隙中的堿性溶液之間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。這種反應(yīng)能使混凝土的局部體積發(fā)生膨脹，引起開裂和強(qiáng)度降低，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致混凝土完全破壞，是影響混凝土安全性的主要因素之一，特別是在惡劣的海洋環(huán)境和鹽污染環(huán)境中，更會嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性，造成巨大損失。堿集料反應(yīng)所導(dǎo)致的嚴(yán)重后果已逐漸被人們所認(rèn)識。近年來，大型水利工程已經(jīng)開始重視堿骨料反應(yīng)和鋼筋銹蝕問題，采取下列具體措施來保證這兩方面的耐久性：準(zhǔn)確判定集料堿活性、選用低堿水泥、控制混凝土總堿含量、采用礦物外加劑抑制集料堿活性、控制混凝土各組分中的氯離子含量。越來越多的水利工程在開工前對骨料進(jìn)行堿活性檢驗(yàn)，并采取積極措施預(yù)防堿骨料反應(yīng)發(fā)生，如三峽工程水泥熟料中的堿含量限制為小于0.5%。在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，采取增加混凝土保護(hù)層厚度，表面防護(hù)等技術(shù)措施減少環(huán)境對混凝土的侵蝕。

　　山東省最大的具有灌溉、防洪、發(fā)電、城市及工業(yè)供水等綜合功能的大（1）型水利樞紐工程峽山水庫，總庫容14.05億m3，1960年9月建成投產(chǎn)。該水庫溢洪閘設(shè)計(jì)泄量15000m3/s，校核泄量18500m3/s，共15孔，每孔凈寬16.0m，閘室長26.0m，采用弧型閘門，ZS2—125型拍式啟閉機(jī)。閘底板、閘墩及護(hù)坦均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

　　溢洪閘投入運(yùn)行以來，在1982年7月觀測檢查發(fā)現(xiàn)，閘墩普遍存在裂縫。2000年按照水利部對病險(xiǎn)水閘安全鑒定的要求，對溢洪閘進(jìn)行了安全鑒定檢測，現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)護(hù)坦混凝土表面層大面積成潰散狀，鋼筋裸露銹蝕，破壞最深處達(dá)0.2m。護(hù)坦末端防沖梁的鋼筋混凝土表面松散解體，鋼筋銹蝕懸空。用SEM/EDS對2組巖芯試樣觀察分析發(fā)現(xiàn)，許多石英質(zhì)細(xì)集料已經(jīng)嚴(yán)重潰爛，裂紋以集料為中心呈放射狀發(fā)展。用偏光顯微鏡觀察，同樣發(fā)現(xiàn)許多細(xì)集料為微晶石英和玉髓，在這些集料的周圍存在放射狀裂紋，這種分布的裂紋仍是由于堿集料反應(yīng)引起的。

　　為延長峽山水庫溢洪閘工程使用壽命，2009年對該溢洪閘護(hù)坦進(jìn)行了拆除重建，對閘墩、閘底板混凝土裂縫化學(xué)灌漿、增設(shè)聚合物砂漿防滲封閉層處理。對新澆混凝土所用原材料、施工配合比試驗(yàn)論證，嚴(yán)格控制每立方米混凝土的含堿量，不用引起堿集料反應(yīng)的骨料，采用低堿水泥、摻加粉煤灰及高效引氣減水劑等措施，避免混凝土堿骨料反應(yīng)的再次發(fā)生。[Page]

　　2.3 高性能混凝土用化學(xué)外加劑快速發(fā)展混凝土化學(xué)外加劑和礦物外加劑（磨細(xì)礦渣、粉煤灰、硅灰、磨細(xì)天然沸石）是配制高性能混凝土必不可少的原材料。

　　在化學(xué)外加劑方面：自高性能混凝土問世后，我國對高性能混凝土的研究和應(yīng)用隨即廣泛展開，并迅速遍及各個(gè)行業(yè)。對高性能混凝土的認(rèn)同、采用的技術(shù)途徑、研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢和國外是基本同步和接軌的。我國自20世紀(jì)50年代開始研制和少量使用混凝土化學(xué)外加劑，以松香熱聚物引氣劑、木質(zhì)素磺酸鈣等為代表的第一代混凝土外加劑。70年代中后期，清華大學(xué)等單位研制出奈系高效減水劑，標(biāo)志我國第二代高效減水劑研究基本成熟。90年代中后期，我國才開始研制第三代高性能外加劑，以胺基磺酸鹽和聚羧酸鹽兩類為主。中國混凝土外加劑學(xué)會和中國混凝土外加劑協(xié)會的成立，對行業(yè)整體進(jìn)步起到了促進(jìn)作用。以聚羧酸鹽為代表的高性能減水劑是合成高效減水劑的發(fā)展方向，其生產(chǎn)工藝比奈系簡單，投資比奈系少，在性能上又有明顯的優(yōu)點(diǎn)，具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。在工業(yè)萘供應(yīng)不穩(wěn)定、持續(xù)漲價(jià)的影響下，新型合成外加劑在原料供應(yīng)、價(jià)位上就有了競爭優(yōu)勢，因此也有了較好的發(fā)展空間。我國聚羧酸鹽高效減水劑生產(chǎn)技術(shù)與國外產(chǎn)品還有差距，關(guān)鍵國外廠家的基礎(chǔ)化工比較好，分子量分布精確，我國的聚羧酸鹽高效減水劑還需要解決好吸附、消泡等問題。

　　通過各種不同功能組分的恰當(dāng)復(fù)配，可以得到綜合性能優(yōu)異的復(fù)合型混凝土外加劑，滿足工程混凝土多種要求。山東省水利科學(xué)研究院自主創(chuàng)新，于2005年研制成功了“SKY高性能引氣減水劑”并由山東省科學(xué)技術(shù)廳組織鑒定。鑒定認(rèn)為“SKY高性能引氣減水劑”是根據(jù)水利水電工程的特點(diǎn)，通過分子結(jié)構(gòu)的改性和復(fù)合，具有溶解性高，穩(wěn)泡性好，氣泡分布均勻，與水泥的適應(yīng)好，配制的砂漿或混凝土易密性佳，坍落度損失率小，拉壓比高，抗裂性能好，抗凍融和抗鹽蝕能力強(qiáng)，提高了新拌混凝土或砂漿的工作性和硬化后的耐久性?！癝KY高性能引氣減水劑”經(jīng)山東省建材工業(yè)新型材料檢測中心檢測，主要技術(shù)指標(biāo)優(yōu)高性能混凝土及制品在水利工程中的研究與應(yīng)用協(xié)會PCCP.indd 54 2011-5-10 21:03:0055首屆全國預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）行業(yè)發(fā)展高峰論壇文集高性能混凝土及制品在水利工程中的研究與應(yīng)用于國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，經(jīng)實(shí)際工程應(yīng)用，效果良好。總之這項(xiàng)研究成果經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有重要的推廣價(jià)值。其研究成果達(dá)到國際同類技術(shù)先進(jìn)水平，應(yīng)予推廣應(yīng)用。該成果曾榮獲山東省水利科技進(jìn)步一等獎。

　　2.4 中等強(qiáng)度等級高性能混凝土的研究與應(yīng)用

      一般認(rèn)為高性能混凝土的抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于等于50MPa。我國的吳中偉院士結(jié)合中國水泥和混凝土強(qiáng)度的實(shí)際情況，創(chuàng)新性地提出中等強(qiáng)度等級高性能混凝土的理念，認(rèn)為，應(yīng)該根據(jù)用途和經(jīng)濟(jì)合理等條件對性能有所側(cè)重，現(xiàn)階段HPC強(qiáng)度低限可向中等標(biāo)號（30MPa）適當(dāng)延伸，但以不損害混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)（孔結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)、水化物結(jié)構(gòu)等）的發(fā)展與耐久性為度。這一主張具有重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。

　　南水北調(diào)（山東段）工程分為南北、東西兩條輸水干線，形成“T”字形輸水大動脈，是特大型跨流域調(diào)水的戰(zhàn)略性工程，舉世矚目。工程沿線大都采用現(xiàn)澆混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，建成后服役條件復(fù)雜，混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性對調(diào)水工程長期安全運(yùn)行、提高輸水的可靠性和效益發(fā)揮至關(guān)重要。山東省水利科學(xué)研究院、山東省南水北調(diào)工程建設(shè)管理局等單位在2003年結(jié)合南水北調(diào)工程，承擔(dān)了大型國家重點(diǎn)項(xiàng)目南水北調(diào)工程的技術(shù)攻關(guān)。針對南水北調(diào)工程是跨流域、跨省區(qū)的長距離輸水干渠，工程設(shè)計(jì)、建設(shè)過程中需要解決渠道混凝土板的抗?jié)B、抗凍融、混凝土自生收縮、干燥收縮和冷縮以及大面積連續(xù)快速現(xiàn)澆施工導(dǎo)致的開裂等問題，開展了大型渠道襯砌現(xiàn)澆中等強(qiáng)度等級高性能混凝土（C30、F200、W8）配合比優(yōu)化及耐久性研究。提出了大型渠道襯砌連續(xù)現(xiàn)澆混凝土可行的技術(shù)方案，首次將中等強(qiáng)度等級高性能混凝土新技術(shù)應(yīng)用于大型調(diào)水渠道襯砌工程建設(shè)，節(jié)約工程投資，同時(shí)提高了工程使用壽命，直接和間接效益可觀，總體達(dá)到國際先進(jìn)水平，為南水北調(diào)和其他長距離調(diào)水渠道混凝土襯砌提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，推動了我國水利科技進(jìn)步。該成果通過工程應(yīng)用及5年實(shí)體觀測表明，混凝土襯砌大板密實(shí)，表面無裂縫，在實(shí)際工程中應(yīng)用效果良好。同時(shí)，粉煤灰等工業(yè)廢料的高附加值利用也將對保護(hù)環(huán)境和建材業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義?！按笮颓酪r砌高性能混凝土研究與應(yīng)用”獲2008年度山東省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎。南水北調(diào)濟(jì)平干渠設(shè)計(jì)單元工程于2008年獲中國水利工程優(yōu)質(zhì)（大禹）獎。于2010年10月22日通過了國家驗(yàn)收。

　　2.5 高性能預(yù)制混凝土制品快速發(fā)展隨著近年來建筑技術(shù)和高性能混凝土的發(fā)展，我國的預(yù)制混凝土制品發(fā)生了巨大變化。大口徑預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP管）、預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁（PHC樁）、排水管等制品成為預(yù)制制品家族的主要成員。

　　預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（P rest ressed Concrete Cyl inderPipe）簡稱PCCP，是一種新型的鋼性管材。它是帶有鋼筒的高強(qiáng)度混凝土管芯纏繞預(yù)應(yīng)力鋼絲，噴以水泥砂漿保護(hù)層，采用鋼制承插口，同鋼筒焊在一起，承插口有凹槽和膠圈形成了滑動式膠圈的柔性接頭，是鋼板、混凝土、高強(qiáng)鋼絲和水泥砂漿幾種材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，具有鋼材和混凝土各自的特性。PCCP具有合理的復(fù)合結(jié)構(gòu)、承受內(nèi)外壓較高、接頭密封性好、抗震能力強(qiáng)、施工方便快捷、防腐性能好、維護(hù)方便等特性，被工程界所關(guān)注，廣泛應(yīng)用于長距離輸水干線、壓力倒虹吸、城市供水工程、工業(yè)有壓輸水管線、電廠循環(huán)水工程下水管道、壓力排污干管等。與以往管材相比，PCCP具有適用范圍廣，經(jīng)濟(jì)壽命長、抗震性能好、安裝方便、運(yùn)行費(fèi)用低，基本不漏水等優(yōu)點(diǎn)。我國引用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）的水利工程有：山西萬家寨引黃工程、深圳東部引水工程、哈爾濱磨盤山引水工程、山東省膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程（管徑DN1600、DN1800、DN2000、DN2200四種規(guī)格C50 PCCP管總長60km）、濟(jì)南市東聯(lián)供水工程、淄博市城鄉(xiāng)同源同網(wǎng)飲水安全供水工程（輸水管道采用C45管徑為DN800-1200 PCCP管輸水管道長26.1km）等工程。山東電力管道工程公司、山東山水水泥集團(tuán)有限公司管道分公司、山東龍泉管道工程股份有限公司等PCCP管道生產(chǎn)企業(yè)在運(yùn)用過程中受到好評。山東電力管道工程公司和北京河山引水管業(yè)公司等單位經(jīng)過系統(tǒng)研究，成功生產(chǎn)了高耐久直徑40 0 0mm的PCCP管是目前國內(nèi)最大直徑的PCCP管材，成功用于國家重點(diǎn)工程南水北調(diào)北京段引水工程，刷新了我國大口徑PCCP管的生產(chǎn)記錄，填補(bǔ)了國內(nèi)管材品種的一項(xiàng)空白。

　　當(dāng)今的混凝土預(yù)制制品都朝著大型化、高強(qiáng)、表面無裂紋、加快模具周轉(zhuǎn)方向發(fā)展，在水泥和外加劑品種選擇、水泥和外加劑適應(yīng)性等問題上都需要進(jìn)行大量的科研試驗(yàn)工作。[Page]

　　3 百年壽命高性能混凝土工程

      按照規(guī)范，對于重大、重要工程應(yīng)該按照100年壽命來設(shè)計(jì)混凝土。近年來，我國已有若干工程采用設(shè)計(jì)壽命為100年，工程中結(jié)合環(huán)境條件和特點(diǎn)，采取專門有效措施。比較著名的百年工程有：三峽工程、杭州灣大橋、青島跨海大橋等。

　　舉世矚目的三峽大壩高性能混凝土在施工中有著嚴(yán)格的要求。三峽工程大壩為混凝土重力壩，最大壩高181m，主體工程的混凝土總量達(dá)28000萬m3，其中大壩混凝土約20000萬m3。

　　三峽工程高性能混凝土的要求是使混凝土具有較高的耐久性、抗裂性、低熱性、體積穩(wěn)定性、良好的工作性和經(jīng)濟(jì)合理性。其協(xié)會PCCP.indd 55 2011-5-10 21:03:0056配合比設(shè)計(jì)思想及采取的技術(shù)措施主要是通過采用優(yōu)質(zhì)緩凝高效減水劑、引氣劑、Ⅰ級粉煤灰、具有微膨脹性質(zhì)的中熱水泥（MgO含量3.5%~5.0%的水泥）、限制原材料及混凝土中總堿含量（人工骨料混凝土總堿量小于2.5kg/m3，天然骨料混凝土總堿量小于2.0kg/m3）、縮小水膠比加大粉煤灰摻量等綜合措施和技術(shù)路線，成功的把花崗巖骨料四級配混凝土用水量由110kg/m3降低到85kg/m3左右，降低了混凝土絕熱溫升和干縮，提高了混凝土的抗裂性和施工和易性；外部混凝土抗凍等級達(dá)F300；使三峽工程大壩混凝土配合比實(shí)現(xiàn)了高性能的目標(biāo)，達(dá)到了國際一流水平，保證了三峽工程混凝土的耐久性。

　　4 大力推廣高性能混凝土及制品的應(yīng)用

      4.1 擴(kuò)大高性能混凝土及制品在水利行業(yè)的應(yīng)用中央、山東省一號文件《關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》》

　?。ㄖ邪l(fā)[2011]1號、魯發(fā)[2011]1號）正式頒布，這在黨的重要文件中，第一次將水利提升到關(guān)系經(jīng)濟(jì)安全、生態(tài)安全、國家安全的戰(zhàn)略高度，第一次鮮明提出水利具有很強(qiáng)的公益性、基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性，今后將加大公共財(cái)政對水利的投入，未來10年的水利投資將達(dá)到4萬億。我省將在以下六方面大力加強(qiáng)水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)：加快防洪工程建設(shè)；加快山東水網(wǎng)建設(shè)；加快城鄉(xiāng)供水工程建設(shè)；加快農(nóng)田水利建設(shè)；加快水生態(tài)保護(hù)與水污染防治；加快水利信息化建設(shè)。水利行業(yè)所用混凝土具有不同特點(diǎn)，混凝土及制品用量相當(dāng)可觀，在其中推廣應(yīng)用高性能混凝土及制品具有良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

　　4.2 建立混凝土耐久性數(shù)據(jù)庫混凝土耐久性已成為中國混凝土追尋的目標(biāo)和技術(shù)熱點(diǎn)。

　　在高性能混凝土及制品耐久性研究和應(yīng)用還有許多問題亟待去解決。我國幅員遼闊，氣候差異很大，高性能混凝土及制品的要求也很不相同。協(xié)調(diào)、聯(lián)合相關(guān)單位建立起典型地區(qū)高性能混凝土及制品耐久性資料匯集和連續(xù)檢測網(wǎng)絡(luò)對研究混凝土耐久性非常重要。

　　4.3 加強(qiáng)宣傳力度。

　　《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管》（GB/T 19685-2005）實(shí)施，為預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道產(chǎn)品質(zhì)量的進(jìn)一步提高奠定了良好基礎(chǔ)。

　　從實(shí)際出發(fā)，策劃組織一系列的宣傳活動，如中國混凝土與水泥制品協(xié)會于2011年5月25日在青島舉辦的“首屆全國預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCPC）行業(yè)發(fā)展高峰論壇”；為了促進(jìn)大直徑預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）在國內(nèi)長距離輸水工程中的推廣應(yīng)用，中國水利學(xué)會于2005年2月18日在北京舉辦的“大直徑PCCP管道應(yīng)用技術(shù)研討會”等活動，讓大家認(rèn)識市場潛力與動向，擴(kuò)大高性能混凝土及制品在各行業(yè)的應(yīng)用。

　　參考文獻(xiàn)：

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