高性能混凝土及制品在水利工程中应用进展

马德富，王锦龙，杨 萌

（山东省水利科学研究院，山东 济南 250013）

高性能混凝土(HPC)是20世纪90年代初提出的一种新型高技术混凝土，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、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。

水利水电枢纽工程如大坝、水闸、渠道等均为混凝土表面无装饰的裸露工程，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（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。尤其是随着中央一号文件的颁布，水利建设投入的大幅度增加，在水利工程建设中推广应用高性能混凝土与水泥制品更具有重要的现实意义。

1 高性能混凝土及制品研究新进展

1.1 混凝土耐久性的设计应用进展

在高性能混凝土研究中，混凝土的耐久性研究是工程界关注的重大科技问题。在20世纪80年代，国际上对混凝土耐久性的研究已进入较为成熟的阶段。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。在工程设计阶段就精心考虑耐久性，明确强度与耐久性是两个独立的方面，并不能相互保障。同时强调在混凝土配合比设计、生产、输送、施工浇筑振捣乃至抹面养护等所有工序中，都必须采取措施确保其耐久性。在技术途径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。且化学外加剂和矿物外加剂已成为耐久混凝土的必需组分。1987年日本土木工程协会混凝土结构委员会推出了一个关于混凝土耐久性的实用设计方法；1989年欧洲混凝土结构委员会发布了《耐久混凝土结构设计指南》。

国内在研究思路上已逐渐由传统的按强度设计观念转变为按耐久性设计观念，但耐久性问题在我国尚未得到很好解决，设计与施工、研究与应用存在脱节现象。目前，我国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，代表项目如三峡大坝、京沪高铁等重点工程。而《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（50年、100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地考虑强度和耐久性，以符合社会可持续发展要求。

1.2 重视碱—集料反应和抗钢筋锈蚀性能的控制

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，会严重影响混凝土结构的耐久性和安全性。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，采取具体措施来保证这两方面的耐久性，如：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等。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。同时，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。

1.3 化学外加剂的应用进展

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。在化学外加剂应用方面，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。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发展的方向，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。

1.4 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50 MPa。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性等条件对性能有所侧重，现阶段HPC强度低限可向中等标号(30 MPa)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。

南水北调山东段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。针对南水北调工程跨流域、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，山东省水利科学研究院、山东省调水工程技术研究中心等单位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试验研究，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，节约了工程投资，提高了工程使用寿命，直接和间接效益可观，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。该技术通过工程应用及5年实体观测表明，混凝土衬砌大板密实，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促进作用。

1.5 高性能预制混凝土水泥制品快速发展

随着近年来建筑技术和高性能混凝土的发展，我国的预制混凝土水泥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）、排水管等水泥制品成为预制构件家族的主要成员。

预应力钢筒混凝土管 （Prestressed Concrete Cylinder Pipe）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，兼有钢管和预应力混凝土管优点和性能，成本比钢管低，使用寿命比钢管长1倍以上，设计使用寿命50年以上。美国给水协会耐腐蚀委员会的研究认为，可以用100年。PCCP具有合理的复合结构、承受内外压较高、接头密封性好、抗渗性高、抗震能力强、施工方便快捷、防腐性能好、维护方便等特性，已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。

我国生产、使用PCCP起步较晚，1988年以来，经过生产企业、科研设计单位、建设单位、设备制造单位和施工单位20多年的共同努力，生产PCCP的设备实现了国产化，我国累计生产、使用突破8 000 km。2005年，北京河山引水管业有限公司、山东电力管道工程公司等单位经过系统研究，成功生产了高耐久直径4 000 mm的PCCP管，这是目前国内最大直径的PCCP管材，已成功用于国家重点工程南水北调京石段应急供水工程（管径DN4000 PCCP双排铺设管长110 km，工作压力0.8 MPa）,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。

当今的混凝土预制构件都向着大型化、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。

2 高性能混凝土的应用举例

近年来，我国已有若干工程设计寿命为100年，工程中结合环境条件和特点，采取了有效措施。著名的工程有：三峡工程、杭州湾大桥、青岛跨海大桥、京沪高速铁路等。

举世瞩目的三峡大坝工程，应用了高性能混凝土，并在施工中有着严格的要求：主要包括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2.5 kg/m3，天然骨料混凝土总碱量小于2.0 kg/m3）、缩小水胶比加大粉煤灰掺量等综合措施和技术路线，成功地把花岗岩骨料四级配混凝土用水量由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。这些措施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，保证了三峡大坝工程混凝土的耐久性。

京沪高速铁路客运专线，其特点是技术要求高，技术含量高，设计使用寿命高达100年，把混凝土的耐久性提到了一个全新的高度。京沪高铁预应力混凝土箱梁采用了C50高性能混凝土 （弹性模量≥35.5GPa，坍落度 180～220 mm，含气量 2%~4%，抗冻等级≥F200，抗渗等级≥W20，碱含量≤3.0 kg/m3,氯离子含量≤胶凝材料的0.06%），对高性能混凝土用水泥、矿物掺合料、粗细骨料、化学外加剂、拌制和养护用水等原材料质量指标提出了严格要求，采用了新一代聚羧酸系高性能化学外加剂，优化的混凝土配合比水胶比为0.30~0.33。在新建的高性能混凝土表面喷涂聚脲弹性体防护，从而保证了京沪高速铁路混凝土的耐久性。

3 结语

目前，在高性能混凝土和水泥制品研究与应用中还有许多问题亟待解决。其中，耐久性研究的发展趋势是进行混凝土耐久性定量化设计，如混凝土原材料的质量要求、混凝土配合比参数、施工质量的控制研究等。

3.1 加大高性能混凝土及制品在水利行业中的应用

随着中央一号文件的颁布实施，水利建设的投入将大幅增加，防洪工程、水网建设、城乡供水工程、农田水利等水利基础设施建设需要大量的混凝土与水泥制品。因此，要提高认识，在工程设计阶段就要精确考虑混凝土的强度和耐久性，在施工阶段做到精细施工，确保工程质量，在水利行业中进一步广泛推广应用高性能混凝土与水泥制品。

3.2 搞好高性能混凝土配合比优化设计

高性能混凝土的配制需要优质稳定的新一代高性能化学外加剂和大掺量的合理比例的优质矿物掺合料来综合实现，其各组分复合叠加效应表现明显，优质稳定的原材料质量保证是实现高性能混凝土技术优点的首要前提。高性能混凝土的配制不同于一般的普通混凝土，需要大量的试配、不断的优化得以实现。因此，在工程应用中要根据所用混凝土的特点，认真搞好其配合比设计。

3.3 加强高性能混凝土推广应用的宣传力度

从实际出发，策划组织一系列的宣传活动。如《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。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日在北京举办了 “大直径PCCP管道应用技术研讨会”，中国混凝土与水泥制品协会于2011年5月25日在青岛举办了 “首届全国预应力钢筒混凝土管 （PCPC）行业发展高峰论坛”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。

［1］ 陆佑楣.三峡大坝混凝土施工［M］.北京：中国电力出版社，2003.

［2］ 冯乃谦.高性能混凝土［M］.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［M］.北京：化学工业出版社，2006.