高性能混凝土及制品在水利工程中的研究與應用

　　山東省水利科學研究院主任研究員馬德富

1 前言

高性能混凝土是20世紀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上，以耐久性為主要設計指標，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?；炷聊途眯耘c國民經(jīng)濟、社會安定、環(huán)境保護、可持續(xù)發(fā)展等密切相關(guān)，是混凝土材料科學的重大研究課題，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)風雨歷嚴寒，運行環(huán)境與一般市政工程、工業(yè)及民用建筑相比，自然條件極為復雜與惡劣。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》》正式頒布，第一次鮮明提出水利具有很強的公益性、基礎性、戰(zhàn)略性。水利行業(yè)所用混凝土具有不同特點，混凝土及制品用量相當可觀，在其中推廣應用高性能混凝土及制品具有良好的社會經(jīng)濟效益。

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計規(guī)范

國外在研究思路上強調(diào)全方位綜合解決混凝土耐久性問題，在設計階段就必須精心考慮耐久性，明確強度與耐久性是兩個獨立的方面，并不能相互保障。在技術(shù)上突出應用現(xiàn)代高新技術(shù)配制耐久100年、500年乃至1000年的混凝土?；瘜W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用馬德富* 王錦龍楊萌劉摘要：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用的進展。內(nèi)容涉及混凝土耐久性設計規(guī)范、堿—集料反應和抗鋼筋銹蝕性能的預防、中等強度高性能混凝土、化學外加劑和高性能預制混凝土制品的快速發(fā)展等方面，在此基礎上結(jié)合我國未來10年水利大投入、大建設、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用方向。

　國內(nèi)在研究思路上由傳統(tǒng)的按強度設計轉(zhuǎn)變?yōu)榘茨途眯栽O計的觀念逐漸被接受。應用高新技術(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外加劑和礦物外加劑日益廣泛應用于配制耐久混凝土，如我國三峽大壩、南水北調(diào)等重點工程?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設計規(guī)范》GB50010-2002、《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設計規(guī)范》GB/T50476-2008、《水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(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、設計使用年限確定混凝土強度等級、最大水膠比和混凝土鋼筋保護層厚度。強調(diào)在工程設計階段就必須同樣精確的考慮強度和耐久性，符合可持續(xù)發(fā)展要求。

2.2 堿—集料反應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，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)生的化學反應。這種反應能使混凝土的局部體積發(fā)生膨脹，引起開裂和強度降低，嚴重時會導致混凝土完全破壞，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。堿集料反應所導致的嚴重后果已逐漸被人們所認識。近年來，大型水利工程已經(jīng)開始重視堿骨料反應和鋼筋銹蝕問題，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行堿活性檢驗，并采取積極措施預防堿骨料反應發(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)設計時，采取增加混凝土保護層厚度，表面防護等技術(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)。該水庫溢洪閘設計泄量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。閘底板、閘墩及護坦均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

溢洪閘投入運行以來，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水閘安全鑒定的要求，對溢洪閘進行了安全鑒定檢測，現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)護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0.2m。護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)細集料已經(jīng)嚴重潰爛，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年對該溢洪閘護坦進行了拆除重建，對閘墩、閘底板混凝土裂縫化學灌漿、增設聚合物砂漿防滲封閉層處理。對新澆混凝土所用原材料、施工配合比試驗論證，嚴格控制每立方米混凝土的含堿量，不用引起堿集料反應的骨料，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的再次發(fā)生。

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