水工混凝土材料研究进展综述

水工混凝土材料研究进展综述

田欣,焦俊杰,张晨

陕西省水利电力勘测设计研究院  陕西省西安市   710000

摘要：以工程需求为导向，推进普通混凝土、碾压混凝土、面板混凝土、沥青混凝土、塑性混凝土、喷射混凝土、自密实混凝土、耐磨混凝土等的技术进步。大坝的建设将继续推进。将理论研究与工程实践相结合，形成不同类型水工混凝土的高性能配制和控制技术，完善水工大体积混凝土的裂缝机理和控制技术。连续为国内外多项大中型水利水电工程提供了先进的水工混凝土配合比设计，研发了高性能水工混凝土，凝聚了一大批获奖、专著、论文、专利、规章制度等创新成果，引领了水工混凝土行业的技术进步和发展。

关键词：水工混凝土；原材料；配合比设计；抗裂；耐久性；

一、水工高性能混凝土的研究与应用

1.大坝混凝土耐久性设计理念的提出。坝工混凝土设计从强度主导向耐久性设计理念转变，混凝土强度不再是唯一指标。基于耐久性设计理念，三峡工程提出了水工混凝土“低热、低缩、低弹”配合比设计原则，制定了水工混凝土配合比设计技术标准，提出了“降低水胶比，高掺优质粉煤灰，联掺高效减水剂和引气剂，严格控制总碱含量”的混凝土设计技术路线，突破了粉煤灰最大掺量的限制，不仅提高了三峡工程混凝土抗裂性能，解决了三期工程混凝土裂缝问题，而且为其后众多水利水电工程建设提供了良好的技术示范。

2.水工碾压混凝土。20世纪70年代末最早提出了“低熟料高掺混合材碾压混凝土”的概念，经过室内研究在葛洲坝大江1号船闸下导墙左侧护坦的现场试验，证明其基本性能满足水工设计要求，并具有后期强度增长快及水化热温升低等优势。随后，参加了国家“七五”和“八五”三峡大坝碾压混凝土可行性研究科技攻关项目，以及岩滩围堰和大坝、隔河岩、万安等工程碾压混凝土的试验研究，逐步形成“低水泥熟料含量、高粉煤灰掺量、富胶凝材料、低VC值”的技术路线和配合比设计原则，成为此后国内碾压混凝土材料的主流设计方法。多个工程开展了碾压混凝土研究，在碾压混凝土配合比、凝结特性、层间结合特性、抗剪特性等方面均积累了丰富的成果。研制的低胶材用量且施工性能优良的四级配碾压混凝土，骨料最大粒径120-150mm，形成了骨料抗分离、碾压工艺和层面结合良好的四级配碾压混凝土成套施工工艺，并在沙沱水电站工程中成功应用，技术经济效益显著，属国内外首创。

3.防渗墙塑性混凝土。塑性混凝土是具有一定强度、低弹性模量、高抗渗性和较好耐久性，能适应较大变形，具有较高抗裂能力的一种防渗墙体材料。在三峡二期围堰、苏洼龙等工程中，提出了“中强、低弹、高耐久性”的塑性混凝土设计原则，研制出了能适应百米级深厚覆盖层变形且长期防渗性能良好的塑性混凝土，对行业产生良好的示范效应。三峡工程二期围堰塑性混凝土防渗墙抗压强度.4-6mpa、初始切线弹模800-15006mpa、模强比＜200、破坏比降＞80、渗透系数＜10-8cm/s，具有良好的变形能力和抗渗能力，较好地适应了由堰体变形带来的防渗墙体较大变形及较大的水平推力，提高了防渗墙的防渗效果。三峡坝址出现了8次洪水流量＞50000m3/s的洪峰，最大洪水流量61000m3/s，流量＞50000m3/s的时间为36b，二期上下游围堰经受了洪水的考验，实测上游围堰防渗墙向基坑方向的最大水平位移为567mm，最大拉应变为4x10-5，下游围堰防渗墙实测最大变形271mm，上下游围堰实测渗水量分别为10L/s和36L/s，防渗墙防渗效果显著。因此，塑性混凝土作为防渗材料应用于永久防渗工程中具有广阔的前景，在长江重要堤防隐蔽工程建设过程也得到了大规模应用。

4.水工沥青混凝土。针对茅坪溪沥青混凝土防渗心墙开展了配合比参数优选试验及性能试验，研究沥青混合料的马歇尔稳定度与流值、密度、空隙率、渗透系数等物理性能指标与配合比参数之间的关系，并对沥青含量配合比称量误差、温度变化对沥青混合料的马歇尔稳定度与流值、密度、空隙率、渗透系数、单轴应力-变关系及三轴试验参数的影响等进行了研究，与现场钻取的芯样进行对比，分析不同成型方法的压实功，为茅坪溪沥青混凝土心墙防护大坝的设计和施工提供了重要技术支撑。统一了水工沥青混凝土的试验方法。近年来为西藏拉洛、新疆奴儿、大石门、库车、昆明轿子山水库等工程开展了大量沥青混凝土的试验研究工作。

5.其他。多年来，研制了不同强度等级、不同材质和不同施工工艺的抗冲磨混凝土和抗冲磨修补材料，积累了丰富的泄水建筑物抗磨蚀设计以及抗磨蚀材料的研究和应用经验，成果成功应用于三峡、喀腊塑克、彭水、银盘、构皮滩、溪洛渡、向家坝、乌东德、阿海、观音岩等工程。突破骨料最大粒径限制，制定了提高浆体含量、降低水粉比、增加体积稳定性的水工自密实混凝土设计原则，形成了最大骨料粒径可达400mm的水工自密实混凝土制备技术。

二、水工大体积混凝土抗裂技术研究

1.混凝土抗裂研究与成果。在水利水电工程建设中，大体积混凝土裂缝问题是影响工程结构质量和耐久性的关键因素之一，严重的还会影响工程安全，缩短工程寿命。开始对大坝混凝土裂缝进行研究。大体积混凝土温度控制及防止裂缝”这一成果，获湖北省科学大会奖励。围绕裂缝影响因素，以预防裂缝产生、分析裂缝演变趋势、研究裂缝控制对策为主线，对混凝土抗裂特性、裂缝机理、发展、失稳及预警技术、开裂评价体系和大体积混凝土裂缝控制措施进行了深入系统的研究。项目研究成果“水工大体积混凝土裂缝机理与控制技术”获2015年湖北省科技进步一等奖。研究成果应用于锦屏、官地、溪洛渡、彭水、银盘等水利水电工程的混凝土配合比设计和温控防裂，取得了良好效果。

2.抗裂性能测试方法和评价体系。在水工混凝土裂缝机理的长期研究中，混凝土抗裂性能测试方法和评价体系也在不断发展。基于混凝土温度-应力试验装置(TST)，开发了绝热、恒温、不同温差、不同约束度条件下混凝土内部温度梯度、温度应力分布、应力应变发展历程、开裂温度、开裂应力和开裂时间等系列性能测试技术，提出了水工大体积混凝土抗裂性试验方法和测试技术，解决了约束度难以模拟、大温差难以实现、早龄期应力应变难以定量等水工大体积混凝土抗裂性能测试技术难点。基于温度应力提出了混凝土“开裂温度”与“累积应力比”抗裂性评价指标以及全级配混凝土“开裂温度当量”的概念与评价方法，从体积稳定性角度提出了混凝土“抗裂能力指数”评价方法，形成了水工大体积混凝土抗裂性评价体系，并成功应用于工程实践。同时，开发了全级配混凝土极限拉伸、徐变、干燥收缩、自生体积变形、线胀系数等与抗裂性密切相关的性能参数测试装置和方法，确定试件的成型方法、尺寸效应、端部约束及变形测试方法等，采用顶部碟簧和底部电液伺服器相联合的反力加载方式，实现了全级配混凝土徐变试验精确加载。至今，为构皮滩拱坝、沙沱碾压重力坝、彭水碾压重力坝、锦屏一级水电站拱坝、布尔津山口拱坝、大岗山拱坝、银盘碾压重力坝、溪洛渡拱坝等工程开展了系统的全级配混凝土性能试验研究，解决了常规试验湿筛后混凝土材料组成比例大幅变化造成全级配混凝土性能严重失真、抗裂性能相关参数难以确定的技术难题，发展了水工混凝土试验测试技术与方法。

总之，未来将面临服役环境更加复杂、技术要求更加严苛、施工难度更为艰巨的水利水电工程，这些都对水工建筑材料提出了更高的要求。将继续聚焦重大水利工程、常规水电和风光水储等新能源开发对新材料、新技术、新工艺的需求，助力碳达峰、碳中和国家战略的实现。

参考文献：

［1］王英，浅谈水工混凝土材料研究进展.2020.

［2］杨文伟，水工混凝土研究与应用.2019.