水工混凝土结构的材料研究创新成果综述

第卷第期年月中国水利水电科学研究院学报收稿日期文章编号水工混凝土结构的材料研究创新成果综述黄国兴鲁一晖中国水利水电科学研究院结构材料研究所北京摘要全面概述结构材料研究所年来在水工混凝土结构的材料研究方面的创新成果主要包括水工混凝土掺合料与外加剂碾压混凝土面板混凝土水工混凝土耐久性与抗裂性特种混凝土全级配混凝土混凝土三轴强度与徐变高分子材料等研究与应用水工混凝土建筑物缺陷检测评估与修补加固以及材料试验仪器设备材料试验方法与现场检测方法新材料产品规程规范与出版著作等方面的创新成果其中获全国科学大会奖项获国家科技进步奖项获省部科技进步奖项主编规程规范部参编部以上成果为我国水利水电建设做出了巨大贡献关键词水工混凝土水工材料高分子材料中图分类号文献标识码从年至今的年中国水利水电科学研究院结构材料研究所在水工混凝土结构的水工材料方面的研究及应用取得了很大成绩水工材料研究主要包括水工混凝土掺合料与外加剂碾压混凝土面板混凝土水工混凝土耐久性与抗裂性特种混凝土全级配混凝土混凝土三轴强度与徐变高分子材料等研究与应用水工混凝土建筑物缺陷检测评估与修补加固以及研制材料试验仪器设备制订混凝土试验方法与现场检测方法研发新材料产品制订与修订规程规范编写出版著作等水工混凝土掺合料与外加剂水工混凝土掺合料水工混凝土掺合料主要包括粉煤灰硅粉磨细矿渣粉石灰石粉磷渣粉凝灰岩粉等结构材料研究所主要对前种掺合料进行了试验研究与应用工作粉煤灰我所主要进行粉煤灰推广应用与粉煤灰混凝土性能试验研究工作在推广应用过程中遇到了粗灰贫钙和抗冻耐久性个问题在世纪年代初首先采取磨细与超量取代两条措施解决了粗灰利用问题粉煤灰超量取代技术的研究与应用成果获年度国家科技进步三等奖对所谓贫钙问题我所对三门峡和欧阳海两座大坝进行了混凝土钻芯取样通过检测发现三门峡大坝年后与欧阳海大坝年后的混凝土抗压强度都在继续增长不存在由于高掺粉煤灰而强度倒缩的所谓贫钙问题对粉煤灰混凝土抗冻耐久性问题我所在世纪年代结合岩滩和普定两座碾压混凝土坝工程进行了高掺粉煤灰混凝土抗冻耐久性研究试验结果表明掺引气剂可使高掺粉煤灰的碾压混凝土抗冻等极达到解决了粉煤灰混凝土的抗冻耐久性问题另外我所还主编了国家标准粉煤灰混凝土应用技术规范该项成果获水利部年度科技进步二等奖硅粉我所主要开展了高强硅粉抗冲磨混凝土与硅粉水泥灌浆材料的研究与应用工作试验结果表明与不掺硅粉的相比掺硅粉能提高混凝土抗冲磨性特别是能提高抗空蚀能力倍掺硅粉水泥浆材能提高强度与可灌性磨细矿渣粉在世纪年开始采用磨细矿渣粉作为混凝土的掺合料我所主要进行了掺磨细矿渣粉提高混凝土抗硫酸盐能力掺磨细矿渣配制水泥灌浆材料以提高浆材强度以及磨细矿渣石灰石粉作为碾压混凝土双掺料等试验研究如景洪水电站大坝碾压混凝土采用以上双掺合料方案取得了显著的技术经济效益石灰石粉近年以来我所在石粉综合利用方面不断开拓与创新从石灰石粉代砂与石灰石粉部分代粉煤灰到石灰石粉作碾压混凝土掺合料做了大量试验研究与应用工作试验结果表明石灰石粉与磨细矿渣双掺合料方案中的石灰石粉可调节掺合料的活性和颗粒粒径分布降低碾压混凝土绝热温升改善碾压混凝土和易性与可碾性石灰石粉磨细矿渣双掺合料方案已在景洪糯札渡金安桥戈兰滩居甫渡及橄榄坝等水电站大坝混凝土工程得到应用水工混凝土外加剂减水剂世纪年代开始混凝土普通减水剂糖蜜减水剂的研制并用于河北省大黑汀水库大坝混凝土效果良好该项目获年全国科学大会奖世纪年代末至年代初进行了第二代混凝土减水剂萘系高效减水剂的研发工作型混凝土高效减水剂的研制与应用成果获年国家科技进步三等奖世纪年代研制成功系列混凝土外加剂包括高效减水剂缓凝剂和早强型减水剂引气减水剂等品种世纪初又开展了第三代混凝土减水剂聚羧酸类高性能减水剂的研发工作并于年采用国内原材料合成研制成功减水率达引气剂世纪年代初研制成功引气剂并在丰满故县向阳闸白山等工程进行现场试验昀后推广应用到十几个水利水电工程世纪年代又研发了引气剂水下不分散剂抗分散剂世纪年代初开展水下不分散混凝土试验研究首先要解决水不分散剂问题为此研制了聚丙烯酰胺类抗分散剂代号为掺后使混凝土在水中水泥流失量不大于水气强度比大于后来又生产了型抗分散剂减缩剂研制成功型减缩剂其主要成分是一种聚醇醚类有机物易溶于水试验结果表明掺型减缩剂水泥砂浆干缩比不掺的减小左右碾压混凝土碾压混凝土配合比设计世纪年代初开始开展碾压混凝土试验研究在吸收国外经验基础上没有照搬日本岛地川坝和美国柳溪坝贫胶材碾压混凝土的经验而是根据我国粉煤灰较多的国情提出高掺量粉煤灰低水泥用量配制碾压混凝土的新思路在福建沙溪口水电站开关站浇筑了万高掺量粉煤灰碾压混凝土水泥用量?并获得成功自此确定了我国碾压混凝土配合比设计的方向该成果获年度水电部科技进步三等奖人工砂中石粉的利用世纪年代当时施工规范规定人工砂石粉含量不大于因此生产人工砂排出大量石粉占用场地污染环境我所进行了碾压混凝土利用石灰石粉的研究试验结果表明人工砂石粉昀优含量为而不是并在岩滩高掺量粉煤灰碾压混凝土中得到应用改善了碾压混凝土和易性与可碾性效果令人满意这一成功经验很快被各大工程采纳并促成水工碾压混凝土施工规范修订即人工砂石粉含量由原来提高到碾压混凝土层面结合问题从世纪年代开始一直延续至今我所对碾压混凝土层面结合问题进行了大量试验研究提出了提高了碾压混凝土层面结合质量的技术措施如铺砂浆减小值等碾压混凝土坝防渗技术碾压混凝土坝浇筑层面多若层面结合不好很易发生渗漏我所从世纪年代开始就进行碾压混凝土坝防渗技术研究提出了上游面左右范围用常态混凝土富浆二级配碾压混凝土与变态混凝土在碾压混凝土中灌水泥浆再用插入式振捣器振实的混凝土防渗以及采用复合土工膜防渗等技术措施并在实际工程中得到了应用其中采用复合土工膜作为温水工混凝土结构的材料研究创新成果综述黄国兴鲁一晖泉堡水库碾压混凝土拱坝防渗体填补了国内空白变态混凝土的变态机理及变态浆材通过室内仿真试验确定了变态混凝土的加浆率和加浆方法并研究阐述了碾压混凝土的变态过程和机理还提出变态掺浆材料流动度测定方法掺浆材料配合比计算方法和变态混凝土仿真试验方法等填补了该领域空白变态混凝土技术已被多个国家碾压混凝土坝施工所采用如越南缅甸西班牙巴基斯坦与伊朗等国家碾压混凝土拱坝接缝重复灌浆技术承担国家九五攻关项目碾压混凝土拱坝接缝重复灌浆技术研究子题研制出用于重复灌浆的出浆盒橡胶套阀与可灌性好而强度高的灌浆材料并提出了单回路重复灌浆系统该成果成功用于沙牌蔺河口毛坝关招徕河玄妙观鱼简河峡口长潭等个碾压混凝土拱坝工程该成果填补了国内空白包括该子题的课题沙牌碾压混凝土拱坝筑坝配套技术研究成果获年度中国电力科技进步一等奖年获国家科技进步二等奖面板堆石坝面板混凝土面板混凝土配合比设计我所承担了我国第一座面板堆石坝西北口面板堆石坝的面板混凝土配合比设计试验项目国家七五科技攻关项目面板混凝土施工采用溜槽将混凝土输送到浇筑仓面保证在长达多米的斜坡溜槽上溜到仓面的混凝土不离析这是面板混凝土配合比设计的关键通过试验研究与现场试验研制出适合于溜槽输送的面板混凝土配合比面板混凝土抗裂性通过对影响面板混凝土抗裂性的主要因素的分析与试验研究提出了提高面板混凝土抗裂性的技术措施如掺优质掺合料高性能减水剂与引气剂合成纤维或钢纤维以及涂表面养护剂与粘贴土工膜等以上研究成果年获水利部科技进步二等奖年获国电公司电力科技进步三等奖面板混凝土抗溶蚀耐久性面板堆石坝混凝土面板的特点是面积大厚度较薄又长期受压力水作用因此面板混凝土抗溶蚀耐久性显得尤为重要我所结合级混凝土面板堆石坝进行了面板混凝土抗溶蚀耐久性的研究分析了混凝土溶蚀机理与影响因素提出了级高面板坝面板混凝土允许渗透系数的计算方法与指标以及提高面板混凝土抗溶蚀耐久性技术措施等混凝土面板结构受力分析与配筋对混凝土面板结构受力分析得出混凝土面板受到各种力的作用其中有温度湿度变化及基础坝体变形引起的面板收缩应力由外荷载作用引起的面板弯曲应力由面板混凝土的物理化学作用引起的膨胀应力根据计算分析得出面板裂缝主要是由温度与湿度变化引起的结论面板接缝止水材料与止水结构世纪年代我所在国内首先开展塑料止水带的研究随后又研究出橡塑止水带六五期间又进行了非硫化丁基橡胶嵌缝止水材料的研究后来又研制了类非硫化再生丁基橡胶止水材料复合盖板分别复合橡胶板止水带铜止水片等波形止水带适应大变形加筋止水盖板遇水膨胀型嵌缝止水材料聚硫橡胶以及止水材料配套粘结剂等在面板接缝止水结构方面创造了新型止水结构与自愈型止水结构并对常规铜止水结构进行了结构分析初步建立了铜止水结构的设计方法使铜止水设计由单纯经验型发展到半理论半经验型该设计方法已纳入水工建筑物止水带技术规范?水工混凝土耐久性水工混凝土耐久性主要包括混凝土抗冻性抗冲磨空蚀性抗化学侵蚀性碱骨料反应等混凝土抗冻性我所于世纪年代初成立混凝土耐久性专题组通过调查提出全国水工混凝土建筑物耐久性和老化病害处理调查报告通过在冻融过程中混凝土宏观特性与微观结构的测试研究了混凝土冻融破坏机理提出抗冻混凝土必须掺用引气剂气泡间距系数一般不宜超过通过试验得出高强混凝土具有超常抗冻性其抗冻等级大于高强混凝土冻融破坏机理是冻水工混凝土结构的材料研究创新成果综述黄国兴鲁一晖融过程中正负温度交替变化而产生疲劳应力所致初步提出适合我国国情以混凝土结构安全使用寿命为目标的混凝土抗冻性定量化设计方法及相关技术条件混凝土抗冲磨与抗空蚀性世纪年代初我所开始进行混凝土抗冲磨与抗空蚀性试验研究首先研制了混凝土冲磨仪圆环法与混凝土空蚀试验设备并制订混凝土抗冲磨与抗空蚀试验方法还对环氧砂浆呋喃树脂砂浆铸石板铸铁板等材料在石棉水电站冲砂闸进行了抗冲磨现场试验世纪年代研制了铁矿石骨料抗冲磨混凝土与普通骨料混凝土相比铁矿石骨料抗冲磨混凝土的抗冲磨强度提高倍左右与老混凝土粘结强度提高研制了硅粉高强混凝土与不掺硅粉的混凝土相比其抗冲磨强度提高倍左右而抗空蚀性可提高倍研制出改性环氧和聚氨酯环氧两大系列柔性抗冲磨涂层材料以及柔性全封闭抗冲磨喷涂技术并于东风右中孔喷涂抗冲磨材料工程中得到成功应用开展了多元胶凝材料抗冲磨混凝土试验研究并已成功应用于李家峡拱坝右中孔泄水道底板冲磨破坏修补工程研究开发出了海岛结构环氧合金抗冲磨材料该材料的断裂韧性抗冲磨性等均比环氧材料有明显的提高另外还从美国引进聚脲抗冲磨防护材料该材料具有优异的抗冲磨性与抗老化性能与老混凝土粘结强度高低温性能好等特性同时还引进美国公司喷涂聚脲材料的喷涂设备并已在工程中得到成功应用混凝土化学侵蚀性压力水作用下混凝土渗漏溶蚀是混凝土中水化产物随渗漏而不断流失引起其他水化产物不断分散并逐步失去胶凝性的一种侵蚀现象当溶出以计达时混凝土抗压强度下降左右抗拉强度下降左右高浓度及应力作用下混凝土硫酸盐侵蚀试验结果表明在浓度高达?情况下无论混凝土处于浸泡条件或干湿循环条件应力作用均会加速混凝土硫酸盐侵蚀破坏应力等级越高其腐蚀速度越快碱骨料反应我所于年开始进行混凝土碱骨料反应及抑制碱骨料反应措施的试验研究提出了掺粉煤灰抑制碱骨料反应其掺量不宜小于的结论另外我所承担了水工混凝土试验规程碱骨料反应试验方法的编制以及南水北调中线干线工程标准预防混凝土工程碱骨料反应技术条例等编写混凝土抗裂性采取三掺措施提高大坝混凝土抗裂性年我所在刘家峡大坝工地进行了科研与生产相结合的开创性研究优化大坝混凝土配合比用水量?胶材用量?黄河刘家峡大坝混凝土试验研究获年全国科学大会奖采取掺高效减水剂优质粉煤灰优质引气剂条措施可使四级配人工骨料大坝混凝土单位用水量降为?左右从而减少水泥用量降低水泥水化热温升引气能提高混凝土韧性降低弹强比提高强度拉压比有利于混凝土抗裂性我所进行国家八五科技攻关项目大体积混凝土材料特性及配合比优化设计研究时就提出以上条措施进行二滩拱坝混凝土配合比优化设计试验达到了高强抗压强度中热绝热温升左右低弹弹模左右的技术要求配比优化后混凝土抗裂系数比原设计提高左右年我所承担长江三峡二期工程混凝土配合比优化设计试验研究项目也采取三掺措施使三峡二期工程混凝土抗裂性得到提高取得显著的技术经济效益后来小湾拱坝混凝土配合比优化同样采取三掺