浅议高性能混凝土在水利工程中的应用

摘 要：高性能混凝土具有高抗渗性、高体积稳定性、适当的高抗压强度、良好的施工性在水利工程广泛应用。本文将对高性能混凝土在水利工程建设中材料的选择和施工工艺进行阐述。

关键词：高性能：混凝土：水利

中图分类号：TV431文献标识码：A 文章编号：

随着我国社会经济的快速发展，国家加大了对水利建设投资力度，特别是在2011年中央1号文件出台以后，大量的以保障民生、防洪减灾为主的水利项目不断开工建设，促进了基层水利事业的蓬勃发展。为了能够最大限度提高水利工程使用寿命，充分发挥基层水利设施效益，就必须提高水利工程建筑材料性能和创新施工工艺，最主要是提高混凝土耐久性、强度、稳定性等性能，这就形成了高性能混凝土。高性能混凝土是当前混凝土技术发展的导向，被誉为21世纪的混凝土，具有高抗渗性(高耐久性的关键性能)、高体积稳定性(低干缩、低徐变、低温度变形和高弹性模量)、适当的高抗压强度、良好的施工性(高流动性、高粘聚性、自密实性)，在新拌状态下具有良好的工作性，即高流动性而不离析，不泌水、温升低，硬化过程干缩小，以达到无初始裂缝，硬化后的渗透性低。庆阳市属亚热带季风气候，降水量小，水资源不足，地形沟壑交错，目前主要实施的项目为山区水库，中小河流治理、高边坡处理、复杂地形处理等技术难点较为常见，合理运用高性能混凝土来满足各种设计指标是解决这些问题的关键。

1 高性能混凝土出现的原因

水工建筑物不仅承受静水压力，还要承受各种动水压力、地震震荡力等多种不同的外部荷载，受力较为复杂；同时水工建筑物内部及其地基内还会产生渗流，进而产生对建筑物稳定不利的渗透压力，还有可能引起地基的渗透变形；高速水流通过泄水建筑物时产生的强烈冲蚀作用和冲刷作用，对构成水工建筑物主体结构的混凝土强度、抗冻性、抗渗性等指标提出了相当高的要求。当今有许多重要结构不仅要求其混凝土为高强度，工作性和耐久性好，在超载下有延性，还要热反应低，渗透率小，耐火、自重轻、耐磨损、收缩小、内部抗拉性能高、蠕变小、抗疲劳的持久性强和析水少等高性能，而普通混凝土不能满足这些要求，常出现混凝土建筑物破坏失效甚至崩塌，工程结构的开裂、塌方等事故，造成巨大损失。因此现代水利工程对混凝土的工作性要求愈来愈高，传统的单一高强化的主流思想受到批判，高性能混凝土逐渐成为合理的、科学的发展路线。

2 高性能混凝土配制技术

2.1 设计思路

高性能混凝土是把混凝土结构的耐久性作为一个重要的技术指标，根据混凝土在不同阶段对其性能要求也有所不同的特点，设计配制出能满足各阶段性能要求的特殊混凝土。设计高性能混凝土的目的，在于通过对混凝土材料诸多性能的改善，提高混凝土结构的耐久性和可靠性。

2.2 实现水工混凝土高性能的技术途径

高性能混凝土一般水灰比在35％以下，采用525#硅酸盐水泥或普通水泥，以矿物质超细粉取代部分水泥，掺入高效减水剂，使坍落度适合施工要求，混凝土的强度一般为70MPa左右。混凝土配置中必须优选优质原材料，如优质水泥与粉煤灰，超细矿渣与矿粉，与所选水泥具有良好适应性的优质高效减水剂，具有优异的力学性能且粒形级配良好的骨粒等；配合比设计方面，在满足设计要求的情况下，尽可能降低水泥用量并限制水泥浆体的体积，根据工程的具体情况掺用一种以上矿物掺合料，在满足流动度要求的前提下，通过优选高效减水剂的品种与剂量，尽可能降低混凝土的水胶比，一般在0.4以下；正确选择施工方法，合理设计施工工艺并强化质量控制意识与措施，是高性能混凝土由试验室配合比转变为满足实际工程结构需求的重要保证。

2.3 高性能混凝土的原材料

2.3.1 水泥。不是所有的水泥都可以用来配制高性能混凝土，高性能混凝土使用的水泥必须是：①标准稠度用水量要低，从而使混凝土在低W/C时也能获得大流动性；②水化放热量和放热速度要低，以避免因混凝土的内外温差大而造成混凝土产生裂纹；③水泥的强度要高，以保证使用较少的水泥用量获得高强混凝土。中热硅酸盐水泥，球状水泥、调粒水泥等均可用来配制高性能混凝土。

2.3.2 矿物质掺合料。在完全水化的水泥石中，Ca(OH)2约占25％，具有可溶性，在硬化混凝土中分布极不均匀，呈多孔质结构，强度很低，从而影响砂浆与粗骨料之间的粘结强度。为了改善其界面结构，在混凝土中掺入超细矿物质掺合料，与其进行二次反应生成难溶的水化硅酸钙凝胶沉积在界面的孔隙内，降低Ca(OH)2的富集及定向排列，因而可以提高界面强度，还提高混凝土的抗渗性。常用的矿物质掺合料主要有：①硅粉；②磨细矿渣；③优质粉煤灰；①超细沸石粉等．它们的主要活性成分都是活性SiO2，其主要反应过程为：xCa(0H) 2+SiO2+mH2O=xCaO.SiO2・nH20

2.3.3 粗细骨料

细骨料宜选用石英含量高、颗粒浑圆洁净、具有平滑筛分曲线的中粗砂，细度模数在2.6―3.2之间。粗骨料的形状和表面特征对混凝土强度影响很大，较大表面积的角状骨料也意味着将会得到较大的粘结强度，但是针片状骨料将会影响混凝土的流动性和强度，因此其含量不宜大于5％。一般而言强度中等的或适当低的骨料反而有利。

高性能混凝土的粗骨料最大粒径的大小对混凝土强度影响较大，加大骨料尺寸会使混凝土强度下降，且强度等级愈高愈明显，主要原因是骨料尺寸愈大，粘结面积愈小，造成混凝土的不连续性的不利影响愈大，特别是水泥用量多的高性能混凝土更为明显。因此，高性能混凝土的粗骨料宜选用最大粒径大于15mm的碎石，还可以降低高强混凝土的脆性。

2.3.4 高性能减水剂。为了获得高强度、高性能混凝土就必须采用高性能减水剂（AE减水剂），其特点是既具有高的减水率(20―30％)，又有控制塌落度损失的性能，从而使混凝土能按指定性能进行设计和控制。目前，我国生产的普通高效减水剂都不同时具备高性能AE减水剂的性能，因此，通常将普通高效减水剂与缓凝剂复合起来使用，如将萘磺酸盐甲醛缩合物与多羟羧酸盐复合以后基本上就可具备高性能AE减水剂的性能。

2.4 高性能混凝土参数选择和范围

参数选择和范围与高性能混凝土强度等级和工作度要求有关，目前常用的60～100MPa，中等及高流动度的高性能混凝土的参数选择与范围建议如下：①胶凝材料浆体体积Vs。国内设计配合比较少使用这一参数，Va主要与混凝土的体积稳定性(收缩与徐变等)密切相关，Mehta具体提出Vc值不应超过35％，根据工作经验，配制骨料最大粒径不超过40mm的C60～C100高性能混凝土，Va值宜取28％～32％；②水泥用量C。实际工程中水泥用量超过500kg/m3的实例较少，较多介于330～450kg/m3之间；③高效减水剂。高效减水剂用量通常介于0.5％～2.0％(以含固量占胶凝材料总重量计)，掺有硅粉的混凝土需要较高剂量的高效减水剂；④掺合料。粉煤灰(1、Ⅱ级)用量为15％～30％，磨细矿渣为20％～30％，硅粉为5％～15％，F矿粉或石粉为5％～10％，UEA为8％～12％，当强度等级要求降低时，粉煤灰与矿渣的掺量可进一步加大；⑤水胶比。多数高性能混凝土掺有一种以上的掺合料，其强度与水胶比之间基本成线性关系，C60～C100混凝土的水胶比较多介于0.25～0.35之间，一般不超过0.4；⑥最大用水量Ⅳ。据资料数据，C60―C100高性能混凝土的最大用水量根据流动度的要求不同而异，对于塑性混凝土(坍落度70―120mm)，W介于90～130kg/m3之间，对于流动性混凝土(坍落度160―220mm)；⑦砂率。砂率对新鲜混凝土的流变性及硬化混凝土的强度均有明显影响，优化砂率是取得好的技术效果的廉价手段，影响砂率的因素除了其自身的细度模数与级配外，还与胶凝材料用量、粗骨料粒径以及施工工艺有关，对于碎石和卵石混凝土，其选择范围通常分为0.34～0.42、0.26～0.36。

3 高性能混凝土施工

在施工方案中事先确定施工缝预留位置，不能随意变更，施工缝的接槎处理一般情况下应在混凝土强度达到1.2MPa以上时，在已硬化的混凝土表面清除水泥浮浆和松动石子，将施工缝处混凝土表面凿毛，并用水冲洗干净，不得积水，再用高标号水泥砂浆浇抹表面后用混凝土细致捣实，使新旧混凝土结合密实。

3.1 振捣方式的质量控制。施工方要根据设计图纸及其施工规范等做好施工方案，并且及时向所有操作人员做好技术交底，预防因振捣方式不对而造成混凝土分层、离析、表面浮浆、麻面等质量问题，进而尽可能降低混凝土成型硬化后出现裂缝的概率，保证混凝土的耐久性。

3.2 二次振捣或多次搓压表面。高强、高性能混凝土在拌制过程中，掺加多种外加剂及掺和料，一般情况下缓凝4h左右，这段时间已浇混凝土表面因环境及水泥水化作用失水较多，容易产生收缩裂缝，经初凝前二次振捣或多次搓压表面，能有效防止表层裂纹，且通过留置的混凝土试块进行强度试验，强度提高5％左右。

3.3 保障混凝土浇筑质量。对在施工过程中不能保证混凝土振捣密实或对水工建筑带来不利影响的级配错误的混凝土料、长时间凝固或超过规定时间的混凝土料、下到高等级混凝土浇筑部位的低等级混凝土料应挖出混凝土重新浇筑。在浇筑埋石混凝土的时候应该严格控制施工单位的埋石量、埋石大小并保证埋石洁净以及埋石与模板的距离，杜绝施工单位为了单纯提高埋石率而放弃质量。在施工中努力确保埋石垂直和水平距离，以不影响振捣为原则，提高埋石混凝土质量。

3.4 浇筑完的混凝土必须遮盖以保温或者防雨。高性能混凝土的特点是低水胶比、高矿物掺和料、复掺外加剂，这与普通混凝土是不同的，这使得高性能混凝土在施工的质量控制、养护措施都与普通混凝土不同，低水胶比决定于混凝土的粘性变大，在混凝土的运输、浇注、振捣工艺上必须严格控制，严禁施工人员为方便施工而掺水。高矿物掺和料要求混凝土的养护必须到位，普通混凝土早期强度高水化快，对养护不是很敏感，但高性能混凝土则不同，高性能混凝土用水量低，易发生自身收缩而产生裂缝，所以浇筑捣实后，盖上湿布或草帘进行早期养护，保证水化反应的正常进行是保证高性能混凝土高性能的重要工艺措施。在混凝土浇筑完毕后12小时以内，通过湿润养护，使混凝土在良好的条件下进行水化反应。

4 结语

混凝土作为水利工程建设中用量最大的建筑材料，对民生水利建设、防水害、兴水利、促进基层社会经济发展发挥重要作用，但其使用寿命较短，拆除后形成建筑垃圾对环境破坏严重。而高性能混凝土在水利建设项目中的运用，可以提高建筑寿命和使用率，降低工程造价，减少资源和能源的损耗，是名符其实的绿色混凝土，代表着未来混凝土的方向。

参考文献：

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作者简介：

杨广东、1985年6月生，现年29岁，庆阳市水务局科员/助理工程师，主要从事水利工程建设管理和安全管理工作，西北农林科技大学水利与建筑工程学院在职研究生。