高性能混凝土及制品在水利工程中應(yīng)用進(jìn)展

馬德富，王錦龍，楊 萌

（山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250013）

高性能混凝土(HPC)是20世紀(jì)90年代初提出的一種新型高技術(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(duì)不同用途和要求，采用現(xiàn)代技術(shù)制作、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)。

水利水電樞紐工程如大壩、水閘、渠道等均為混凝土表面無裝飾的裸露工程，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（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。尤其是隨著中央一號(hào)文件的頒布，水利建設(shè)投入的大幅度增加，在水利工程建設(shè)中推廣應(yīng)用高性能混凝土與水泥制品更具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 高性能混凝土及制品研究新進(jìn)展

1.1 混凝土耐久性的設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)展

在高性能混凝土研究中，混凝土的耐久性研究是工程界關(guān)注的重大科技問題。在20世紀(jì)80年代，國(guó)際上對(duì)混凝土耐久性的研究已進(jìn)入較為成熟的階段。國(guó)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。在工程設(shè)計(jì)階段就精心考慮耐久性，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。同時(shí)強(qiáng)調(diào)在混凝土配合比設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、輸送、施工澆筑振搗乃至抹面養(yǎng)護(hù)等所有工序中，都必須采取措施確保其耐久性。在技術(shù)途徑上突出應(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。且化學(xué)外加劑和礦物外加劑已成為耐久混凝土的必需組分。1987年日本土木工程協(xié)會(huì)混凝土結(jié)構(gòu)委員會(huì)推出了一個(gè)關(guān)于混凝土耐久性的實(shí)用設(shè)計(jì)方法；1989年歐洲混凝土結(jié)構(gòu)委員會(huì)發(fā)布了《耐久混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南》。

國(guó)內(nèi)在研究思路上已逐漸由傳統(tǒng)的按強(qiáng)度設(shè)計(jì)觀念轉(zhuǎn)變?yōu)榘茨途眯栽O(shè)計(jì)觀念，但耐久性問題在我國(guó)尚未得到很好解決，設(shè)計(jì)與施工、研究與應(yīng)用存在脫節(jié)現(xiàn)象。目前，我國(guó)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，化學(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，代表項(xiàng)目如三峽大壩、京滬高鐵等重點(diǎn)工程。而《混凝土結(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(duì)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(jí)、設(shè)計(jì)使用年限（50年、100年）確定混凝土強(qiáng)度等級(jí)、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地考慮強(qiáng)度和耐久性，以符合社會(huì)可持續(xù)發(fā)展要求。

1.2 重視堿—集料反應(yīng)和抗鋼筋銹蝕性能的控制

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(huì)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，會(huì)嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。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(shí)。

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，采取具體措施來保證這兩方面的耐久性，如：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等。越來越多的水利工程在開工前對(duì)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。同時(shí)，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(duì)混凝土的侵蝕。

1.3 化學(xué)外加劑的應(yīng)用進(jìn)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)外加劑應(yīng)用方面，我國(guó)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。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(guó)第二代高效減水劑研究基本成熟。90年代中后期，我國(guó)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(guó)混凝土外加劑學(xué)會(huì)和中國(guó)混凝土外加劑協(xié)會(huì)的成立，對(duì)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發(fā)展的方向，其生產(chǎn)工藝比奈系簡(jiǎn)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。

1.4 中等強(qiáng)度等級(jí)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50 MPa。我國(guó)的吳中偉院士結(jié)合中國(guó)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(jí)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)合理性等條件對(duì)性能有所側(cè)重，現(xiàn)階段HPC強(qiáng)度低限可向中等標(biāo)號(hào)(30 MPa)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。

南水北調(diào)山東段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(duì)調(diào)水工程長(zhǎng)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。針對(duì)南水北調(diào)工程跨流域、跨省區(qū)的長(zhǎng)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，山東省水利科學(xué)研究院、山東省調(diào)水工程技術(shù)研究中心等單位開展了大型渠道襯砌現(xiàn)澆中等強(qiáng)度等級(jí)高性能混凝土（C30、F200、W8）配合比優(yōu)化及耐久性試驗(yàn)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(jí)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，節(jié)約了工程投資，提高了工程使用壽命，直接和間接效益可觀，為南水北調(diào)和其他長(zhǎng)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。該技術(shù)通過工程應(yīng)用及5年實(shí)體觀測(cè)表明，混凝土襯砌大板密實(shí)，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(duì)保護(hù)環(huán)境和建材業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有促進(jìn)作用。

1.5 高性能預(yù)制混凝土水泥制品快速發(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(guó)的預(yù)制混凝土水泥制品發(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）、排水管等水泥制品成為預(yù)制構(gòu)件家族的主要成員。

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管 （Prestressed Concrete Cylinder Pipe）簡(jiǎn)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(dòng)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)，兼有鋼管和預(yù)應(yīng)力混凝土管優(yōu)點(diǎn)和性能，成本比鋼管低，使用壽命比鋼管長(zhǎng)1倍以上，設(shè)計(jì)使用壽命50年以上。美國(guó)給水協(xié)會(huì)耐腐蝕委員會(huì)的研究認(rèn)為，可以用100年。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?jié)B性高、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，已廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)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。

我國(guó)生產(chǎn)、使用PCCP起步較晚，1988年以來，經(jīng)過生產(chǎn)企業(yè)、科研設(shè)計(jì)單位、建設(shè)單位、設(shè)備制造單位和施工單位20多年的共同努力，生產(chǎn)PCCP的設(shè)備實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，我國(guó)累計(jì)生產(chǎn)、使用突破8 000 km。2005年，北京河山引水管業(yè)有限公司、山東電力管道工程公司等單位經(jīng)過系統(tǒng)研究，成功生產(chǎn)了高耐久直徑4 000 mm的PCCP管，這是目前國(guó)內(nèi)最大直徑的PCCP管材，已成功用于國(guó)家重點(diǎn)工程南水北調(diào)京石段應(yīng)急供水工程（管徑DN4000 PCCP雙排鋪設(shè)管長(zhǎng)110 km，工作壓力0.8 MPa）,刷新了我國(guó)大口徑PCCP管的生產(chǎn)記錄，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)管材品種的一項(xiàng)空白。

當(dāng)今的混凝土預(yù)制構(gòu)件都向著大型化、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。

2 高性能混凝土的應(yīng)用舉例

近年來，我國(guó)已有若干工程設(shè)計(jì)壽命為100年，工程中結(jié)合環(huán)境條件和特點(diǎn)，采取了有效措施。著名的工程有：三峽工程、杭州灣大橋、青島跨海大橋、京滬高速鐵路等。

舉世矚目的三峽大壩工程，應(yīng)用了高性能混凝土，并在施工中有著嚴(yán)格的要求：主要包括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(jí)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2.5 kg/m3，天然骨料混凝土總堿量小于2.0 kg/m3）、縮小水膠比加大粉煤灰摻量等綜合措施和技術(shù)路線，成功地把花崗巖骨料四級(jí)配混凝土用水量由110 kg/m3降低到85 kg/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(jí)達(dá)F300。這些措施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(guó)際一流水平，保證了三峽大壩工程混凝土的耐久性。

京滬高速鐵路客運(yùn)專線，其特點(diǎn)是技術(shù)要求高，技術(shù)含量高，設(shè)計(jì)使用壽命高達(dá)100年，把混凝土的耐久性提到了一個(gè)全新的高度。京滬高鐵預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁采用了C50高性能混凝土 （彈性模量≥35.5GPa，坍落度 180～220 mm，含氣量 2%~4%，抗凍等級(jí)≥F200，抗?jié)B等級(jí)≥W20，堿含量≤3.0 kg/m3,氯離子含量≤膠凝材料的0.06%），對(duì)高性能混凝土用水泥、礦物摻合料、粗細(xì)骨料、化學(xué)外加劑、拌制和養(yǎng)護(hù)用水等原材料質(zhì)量指標(biāo)提出了嚴(yán)格要求，采用了新一代聚羧酸系高性能化學(xué)外加劑，優(yōu)化的混凝土配合比水膠比為0.30~0.33。在新建的高性能混凝土表面噴涂聚脲彈性體防護(hù)，從而保證了京滬高速鐵路混凝土的耐久性。

3 結(jié)語

目前，在高性能混凝土和水泥制品研究與應(yīng)用中還有許多問題亟待解決。其中，耐久性研究的發(fā)展趨勢(shì)是進(jìn)行混凝土耐久性定量化設(shè)計(jì)，如混凝土原材料的質(zhì)量要求、混凝土配合比參數(shù)、施工質(zhì)量的控制研究等。

3.1 加大高性能混凝土及制品在水利行業(yè)中的應(yīng)用

隨著中央一號(hào)文件的頒布實(shí)施，水利建設(shè)的投入將大幅增加，防洪工程、水網(wǎng)建設(shè)、城鄉(xiāng)供水工程、農(nóng)田水利等水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要大量的混凝土與水泥制品。因此，要提高認(rèn)識(shí)，在工程設(shè)計(jì)階段就要精確考慮混凝土的強(qiáng)度和耐久性，在施工階段做到精細(xì)施工，確保工程質(zhì)量，在水利行業(yè)中進(jìn)一步廣泛推廣應(yīng)用高性能混凝土與水泥制品。

3.2 搞好高性能混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

高性能混凝土的配制需要優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的新一代高性能化學(xué)外加劑和大摻量的合理比例的優(yōu)質(zhì)礦物摻合料來綜合實(shí)現(xiàn)，其各組分復(fù)合疊加效應(yīng)表現(xiàn)明顯，優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的原材料質(zhì)量保證是實(shí)現(xiàn)高性能混凝土技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的首要前提。高性能混凝土的配制不同于一般的普通混凝土，需要大量的試配、不斷的優(yōu)化得以實(shí)現(xiàn)。因此，在工程應(yīng)用中要根據(jù)所用混凝土的特點(diǎn)，認(rèn)真搞好其配合比設(shè)計(jì)。

3.3 加強(qiáng)高性能混凝土推廣應(yīng)用的宣傳力度

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

［1］ 陸佑楣.三峽大壩混凝土施工［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2003.

［2］ 馮乃謙.高性能混凝土［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1996.

［3］ 姚燕，王玲，田培.高性能混凝土［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.