水工混凝土材料研究進(jìn)展綜述

李家正

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 材料與結(jié)構(gòu)研究所，武漢 430010；2.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

1 研究背景

長(zhǎng)江科學(xué)院(簡(jiǎn)稱“長(zhǎng)科院”)材料與結(jié)構(gòu)專業(yè)創(chuàng)建于1951年，應(yīng)荊江分洪工程和漢江杜家臺(tái)分洪工程建設(shè)需求而誕生，隨丹江口水利樞紐工程和陸水水利樞紐工程建設(shè)而逐步成長(zhǎng)壯大，在深度參與葛洲壩工程和三峽工程科研中技術(shù)逐步走向成熟。

70 a來(lái)，為適應(yīng)水工混凝土原材料向多元化、功能化、地緣化、低碳化發(fā)展，研究方向涵蓋了水泥、礦物摻和料、砂石骨料與外加劑等原材料的研究與應(yīng)用，促進(jìn)了國(guó)內(nèi)大壩混凝土水泥由中熱硅酸鹽水泥(以下簡(jiǎn)稱“中熱水泥”)向低熱硅酸鹽水泥(以下簡(jiǎn)稱“低熱水泥”)進(jìn)步，開(kāi)發(fā)應(yīng)用了優(yōu)質(zhì)粉煤灰、磷渣粉、石灰石粉、天然火山灰質(zhì)材料等摻和料品種，推薦了滿足施工進(jìn)度、工程質(zhì)量且經(jīng)濟(jì)環(huán)保的當(dāng)?shù)厣笆霞夹g(shù)方案，并將補(bǔ)償收縮材料、纖維增韌材料及防滲抗裂劑等功能材料引入水工混凝土中，引導(dǎo)大壩混凝土材料設(shè)計(jì)理念從強(qiáng)度主導(dǎo)向耐久性轉(zhuǎn)變。以工程需求為導(dǎo)向，不斷推動(dòng)大壩常態(tài)混凝土、碾壓混凝土、面板混凝土、瀝青混凝土、塑性混凝土、噴射混凝土、自密實(shí)混凝土、抗沖磨混凝土等的技術(shù)進(jìn)步，結(jié)合理論研究與工程實(shí)踐，形成不同類型水工混凝土的高性能化制備與調(diào)控技術(shù)，完善水工大體積混凝土裂縫機(jī)理與控制技術(shù)。持續(xù)為國(guó)內(nèi)外眾多大中型水利水電工程提供了先進(jìn)的水工混凝土配合比設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了高性能的水工混凝土，凝練了獎(jiǎng)勵(lì)、專著、論文、專利、規(guī)程規(guī)范等一大批創(chuàng)新成果，引領(lǐng)了水工混凝土行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展。

2 原材料向多元化、功能化、地緣化、低碳化發(fā)展

2.1 大壩水泥

1958年第一次三峽工程科研會(huì)議后，長(zhǎng)科院隨即開(kāi)展了三峽工程混凝土用水泥的研究[1]。采用了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《硅酸鹽大壩水泥與礦渣硅酸鹽大壩水泥》(GB 200—63)中的硅酸鹽大壩水泥與礦渣硅酸鹽大壩水泥，即目前的中熱水泥和低熱礦渣硅酸鹽水泥。20世紀(jì)70年代初，長(zhǎng)科院等單位開(kāi)始研究低熱微膨脹水泥的礦物組成范圍，經(jīng)過(guò)數(shù)百組配比方案的探索，終于制備出低熱微膨脹水泥[2]。1975—1979年，低熱微膨脹水泥先后在浙江省江波潭水庫(kù)、長(zhǎng)紹水庫(kù)和福建省池潭水電站等工程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。結(jié)果表明，低熱微膨脹水泥具有水化熱低、早期強(qiáng)度高，有微膨脹和補(bǔ)償收縮作用[3]。使用低熱微膨脹水泥筑壩，可以降低壩體內(nèi)部溫度，簡(jiǎn)化溫控措施。與礦渣大壩水泥或純大壩水泥相比，最高溫度低3.8～5.8 ℃。1978年，低熱微膨脹水泥獲得全國(guó)科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng)勵(lì)，1979年12月，獲國(guó)家發(fā)明二等獎(jiǎng)，1982年3月制訂并頒布了《低熱微膨脹水泥》(GB 2938—82)。

針對(duì)我國(guó)水電工程高壩大庫(kù)長(zhǎng)期服役的安全保障技術(shù)難題，從水泥源頭提升水工大體積混凝土溫控防裂與長(zhǎng)期耐久性能，是推進(jìn)水電建設(shè)和筑壩技術(shù)發(fā)展的新途徑。低熱水泥以硅酸二鈣(C2S)為主導(dǎo)礦物，具有早期發(fā)熱緩慢、水化熱溫升低、后期發(fā)展快的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可有效降低混凝土最高溫度，有利于大壩混凝土的溫控防裂，從而提高大壩及結(jié)構(gòu)混凝土的抗裂安全系數(shù)[3]，因此，低熱水泥非常適用于水工大體積混凝土[4]。不同品種水泥的品質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1、化學(xué)與礦物成分見(jiàn)表2[5]。長(zhǎng)科院在低熱硅酸鹽水泥礦物組成優(yōu)化及技術(shù)指標(biāo)，低熱水泥混凝土的配制技術(shù)、性能發(fā)展規(guī)律及其微觀機(jī)理，低熱水泥抗沖耐磨混凝土設(shè)計(jì)與配制、溫控防裂和應(yīng)用，拱壩低熱水泥混凝土全面性能、溫控防裂仿真計(jì)算和反演分析等方面進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究。低熱硅酸鹽水泥在白鶴灘、烏東德等工程全壩應(yīng)用，混凝土澆筑方量超1 070萬(wàn)m3，截至目前未出現(xiàn)溫度裂縫，為水工混凝土溫控防裂開(kāi)創(chuàng)了一條新的技術(shù)途徑。在此基礎(chǔ)上制定了《水電工程低熱硅酸鹽水泥混凝土技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5817—2021)，該標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布為低熱水泥在水電工程中的推廣應(yīng)用將起到積極作用。

表1 水泥的品質(zhì)性能指標(biāo)(強(qiáng)度等級(jí)42.5)[5]Table 1 Performance indicators of cement (strength grade 42.5)[5]

表2 水泥的化學(xué)成分與礦物成分[5]Table 2 Chemical composition and mineral composition of cement[5]

2.2 摻和料

2.2.1 粉煤灰傳統(tǒng)摻和料

在混凝土中摻入粉煤灰等優(yōu)質(zhì)礦物摻和料取代部分水泥，不僅可以將工業(yè)廢渣資源化利用，降低對(duì)自然資源和能源的消耗，還可以改善混凝土的抗裂耐久等各項(xiàng)性能，是發(fā)展綠色水工混凝土的重要技術(shù)措施。20世紀(jì)90年代以前，我國(guó)的水電工程建設(shè)規(guī)模普遍不大，混凝土摻和料使用很少，水工混凝土水泥用量高、環(huán)境負(fù)荷大，混凝土本身也易開(kāi)裂、耐久性差，嚴(yán)重影響水工建筑物的使用壽命與安全運(yùn)行。因此，提高水工混凝土的經(jīng)濟(jì)性和長(zhǎng)期耐久性能，大力發(fā)展綠色混凝土，是水利水電行業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的研究課題。

1962年在修建陸水水利樞紐時(shí)，長(zhǎng)科院采用武漢青山熱電廠的粉煤灰作混凝土摻和料進(jìn)行了試驗(yàn)，為三峽工程混凝土摻用粉煤灰奠定基礎(chǔ)[6]。由于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)用粉煤灰作水泥的混合材料或混凝土的摻和料都處于起步階段，對(duì)粉煤灰的品質(zhì)尚未制定統(tǒng)一的指標(biāo)。長(zhǎng)科院與中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院共同主持起草了我國(guó)第一個(gè)粉煤灰品質(zhì)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB 1596—1979)；在1991年的修訂版本中[7]，依據(jù)需水量比指標(biāo)，將用于水泥混合材料、混凝土摻和料的粉煤灰分別劃分為2個(gè)與3個(gè)等級(jí)；2005年的修訂版本中[8]，將粉煤灰按CaO含量分為F類和C類2個(gè)類別，按需水量比分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3個(gè)等級(jí)。

最初為了獲得滿足細(xì)度要求的粉煤灰，往往采用磨細(xì)法將粗灰全部加工成細(xì)灰，但該方法能耗大、噪聲污染嚴(yán)重，且磨細(xì)的粉煤灰需水量比不一定能得到改善，甚至在一定程度上會(huì)增大。為解決Ⅰ級(jí)粉煤灰難以生產(chǎn)的問(wèn)題，長(zhǎng)科院在1988年協(xié)助湖北松木坪電廠首次提出采用分選法加工粉煤灰，成功生產(chǎn)出Ⅰ級(jí)粉煤灰，并用于清江隔河巖工程，也為三峽工程使用分選法生產(chǎn)Ⅰ級(jí)粉煤灰積累了經(jīng)驗(yàn)[9]。三峽大壩混凝土具有優(yōu)異的長(zhǎng)期性能，試件強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1，極限拉伸值跟蹤觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3[10]。工程應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn)為后續(xù)水利水電工程的摻和料應(yīng)用產(chǎn)生了示范效應(yīng)，先后在小浪底、龍灘、溪洛渡、向家壩、錦屏等國(guó)內(nèi)外數(shù)百項(xiàng)水利水電工程中得到成功應(yīng)用。同時(shí)，長(zhǎng)科院主編了電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5055—2007)，進(jìn)一步推動(dòng)了水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)的發(fā)展。

表3 三峽大壩混凝土試件極限拉伸值長(zhǎng)期觀測(cè)結(jié)果Table 3 Long-term observation result of the ultimatetension of concrete specimens of the Three Gorges Dam

2.2.2 新型礦物摻和料

隨著水利水電工程建設(shè)的蓬勃發(fā)展，水工混凝土礦物摻和料的需求量也日益增加。然而，在我國(guó)粉煤灰與礦渣等傳統(tǒng)礦物摻和料資源空間分布不均勻，很多地區(qū)粉煤灰供應(yīng)緊張尤其是優(yōu)質(zhì)粉煤灰更是供不應(yīng)求。因地制宜開(kāi)發(fā)其他新型礦物摻和料或?qū)⒎勖夯遗c其他摻和料以合適比例摻入水泥基材料，已成為水工混凝土摻和料發(fā)展的必然趨勢(shì)。開(kāi)展新型水工混凝土礦物摻和料研究一方面可以適當(dāng)緩解粉煤灰供應(yīng)緊張問(wèn)題、降低工程成本，另一方面可結(jié)合其他礦物摻和料的優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，經(jīng)過(guò)復(fù)摻改性后使混凝土的各項(xiàng)性能更加優(yōu)異。

在我國(guó)水能資源最為豐富的西部地區(qū)，傳統(tǒng)摻和料緊缺已經(jīng)成為水工混凝土發(fā)展面臨的新常態(tài)。為應(yīng)對(duì)這一突出矛盾，根據(jù)“就地取材”原則，2000年以來(lái)，長(zhǎng)科院逐步開(kāi)發(fā)出了可部分或完全替代粉煤灰的新型礦物摻和料[11-13]，包括磷渣粉、石灰石粉、天然火山灰質(zhì)材料等，并在許多水利水電工程建設(shè)中得到成功應(yīng)用。如針對(duì)貴州索風(fēng)營(yíng)、沙沱以及湖北龍?zhí)蹲斓裙こ虛胶土隙倘眴?wèn)題，先后開(kāi)展了大量試驗(yàn)工作[14-15]，為以上工程成功應(yīng)用磷渣粉摻和料提供了重要的技術(shù)支撐。新疆特克斯山口水庫(kù)是新疆地區(qū)第一座開(kāi)工建設(shè)并投入運(yùn)行的碾壓混凝土重力壩，長(zhǎng)科院通過(guò)長(zhǎng)期的試驗(yàn)論證與研究[12]，首次將石灰石粉與粉煤灰雙摻料成功應(yīng)用于寒冷地區(qū)大壩碾壓混凝土。針對(duì)西藏雅魯藏布江中游電站工程粉煤灰資源短缺、品質(zhì)波動(dòng)大、運(yùn)距遠(yuǎn)等問(wèn)題，長(zhǎng)科院因地制宜開(kāi)發(fā)了凝灰?guī)r粉天然火山灰質(zhì)材料用作混凝土摻和料[16]，并成功應(yīng)用于大古水電站，工程應(yīng)用效果良好。

除此之外，還研究開(kāi)發(fā)了鈦渣粉、砂板巖粉、花崗巖粉、大理巖粉等材料用作水工混凝土新型礦物摻和料[17-18]。多年來(lái)，長(zhǎng)科院緊緊圍繞礦物摻和料技術(shù)開(kāi)發(fā)、工程應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)難題，從作用機(jī)理、品質(zhì)控制、配制與施工技術(shù)以及性能測(cè)試與評(píng)價(jià)等方面開(kāi)展系統(tǒng)研究，開(kāi)發(fā)出技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的水工混凝土用礦物摻和料，并形成成套的應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，包括《水工混凝土摻用磷渣粉技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5387—2007)、《水工混凝土摻用天然火山灰質(zhì)材料技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5273—2012)、《水工混凝土摻用石灰石粉技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5304—2013)、《水工混凝土摻用硅粉技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5777—2018)等，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各礦物摻和料主要品質(zhì)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 各礦物摻和料主要品質(zhì)指標(biāo)對(duì)比Table 4 Comparison of major properties of mineral admixtures

2.3 砂石料

大中型水利水電工程多采用人工砂石料，且骨料在水工混凝土中體積比一般在80%以上，因此，骨料品質(zhì)顯著影響混凝土工程質(zhì)量。理想的骨料應(yīng)該是耐久、堅(jiān)固、抗堿、不透水、尺寸穩(wěn)定且符合最佳粒徑分布的。然而，由于各壩址當(dāng)?shù)夭牧系牟町愋裕F(xiàn)場(chǎng)可能遇到各種砂石骨料原材料技術(shù)問(wèn)題，通過(guò)大量的專項(xiàng)科研成果，長(zhǎng)科院為水利水電工程建設(shè)提供了相應(yīng)的技術(shù)措施與科技支撐。

20世紀(jì)50年代和80年代分別研究了三峽工程風(fēng)化砂與花崗巖人工砂的問(wèn)題[1]，最終優(yōu)選加工后的風(fēng)化砂基本滿足規(guī)范要求，通過(guò)摻外加劑和優(yōu)質(zhì)粉煤灰也能改善人工砂混凝土性能；還將骨料加工系統(tǒng)二次篩分出的石屑砂棄料成功用于三峽圍堰塑性混凝土中[19]，變廢為寶, 解決了場(chǎng)地堆放問(wèn)題,又增加了塑性混凝土的變形能力。結(jié)合丹江口、百色、錦屏、龍開(kāi)口等工程[20-21]，針對(duì)骨料級(jí)配不良、石粉含量大等常見(jiàn)問(wèn)題，進(jìn)行了系統(tǒng)的理論與試驗(yàn)研究，除合理改進(jìn)生產(chǎn)工藝外，還提出用部分微石粉等量取代粉煤灰等措施，保障了大壩混凝土的施工進(jìn)度與工程質(zhì)量。

針對(duì)龍灘工程粗骨料裹粉問(wèn)題[22]，提出了加強(qiáng)一次篩分水洗力度、增設(shè)二次篩分水洗系統(tǒng)等措施，并制定裹粉質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，增設(shè)刮砂機(jī)以提高碾壓混凝土用砂中石粉含量，改進(jìn)粗骨料跌落緩降設(shè)備以控制超遜徑和中徑篩余合格率，通過(guò)以上措施，大法坪砂石系統(tǒng)骨料從質(zhì)和量上均完全滿足龍灘大壩建設(shè)要求。針對(duì)錦屏一級(jí)、白鶴灘等工程遇到的表面銹染骨料問(wèn)題[23-24]進(jìn)行研究，結(jié)果表明骨料表面銹染物的存在，基本不影響混凝土的抗壓強(qiáng)度，但一定程度上降低了混凝土的抗拉能力，因此，對(duì)于抗拉要求較高的部位及構(gòu)件，建議適當(dāng)控制銹染骨料用量，研究成果為銹染骨料對(duì)混凝土的性能影響評(píng)價(jià)及在大壩中的合理應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

1952年，結(jié)合三峽工程，在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展堿-骨料反應(yīng)探索性試驗(yàn)[25]。在70 a的研究中，先后對(duì)長(zhǎng)江、黃河、金沙江、烏江、紅水河、雅礱江、贛江、漢江、清江、額爾齊斯河、伊犁河、塔里木河等流域近百座重要水利水電工程骨料料源的堿活性及其抑制措施進(jìn)行了試驗(yàn)研究和科學(xué)論證，為工程混凝土骨料料源的選擇和堿活性抑制提供了科學(xué)方案。通過(guò)研究[26]，掌握了我國(guó)水利水電工程常用的巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖骨料堿活性特性，積累了大量珍貴的混凝土堿-骨料反應(yīng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)資料，揭示了不同巖石骨料的長(zhǎng)期堿-骨料反應(yīng)膨脹特性，不僅對(duì)我國(guó)工程混凝土骨料料源選擇具有指導(dǎo)意義，而且為完善堿-骨料反應(yīng)試驗(yàn)方法和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)提供了科學(xué)依據(jù)。對(duì)三峽閃云斜長(zhǎng)花崗巖的長(zhǎng)期堿-骨料反應(yīng)試驗(yàn)已積累了30多年的觀測(cè)資料，是國(guó)內(nèi)堿-骨料反應(yīng)最長(zhǎng)的研究資料。在此過(guò)程中，逐步建立了適用于我國(guó)水利水電工程的混凝土堿-骨料反應(yīng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和研究方法體系。相關(guān)成果納入《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL/T 352—2006)、《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5151—2014)及《水工混凝土抑制堿-骨料反應(yīng)技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5298—2013)中。

尾礦是利用率較低的大宗工業(yè)固體廢物。尾礦大部分以溝谷、低地為堆存地，污染水土，破壞環(huán)境，乃至造成災(zāi)害。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)和土地管理的加強(qiáng)，尾礦的治理和利用已成為必須解決的迫切問(wèn)題，僅對(duì)其中的有價(jià)元素進(jìn)行回收減量效果十分有限，只有將其作為建筑材料利用才是最根本的出路[27]。近年來(lái)，長(zhǎng)科院依托金沙江金沙水電站和銀江水電站工程，研究了攀鋼尾礦代替天然骨料作為大壩混凝土骨料的可行性。采用攀鋼尾礦作為粗、細(xì)骨料制備了全尾礦骨料二級(jí)配、三級(jí)配和四級(jí)配混凝土。結(jié)果表明[28-29]，全尾礦骨料配制的混凝土抗壓強(qiáng)度、極限拉伸值、抗凍性能和抗?jié)B性能滿足設(shè)計(jì)要求。在近似膠凝材料用量時(shí)，尾礦骨料混凝土與天然骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度、極限拉伸值、彈性模量和抗凍等性能接近。尾礦骨料混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)溫系數(shù)和線膨脹系數(shù)更低，線膨脹系數(shù)與人工灰?guī)r骨料配制的混凝土接近。目前，金沙江金沙水電站部分采用攀鋼尾礦骨料，金沙江銀江水電站擬全壩使用尾礦骨料。尾礦骨料的應(yīng)用不僅能夠滿足工程的需求，同時(shí)具有良好的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保效益，對(duì)推動(dòng)其他固體廢棄物的綜合利用起到良好的示范作用。

2.4 其他功能材料

2.4.1 補(bǔ)償收縮材料

1982年在吉林白山重力拱壩首次發(fā)現(xiàn)高氧化鎂含量水泥具有延時(shí)膨脹作用，對(duì)溫降收縮具有補(bǔ)償作用，可有效減少混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)[30]。1993年，楊華全等[31]研究了摻氧化鎂的混凝土性能。混凝土抗壓強(qiáng)度隨氧化鎂摻量的增加而降低，當(dāng)摻量<4%，抗壓強(qiáng)度降低不明顯?；炷恋淖陨w積變形隨氧化鎂摻量的增加而增加，自生體積變形呈現(xiàn)為正值，但干縮和絕熱溫升等受影響較小[3-4]。輕燒氧化鎂的膨脹開(kāi)始時(shí)間在1～3 d，外摻6%輕燒氧化鎂的混凝土在1 200 d時(shí)，自生體積變形仍保持膨脹增長(zhǎng)的趨勢(shì)[32]。近年來(lái)，長(zhǎng)科院圍繞摻氧化鎂混凝土安定性、養(yǎng)護(hù)溫度、力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性、抗裂性能等開(kāi)展了大量的研究工作[33-35]。在此基礎(chǔ)上，長(zhǎng)科院積極推動(dòng)氧化鎂在水利水電工程上的應(yīng)用推廣工作。截止目前，國(guó)內(nèi)已有40多個(gè)水電工程采用外摻氧化鎂混凝土，如四川銅街子、貴州東風(fēng)、索風(fēng)營(yíng)等大型水電工程。長(zhǎng)科院作為主要起草單位主編了《水工混凝土摻用氧化鎂技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5296—2013)，為推動(dòng)氧化鎂在水工混凝土的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐起到積極作用。

2.4.2 纖維增韌材料

水工混凝土常用的纖維有鋼纖維、聚丙烯(PP)纖維、聚丙烯腈(PAN)纖維、玄武巖(BF)纖維、纖維素纖維和聚乙烯醇(PVA)纖維等。纖維材料的發(fā)展是由低彈低強(qiáng)到高彈高強(qiáng)、單一品種到多品種、性能逐步提高、工藝逐漸改善的過(guò)程。鋼纖維是在水工混凝土中發(fā)展最早應(yīng)用最廣的纖維品種，應(yīng)用于三峽、瀑布溝、天生橋一級(jí)等工程中并取得良好效果，但存在成本高、易結(jié)團(tuán)、易銹蝕等問(wèn)題，影響混凝土耐久性[36]。

長(zhǎng)科院開(kāi)展了摻PP的混凝土在三峽工程的應(yīng)用研究[37-38]，PP纖維可有效減少混凝土泌水，抑制早期塑性裂縫的產(chǎn)生，提高早齡期抗沖磨強(qiáng)度8%，提高長(zhǎng)齡期抗沖磨強(qiáng)度18%，提高早期抗折強(qiáng)度10%。PP纖維目前已成功應(yīng)用于三峽二期泄洪壩段、巴家咀水庫(kù)溢洪道、兩岔水庫(kù)防滲面板等工程，但PP纖維在熱、氧、紫外線等作用下易老化，與水泥基材料的粘結(jié)性能有待提高。

相比PP纖維，PAN纖維的強(qiáng)度、彈性模量、延伸耐堿性、與水泥基材料結(jié)合等性能更加優(yōu)良。研究表明，PAN對(duì)于抑制混凝土早期塑性裂縫和干縮裂縫是有效的，但是對(duì)于改善后期抗裂性能不明顯[39-40]。PAN纖維目前已應(yīng)用于世界最高水布埡面板壩的面板混凝土中，在30 000 m2的一期面板中僅發(fā)現(xiàn)少量裂縫。PVA纖維是抗拉強(qiáng)度最高、彈性模量最高的人工合成纖維之一，與水泥基材料具有良好的結(jié)合性，可提高早期及后期的混凝土抗裂性和變形能力，明顯改善混凝土彎曲韌性。摻0.9 kg/m3PVA纖維7、28、90 d極限拉伸值分別提高5%、6%、4%，平板抗裂等級(jí)從Ⅱ級(jí)提高到Ⅰ級(jí)[41]。長(zhǎng)科院采用溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)，研究了摻PVA纖維的開(kāi)裂敏感性，摻PVA纖維的混凝土開(kāi)裂溫度為-7.3 ℃，抗裂性能優(yōu)良[42]。

2.4.3 防滲抗裂劑

長(zhǎng)科院研發(fā)了大體積混凝土防裂抗?jié)B劑功能材料[43]，由激發(fā)劑、多種膨脹源和活性組分組裝而成的多元復(fù)合材料，內(nèi)含多種活性組分和激發(fā)劑，可等量替代水泥，顯著降低混凝土早期水化溫升，同時(shí)通過(guò)激發(fā)水泥-摻和料復(fù)合膠凝體系中混合材和摻和料的活性，提高混凝土后期強(qiáng)度，增加混凝土密實(shí)性，改善耐久性；引入緩釋技術(shù)，通過(guò)多膨脹源復(fù)合組裝技術(shù)，針對(duì)大體積混凝土常用水泥、摻和料在不同混凝土類別中的特性(結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、環(huán)境影響、施工要求等)和發(fā)展規(guī)律，提供相應(yīng)的活性激發(fā)歷程和補(bǔ)償收縮歷程，顯著提高混凝土的體積穩(wěn)定性，防止溫度裂縫。目前，該材料已成功應(yīng)用于湖北龍?zhí)蹲祀娬灸雺夯炷链髩沃?，并在西藏拉洛水利樞紐及配套灌區(qū)工程的廠房擋墻和壩面臺(tái)階的3個(gè)不同位置作為示范區(qū)域進(jìn)行示范應(yīng)用[44]，現(xiàn)場(chǎng)示范區(qū)域混凝土狀態(tài)良好，無(wú)裂縫發(fā)生。

3 大壩混凝土材料設(shè)計(jì)從強(qiáng)度主導(dǎo)向耐久性設(shè)計(jì)理念轉(zhuǎn)變

3.1 水工高性能混凝土的研究與應(yīng)用

3.1.1 大壩混凝土耐久性設(shè)計(jì)理念的提出

1996年11月，長(zhǎng)科院劉崇熙高級(jí)工程師在中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)第四屆全國(guó)混凝土耐久性學(xué)術(shù)交流會(huì)上，發(fā)表了“三峽大壩混凝土耐久性壽命500年設(shè)計(jì)構(gòu)想”的學(xué)術(shù)論文[45]，提出“按混凝土建筑物耐久壽命設(shè)計(jì)混凝土”的設(shè)計(jì)新思維，擬改變“按強(qiáng)度設(shè)計(jì)混凝土”的傳統(tǒng)觀念。時(shí)任中國(guó)民主同盟中央常務(wù)委員會(huì)、副主席錢偉長(zhǎng)教授附此文上書(shū)中央。黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人均給予批示，表示對(duì)三峽工程的高度關(guān)懷。由此，壩工混凝土設(shè)計(jì)從強(qiáng)度主導(dǎo)向耐久性設(shè)計(jì)理念轉(zhuǎn)變，混凝土強(qiáng)度不再是唯一指標(biāo)。

基于耐久性設(shè)計(jì)理念，三峽工程提出了水工混凝土“低熱、低縮、低彈”配合比設(shè)計(jì)原則[46-47]，制定了水工混凝土配合比設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提出了“降低水膠比，高摻優(yōu)質(zhì)粉煤灰，聯(lián)摻高效減水劑和引氣劑，嚴(yán)格控制總堿含量”的混凝土設(shè)計(jì)技術(shù)路線，突破了粉煤灰最大摻量的限制，不僅提高了三峽工程混凝土抗裂性能，解決了三期工程混凝土裂縫問(wèn)題，而且為其后眾多水利水電工程建設(shè)提供了良好的技術(shù)示范。

3.1.2 水工碾壓混凝土

長(zhǎng)科院于20世紀(jì)70年代末最早提出了“低熟料高摻混合材碾壓混凝土”的概念，經(jīng)過(guò)室內(nèi)研究和1984—1985年在葛洲壩大江1號(hào)船閘下導(dǎo)墻左側(cè)護(hù)坦的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[48]，證明其基本性能滿足水工設(shè)計(jì)要求，并具有后期強(qiáng)度增長(zhǎng)快及水化熱溫升低等優(yōu)勢(shì)。隨后，參加了國(guó)家“七五”和“八五”三峽大壩碾壓混凝土可行性研究科技攻關(guān)項(xiàng)目[49]，以及巖灘圍堰和大壩、隔河巖、萬(wàn)安等工程碾壓混凝土的試驗(yàn)研究，逐步形成“低水泥熟料含量、高粉煤灰摻量、富膠凝材料、低VC值”的技術(shù)路線和配合比設(shè)計(jì)原則，成為此后國(guó)內(nèi)碾壓混凝土材料的主流設(shè)計(jì)方法。2000年起為索風(fēng)營(yíng)、龍灘、彭水、銀盤(pán)、阿海、觀音巖、官地、沙沱等多個(gè)工程開(kāi)展了碾壓混凝土研究[50-52]，在碾壓混凝土配合比、凝結(jié)特性、層間結(jié)合特性、抗剪特性等方面均積累了豐富的成果。研制的低膠材用量且施工性能優(yōu)良的四級(jí)配碾壓混凝土，骨料最大粒徑120～150 mm，形成了骨料抗分離、碾壓工藝和層面結(jié)合良好的四級(jí)配碾壓混凝土成套施工工藝，并在沙沱水電站工程中成功應(yīng)用，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著，屬國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)[53-54]。

3.1.3 防滲墻塑性混凝土

塑性混凝土是具有一定強(qiáng)度、低彈性模量、高抗?jié)B性和較好耐久性，能適應(yīng)較大變形，具有較高抗裂能力的一種防滲墻體材料。在三峽二期圍堰、蘇洼龍等工程[55-56]中，長(zhǎng)科院提出了“中強(qiáng)、低彈、高耐久性”的塑性混凝土設(shè)計(jì)原則，研制出了能適應(yīng)百米級(jí)深厚覆蓋層變形且長(zhǎng)期防滲性能良好的塑性混凝土，對(duì)行業(yè)產(chǎn)生良好的示范效應(yīng)。三峽工程二期圍堰塑性混凝土防滲墻抗壓強(qiáng)度4～6 MPa、初始切線彈模800～1 500 MPa、模強(qiáng)比<200、破壞比降>80、滲透系數(shù)<10-8cm/s，具有良好的變形能力和抗?jié)B能力，較好地適應(yīng)了由堰體變形帶來(lái)的防滲墻體較大變形及較大的水平推力，提高了防滲墻的防滲效果[57-58]。1998年汛期，三峽壩址出現(xiàn)了8次洪水流量>50 000 m3/s的洪峰，最大洪水流量61 000 m3/s，流量>50 000 m3/s的時(shí)間為36 d，二期上下游圍堰經(jīng)受了洪水的考驗(yàn)，實(shí)測(cè)上游圍堰防滲墻向基坑方向的最大水平位移為567 mm，最大拉應(yīng)變?yōu)?×10-5，下游圍堰防滲墻實(shí)測(cè)最大變形271 mm，上下游圍堰實(shí)測(cè)滲水量分別為10 L/s和36 L/s，防滲墻防滲效果顯著[59]。因此，塑性混凝土作為防滲材料應(yīng)用于永久防滲工程中具有廣闊的前景，在長(zhǎng)江重要堤防隱蔽工程建設(shè)過(guò)程也得到了大規(guī)模應(yīng)用。

3.1.4 水工瀝青混凝土

長(zhǎng)科院關(guān)于瀝青混凝土的研究始于三峽茅坪溪工程，茅坪溪防護(hù)大壩最大壩高104 m，采用瀝青混凝土作為防滲心墻，心墻高94 m，寬度為0.5～1.2 m，碾壓式澆注施工，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)最高的瀝青混凝土心墻壩。針對(duì)茅坪溪瀝青混凝土防滲心墻開(kāi)展了配合比參數(shù)優(yōu)選試驗(yàn)及性能試驗(yàn)[60]，研究瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度與流值、密度、空隙率、滲透系數(shù)等物理性能指標(biāo)與配合比參數(shù)之間的關(guān)系，并對(duì)瀝青含量配合比稱量誤差、溫度變化對(duì)瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度與流值、密度、空隙率、滲透系數(shù)、單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及三軸試驗(yàn)參數(shù)的影響等進(jìn)行了研究，與現(xiàn)場(chǎng)鉆取的芯樣進(jìn)行對(duì)比，分析不同成型方法的壓實(shí)功，為茅坪溪瀝青混凝土心墻防護(hù)大壩的設(shè)計(jì)和施工提供了重要技術(shù)支撐。根據(jù)研究成果，與長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司共同起草、修訂了《水工瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5362—2018)，統(tǒng)一了水工瀝青混凝土的試驗(yàn)方法。近年來(lái)為西藏拉洛、新疆奴兒、大石門(mén)、庫(kù)車、巴基斯坦Karot、昆明轎子山水庫(kù)等工程開(kāi)展了大量瀝青混凝土的試驗(yàn)研究工作[61]。

3.1.5 其 他

長(zhǎng)科院是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展抗沖磨混凝土研究的單位之一，多年來(lái)，研制了不同強(qiáng)度等級(jí)、不同材質(zhì)和不同施工工藝的抗沖磨混凝土和抗沖磨修補(bǔ)材料，積累了豐富的泄水建筑物抗磨蝕設(shè)計(jì)以及抗磨蝕材料的研究和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，成果成功應(yīng)用于三峽、喀臘塑克、彭水、銀盤(pán)、構(gòu)皮灘、溪洛渡、向家壩、烏東德、阿海、觀音巖等工程。同時(shí)，為改善混凝土韌性、降低塑性收縮、滿足水工混凝土抗裂需求，制備了各類纖維增韌混凝土，成果應(yīng)用于三峽三期工程、水布埡面板堆石壩、白蓮河面板堆石壩、溪洛渡導(dǎo)流洞抗沖磨部位、錦屏噴射混凝土等，為解決水工混凝土裂縫問(wèn)題提供了重要的技術(shù)支持[38-39]。突破骨料最大粒徑限制，制定了提高漿體含量、降低水粉比、增加體積穩(wěn)定性的水工自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)原則，形成了最大骨料粒徑可達(dá) 40 mm的水工自密實(shí)混凝土制備技術(shù)?；谝陨涎芯砍晒?，編制了《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(DL/T 5330—2016)、《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5150—2006)、《水工碾壓混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5433—2009)、《水工噴射混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5721—2015)、《水工自密實(shí)混凝土技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5720—2015)等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 水工大體積混凝土抗裂技術(shù)研究

3.2.1 混凝土抗裂研究與成果

在水利水電工程建設(shè)中，大體積混凝土裂縫問(wèn)題是影響工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量和耐久性的關(guān)鍵因素之一，嚴(yán)重的還會(huì)影響工程安全，縮短工程壽命。20世紀(jì)50年代，長(zhǎng)科院就開(kāi)始對(duì)大壩混凝土裂縫進(jìn)行研究[62-64]。1978年“大體積混凝土溫度控制及防止裂縫”這一成果，獲湖北省科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng)勵(lì)。2005年，在國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“現(xiàn)代水工大體積混凝土裂縫機(jī)理與控制”的資助下，以工程為背景，圍繞裂縫影響因素，以預(yù)防裂縫產(chǎn)生、分析裂縫演變趨勢(shì)、研究裂縫控制對(duì)策為主線，對(duì)混凝土抗裂特性、裂縫機(jī)理、發(fā)展、失穩(wěn)及預(yù)警技術(shù)、開(kāi)裂評(píng)價(jià)體系和大體積混凝土裂縫控制措施進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。項(xiàng)目研究成果 “水工大體積混凝土裂縫機(jī)理與控制技術(shù)”獲2015年湖北省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。研究成果應(yīng)用于錦屏、官地、溪洛渡、彭水、銀盤(pán)等水利水電工程的混凝土配合比設(shè)計(jì)和溫控防裂，取得了良好效果。

3.2.2 抗裂性能測(cè)試方法和評(píng)價(jià)體系

在水工混凝土裂縫機(jī)理的長(zhǎng)期研究中，混凝土抗裂性能測(cè)試方法和評(píng)價(jià)體系也在不斷發(fā)展。基于混凝土溫度-應(yīng)力試驗(yàn)裝置(TST)[65]，開(kāi)發(fā)了絕熱、恒溫、不同溫差、不同約束度條件下混凝土內(nèi)部溫度梯度、溫度應(yīng)力分布、應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展歷程、開(kāi)裂溫度、開(kāi)裂應(yīng)力和開(kāi)裂時(shí)間等系列性能測(cè)試技術(shù)，提出了水工大體積混凝土抗裂性試驗(yàn)方法和測(cè)試技術(shù)，解決了約束度難以模擬、大溫差難以實(shí)現(xiàn)、早齡期應(yīng)力應(yīng)變難以定量等水工大體積混凝土抗裂性能測(cè)試技術(shù)難點(diǎn)?；跍囟葢?yīng)力提出了混凝土“開(kāi)裂溫度”與“累積應(yīng)力比”抗裂性評(píng)價(jià)指標(biāo)以及全級(jí)配混凝土“開(kāi)裂溫度當(dāng)量”的概念與評(píng)價(jià)方法[66]，從體積穩(wěn)定性角度提出了混凝土“抗裂能力指數(shù)”評(píng)價(jià)方法，形成了水工大體積混凝土抗裂性評(píng)價(jià)體系，并成功應(yīng)用于工程實(shí)踐。同時(shí)，開(kāi)發(fā)了全級(jí)配混凝土極限拉伸、徐變、干燥收縮、自生體積變形、線脹系數(shù)等與抗裂性密切相關(guān)的性能參數(shù)測(cè)試裝置和方法[67]，確定試件的成型方法、尺寸效應(yīng)、端部約束及變形測(cè)試方法等，采用頂部碟簧和底部電液伺服器相聯(lián)合的反力加載方式，實(shí)現(xiàn)了全級(jí)配混凝土徐變?cè)囼?yàn)精確加載。2004年至今，為構(gòu)皮灘拱壩、沙沱碾壓重力壩、彭水碾壓重力壩、錦屏一級(jí)水電站拱壩、布爾津山口拱壩、大崗山拱壩、銀盤(pán)碾壓重力壩、溪洛渡拱壩等工程開(kāi)展了系統(tǒng)的全級(jí)配混凝土性能試驗(yàn)研究，解決了常規(guī)試驗(yàn)濕篩后混凝土材料組成比例大幅變化造成全級(jí)配混凝土性能嚴(yán)重失真、抗裂性能相關(guān)參數(shù)難以確定的技術(shù)難題，發(fā)展了水工混凝土試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)與方法，并被納入《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5150—2006)等行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

4 展 望

奮進(jìn)新時(shí)代，開(kāi)啟新征程。國(guó)家“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要明確指出，要實(shí)施國(guó)家水網(wǎng)骨干工程，推進(jìn)重大引調(diào)水、防洪減災(zāi)等一批強(qiáng)基礎(chǔ)、增功能、利長(zhǎng)遠(yuǎn)的重大項(xiàng)目建設(shè)?！笆奈濉睍r(shí)期，我國(guó)水利仍將處于大規(guī)模建設(shè)時(shí)期。未來(lái)將面臨服役環(huán)境更加復(fù)雜、技術(shù)要求更加嚴(yán)苛、施工難度更為艱巨的水利水電工程，這些都對(duì)水工建筑材料提出了更高的要求。

未來(lái)我們將繼續(xù)對(duì)以下幾個(gè)方向進(jìn)行深入研究：①簡(jiǎn)化水工自密實(shí)混凝土施工措施，擴(kuò)大自密實(shí)混凝土應(yīng)用范圍，減少對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人工的依賴，節(jié)約人力成本；②將裝配式結(jié)構(gòu)理念引入水工行業(yè)；③小方量、大體積混凝土控溫技術(shù)；④低溫澆筑技術(shù)；⑤高活性天然火山灰材料以及生態(tài)環(huán)境材料的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用；⑥適用于不同沖磨介質(zhì)的抗沖磨技術(shù)；⑦表面防護(hù)技術(shù)，包括自清潔混凝土，清水混凝土，防腐蝕、防生物附著混凝土等?？傊?，將繼續(xù)聚焦重大水利工程、常規(guī)水電和風(fēng)光水儲(chǔ)等新能源開(kāi)發(fā)對(duì)新材料、新技術(shù)、新工藝的需求，助力碳達(dá)峰、碳中和國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)。