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（HPC）是20世紀90年代初提出的，是一種新型的高技術混凝土，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，采用現代技術制作的、低水膠比的混凝土?；炷恋哪途眯允侵富炷两Y構在自然環(huán)境、使用環(huán)境及材料內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國民經濟、社會安定、環(huán)境保護、可持續(xù)發(fā)展等密切相關，是混凝土材料科學的重大研究課題，是工程界關注的重大科技問題。

　　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（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、環(huán)境中各種有害物質侵蝕等）。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。在技術上突出應用現代高新技術配制耐久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（山東省水利科學研究院，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用的進展。內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。

　   國內在研究思路上由傳統(tǒng)的按強度設計轉變?yōu)榘茨途眯栽O計的觀念逐漸被接受。應用高新技術和現代混凝土技術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、南水北調等重點工程?！痘炷两Y構設計規(guī)范》GB50010-2002、《混凝土結構耐久性設計規(guī)范》GB/T50476-2008、《水工混凝土結構設計規(guī)范》

　　SL191-2008都對混凝土結構耐久性提出了基本規(guī)定，根據工程所處環(huán)境作用等級、設計使用年限（100年、50年、30年）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構的耐久性和安全性，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%。在混凝土結構設計時，采取增加混凝土保護層厚度，表面防護等技術措施減少環(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。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構。

　　溢洪閘投入運行以來，在1982年7月觀測檢查發(fā)現，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，現場檢測發(fā)現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，許多石英質細集料已經嚴重潰爛，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。[Page]

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

　　在化學外加劑方面：自高性能混凝土問世后，我國對高性能混凝土的研究和應用隨即廣泛展開，并迅速遍及各個行業(yè)。對高性能混凝土的認同、采用的技術途徑、研究現狀與發(fā)展趨勢和國外是基本同步和接軌的。我國自20世紀50年代開始研制和少量使用混凝土化學外加劑，以松香熱聚物引氣劑、木質素磺酸鈣等為代表的第一代混凝土外加劑。70年代中后期，清華大學等單位研制出奈系高效減水劑，標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會和中國混凝土外加劑協(xié)會的成立，對行業(yè)整體進步起到了促進作用。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，具有較好的技術經濟效益。在工業(yè)萘供應不穩(wěn)定、持續(xù)漲價的影響下，新型合成外加劑在原料供應、價位上就有了競爭優(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技術與國外產品還有差距，關鍵國外廠家的基礎化工比較好，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復配，可以得到綜合性能優(yōu)異的復合型混凝土外加劑，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”并由山東省科學技術廳組織鑒定。鑒定認為“SKY高性能引氣減水劑”是根據水利水電工程的特點，通過分子結構的改性和復合，具有溶解性高，穩(wěn)泡性好，氣泡分布均勻，與水泥的適應好，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，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”經山東省建材工業(yè)新型材料檢測中心檢測，主要技術指標優(yōu)高性能混凝土及制品在水利工程中的研究與應用協(xié)會PCCP.indd 54 2011-5-10 21:03:0055首屆全國預應力鋼筒混凝土管（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用于國家標準的要求，經實際工程應用，效果良好?？傊@項研究成果經濟效益顯著，具有重要的推廣價值。其研究成果達到國際同類技術先進水平，應予推廣應用。該成果曾榮獲山東省水利科技進步一等獎。

　　2.4 中等強度等級高性能混凝土的研究與應用

      一般認為高性能混凝土的抗壓強度應大于等于50MPa。我國的吳中偉院士結合中國水泥和混凝土強度的實際情況，創(chuàng)新性地提出中等強度等級高性能混凝土的理念，認為，應該根據用途和經濟合理等條件對性能有所側重，現階段HPC強度低限可向中等標號（30MPa）適當延伸，但以不損害混凝土內部結構（孔結構、界面結構、水化物結構等）的發(fā)展與耐久性為度。這一主張具有重大的技術經濟意義。

　　南水北調（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，是特大型跨流域調水的戰(zhàn)略性工程，舉世矚目。工程沿線大都采用現澆混凝土襯砌結構，建成后服役條件復雜，混凝土襯砌結構的耐久性對調水工程長期安全運行、提高輸水的可靠性和效益發(fā)揮至關重要。山東省水利科學研究院、山東省南水北調工程建設管理局等單位在2003年結合南水北調工程，承擔了大型國家重點項目南水北調工程的技術攻關。針對南水北調工程是跨流域、跨省區(qū)的長距離輸水干渠，工程設計、建設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)快速現澆施工導致的開裂等問題，開展了大型渠道襯砌現澆中等強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)現澆混凝土可行的技術方案，首次將中等強度等級高性能混凝土新技術應用于大型調水渠道襯砌工程建設，節(jié)約工程投資，同時提高了工程使用壽命，直接和間接效益可觀，總體達到國際先進水平，為南水北調和其他長距離調水渠道混凝土襯砌提供了強有力的技術支撐，推動了我國水利科技進步。該成果通過工程應用及5年實體觀測表明，混凝土襯砌大板密實，表面無裂縫，在實際工程中應用效果良好。同時，粉煤灰等工業(yè)廢料的高附加值利用也將對保護環(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用”獲2008年度山東省科學技術進步一等獎。南水北調濟平干渠設計單元工程于2008年獲中國水利工程優(yōu)質（大禹）獎。于2010年10月22日通過了國家驗收。

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

　　預應力鋼筒混凝土管（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度混凝土管芯纏繞預應力鋼絲，噴以水泥砂漿保護層，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、高強鋼絲和水泥砂漿幾種材料組成的復合結構，具有鋼材和混凝土各自的特性。PCCP具有合理的復合結構、承受內外壓較高、接頭密封性好、抗震能力強、施工方便快捷、防腐性能好、維護方便等特性，被工程界所關注，廣泛應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，經濟壽命長、抗震性能好、安裝方便、運行費用低，基本不漏水等優(yōu)點。我國引用預應力鋼筒混凝土管（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)引黃調水工程（管徑DN1600、DN1800、DN2000、DN2200四種規(guī)格C50 PCCP管總長60km）、濟南市東聯供水工程、淄博市城鄉(xiāng)同源同網飲水安全供水工程（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管道生產企業(yè)在運用過程中受到好評。山東電力管道工程公司和北京河山引水管業(yè)公司等單位經過系統(tǒng)研究，成功生產了高耐久直徑40 0 0mm的PCCP管是目前國內最大直徑的PCCP管材，成功用于國家重點工程南水北調北京段引水工程，刷新了我國大口徑PCCP管的生產記錄，填補了國內管材品種的一項空白。

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

　　3 百年壽命高性能混凝土工程

      按照規(guī)范，對于重大、重要工程應該按照100年壽命來設計混凝土。近年來，我國已有若干工程采用設計壽命為100年，工程中結合環(huán)境條件和特點，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、良好的工作性和經濟合理性。其協(xié)會PCCP.indd 55 2011-5-10 21:03:0056配合比設計思想及采取的技術措施主要是通過采用優(yōu)質緩凝高效減水劑、引氣劑、Ⅰ級粉煤灰、具有微膨脹性質的中熱水泥（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F300；使三峽工程大壩混凝土配合比實現了高性能的目標，達到了國際一流水平，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用

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

　　（中發(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系經濟安全、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的公益性、基礎性、戰(zhàn)略性，今后將加大公共財政對水利的投入，未來10年的水利投資將達到4萬億。我省將在以下六方面大力加強水利基礎設施建設：加快防洪工程建設；加快山東水網建設；加快城鄉(xiāng)供水工程建設；加快農田水利建設；加快水生態(tài)保護與水污染防治；加快水利信息化建設。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濟效益。

　　4.2 建立混凝土耐久性數據庫混凝土耐久性已成為中國混凝土追尋的目標和技術熱點。

　　在高性能混凝土及制品耐久性研究和應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、聯合相關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)檢測網絡對研究混凝土耐久性非常重要。

　　4.3 加強宣傳力度。

　　《預應力鋼筒混凝土管》（GB/T 19685-2005）實施，為預應力鋼筒混凝土管道產品質量的進一步提高奠定了良好基礎。

　　從實際出發(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“首屆全國預應力鋼筒混凝土管（PCPC）行業(yè)發(fā)展高峰論壇”；為了促進大直徑預應力鋼筒混凝土管（PCCP）在國內長距離輸水工程中的推廣應用，中國水利學會于2005年2月18日在北京舉辦的“大直徑PCCP管道應用技術研討會”等活動，讓大家認識市場潛力與動向，擴大高性能混凝土及制品在各行業(yè)的應用。

　　參考文獻：

　　[1] 陸佑楣。三峽大壩混凝土施工，北京：中國電力出版社，2003[2] 馮乃謙。高性能混凝土，北京：中國建筑工業(yè)出版社，1996[3] 姚燕，王玲，田培。 高性能混凝土，北京：化學工業(yè)出版社，2006[4] 馬德富 等…高性能補償收縮混凝土研究及在渠道襯砌工程中的應用技術報告，山東省水利科學研究院 山東省調水工程技術研究中心，2006作者簡介馬德富，男，1964年生，工程技術應用研究員，從事水工材料研究。