高性能混凝土及制品在水利工程中應用進展

馬德富，王錦龍，楊 萌

（山東省水利科學研究院，山東 濟南 250013）

高性能混凝土(HPC)是20世紀90年代初提出的一種新型高技術混凝土，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、低水膠比的混凝土。混凝土的耐久性是指混凝土結構在自然環境、使用環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、硫酸鹽侵蝕和堿—集料反應。

水利水電樞紐工程如大壩、水閘、渠道等均為混凝土表面無裝飾的裸露工程，運行環境與一般市政工程、工業及民用建筑相比，自然條件極為復雜（溫濕度變化、干濕交替、碳化、凍融循環、溶蝕與磨蝕、堿骨料反應、環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。尤其是隨著中央一號文件的頒布，水利建設投入的大幅度增加，在水利工程建設中推廣應用高性能混凝土與水泥制品更具有重要的現實意義。

1 高性能混凝土及制品研究新進展

1.1 混凝土耐久性的設計應用進展

在高性能混凝土研究中，混凝土的耐久性研究是工程界關注的重大科技問題。在20世紀80年代，國際上對混凝土耐久性的研究已進入較為成熟的階段。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。在工程設計階段就精心考慮耐久性，明確強度與耐久性是兩個獨立的方面，并不能相互保障。同時強調在混凝土配合比設計、生產、輸送、施工澆筑振搗乃至抹面養護等所有工序中，都必須采取措施確保其耐久性。在技術途徑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。且化學外加劑和礦物外加劑已成為耐久混凝土的必需組分。1987年日本土木工程協會混凝土結構委員會推出了一個關于混凝土耐久性的實用設計方法；1989年歐洲混凝土結構委員會發布了《耐久混凝土結構設計指南》。

國內在研究思路上已逐漸由傳統的按強度設計觀念轉變為按耐久性設計觀念，但耐久性問題在我國尚未得到很好解決，設計與施工、研究與應用存在脫節現象。目前，我國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，化學外加劑和礦物外加劑日益廣泛應用于配制耐久混凝土，代表項目如三峽大壩、京滬高鐵等重點工程。而《混凝土結構設計規范》（GB50010—2002）、《混凝土結構耐久性設計規范》（GB/T50476—2008）、《水工混凝土結構設計規范》（SL191—2008）都對混凝土結構耐久性提出了基本規定。根據工程所處環境作用等級、設計使用年限（50年、100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地考慮強度和耐久性，以符合社會可持續發展要求。

1.2 重視堿—集料反應和抗鋼筋銹蝕性能的控制

堿—集料反應指混凝土中的堿與集料中的活性組分之間發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生的化學反應。這種反應能使混凝土的局部體積發生膨脹，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境和鹽污染環境中，會嚴重影響混凝土結構的耐久性和安全性。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，采取具體措施來保證這兩方面的耐久性，如：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等。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生。同時，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境對混凝土的侵蝕。

1.3 化學外加劑的應用進展

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。在化學外加劑應用方面，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。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會的成立，對行業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發展的方向，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點，具有較好的技術經濟效益。

1.4 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50 MPa。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性等條件對性能有所側重，現階段HPC強度低限可向中等標號(30 MPa)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)的發展與耐久性為度。

南水北調山東段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揮至關重要。針對南水北調工程跨流域、跨省區的長距離輸水干渠，工程設計、建設過程中需要解決渠道混凝土板的抗滲、抗凍融、混凝土自生收縮、干燥收縮和冷縮以及大面積連續快速現澆施工導致的開裂等問題，山東省水利科學研究院、山東省調水工程技術研究中心等單位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）配合比優化及耐久性試驗研究，提出了大型渠道襯砌連續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，節約了工程投資，提高了工程使用壽命，直接和間接效益可觀，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。該技術通過工程應用及5年實體觀測表明，混凝土襯砌大板密實，在實際工程中應用效果良好。同時，粉煤灰等工業廢料的高附加值利用也將對保護環境和建材業的可持續發展具有促進作用。

1.5 高性能預制混凝土水泥制品快速發展

隨著近年來建筑技術和高性能混凝土的發展，我國的預制混凝土水泥制品發生了巨大變化。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）、排水管等水泥制品成為預制構件家族的主要成員。

預應力鋼筒混凝土管 （Prestressed Concrete Cylinder Pipe）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，兼有鋼管和預應力混凝土管優點和性能，成本比鋼管低，使用壽命比鋼管長1倍以上，設計使用壽命50年以上。美國給水協會耐腐蝕委員會的研究認為，可以用100年。PCCP具有合理的復合結構、承受內外壓較高、接頭密封性好、抗滲性高、抗震能力強、施工方便快捷、防腐性能好、維護方便等特性，已廣泛應用于長距離輸水干線、壓力倒虹吸、城市供水工程、工業有壓輸水管線、電廠循環水工程下水管道、壓力排污干管等。

我國生產、使用PCCP起步較晚，1988年以來，經過生產企業、科研設計單位、建設單位、設備制造單位和施工單位20多年的共同努力，生產PCCP的設備實現了國產化，我國累計生產、使用突破8 000 km。2005年，北京河山引水管業有限公司、山東電力管道工程公司等單位經過系統研究，成功生產了高耐久直徑4 000 mm的PCCP管，這是目前國內最大直徑的PCCP管材，已成功用于國家重點工程南水北調京石段應急供水工程（管徑DN4000 PCCP雙排鋪設管長110 km，工作壓力0.8 MPa）,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。

當今的混凝土預制構件都向著大型化、高強、表面無裂紋、加快模具周轉方向發展，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。

2 高性能混凝土的應用舉例

近年來，我國已有若干工程設計壽命為100年，工程中結合環境條件和特點，采取了有效措施。著名的工程有：三峽工程、杭州灣大橋、青島跨海大橋、京滬高速鐵路等。

舉世矚目的三峽大壩工程，應用了高性能混凝土，并在施工中有著嚴格的要求：主要包括使混凝土具有較高的耐久性、抗裂性、低熱性、體積穩定性、良好的工作性和經濟合理性。其配合比設計思想及采取的技術措施主要是通過采用優質緩凝高效減水劑、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2.5 kg/m3，天然骨料混凝土總堿量小于2.0 kg/m3）、縮小水膠比加大粉煤灰摻量等綜合措施和技術路線，成功地把花崗巖骨料四級配混凝土用水量由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。這些措施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，保證了三峽大壩工程混凝土的耐久性。

京滬高速鐵路客運專線，其特點是技術要求高，技術含量高，設計使用壽命高達100年，把混凝土的耐久性提到了一個全新的高度。京滬高鐵預應力混凝土箱梁采用了C50高性能混凝土 （彈性模量≥35.5GPa，坍落度 180～220 mm，含氣量 2%~4%，抗凍等級≥F200，抗滲等級≥W20，堿含量≤3.0 kg/m3,氯離子含量≤膠凝材料的0.06%），對高性能混凝土用水泥、礦物摻合料、粗細骨料、化學外加劑、拌制和養護用水等原材料質量指標提出了嚴格要求，采用了新一代聚羧酸系高性能化學外加劑，優化的混凝土配合比水膠比為0.30~0.33。在新建的高性能混凝土表面噴涂聚脲彈性體防護，從而保證了京滬高速鐵路混凝土的耐久性。

3 結語

目前，在高性能混凝土和水泥制品研究與應用中還有許多問題亟待解決。其中，耐久性研究的發展趨勢是進行混凝土耐久性定量化設計，如混凝土原材料的質量要求、混凝土配合比參數、施工質量的控制研究等。

3.1 加大高性能混凝土及制品在水利行業中的應用

隨著中央一號文件的頒布實施，水利建設的投入將大幅增加，防洪工程、水網建設、城鄉供水工程、農田水利等水利基礎設施建設需要大量的混凝土與水泥制品。因此，要提高認識，在工程設計階段就要精確考慮混凝土的強度和耐久性，在施工階段做到精細施工，確保工程質量，在水利行業中進一步廣泛推廣應用高性能混凝土與水泥制品。

3.2 搞好高性能混凝土配合比優化設計

高性能混凝土的配制需要優質穩定的新一代高性能化學外加劑和大摻量的合理比例的優質礦物摻合料來綜合實現，其各組分復合疊加效應表現明顯，優質穩定的原材料質量保證是實現高性能混凝土技術優點的首要前提。高性能混凝土的配制不同于一般的普通混凝土，需要大量的試配、不斷的優化得以實現。因此，在工程應用中要根據所用混凝土的特點，認真搞好其配合比設計。

3.3 加強高性能混凝土推廣應用的宣傳力度

從實際出發，策劃組織一系列的宣傳活動。如《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。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日在北京舉辦了 “大直徑PCCP管道應用技術研討會”，中國混凝土與水泥制品協會于2011年5月25日在青島舉辦了 “首屆全國預應力鋼筒混凝土管 （PCPC）行業發展高峰論壇”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的應用。

［1］ 陸佑楣.三峽大壩混凝土施工［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［2］ 馮乃謙.高性能混凝土［M］.北京：中國建筑工業出版社，1996.

［3］ 姚燕，王玲，田培.高性能混凝土［M］.北京：化學工業出版社，2006.