福建省水工材料學科發展研究報告

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福建省水工材料學科發展研究報告

福建省水利學會

該文介紹了我國水工材料學科發展現狀，總結和回顧了福建省水工材料學科的研究進展、實踐和主要成就，提出了福建省水工材料學科全面發展與創新的目標及突出綠色環保、生態、耐久等發展方向，分析學科發展存在的問題并提出建議。

水工材料 摻和料 生態混凝土 學科報告

1 概述

水工材料學科是水工工程和建筑材料相互交叉的學科，水工材料學科的研究對象主要是水工混凝土材料、高分子聚合物材料、金屬材料以及水生態保護和修復用新材料等。

福建省水電資源豐富，建國以來，福建省進行了大規模的水利水電基礎設施建設，截至2011年末，福建省全省水庫共有3692座；共有水電站6678座；規模以上的水閘有2381座；已建堤防長度3552.78公里；全省有防洪任務的河段長度為7246.98公里[1]。我省傳統的壩工技術主要有土石壩、混凝土重力壩以及具有地方特色的砌石拱壩或砌石重力壩。近年來，伴隨著新材料、新工藝發展，碾壓混凝土壩、鋼筋混凝土面板堆石壩、膠凝砂礫石壩等壩工新技術在福建得到廣泛的應用和發展。

水工材料作為水工結構物的基本單元，已成為推動水工建設工藝發展及變革的關鍵性因素。

2 我國水利工程材料學科發展現狀

20世紀90年代以來，我國大壩建設在世界各國中不僅數量上居首位，而在大壩高度也明顯增長。我國已建成運行的水布埡面板堆石壩（壩高233m）是世界最高的混凝土面板堆石壩；龍灘碾壓混凝土重力壩（壩高216.5m）是世界最高的碾壓混凝土重力壩；沙牌碾壓混凝土拱壩（壩高132m）是世界上最高的碾壓混凝土拱壩； 2012年建成的錦屏一級雙曲拱壩（壩高305m）代替小灣雙曲拱壩（壩高292m）成為世界在建最高的雙曲拱壩，標志著中國在筑壩關鍵技術方面已取得突破性進展。總體上，我國的筑壩技術在國際上處于領先水平或先進水平，遠距離跨流域調水成為21世紀水利建設的一大特點，這些成就的取得離不開筑壩材料的技術進步。

2.1 水工混凝土材料新特點

水工混凝土是水利工程中尤其是大型水利工程中最主要的建筑材料。中國近30年來建成的大中型閘壩數百座，其中混凝土用量多達1000立方萬米以上。

主要的新材料應用成果有：

2.1.1摻和料趨向多樣化

水工混凝土摻入一定量的活性摻和料，不僅可以降低水化熱溫升，而且還可改善水工混凝土的抗侵蝕性，達到變廢為寶、節約資源的目的。國外大體積混凝土摻加的摻和料種類很多，有浮石、灰質頁巖、天然火山灰、凝灰巖等。雖然我國20世紀60年代也開始進行粉煤灰在水工混凝土的應用研究，并在三門峽壩、劉家峽壩采用，但是大規模應用還是80年代，同時隨著碾壓混凝土在我國同步推廣，高摻量粉煤灰在碾壓混凝土壩中的應用（大部分高達50%以上，最高的廣西龍灘達76.8%），目前粉煤灰仍是水工混凝土的主要摻和料。

西南地區部分工程研究開發礦渣粉、鋼渣粉、磷渣粉、石灰巖粉、凝灰巖粉、火山灰等水工混凝土摻和料，成功應用于景洪、大朝山、貴州索風營、云南弄令等碾壓混凝土壩工程，錳硅渣在水工混凝土中的應用也進行了部分試驗研究，這些都為我國缺少粉煤灰資源的西南地區修建碾壓混凝土壩提供了一種新的途徑，促進了以粉煤灰為主的摻合料料源多樣化。經試驗表明，這些新開發的摻和料與粉煤灰具有相似的填充效應、二次水化效應和改善和易性效應，只是程度上有所差異。

2.1.2抗裂性能不斷提高

隨著第三代高效減水劑——聚羧酸系高效減水劑在水工混凝土中應用，用于抑制高強抗沖耐磨混凝土收縮開裂的減縮劑應用（公伯峽），R18035~R18040級中彈低熱水工高強混凝土在高拱壩中的應用（二灘、小灣、錦屏一級），聚丙烯纖維在面板壩面板混凝土中的廣泛應用，使得混凝土的抗裂性能均在不同程度上得到提高。武漢化工學院研制WHDF增強密實（抗裂）劑，是一種應用于堆石壩面板混凝土抗裂的高性能外加劑，已經應用于湖北小溪口電站面板壩、重慶魚跳電站面板等工程。一些工程使用了膨脹材料，也都取得一定的效果，如烏魯瓦提、珊溪、梅溪等工程則在面板混凝土中使用TMS、VF-II防裂劑、UEA等膨脹材料。MgO微膨脹混凝土筑壩技術近年來也受到了廣泛關注，其中外摻MgO微膨脹混凝土（索風營、東風、長沙、壩美等），高含MgO中熱硅酸鹽水泥（構皮灘、小灣、溪洛渡、錦屏等）。但是所摻MgO是否為輕燒、摻后總量不得超過5%、必須摻和均勻等條件在一定程度上制約了摻MgO技術的發展。

2.2 高分子和有機無機復合的修補材料

修補材料是水工新材料的一個重要分支。20世紀80年代，南京水科院借鑒國際上聚合物水泥基材料的研究成果，開發了具有優異黏結、抗裂、耐老化性能的丙烯酸共聚乳液，在水工修補中大量推廣應用。80～90年代，針對水下修補的需要，南京水科院和中國水科院分別開發出NNDC水下不分散混凝土及涂層技術。漫灣水電站水墊塘水下補強加固采用HK-NDC水下不分散混凝土，因不存在構筑和拆除圍堰等問題，工期縮短，取得良好效果。北京華石納固科技公司在自密實混凝土基礎上研發了水下不分散自密實灌漿及封堵技術，于2012年成功應用于湖北野三河水電站溶洞封堵工程。

從美國引進聚脲抗沖磨材料、“海島結構”環氧合金抗沖磨材料、碳纖維復合補強材料、環氧/聚氨酯互穿網絡灌漿材料等，并在工程上得到成功應用。

2.3 新型特種混凝土材料

2.3.1多元膠凝粉體配制混凝土

中國水科院成功研制多元膠凝材料，即在水泥中摻入具有不同顆粒分布和潛在膠凝活性的礦物細摻合料粉體組成混合體系，使其具有緊密堆積結構，多元膠凝粉體配制混凝土通過調控各組分的水化進程匹配和復合膠凝效應，從而達到密實、抗裂、抗沖耐磨等優良性能。

2.3.2堆石混凝土

2003年，清華大學基于自密實混凝土技術，發明了適合大體積混凝土施工的“堆石混凝土大壩施工方法”專利技術。該技術一改傳統混凝土的施工方法，首先將大粒徑的塊石入倉，形成有空隙的堆石體（1.5m～2.0m/層），然后從堆石體上部澆入堆石混凝土專用的自密實混凝土，利用其特有的高流動、抗離析、強填充粘結性能，依靠自重完全填充堆石體空隙，形成完整、密實、有較高強度和低水化熱的大體積混凝土。

堆石混凝土經過10年的發展與推廣，目前已在四川向家壩水電站、云南虎跳峽水庫、山西恒山水庫等30多個筑壩、堤防建設、隧洞襯砌、病險水庫加固等工程中應用。

2.3.3水工瀝青混凝土

以瀝青混凝土作為防滲體的堆石壩始于20世紀30年代，至今已建造了200多座（大部分在歐洲）瀝青混凝土面板堆石壩、瀝青混凝土作為襯砌護面的庫岸和一定數量的瀝青混凝土心墻壩。20世紀70～80年代，隨著我國石油工業的發展，瀝青混凝土廣泛用于水利工程中，但當時所建的瀝青混凝土防滲工程由于部分工程的設計、施工水平以及瀝青品質等問題使得施工質量欠佳，瀝青混凝土防滲面板出現裂縫、流淌、鼓包等問題。之后幾年水工瀝青混凝土的發展幾乎處于停滯狀態。90年代以后，隨著天荒坪抽水蓄能電站（采用瀝青混凝土面板防滲）、三峽工程茅坪溪土石壩（采用瀝青混凝土心墻防滲）、四川南埡河冶勒工程（采用瀝青混凝土心墻防滲）、河北張河灣抽水蓄能電站（上庫采用瀝青混凝土面板防滲）等工程的修建，以瀝青混凝土作為防滲體的技術又開始發展。

2.4 金屬材料在水工建筑中的合理應用及其防腐技術

近年來，隨著鋼結構廣泛應用，其優點逐漸被認可，不少水利水電主體工程或主體工程的一部分也采用（王甫洲水電站主廠房鋼網架、四川省九龍縣色者電站工程鋼結構廠房）；新型結構的鋼閘門不斷得到應用，如水力自控翻板閘門、滾輪連桿式鋼結構翻板閘門、液壓互動翻板閘門，為“活動”擋水建筑物，取代固定堰或降低固定堰壩的高度，可提高水庫的有效庫容，發揮水庫的最大經濟效益。三峽工程采用無門槽的反鉤閘門型式，南京秦淮河整治工程三汊河河口閘采用新型的護鏡式鋼閘門；新型金屬防洪墻應用，避免為了提高防洪標準而將防洪堤越修越高，河道變渠道，高聳的防洪堤不能體現人與自然的和諧。近年來，抵擋大洪水的移動式金屬防洪擋板出現在德國、奧地利等國，我國哈爾濱市在2002年建成了一段“活動鋼閘板防洪墻”，金屬防洪墻安裝簡便、自動升降。抗洪再也不用采用人海戰術，車拉肩扛砌沙袋子堤。

水工金屬結構防腐措施主要有涂料保護法、噴鋅防腐蝕等。涂料防腐是閘門常用的防護方法，施工簡便，經濟易行，適用范圍廣。高效優質涂料、噴鋅防腐蝕在水工金屬構件中廣泛使用。近年來，新型防腐技術，如金屬結構熱噴涂鋅、鋅鋁合金防腐技術，外加電流法的陰極保護，玻璃鋼防腐保護、熱噴涂金屬階梯涂層鋼結構防腐新技術得到應用。

2.5 水生態保護和修復用新材料

在國外，對環境、生態退化問題的認識較早，很早就開始研究傳統護岸技術對環境與生態的影響。20世紀80年代以后，國外開始對河道整治技術中一些破壞生態環境的施工方案與技術進行反思，德國提出全新“親近自然河流的概念”，荷蘭、英國、丹麥等國均把生態堤岸與河流形態修復相結合。恢復自然堤岸是當前美國河流生態修復的重要措施之一。日本在20世紀80年代末、90年代初開展了“多自然河川計劃”。

我國在于上世紀90年代后期著手研究應用生態修復技術實現河道生態系統保護。如胡海泓在廣西桂林漓江生態河道建設工程提出籠石擋墻、網籠墊塊護坡、復合植被護坡等生態型護岸技術；在引灤入唐工程中，陳海波提出網格反慮生物組合護坡技術；周躍提出了“坡面生物工程”技術，闡述了土壤植被系統及其坡面生態工程的意義；陳明曦等認為，生物護岸是以河流生態系統為中心，集防洪效應、生態效應、景觀效應和自凈效應于一體，以河流動力學為手段而修建的新型水利工程。21世紀初，多個省份在河道生態建設方面進行了有益的探索與實踐，全國各地建設了一批生態河堤試驗工程。

目前國內外常見的護岸方法大致可以分為三類：

一是單純的植被護岸，即利用植被筋絡的固土功能來保護岸坡，此類純植物措施護岸在抗水流、風浪沖刷能力上十分有限。

二是植被護岸與工程措施相結合（如通過土工網生態砼現澆網格、種植槽或使用預制件、土工植物或編制袋（纖維袋）填土等方式，對植被進行加筋，增強岸坡抗侵蝕的能力）。這種方法需要合適材料加入土體，然后培育植被，最后形成較強能力的護岸結構。該工法從實施到工程發揮作用存在一過渡期，過渡期護岸功能較弱。另外，加入的材料具有一定的使用壽命。

三是生態材料護岸，如利用網籠或籠石結構或植被型生態混凝土進行護岸。該類結構具有很好的抗沖性能，網籠或籠石結構還可為水生動物和微生物提供生存空間。植被型生態混凝土就是日本近年來在河道護坡方面的研究成果。植被型生態混凝土主要由多孔混凝土、保水材料、難溶性肥料和表層土組成。該類方法適合在河岸的水陸交錯地帶應用，以抵御強烈的水流沖刷和頻繁變化的水陸環境，也能培育相應植被進行適當生態修復。

3 福建省水利工程材料學科發展現狀與主要成就

3.1 新型特種混凝土材料

3.1.1碾壓混凝土

自從1986年福建建成了中國第一座碾壓混凝土壩——大田坑口水庫大壩，福建省在碾壓混凝土上有較明顯優勢，先后建成了龍門灘、水口、水東、山仔、溪柄溪一級、涌溪三級、棉花灘、周寧、白沙水電站、洪口電站等，碾壓混凝土筑壩技術日益成熟。在試驗研究、配合比優化以及工程經驗總結等工作基礎上，已逐步形成了具有地方特色的“低水泥用量、高摻粉煤灰、高效減水劑與引氣劑雙摻、適當石粉含量、相對低Vc值、突出耐久性”等碾壓混凝土的配合比設計理念。

據有關資料[2]，福建11座已建的碾壓混凝土壩和全國碾壓混凝土壩（2001年后為不完全統計）中膠凝材料用量，福建碾壓壩的平均水泥用量（60.8 kg/m3）明顯低于全國平均水平（76.65～78.45kg/m3），粉煤灰摻量（62.0%）高于全國平均水平（47.74%～55.42%），具有低水泥用量高摻粉煤灰的明顯特性，粉煤灰的形態效應和活性效應使混凝土有良好的施工和易性以及后期強度仍有明顯增長，同時混凝土的絕熱溫升大幅下降，混凝土的綜合指標較好。

3.1.2堆石壩面板混凝土

在萬安溪、芹山面板混凝土防裂研究基礎上，街面面板配合比的主要防裂措施為：在面板混凝土中摻入粉煤灰、高效減水劑、膨脹劑及聚丙烯纖維等，以減少混凝土中水泥用量、降低用水量、減少混凝土干縮、降低水化熱設計值，從而提高混凝土的抗裂性能，同時論證在II期面板施工中采用鋼纖維混凝土。

在仙游抽水蓄能電站上庫、下庫面板混凝土中施工中摻用纖維素纖維，取得了良好應用效果。迄今為止，混凝土工程用纖維一共經歷了三個發展時期，第一代工程用纖維是植物纖維（如木屑、稻草等）；第二代工程用纖維是化學合成纖維（如聚丙烯、聚丙烯腈等）；第三代是工程用纖維素纖維，它是第二代工程纖維化學合成纖維的更新換代產品。纖維素纖維作為混凝土次增強（加筋）材料，由于其特殊的材料來源和空腔結構設計，即可減少或防止在混凝土澆筑后早期硬化階段，因泌水和水分散失而引起塑性收縮和微裂縫；也可以減少和防止混凝土硬化后期產生干縮裂縫及溫度變化引起的微裂縫。

3.1.3膠凝砂礫石筑壩材料

膠凝砂礫石（CSG）壩是以壩址附近的河床砂礫石以及開挖棄渣粗粒料，加入膠凝材料和水進行簡易拌和而成的。原先這些材料在一般混凝土工程中是無法直接利用的，屬棄料。膠凝砂礫石（CSG）壩的發展，最大程度上避免土地植被遭工程破壞，在國外該技術稱之為“zero emission dam”（無污染壩），起源于日本。2001年起，福建省水利水電勘測設計研究院著手研究CSG筑壩材料配合比與材料特性，并于2004年成功應用于福建尤溪街面水電站的量水堰（壩高16.3m量水堰，為主壩壩體的一部分），成為我國第一座永久性的膠凝砂礫石壩工程。

膠凝砂礫石是利用膠凝材料和砂礫石料，經拌合、攤鋪、振動碾壓形成的具有一定強度和抗剪性能的材料。當膠凝材料總量在70 kg/m3左右，水泥用量在40kg/m3左右時，基本上就可以滿足筑壩要求,較國內一般RCC壩膠凝材料用量減少60%，水泥用量減少53%左右，彈性模量可達10000MPa以上，泊松比約為0.2，容重2.2～2.5t/m3。

膠凝砂礫石壩是一種結合了碾壓混凝土壩和混凝土面板壩的優點發展起來的一種新壩型，是傳統土石壩、砌石壩、混凝土壩等筑壩技術體系的有益補充，其強調“宜材適構”理念，注重就地取材、減少棄料、快速施工、易于維護、節能環保和經濟。繼街面水電站堆石壩下游量水堰膠凝砂礫石壩之后，經試驗、設計、施工、運行和反演全過程研究，取得福建洪口水電站上游圍堰35.5米級膠凝砂礫石高壩的技術突破，形成了達到全國領先水平的環保節能新壩型——膠凝砂礫石（CSG）新型筑壩技術。膠凝砂礫石（CSG）新型筑壩技術獲2006年省科技進步二等獎。

經過多年的研發與實踐，我國已取得不少實質性的筑壩經驗。目前，我國已建成多座膠凝砂礫石壩圍堰，包括福建街面和洪口、云南功果橋、貴州沙陀、四川飛仙關等圍堰工程。此外，最大壩高60.6m的山西守口堡水庫膠凝砂礫石壩即將開工建設。

3.1.4低彈模混凝土防滲墻材料

混凝土防滲墻在大壩工程中使用由來已久，防滲墻材料由于所處環境和受力特點不同，對混凝土的強度、抗滲性能、彈性模量等各方面均提出了較高的要求。

20世紀80年代中后期，我國開始塑性混凝土研究，并在一些臨時圍堰及低壩壩體中應用，早期施工塑性混凝土強度多在2～4MPa，由于塑性混凝土中的水泥用量低，其強度也低，引起一些關于其耐久性的擔心，未被業內人士普遍認同。在近年土石壩除險加固工程設計中，福建、浙江等省率先提出了彈模與強度稍高于塑性混凝土的防滲墻混凝土，設計指標一般要求大于5MPa，一些工程要求抗壓強度不小于8MPa，其彈模一般會大于3000MPa，低彈模混凝土概念應運而生。

在 “十一五”期間，福建省在大中型土石壩除險加固，壩體防滲加固較多采用防滲墻。結合省水利廳科研項目“病險土石壩加固技術研究”（2005年）與“土石壩低彈模塑性混凝土防滲墻技術研究” （2009年），進行了粘土混凝土與塑性混凝土防滲墻材料以及摻膨潤土低彈模混凝土配合比與性能試驗研究，低彈模混凝土是新型的防滲材料，課題中還就低彈模混凝土的彈模試驗方法、滲透溶蝕、聲波法檢測防滲墻體混凝土質量等方面開展試驗研究。低彈模混凝土已經在寧化橋下、南安坂頭、長樂三溪等多座水庫除險加固工程中成功應用，該課題獲2012年度省科技進步三等獎。

低彈模混凝土與普通混凝土相比具有較低的彈性模量，與塑性混凝土相比具有較高的強度和抗滲性能，可用于高中土石壩的永久性防滲墻。該混凝土的原材料來源廣、施工簡便、質量穩定，具有廣闊的推廣應用前景。

3.1.5堆石混凝土

2010年，在福建省水利廳科技處大力支持下，堆石混凝土在武夷山楊莊防洪堤工程中應用。利用河中蘊藏的河卵石作為堆石，堆石率高達57%，混凝土量只有43%，與同強度等級C15混凝土相比，可節省造價約20%。施工速度快，縮短工期。工程經受住2010年6月武夷山特大暴雨的考驗，防洪堤完好無損。在武夷山楊莊防洪堤工程中應用取得良好效果后，繼而又將堆石混凝土技術引進到三明市城區水毀修復工程。

3.1.6 HF抗沖耐磨混凝土材料

洪口水電站壩高130m，是我省第一高壩。選用碾壓混凝土重力壩，溢流面反弧段底部流速較大，一般在40m/s，個別點達43m/s。

在抗沖磨方案選擇中，進行了摻硅粉混凝土、NE-II型環氧砂漿、多元凝膠粉體、HF高強耐磨粉煤灰混凝土性能對比試驗，通過抗沖磨混凝土的物理力學性能、抗沖磨性能、施工和易性以及經濟性等多方面研究比較，最后選定HF高強耐磨粉煤灰混凝土作為洪口水電站大壩溢流面抗沖耐磨混凝土。

HF混凝土自1992年開發研究以來，已在國內多個水電工程中推廣使用。在HF外加劑的激發作用下，粉煤灰的活性被激發，與水泥水化產生的氫氧化鈣發生快速反應，生成S-C-H膠凝，即顯著提高混凝土的整體強度并使混凝土的膠凝產物致密、堅硬、耐磨，改善膠材與骨料間的界面性能。配制出干縮小、泌水少、絕熱溫升小、自密實、施工簡便、高抗沖磨混凝土。

HF混凝土在洪口溢流面成功應用并經多次泄洪考驗，溢流面表面光滑平整、無任何損壞，同時節省投資，該成果獲2008年水利廳科技進步三等獎。

3.1.7防腐蝕海工混凝土材料

我省修建于20世紀70～80年代、地處入海口的多數水閘，現上部鋼筋混凝土結構存在由于鋼筋銹蝕引起的順筋開裂、混凝土翹裂、剝落，鋼筋裸露、銹損的現象。以往在水閘建設時，水閘混凝土結構中除了部分混凝土閘門會進行刷環氧涂層保護外，其它多數結構未進行防腐蝕處理。

省水科院提出大摻量粉煤灰以提高混凝土結構抗氯離子侵蝕能力，增強混凝土結構耐久性。對于舊結構提出采用水泥基滲透結晶材料作為混凝土結構修補材料，從而延長結構的使用壽命。該課題成果在羅源松山圍墾擋潮排澇閘閘門板、胸墻等混凝土結構中應用，該成果獲2007年水利廳科技進步三等獎。

在福寧灣圍墾工程建設中，采用礦渣、粉煤灰取代大部分普通硅酸鹽水泥的配合比方案，取得了良好的抗氯離子滲透效果。

3.2 水生態保護和修復用新材料

我省在“十五”期間城市防洪堤建設和河道治理中，一般采用混凝土或漿砌石來修筑堤壩。這種剛性護坡護面材料既隔斷河流與岸坡的“交流”，又切斷了河流水生動植物的生命鏈，構筑的空間給人以粗、硬、冷、暗的感覺。

近些年，隨著河道整治工程從注重解決防洪排澇的剛性結構，到兼顧防洪排澇與水環境治理、景觀要求、生態系統改善的生態護岸觀念轉變，新型的生態護岸結構應運而生。

邵武市水利部門在全省率先應用生態護岸技術，2007年，同青溪流域治理工程應用生態格網，大埠崗南邊溪流域治理工程綜合應用生態袋、生物護岸等新技術，建成了多處 “柔性”護岸，幾個月后，河流堤壩上已長滿灌木、小徑竹等植被，河流、河岸、農田、村莊渾然成一體，造就了堅固而又生態美觀的河堤。該項技術榮獲省科技進步三等獎。

隨著傳統水工學到生態水工學的發展，我省出現了一種全向互鎖型生態護底砌塊。這是一種新發明的、用于鋪砌護坡、護底的材料，采用全方位互相卡鎖的超強穩定結構。由該砌塊構筑的生態型防沖刷護面結構具有優異的整體連鎖性能、抗沖刷能力，抗波浪浮托力強，適應性好。近幾年，全向互鎖型生態護底砌塊也在福州、寧德、南平、三明等地的生態擋墻和護坡中使用。

4 我省水工材料學科發展的目標與方向

4.1 學科發展的目標

我省水工材料學科發展的目標是，響應黨中央生態水利建設號召，根據福建省具體情況，努力在“四新技術”研究基礎上，推動我省水工材料學科全面發展，使得新材料的應用研究與推廣方面有明顯創新與突破。

4.2 學科發展方向

2012年經省政府正式批復實施的《福建大水網規劃》，規劃新建大中型水庫54座、擴建大中型水庫5座、新建引調水工程75處，還有近千公里堤防與護岸（坡）建設。同時，建國60多年來，已建的水工建筑物正經歷著老化過程，部分工程處于病險期。當前我省水利建設掀起一輪新的建設高潮。基于有利的發展機遇，結合福建省水利“十二五”專項規劃，我省水工材料的發展方向是：突出綠色、生態；探索水工混凝土配合比新思路、分析混凝土的抗裂性；促進新型修補護面、水下灌漿封堵等材料的應用與推廣。

4.2.1持續推進綠色環保混凝土的應用

“綠色混凝土”[3]的含義是：更多地節約水泥熟料，減少環境污染，更多地摻加以工業廢渣為主的摻和料，更大幅度發揮高性能的優勢，減少水泥與混凝土用量。膠凝砂礫石（CSG筑壩材料）以及堆石混凝土（RFC）均為“綠色、環境友好型混凝土”。現已頒發了《堆石混凝土和膠凝砂礫石筑壩技術導則》（征求意見稿）。

研究膠凝砂礫石（CSG）筑壩材料在主體工程中應用[4]，在現有膠凝砂礫石圍堰壩研究成果的基礎上，開展膠凝砂礫石壩在主體工程中的材料耐久性、壩體防滲、施工方法和結構力學分析等技術研究，為膠凝砂礫石壩在主體工程中的推廣應用提供技術支撐。

研究固體廢棄物在堆石混凝土（RFC）中循環利用，在現有堆石混凝土應用基礎上，推進固體廢棄物在堆石混凝土中的循環利用，可以把難以消化掉的塊狀廢棄混凝土再利用，是一項名副其實的環保、節能、低碳型的施工方法，節約大量成本而凸顯其綠色節能優勢的堆石混凝土新技術。

研究堆石混凝土與膠凝砂礫石筑壩材料聯合應用，《堆石混凝土和膠凝砂礫石復合材料壩及其設計與方法》已獲專利，標志著堆石混凝土技術即將擴展到一個全新的領域。復合材料上游側壩體為堆石混凝土部分，下游側壩體為膠凝砂礫石部分，能同時發揮RFC和CSG兩種材料的優點。爭取聯合新壩型在我省有所突破。

4.2.2混凝土配合比設計適應生產技術發展

人工砂逐步取代天然砂。天然砂作為一種短期內不可再生的資源已近枯竭，同時天然砂采挖對自然生態和河道造成了巨大破壞。2010年，省建設科技發展促進中心與中國水利水電第十六工程局聯合召開的“人工砂石料生產技術工藝與應用推介會”提出，以人工砂替代天然砂，將是緩解和解決我國工程建設所需用砂與天然砂資源減少之間矛盾日趨突出的有效途徑。人工砂表面粗糙，石粉顆粒細小，增大混凝土的用水量，增大混凝土開裂的傾向，另一方面，人工砂具有增大混凝土強度的特性，可減小混凝土開裂的傾向，因此對人工砂混凝土的抗裂性能有必要進行全面的研究。

水泥的粉磨技術與強度提高。隨著粉磨技術提高，近年來水泥細度愈來愈高，水泥中具有較高活性的＜0.045mm顆粒達到70%以上，水泥強度提高，特別是早期強度。目前我國常用硅酸鹽水泥實際活性要比30年前高出2個強度等級。目前使用的42.5普通硅酸鹽水泥相當于過去的525#水泥，或更早標準的600號水泥。

第三代聚羧酸外加劑將逐步取代第一、第二代混凝土外加劑。從紙漿廢液中提取的第一代混凝土外加劑木質素磺酸鹽到第二代的萘系磺酸鹽甲醛縮合物等,由于萘系產品采用的石化萘（80%左右）品質出現很大波動，硫酸鹽超標，且存在的甲醛對人和環境有害。而聚羧酸外加劑生產過程環保，工藝簡單，具有超強的減水性能，產品從早期的減水型向功能型發展。在強化可持續發展和保護環境的潮流下，聚羧酸發展將是時代發展的必然選擇。

4.2.3高抗裂混凝土的研究

水工混凝土重點不是追求更高的強度等級，而是研究提高混凝土的抗裂性和耐久性。以往進行的抗裂性混凝土研究中，多以摻加高效減水劑、減縮劑、抗裂劑、膨脹劑、增密劑、纖維等來改善混凝土某一兩方面的性能，主要是使混凝土密實、減少收縮或使混凝土微膨脹，對影響混凝土抗裂因素指標的全面分析方面涉及不多。

而混凝土是一多元體，混凝土指標中影響混凝土材料本身的抗裂因素很多，可分兩類：對混凝土抗裂性有利的因素（混凝土極限拉伸、抗拉強度、徐變、膨脹型自生體變等）和對混凝土抗裂性不利的因素（干縮、溫度變形、收縮型自生體變、彈性模量等）。2003年，黃國興等人對三峽大壩混凝土進行抗裂性分析時提出的影響因素較全面、物理意義較明確的混凝土抗裂指數公式[5]如下：

式中，εp為混凝土極限拉伸值，10-6；RL為混凝土軸拉強度；C為混凝土徐變度，10-6/MPa；G為自生體積變形，10-6（膨脹取正值、收縮取負值）；α為線膨脹系數，10-6/℃；Tr為水化熱溫升；εs為混凝土干縮率，10-6。分子是在拉應力作用下混凝土產生的極限拉伸變形與徐變變形，還有混凝土本身自生體積變形，分母為在溫度與相對濕度變化作用下混凝土發生的有害收縮變形。兩者比值越大，表明混凝土抗裂指數越大，混凝土抗裂性能越好。

抗裂性要求較高的混凝土用抗裂性指數來分析，使所配制混凝土真正達到高抗裂性能。當然，除了混凝土材料本身的抗裂性，水工混凝土結構的防裂措施還涉及溫控設計和防裂施工技術。

4.2.4低熱高性能混凝土

利用聚羧酸超高減水率特點，科學地大量使用礦物摻和料，提出“三低一高”低熱高性能水工混凝土的發展方向，即低水膠比、低用水量、低水泥用量、高粉煤灰摻量。

近年來，粉煤灰等摻和料單價迅猛增長，據統計，摻和料運到工地的單價已相當于水泥單價的80%以上，必須考慮粉煤灰效益發揮的問題。摻和料在混凝土中主要效應有：①與水泥生成的Ca(OH)2發生二次水化反應，產生后期強度; ②填充空隙，改善和易性。因此，可以將其填充空隙作用由其他粉體材料替代，如用人工砂中石粉作為粉體材料置換部分摻和料達到改善混凝土和易性的目的。

4.2.5瀝青混凝土防滲技術

瀝青混凝土以其優良的防滲性能、適應變形能力、裂縫自愈能力，在水電工程，尤其是土石壩工程中有著廣泛的應用前景。生產石油瀝青的原油成分復雜、瀝青和瀝青混凝土的流變性能決定其為較復雜材料。隨著我省抽水蓄能電站持續建設、面板壩建設數量逐年遞增，給水工瀝青混凝土技術提供了發展契機。今后應從材料試驗、計算理論和工程應用方面開展進一步研究，促進瀝青混凝土防滲技術在我省的應用和推廣。

4.2.6高耐久性與適應性的水工修補材料

⑴結構補強加固材料。碳纖維補強加固技術由于施工簡便，不增大截面、重量，不改變外形，日漸受到國內外工程界重視。目前國內生產碳纖維片，在材質均勻性、預浸樹脂含量等關鍵技術方面與國外相比，尚有較大差距。

⑵混凝土表面修補與防護材料。修補材料應具有良好耐久性，并優于老材料；新老材料應有良好的粘結性能；新老材料的線膨脹系數盡量接近；新老材料的收縮性能應基本一致；新老材料的彈性模量應盡量一致。

對于混凝土表面已產生破壞的情況, 包括出現順筋開裂、混凝土崩落、鋼筋銹蝕、混凝土局部剝蝕等, 原則上應采用局部修補和全面封閉防護相結合的方法。用于表面直接保護的材料有：①有機涂料：改性VAE柔性防碳化涂料，顏色可調； SK手刮聚脲分為抗沖磨型和防滲型兩種，可用于水位變化區和水下混凝土表面防護。雙組份噴涂聚脲適用于混凝土迎水面大面積修補；②水泥基類材料：高標號水泥砂漿、預縮砂漿、聚合物水泥砂漿，可研究應用聚合物砂漿（混凝土）摻加減縮劑以減少收縮、龜裂。修補的效果與修補的工藝關系密切，基面的處理、修補層厚度以及施工面光滑程度等直接影響修補效果。

⑶灌漿材料。目前省內工程灌漿材料主要有水泥、水泥粘土類漿液、水泥-水玻璃類以及各種化學材料（丙凝、聚氨酯類）。化學材料由于價格昂貴、有污染而受到一定限制。超細水泥基灌漿材料具有與化學灌漿相似的良好滲透性和可灌性，具有更高強度和耐久性，同時環保、無污染。目前一種新型固結灌漿材料已在大壩防滲、堵漏及地基加固等工程中備受關注，它由主料和輔料兩部分組成，主料部分所含礦物主要是無水硫鋁酸鈣和硅酸二鈣，具有較高的水灰比（1.0～2.0），流動性好，易于灌漿設備泵送，且可以結合外加劑使用，更好地發揮新型灌漿材料的性能。

4.2.7新型水工金屬材料應用與防腐技術

加快能兼顧環境美化、旅游景點開發的新型結構鋼閘門在我省水利工程中的設計與應用。莆田木蘭溪、金莆供水等引調水工程大量使用鋼管，加之已建閘壩金屬結構的防腐維護，有必要應用防腐新材料新技術，降低工程壽命周期維護成本。其中聚脲噴涂彈性體在鋼架結構、引水管線、金屬閘門的防腐防護處理，特別對海水侵蝕的構件具有獨特的防護作用。熱噴涂金屬階梯涂層鋼結構防腐新技術閘門水線附近等一些經常受摩擦、沖刷部位，采用熱噴涂金屬階梯涂層防腐技術，其涂層耐磨損，外觀整潔，保護周期長，防腐性能好。

4.2.8水生態保護和修復新材料新技術

4.2.8.1 河道修復斷面設計

河道斷面型式上引入園林設計理念，建成園林式河道，突出親水、綠化。以福州內河為例，采用復式斷面[6]（見圖1），常水位以下采用擋墻或護坡，常水位以上土坡種植草皮、低矮灌木、楊柳，常水位處設置親水平臺。

圖1 河道式復式斷面

4.2.8.2 水生態保護與修復用材料

①生態混凝土球（見圖2）。生態混凝土球具有較強的抗沖刷性能以及粗骨料的多孔構造，植物生長必需的養分和根系能夠進入多孔質生態混凝土連續空隙中，是一種能呼吸的混凝土，土壤與外界可以進行水氣交換。生態混凝土球凸起的球體可以營造多樣化的邊界水流環境，形成豐富的水力多樣化條件，其孔間間隙適合本地物種生存，波浪水流拍打岸坡的同時，掉進生態混凝土孔隙間，緩解硬流硬沖擊格局，采取“以柔克剛”策略能較好地起到消能效果。

圖2 生態混凝土球護岸

②自鎖裝置相搭接植生塊護岸方案（見圖3），由于植生塊之間開孔（開孔率達30%），為河道與陸地之間的水文交換提供通道，也為植物生長留有空間，植生塊間采用自鎖裝置相搭接形成護岸加筋格局，較拋石以及四邊形預制混凝土塊整體性強。但需要盡快培育成根系較為發達的植被，否則在水流的強烈來回淘刷下，易引起塊間孔隙內和塊下土體淘空。

圖3 植生塊互鎖方案

③異型塊魚巢（見圖4），在水下砌筑異型塊魚巢，為魚類等水生動物提供棲息等生存環境，可增加河流生態系統多樣性并提高水體自凈能力。

圖4 異型塊魚巢

④拋石縫間種植香根草（見圖5），利用香根草發達根系的錨固作用，配合拋石進行海堤護岸加固，拋石由于香根草植株的攔截作用，不會被水沖走。同時拋石也保護了地表土不被水流及雨水沖走，兩者互相配合，效果較好，香根草植株間的空隙也給本地植被提供一定的空間。

圖5 拋石縫間種植香根草

5 存在問題與解決對策

近些年來，福建省在項目帶動科技發展下，水工材料特別是水工混凝土材料方面研究應用取得了一定的成果，但在水工材料全面發展和推廣應用方面仍有些不足。

5.1 存在問題

5.1.1我省水工材料發展不均衡

部分領域發展有一些優勢，但仍有許多領域相對滯后。我省在碾壓混凝土方面有較明顯優勢，形成了具有地方特色技術。萬安溪、芹山、街面等工程面板混凝土防裂技術取得成功，在仙游抽水蓄能電站上庫、下庫面板混凝土施工中摻用纖維素纖維，取得了良好應用效果。2001年起，開始研究CSG筑壩材料配合比與材料特性，于2004年成功應用于街面水電站的量水堰，成為我國第一座永久性的膠凝砂礫石壩工程。之后在洪口水電站上游圍堰35.5米級膠凝砂礫石高壩取得技術突破。土石壩低彈模塑性混凝土防滲墻技術已經在寧化橋下、南安坂頭、長樂三溪等多座水庫除險加固工程中成功應用。近年我省出現了一種全向互鎖型生態護底砌塊，在福州、寧德、南平、三明等地的生態擋墻和護坡中使用，效果較好。但與國內外新型水工材料的發展與應用相比，我省在諸多方面相對滯后，如高分子和有機無機復合的修補材料、堆石混凝土、水工瀝青混凝土防滲體技術、水工鋼結構與新型結構的鋼閘門應用、活動金屬防洪墻方面、發展新型防腐技術、生態堤岸與河流形態修復工程等諸多方面技術相對滯后或處于空白狀態。

5.1.2自主研究成果少

我省水利科研單位少，每年在水工材料發展研究方面投入的力量有限，近年來水工材料方面科研成果較少。

5.1.3設計理念未與時俱進

由于水工新材料新技術的推廣應用往往需要規劃、設計等部位或單位支持，因規劃設計單位的設計理念、工程應用條件等方面的制約，國內外的一些新型水工材料與水工材料應用技術尚未能在我省大范圍地推廣應用，同時存在示范工程少、規模小等現象。

5.1.4對新技術未能有效吸收與應用

近期建設的河道整治工程、土石壩除險加固工程，有一部分工程，直接照搬其它地區的個別做法，除險加固項目多以大壩上下游坡面、壩頂硬化為主，尤其在背水坡面改造中一些工程使用較多石材甚至薄層拋光板材，未能貫徹綠色生態、人與自然和諧的理念。

5.1.5配套施工技術有待改進

在近些年大壩加固工程中，部分工程對閘墩、壩體坡面、溢流面等結構部位進行混凝土面層防護，現較多出現空鼓、開裂和成片剝落。一些位于較高處有剝落跡象的修補面無形中形成了新的安全隱患。若短時間內重新翻新，不僅造成經濟損失，而且嚴重浪費資源，引發社會問題。由于每個工程具有自身特點，施工技術、施工環境、施工工藝不同，水工修補材料的修補效果也明顯不同，故需改進與提高水工材料配套施工技術。

5.2 對策

5.2.1政策鼓勵、資金支持

新型水工材料的發展與工程應用離不開決策層面的政策鼓勵、資金支持。對于已取得一定成就的我省水工材料，應加大推廣示范應用的力度，如CSG筑壩材料、土石壩低彈模塑性混凝土防滲墻技術、纖維抗裂面板混凝土等；對于發展相對滯后或基本處于空白的水工材料，如大型鋼結構、新型水工閘門、生態混凝土、綠色水工結構工程、新型金屬結構防腐技術等給予一定的政策鼓勵措施，增加資金支持力度，增加試點示范工程，有利于加快這些水工材料的推廣應用節奏與步伐。

5.2.2規劃、設計理念更新

提供平臺與渠道，鼓勵規劃設計單位采用水工新材料、新技術，參加有關技術交流活動，特別是項目建設單位、項目主管與審查部門，在新型水工材料應用研究方面給予技術支持。

5.2.3技術的消化與吸收

針對河道整治工程、土石壩除險加固工程一些簡單做法，強調技術的消化與吸收，避免生搬照套。根據每個工程特點，同時貫徹綠色生態、人與自然和諧的理念，提出適合我省發展的新型水工材料與施工技術。

5.2.4施工技術引進與更新

水工新材料的推廣應用與其施工技術是相配套的，結合每個工程具體特點、施工環境，發展相應的施工技術、施工工藝，培養施工技術力量，有利于新型水工材料的推廣應用與健康發展。

6 建議

6.1我省在部分水工材料領域已有較明顯優勢，技術較成熟，形成了具有地方特色技術，應加大推廣應用力度；對于相對滯后方面，應加大政策與資金扶持力度，特別是地方政府與水利行政主管部門的支持。

6.2 普及綠色、環保、生態、和諧水利等觀念，培育新的設計理念，鼓勵新材料、新工藝聯合推動發展。

6.3 水工新材料新技術的發展離不開水利科研投入，建議增加水工材料科研經費的投入，并加強項目跟蹤與管理。

6.4 新型水工材料處于發展和探索階段，尚有一些需解決和提高的技術難題，建議加強學科人才隊伍建設，結合項目帶動以促進新型材料研究和應用。

[1] 福建省水利廳, 福建省統計局.福建省第一次全國水利普查公報.2013.

[2] 方坤河.中國碾壓混凝土壩的混凝土配合比研究[J].水力發電，2003（11）：51-53.

[3] 林寶玉，丁建彤.水工材料發展前景展望[J].中國水利，2006（20）：61-66.

[4] 福建省水利廳.福建省水利“十二五”科技專項規劃，2011.

[5] 黃國興.試論水工混凝土的抗裂性[J].水力發電，2007（7）：33-36.

[6] 吳秋華.城市河道治理中生態景觀設計初探[J].水利科技，2012（1）：55-56.

課題組成員：

1．俞 欽，福建省水利水電勘測設計研究院，高工。

2．鄭發順，福建省水利水電勘測設計研究院，高工。

3．卓文仁，福建省水利水電勘測設計研究院，教授級高工。