高性能混凝土及制品在水利工程中的研究與應(yīng)用

　　山東省水利科學(xué)研究院主任研究員馬德富

1 前言

高性能混凝土是20世紀(jì)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(chǔ)上，以耐久性為主要設(shè)計(jì)指標(biāo)，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(yīng)?；炷聊途眯耘c國民經(jīng)濟(jì)、社會安定、環(huán)境保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展等密切相關(guān)，是混凝土材料科學(xué)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(fēng)雨歷嚴(yán)寒，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(qiáng)的公益性、基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性。水利行業(yè)所用混凝土具有不同特點(diǎn)，混凝土及制品用量相當(dāng)可觀，在其中推廣應(yīng)用高性能混凝土及制品具有良好的社會經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)規(guī)范

國外在研究思路上強(qiáng)調(diào)全方位綜合解決混凝土耐久性問題，在設(shè)計(jì)階段就必須精心考慮耐久性，明確強(qiáng)度與耐久性是兩個獨(dú)立的方面，并不能相互保障。在技術(shù)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?；瘜W(xué)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(yīng)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(yīng)用的進(jìn)展。內(nèi)容涉及混凝土耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范、堿—集料反應(yīng)和抗鋼筋銹蝕性能的預(yù)防、中等強(qiáng)度高性能混凝土、化學(xué)外加劑和高性能預(yù)制混凝土制品的快速發(fā)展等方面，在此基礎(chǔ)上結(jié)合我國未來10年水利大投入、大建設(shè)、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(yīng)用方向。

　國內(nèi)在研究思路上由傳統(tǒng)的按強(qiáng)度設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)榘茨途眯栽O(shè)計(jì)的觀念逐漸被接受。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?；瘜W(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，如我國三峽大壩、南水北調(diào)等重點(diǎn)工程。《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(shè)計(jì)使用年限確定混凝土強(qiáng)度等級、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的考慮強(qiáng)度和耐久性，符合可持續(xù)發(fā)展要求。

2.2 堿—集料反應(yīng)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(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)重時會導(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，更會嚴(yán)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(yīng)所導(dǎo)致的嚴(yán)重后果已逐漸被人們所認(rèn)識。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，采取下列具體措施來保證這兩方面的耐久性：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。越來越多的水利工程在開工前對骨料進(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，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(shè)計(jì)時，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(shè)計(jì)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(jī)。閘底板、閘墩及護(hù)坦均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

溢洪閘投入運(yùn)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(jìn)行了安全鑒定檢測，現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)護(hù)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(dá)0.2m。護(hù)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(xì)集料已經(jīng)嚴(yán)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(xì)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(yīng)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(hù)坦進(jìn)行了拆除重建，對閘墩、閘底板混凝土裂縫化學(xué)灌漿、增設(shè)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(yàn)論證，嚴(yán)格控制每立方米混凝土的含堿量，不用引起堿集料反應(yīng)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(yīng)的再次發(fā)生。

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