福建省水工材料学科发展研究报告

2014-05-20福建省水利学会

海峡科学 2014年1期

关键词：胶凝水工混凝土

福建省水工材料学科发展研究报告

福建省水利学会

该文介绍了我国水工材料学科发展现状，总结和回顾了福建省水工材料学科的研究进展、实践和主要成就，提出了福建省水工材料学科全面发展与创新的目标及突出绿色环保、生态、耐久等发展方向，分析学科发展存在的问题并提出建议。

水工材料掺和料生态混凝土学科报告

1 概述

水工材料学科是水工工程和建筑材料相互交叉的学科，水工材料学科的研究对象主要是水工混凝土材料、高分子聚合物材料、金属材料以及水生态保护和修复用新材料等。

福建省水电资源丰富，建国以来，福建省进行了大规模的水利水电基础设施建设，截至2011年末，福建省全省水库共有3692座；共有水电站6678座；规模以上的水闸有2381座；已建堤防长度3552.78公里；全省有防洪任务的河段长度为7246.98公里[1]。我省传统的坝工技术主要有土石坝、混凝土重力坝以及具有地方特色的砌石拱坝或砌石重力坝。近年来，伴随着新材料、新工艺发展，碾压混凝土坝、钢筋混凝土面板堆石坝、胶凝砂砾石坝等坝工新技术在福建得到广泛的应用和发展。

水工材料作为水工结构物的基本单元，已成为推动水工建设工艺发展及变革的关键性因素。

2 我国水利工程材料学科发展现状

20世纪90年代以来，我国大坝建设在世界各国中不仅数量上居首位，而在大坝高度也明显增长。我国已建成运行的水布垭面板堆石坝（坝高233m）是世界最高的混凝土面板堆石坝；龙滩碾压混凝土重力坝（坝高216.5m）是世界最高的碾压混凝土重力坝；沙牌碾压混凝土拱坝（坝高132m）是世界上最高的碾压混凝土拱坝； 2012年建成的锦屏一级双曲拱坝（坝高305m）代替小湾双曲拱坝（坝高292m）成为世界在建最高的双曲拱坝，标志着中国在筑坝关键技术方面已取得突破性进展。总体上，我国的筑坝技术在国际上处于领先水平或先进水平，远距离跨流域调水成为21世纪水利建设的一大特点，这些成就的取得离不开筑坝材料的技术进步。

2.1 水工混凝土材料新特点

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。中国近30年来建成的大中型闸坝数百座，其中混凝土用量多达1000立方万米以上。

主要的新材料应用成果有：

2.1.1掺和料趋向多样化

水工混凝土掺入一定量的活性掺和料，不仅可以降低水化热温升，而且还可改善水工混凝土的抗侵蚀性，达到变废为宝、节约资源的目的。国外大体积混凝土掺加的掺和料种类很多，有浮石、灰质页岩、天然火山灰、凝灰岩等。虽然我国20世纪60年代也开始进行粉煤灰在水工混凝土的应用研究，并在三门峡坝、刘家峡坝采用，但是大规模应用还是80年代，同时随着碾压混凝土在我国同步推广，高掺量粉煤灰在碾压混凝土坝中的应用（大部分高达50%以上，最高的广西龙滩达76.8%），目前粉煤灰仍是水工混凝土的主要掺和料。

西南地区部分工程研究开发矿渣粉、钢渣粉、磷渣粉、石灰岩粉、凝灰岩粉、火山灰等水工混凝土掺和料，成功应用于景洪、大朝山、贵州索风营、云南弄令等碾压混凝土坝工程，锰硅渣在水工混凝土中的应用也进行了部分试验研究，这些都为我国缺少粉煤灰资源的西南地区修建碾压混凝土坝提供了一种新的途径，促进了以粉煤灰为主的掺合料料源多样化。经试验表明，这些新开发的掺和料与粉煤灰具有相似的填充效应、二次水化效应和改善和易性效应，只是程度上有所差异。

2.1.2抗裂性能不断提高

随着第三代高效减水剂——聚羧酸系高效减水剂在水工混凝土中应用，用于抑制高强抗冲耐磨混凝土收缩开裂的减缩剂应用（公伯峡），R18035~R18040级中弹低热水工高强混凝土在高拱坝中的应用（二滩、小湾、锦屏一级），聚丙烯纤维在面板坝面板混凝土中的广泛应用，使得混凝土的抗裂性能均在不同程度上得到提高。武汉化工学院研制WHDF增强密实（抗裂）剂，是一种应用于堆石坝面板混凝土抗裂的高性能外加剂，已经应用于湖北小溪口电站面板坝、重庆鱼跳电站面板等工程。一些工程使用了膨胀材料，也都取得一定的效果，如乌鲁瓦提、珊溪、梅溪等工程则在面板混凝土中使用TMS、VF-II防裂剂、UEA等膨胀材料。MgO微膨胀混凝土筑坝技术近年来也受到了广泛关注，其中外掺MgO微膨胀混凝土（索风营、东风、长沙、坝美等），高含MgO中热硅酸盐水泥（构皮滩、小湾、溪洛渡、锦屏等）。但是所掺MgO是否为轻烧、掺后总量不得超过5%、必须掺和均匀等条件在一定程度上制约了掺MgO技术的发展。

2.2 高分子和有机无机复合的修补材料

修补材料是水工新材料的一个重要分支。20世纪80年代，南京水科院借鉴国际上聚合物水泥基材料的研究成果，开发了具有优异黏结、抗裂、耐老化性能的丙烯酸共聚乳液，在水工修补中大量推广应用。80～90年代，针对水下修补的需要，南京水科院和中国水科院分别开发出NNDC水下不分散混凝土及涂层技术。漫湾水电站水垫塘水下补强加固采用HK-NDC水下不分散混凝土，因不存在构筑和拆除围堰等问题，工期缩短，取得良好效果。北京华石纳固科技公司在自密实混凝土基础上研发了水下不分散自密实灌浆及封堵技术，于2012年成功应用于湖北野三河水电站溶洞封堵工程。

从美国引进聚脲抗冲磨材料、“海岛结构”环氧合金抗冲磨材料、碳纤维复合补强材料、环氧/聚氨酯互穿网络灌浆材料等，并在工程上得到成功应用。

2.3 新型特种混凝土材料

2.3.1多元胶凝粉体配制混凝土

中国水科院成功研制多元胶凝材料，即在水泥中掺入具有不同颗粒分布和潜在胶凝活性的矿物细掺合料粉体组成混合体系，使其具有紧密堆积结构，多元胶凝粉体配制混凝土通过调控各组分的水化进程匹配和复合胶凝效应，从而达到密实、抗裂、抗冲耐磨等优良性能。

2.3.2堆石混凝土

2003年，清华大学基于自密实混凝土技术，发明了适合大体积混凝土施工的“堆石混凝土大坝施工方法”专利技术。该技术一改传统混凝土的施工方法，首先将大粒径的块石入仓，形成有空隙的堆石体（1.5m～2.0m/层），然后从堆石体上部浇入堆石混凝土专用的自密实混凝土，利用其特有的高流动、抗离析、强填充粘结性能，依靠自重完全填充堆石体空隙，形成完整、密实、有较高强度和低水化热的大体积混凝土。

堆石混凝土经过10年的发展与推广，目前已在四川向家坝水电站、云南虎跳峡水库、山西恒山水库等30多个筑坝、堤防建设、隧洞衬砌、病险水库加固等工程中应用。

2.3.3水工沥青混凝土

以沥青混凝土作为防渗体的堆石坝始于20世纪30年代，至今已建造了200多座（大部分在欧洲）沥青混凝土面板堆石坝、沥青混凝土作为衬砌护面的库岸和一定数量的沥青混凝土心墙坝。20世纪70～80年代，随着我国石油工业的发展，沥青混凝土广泛用于水利工程中，但当时所建的沥青混凝土防渗工程由于部分工程的设计、施工水平以及沥青品质等问题使得施工质量欠佳，沥青混凝土防渗面板出现裂缝、流淌、鼓包等问题。之后几年水工沥青混凝土的发展几乎处于停滞状态。90年代以后，随着天荒坪抽水蓄能电站（采用沥青混凝土面板防渗）、三峡工程茅坪溪土石坝（采用沥青混凝土心墙防渗）、四川南垭河冶勒工程（采用沥青混凝土心墙防渗）、河北张河湾抽水蓄能电站（上库采用沥青混凝土面板防渗）等工程的修建，以沥青混凝土作为防渗体的技术又开始发展。

2.4 金属材料在水工建筑中的合理应用及其防腐技术

近年来，随着钢结构广泛应用，其优点逐渐被认可，不少水利水电主体工程或主体工程的一部分也采用（王甫洲水电站主厂房钢网架、四川省九龙县色者电站工程钢结构厂房）；新型结构的钢闸门不断得到应用，如水力自控翻板闸门、滚轮连杆式钢结构翻板闸门、液压互动翻板闸门，为“活动”挡水建筑物，取代固定堰或降低固定堰坝的高度，可提高水库的有效库容，发挥水库的最大经济效益。三峡工程采用无门槽的反钩闸门型式，南京秦淮河整治工程三汊河河口闸采用新型的护镜式钢闸门；新型金属防洪墙应用，避免为了提高防洪标准而将防洪堤越修越高，河道变渠道，高耸的防洪堤不能体现人与自然的和谐。近年来，抵挡大洪水的移动式金属防洪挡板出现在德国、奥地利等国，我国哈尔滨市在2002年建成了一段“活动钢闸板防洪墙”，金属防洪墙安装简便、自动升降。抗洪再也不用采用人海战术，车拉肩扛砌沙袋子堤。

水工金属结构防腐措施主要有涂料保护法、喷锌防腐蚀等。涂料防腐是闸门常用的防护方法，施工简便，经济易行，适用范围广。高效优质涂料、喷锌防腐蚀在水工金属构件中广泛使用。近年来，新型防腐技术，如金属结构热喷涂锌、锌铝合金防腐技术，外加电流法的阴极保护，玻璃钢防腐保护、热喷涂金属阶梯涂层钢结构防腐新技术得到应用。

2.5 水生态保护和修复用新材料

在国外，对环境、生态退化问题的认识较早，很早就开始研究传统护岸技术对环境与生态的影响。20世纪80年代以后，国外开始对河道整治技术中一些破坏生态环境的施工方案与技术进行反思，德国提出全新“亲近自然河流的概念”，荷兰、英国、丹麦等国均把生态堤岸与河流形态修复相结合。恢复自然堤岸是当前美国河流生态修复的重要措施之一。日本在20世纪80年代末、90年代初开展了“多自然河川计划”。

我国在于上世纪90年代后期着手研究应用生态修复技术实现河道生态系统保护。如胡海泓在广西桂林漓江生态河道建设工程提出笼石挡墙、网笼垫块护坡、复合植被护坡等生态型护岸技术；在引滦入唐工程中，陈海波提出网格反虑生物组合护坡技术；周跃提出了“坡面生物工程”技术，阐述了土壤植被系统及其坡面生态工程的意义；陈明曦等认为，生物护岸是以河流生态系统为中心，集防洪效应、生态效应、景观效应和自净效应于一体，以河流动力学为手段而修建的新型水利工程。21世纪初，多个省份在河道生态建设方面进行了有益的探索与实践，全国各地建设了一批生态河堤试验工程。

目前国内外常见的护岸方法大致可以分为三类：

一是单纯的植被护岸，即利用植被筋络的固土功能来保护岸坡，此类纯植物措施护岸在抗水流、风浪冲刷能力上十分有限。

二是植被护岸与工程措施相结合（如通过土工网生态砼现浇网格、种植槽或使用预制件、土工植物或编制袋（纤维袋）填土等方式，对植被进行加筋，增强岸坡抗侵蚀的能力）。这种方法需要合适材料加入土体，然后培育植被，最后形成较强能力的护岸结构。该工法从实施到工程发挥作用存在一过渡期，过渡期护岸功能较弱。另外，加入的材料具有一定的使用寿命。

三是生态材料护岸，如利用网笼或笼石结构或植被型生态混凝土进行护岸。该类结构具有很好的抗冲性能，网笼或笼石结构还可为水生动物和微生物提供生存空间。植被型生态混凝土就是日本近年来在河道护坡方面的研究成果。植被型生态混凝土主要由多孔混凝土、保水材料、难溶性肥料和表层土组成。该类方法适合在河岸的水陆交错地带应用，以抵御强烈的水流冲刷和频繁变化的水陆环境，也能培育相应植被进行适当生态修复。

3 福建省水利工程材料学科发展现状与主要成就

3.1 新型特种混凝土材料

3.1.1碾压混凝土

自从1986年福建建成了中国第一座碾压混凝土坝——大田坑口水库大坝，福建省在碾压混凝土上有较明显优势，先后建成了龙门滩、水口、水东、山仔、溪柄溪一级、涌溪三级、棉花滩、周宁、白沙水电站、洪口电站等，碾压混凝土筑坝技术日益成熟。在试验研究、配合比优化以及工程经验总结等工作基础上，已逐步形成了具有地方特色的“低水泥用量、高掺粉煤灰、高效减水剂与引气剂双掺、适当石粉含量、相对低Vc值、突出耐久性”等碾压混凝土的配合比设计理念。

据有关资料[2]，福建11座已建的碾压混凝土坝和全国碾压混凝土坝（2001年后为不完全统计）中胶凝材料用量，福建碾压坝的平均水泥用量（60.8 kg/m3）明显低于全国平均水平（76.65～78.45kg/m3），粉煤灰掺量（62.0%）高于全国平均水平（47.74%～55.42%），具有低水泥用量高掺粉煤灰的明显特性，粉煤灰的形态效应和活性效应使混凝土有良好的施工和易性以及后期强度仍有明显增长，同时混凝土的绝热温升大幅下降，混凝土的综合指标较好。

3.1.2堆石坝面板混凝土

在万安溪、芹山面板混凝土防裂研究基础上，街面面板配合比的主要防裂措施为：在面板混凝土中掺入粉煤灰、高效减水剂、膨胀剂及聚丙烯纤维等，以减少混凝土中水泥用量、降低用水量、减少混凝土干缩、降低水化热设计值，从而提高混凝土的抗裂性能，同时论证在II期面板施工中采用钢纤维混凝土。

在仙游抽水蓄能电站上库、下库面板混凝土中施工中掺用纤维素纤维，取得了良好应用效果。迄今为止，混凝土工程用纤维一共经历了三个发展时期，第一代工程用纤维是植物纤维（如木屑、稻草等）；第二代工程用纤维是化学合成纤维（如聚丙烯、聚丙烯腈等）；第三代是工程用纤维素纤维，它是第二代工程纤维化学合成纤维的更新换代产品。纤维素纤维作为混凝土次增强（加筋）材料，由于其特殊的材料来源和空腔结构设计，即可减少或防止在混凝土浇筑后早期硬化阶段，因泌水和水分散失而引起塑性收缩和微裂缝；也可以减少和防止混凝土硬化后期产生干缩裂缝及温度变化引起的微裂缝。

3.1.3胶凝砂砾石筑坝材料

胶凝砂砾石（CSG）坝是以坝址附近的河床砂砾石以及开挖弃渣粗粒料，加入胶凝材料和水进行简易拌和而成的。原先这些材料在一般混凝土工程中是无法直接利用的，属弃料。胶凝砂砾石（CSG）坝的发展，最大程度上避免土地植被遭工程破坏，在国外该技术称之为“zero emission dam”（无污染坝），起源于日本。2001年起，福建省水利水电勘测设计研究院着手研究CSG筑坝材料配合比与材料特性，并于2004年成功应用于福建尤溪街面水电站的量水堰（坝高16.3m量水堰，为主坝坝体的一部分），成为我国第一座永久性的胶凝砂砾石坝工程。

胶凝砂砾石是利用胶凝材料和砂砾石料，经拌合、摊铺、振动碾压形成的具有一定强度和抗剪性能的材料。当胶凝材料总量在70 kg/m3左右，水泥用量在40kg/m3左右时，基本上就可以满足筑坝要求,较国内一般RCC坝胶凝材料用量减少60%，水泥用量减少53%左右，弹性模量可达10000MPa以上，泊松比约为0.2，容重2.2～2.5t/m3。

胶凝砂砾石坝是一种结合了碾压混凝土坝和混凝土面板坝的优点发展起来的一种新坝型，是传统土石坝、砌石坝、混凝土坝等筑坝技术体系的有益补充，其强调“宜材适构”理念，注重就地取材、减少弃料、快速施工、易于维护、节能环保和经济。继街面水电站堆石坝下游量水堰胶凝砂砾石坝之后，经试验、设计、施工、运行和反演全过程研究，取得福建洪口水电站上游围堰35.5米级胶凝砂砾石高坝的技术突破，形成了达到全国领先水平的环保节能新坝型——胶凝砂砾石（CSG）新型筑坝技术。胶凝砂砾石（CSG）新型筑坝技术获2006年省科技进步二等奖。

经过多年的研发与实践，我国已取得不少实质性的筑坝经验。目前，我国已建成多座胶凝砂砾石坝围堰，包括福建街面和洪口、云南功果桥、贵州沙陀、四川飞仙关等围堰工程。此外，最大坝高60.6m的山西守口堡水库胶凝砂砾石坝即将开工建设。

3.1.4低弹模混凝土防渗墙材料

混凝土防渗墙在大坝工程中使用由来已久，防渗墙材料由于所处环境和受力特点不同，对混凝土的强度、抗渗性能、弹性模量等各方面均提出了较高的要求。

20世纪80年代中后期，我国开始塑性混凝土研究，并在一些临时围堰及低坝坝体中应用，早期施工塑性混凝土强度多在2～4MPa，由于塑性混凝土中的水泥用量低，其强度也低，引起一些关于其耐久性的担心，未被业内人士普遍认同。在近年土石坝除险加固工程设计中，福建、浙江等省率先提出了弹模与强度稍高于塑性混凝土的防渗墙混凝土，设计指标一般要求大于5MPa，一些工程要求抗压强度不小于8MPa，其弹模一般会大于3000MPa，低弹模混凝土概念应运而生。

在 “十一五”期间，福建省在大中型土石坝除险加固，坝体防渗加固较多采用防渗墙。结合省水利厅科研项目“病险土石坝加固技术研究”（2005年）与“土石坝低弹模塑性混凝土防渗墙技术研究” （2009年），进行了粘土混凝土与塑性混凝土防渗墙材料以及掺膨润土低弹模混凝土配合比与性能试验研究，低弹模混凝土是新型的防渗材料，课题中还就低弹模混凝土的弹模试验方法、渗透溶蚀、声波法检测防渗墙体混凝土质量等方面开展试验研究。低弹模混凝土已经在宁化桥下、南安坂头、长乐三溪等多座水库除险加固工程中成功应用，该课题获2012年度省科技进步三等奖。

低弹模混凝土与普通混凝土相比具有较低的弹性模量，与塑性混凝土相比具有较高的强度和抗渗性能，可用于高中土石坝的永久性防渗墙。该混凝土的原材料来源广、施工简便、质量稳定，具有广阔的推广应用前景。

3.1.5堆石混凝土

2010年，在福建省水利厅科技处大力支持下，堆石混凝土在武夷山杨庄防洪堤工程中应用。利用河中蕴藏的河卵石作为堆石，堆石率高达57%，混凝土量只有43%，与同强度等级C15混凝土相比，可节省造价约20%。施工速度快，缩短工期。工程经受住2010年6月武夷山特大暴雨的考验，防洪堤完好无损。在武夷山杨庄防洪堤工程中应用取得良好效果后，继而又将堆石混凝土技术引进到三明市城区水毁修复工程。

3.1.6 HF抗冲耐磨混凝土材料

洪口水电站坝高130m，是我省第一高坝。选用碾压混凝土重力坝，溢流面反弧段底部流速较大，一般在40m/s，个别点达43m/s。

在抗冲磨方案选择中，进行了掺硅粉混凝土、NE-II型环氧砂浆、多元凝胶粉体、HF高强耐磨粉煤灰混凝土性能对比试验，通过抗冲磨混凝土的物理力学性能、抗冲磨性能、施工和易性以及经济性等多方面研究比较，最后选定HF高强耐磨粉煤灰混凝土作为洪口水电站大坝溢流面抗冲耐磨混凝土。

HF混凝土自1992年开发研究以来，已在国内多个水电工程中推广使用。在HF外加剂的激发作用下，粉煤灰的活性被激发，与水泥水化产生的氢氧化钙发生快速反应，生成S-C-H胶凝，即显著提高混凝土的整体强度并使混凝土的胶凝产物致密、坚硬、耐磨，改善胶材与骨料间的界面性能。配制出干缩小、泌水少、绝热温升小、自密实、施工简便、高抗冲磨混凝土。

HF混凝土在洪口溢流面成功应用并经多次泄洪考验，溢流面表面光滑平整、无任何损坏，同时节省投资，该成果获2008年水利厅科技进步三等奖。

3.1.7防腐蚀海工混凝土材料

我省修建于20世纪70～80年代、地处入海口的多数水闸，现上部钢筋混凝土结构存在由于钢筋锈蚀引起的顺筋开裂、混凝土翘裂、剥落，钢筋裸露、锈损的现象。以往在水闸建设时，水闸混凝土结构中除了部分混凝土闸门会进行刷环氧涂层保护外，其它多数结构未进行防腐蚀处理。

省水科院提出大掺量粉煤灰以提高混凝土结构抗氯离子侵蚀能力，增强混凝土结构耐久性。对于旧结构提出采用水泥基渗透结晶材料作为混凝土结构修补材料，从而延长结构的使用寿命。该课题成果在罗源松山围垦挡潮排涝闸闸门板、胸墙等混凝土结构中应用，该成果获2007年水利厅科技进步三等奖。

在福宁湾围垦工程建设中，采用矿渣、粉煤灰取代大部分普通硅酸盐水泥的配合比方案，取得了良好的抗氯离子渗透效果。

3.2 水生态保护和修复用新材料

我省在“十五”期间城市防洪堤建设和河道治理中，一般采用混凝土或浆砌石来修筑堤坝。这种刚性护坡护面材料既隔断河流与岸坡的“交流”，又切断了河流水生动植物的生命链，构筑的空间给人以粗、硬、冷、暗的感觉。

近些年，随着河道整治工程从注重解决防洪排涝的刚性结构，到兼顾防洪排涝与水环境治理、景观要求、生态系统改善的生态护岸观念转变，新型的生态护岸结构应运而生。

邵武市水利部门在全省率先应用生态护岸技术，2007年，同青溪流域治理工程应用生态格网，大埠岗南边溪流域治理工程综合应用生态袋、生物护岸等新技术，建成了多处 “柔性”护岸，几个月后，河流堤坝上已长满灌木、小径竹等植被，河流、河岸、农田、村庄浑然成一体，造就了坚固而又生态美观的河堤。该项技术荣获省科技进步三等奖。

随着传统水工学到生态水工学的发展，我省出现了一种全向互锁型生态护底砌块。这是一种新发明的、用于铺砌护坡、护底的材料，采用全方位互相卡锁的超强稳定结构。由该砌块构筑的生态型防冲刷护面结构具有优异的整体连锁性能、抗冲刷能力，抗波浪浮托力强，适应性好。近几年，全向互锁型生态护底砌块也在福州、宁德、南平、三明等地的生态挡墙和护坡中使用。

4 我省水工材料学科发展的目标与方向

4.1 学科发展的目标

我省水工材料学科发展的目标是，响应党中央生态水利建设号召，根据福建省具体情况，努力在“四新技术”研究基础上，推动我省水工材料学科全面发展，使得新材料的应用研究与推广方面有明显创新与突破。

4.2 学科发展方向

2012年经省政府正式批复实施的《福建大水网规划》，规划新建大中型水库54座、扩建大中型水库5座、新建引调水工程75处，还有近千公里堤防与护岸（坡）建设。同时，建国60多年来，已建的水工建筑物正经历着老化过程，部分工程处于病险期。当前我省水利建设掀起一轮新的建设高潮。基于有利的发展机遇，结合福建省水利“十二五”专项规划，我省水工材料的发展方向是：突出绿色、生态；探索水工混凝土配合比新思路、分析混凝土的抗裂性；促进新型修补护面、水下灌浆封堵等材料的应用与推广。

4.2.1持续推进绿色环保混凝土的应用

“绿色混凝土”[3]的含义是：更多地节约水泥熟料，减少环境污染，更多地掺加以工业废渣为主的掺和料，更大幅度发挥高性能的优势，减少水泥与混凝土用量。胶凝砂砾石（CSG筑坝材料）以及堆石混凝土（RFC）均为“绿色、环境友好型混凝土”。现已颁发了《堆石混凝土和胶凝砂砾石筑坝技术导则》（征求意见稿）。

研究胶凝砂砾石（CSG）筑坝材料在主体工程中应用[4]，在现有胶凝砂砾石围堰坝研究成果的基础上，开展胶凝砂砾石坝在主体工程中的材料耐久性、坝体防渗、施工方法和结构力学分析等技术研究，为胶凝砂砾石坝在主体工程中的推广应用提供技术支撑。

研究固体废弃物在堆石混凝土（RFC）中循环利用，在现有堆石混凝土应用基础上，推进固体废弃物在堆石混凝土中的循环利用，可以把难以消化掉的块状废弃混凝土再利用，是一项名副其实的环保、节能、低碳型的施工方法，节约大量成本而凸显其绿色节能优势的堆石混凝土新技术。

研究堆石混凝土与胶凝砂砾石筑坝材料联合应用，《堆石混凝土和胶凝砂砾石复合材料坝及其设计与方法》已获专利，标志着堆石混凝土技术即将扩展到一个全新的领域。复合材料上游侧坝体为堆石混凝土部分，下游侧坝体为胶凝砂砾石部分，能同时发挥RFC和CSG两种材料的优点。争取联合新坝型在我省有所突破。

4.2.2混凝土配合比设计适应生产技术发展

人工砂逐步取代天然砂。天然砂作为一种短期内不可再生的资源已近枯竭，同时天然砂采挖对自然生态和河道造成了巨大破坏。2010年，省建设科技发展促进中心与中国水利水电第十六工程局联合召开的“人工砂石料生产技术工艺与应用推介会”提出，以人工砂替代天然砂，将是缓解和解决我国工程建设所需用砂与天然砂资源减少之间矛盾日趋突出的有效途径。人工砂表面粗糙，石粉颗粒细小，增大混凝土的用水量，增大混凝土开裂的倾向，另一方面，人工砂具有增大混凝土强度的特性，可减小混凝土开裂的倾向，因此对人工砂混凝土的抗裂性能有必要进行全面的研究。

水泥的粉磨技术与强度提高。随着粉磨技术提高，近年来水泥细度愈来愈高，水泥中具有较高活性的＜0.045mm颗粒达到70%以上，水泥强度提高，特别是早期强度。目前我国常用硅酸盐水泥实际活性要比30年前高出2个强度等级。目前使用的42.5普通硅酸盐水泥相当于过去的525#水泥，或更早标准的600号水泥。

第三代聚羧酸外加剂将逐步取代第一、第二代混凝土外加剂。从纸浆废液中提取的第一代混凝土外加剂木质素磺酸盐到第二代的萘系磺酸盐甲醛缩合物等,由于萘系产品采用的石化萘（80%左右）品质出现很大波动，硫酸盐超标，且存在的甲醛对人和环境有害。而聚羧酸外加剂生产过程环保，工艺简单，具有超强的减水性能，产品从早期的减水型向功能型发展。在强化可持续发展和保护环境的潮流下，聚羧酸发展将是时代发展的必然选择。

4.2.3高抗裂混凝土的研究

水工混凝土重点不是追求更高的强度等级，而是研究提高混凝土的抗裂性和耐久性。以往进行的抗裂性混凝土研究中，多以掺加高效减水剂、减缩剂、抗裂剂、膨胀剂、增密剂、纤维等来改善混凝土某一两方面的性能，主要是使混凝土密实、减少收缩或使混凝土微膨胀，对影响混凝土抗裂因素指标的全面分析方面涉及不多。

而混凝土是一多元体，混凝土指标中影响混凝土材料本身的抗裂因素很多，可分两类：对混凝土抗裂性有利的因素（混凝土极限拉伸、抗拉强度、徐变、膨胀型自生体变等）和对混凝土抗裂性不利的因素（干缩、温度变形、收缩型自生体变、弹性模量等）。2003年，黄国兴等人对三峡大坝混凝土进行抗裂性分析时提出的影响因素较全面、物理意义较明确的混凝土抗裂指数公式[5]如下：

式中，εp为混凝土极限拉伸值，10-6；RL为混凝土轴拉强度；C为混凝土徐变度，10-6/MPa；G为自生体积变形，10-6（膨胀取正值、收缩取负值）；α为线膨胀系数，10-6/℃；Tr为水化热温升；εs为混凝土干缩率，10-6。分子是在拉应力作用下混凝土产生的极限拉伸变形与徐变变形，还有混凝土本身自生体积变形，分母为在温度与相对湿度变化作用下混凝土发生的有害收缩变形。两者比值越大，表明混凝土抗裂指数越大，混凝土抗裂性能越好。

抗裂性要求较高的混凝土用抗裂性指数来分析，使所配制混凝土真正达到高抗裂性能。当然，除了混凝土材料本身的抗裂性，水工混凝土结构的防裂措施还涉及温控设计和防裂施工技术。

4.2.4低热高性能混凝土

利用聚羧酸超高减水率特点，科学地大量使用矿物掺和料，提出“三低一高”低热高性能水工混凝土的发展方向，即低水胶比、低用水量、低水泥用量、高粉煤灰掺量。

近年来，粉煤灰等掺和料单价迅猛增长，据统计，掺和料运到工地的单价已相当于水泥单价的80%以上，必须考虑粉煤灰效益发挥的问题。掺和料在混凝土中主要效应有：①与水泥生成的Ca(OH)2发生二次水化反应，产生后期强度; ②填充空隙，改善和易性。因此，可以将其填充空隙作用由其他粉体材料替代，如用人工砂中石粉作为粉体材料置换部分掺和料达到改善混凝土和易性的目的。

4.2.5沥青混凝土防渗技术

沥青混凝土以其优良的防渗性能、适应变形能力、裂缝自愈能力，在水电工程，尤其是土石坝工程中有着广泛的应用前景。生产石油沥青的原油成分复杂、沥青和沥青混凝土的流变性能决定其为较复杂材料。随着我省抽水蓄能电站持续建设、面板坝建设数量逐年递增，给水工沥青混凝土技术提供了发展契机。今后应从材料试验、计算理论和工程应用方面开展进一步研究，促进沥青混凝土防渗技术在我省的应用和推广。

4.2.6高耐久性与适应性的水工修补材料

⑴结构补强加固材料。碳纤维补强加固技术由于施工简便，不增大截面、重量，不改变外形，日渐受到国内外工程界重视。目前国内生产碳纤维片，在材质均匀性、预浸树脂含量等关键技术方面与国外相比，尚有较大差距。

⑵混凝土表面修补与防护材料。修补材料应具有良好耐久性，并优于老材料；新老材料应有良好的粘结性能；新老材料的线膨胀系数尽量接近；新老材料的收缩性能应基本一致；新老材料的弹性模量应尽量一致。

对于混凝土表面已产生破坏的情况, 包括出现顺筋开裂、混凝土崩落、钢筋锈蚀、混凝土局部剥蚀等, 原则上应采用局部修补和全面封闭防护相结合的方法。用于表面直接保护的材料有：①有机涂料：改性VAE柔性防碳化涂料，颜色可调； SK手刮聚脲分为抗冲磨型和防渗型两种，可用于水位变化区和水下混凝土表面防护。双组份喷涂聚脲适用于混凝土迎水面大面积修补；②水泥基类材料：高标号水泥砂浆、预缩砂浆、聚合物水泥砂浆，可研究应用聚合物砂浆（混凝土）掺加减缩剂以减少收缩、龟裂。修补的效果与修补的工艺关系密切，基面的处理、修补层厚度以及施工面光滑程度等直接影响修补效果。

⑶灌浆材料。目前省内工程灌浆材料主要有水泥、水泥粘土类浆液、水泥-水玻璃类以及各种化学材料（丙凝、聚氨酯类）。化学材料由于价格昂贵、有污染而受到一定限制。超细水泥基灌浆材料具有与化学灌浆相似的良好渗透性和可灌性，具有更高强度和耐久性，同时环保、无污染。目前一种新型固结灌浆材料已在大坝防渗、堵漏及地基加固等工程中备受关注，它由主料和辅料两部分组成，主料部分所含矿物主要是无水硫铝酸钙和硅酸二钙，具有较高的水灰比（1.0～2.0），流动性好，易于灌浆设备泵送，且可以结合外加剂使用，更好地发挥新型灌浆材料的性能。

4.2.7新型水工金属材料应用与防腐技术

加快能兼顾环境美化、旅游景点开发的新型结构钢闸门在我省水利工程中的设计与应用。莆田木兰溪、金莆供水等引调水工程大量使用钢管，加之已建闸坝金属结构的防腐维护，有必要应用防腐新材料新技术，降低工程寿命周期维护成本。其中聚脲喷涂弹性体在钢架结构、引水管线、金属闸门的防腐防护处理，特别对海水侵蚀的构件具有独特的防护作用。热喷涂金属阶梯涂层钢结构防腐新技术闸门水线附近等一些经常受摩擦、冲刷部位，采用热喷涂金属阶梯涂层防腐技术，其涂层耐磨损，外观整洁，保护周期长，防腐性能好。

4.2.8水生态保护和修复新材料新技术

4.2.8.1 河道修复断面设计

河道断面型式上引入园林设计理念，建成园林式河道，突出亲水、绿化。以福州内河为例，采用复式断面[6]（见图1），常水位以下采用挡墙或护坡，常水位以上土坡种植草皮、低矮灌木、杨柳，常水位处设置亲水平台。

图1 河道式复式断面

4.2.8.2 水生态保护与修复用材料

①生态混凝土球（见图2）。生态混凝土球具有较强的抗冲刷性能以及粗骨料的多孔构造，植物生长必需的养分和根系能够进入多孔质生态混凝土连续空隙中，是一种能呼吸的混凝土，土壤与外界可以进行水气交换。生态混凝土球凸起的球体可以营造多样化的边界水流环境，形成丰富的水力多样化条件，其孔间间隙适合本地物种生存，波浪水流拍打岸坡的同时，掉进生态混凝土孔隙间，缓解硬流硬冲击格局，采取“以柔克刚”策略能较好地起到消能效果。

图2 生态混凝土球护岸

②自锁装置相搭接植生块护岸方案（见图3），由于植生块之间开孔（开孔率达30%），为河道与陆地之间的水文交换提供通道，也为植物生长留有空间，植生块间采用自锁装置相搭接形成护岸加筋格局，较抛石以及四边形预制混凝土块整体性强。但需要尽快培育成根系较为发达的植被，否则在水流的强烈来回淘刷下，易引起块间孔隙内和块下土体淘空。

图3 植生块互锁方案

③异型块鱼巢（见图4），在水下砌筑异型块鱼巢，为鱼类等水生动物提供栖息等生存环境，可增加河流生态系统多样性并提高水体自净能力。

图4 异型块鱼巢

④抛石缝间种植香根草（见图5），利用香根草发达根系的锚固作用，配合抛石进行海堤护岸加固，抛石由于香根草植株的拦截作用，不会被水冲走。同时抛石也保护了地表土不被水流及雨水冲走，两者互相配合，效果较好，香根草植株间的空隙也给本地植被提供一定的空间。

图5 抛石缝间种植香根草

5 存在问题与解决对策

近些年来，福建省在项目带动科技发展下，水工材料特别是水工混凝土材料方面研究应用取得了一定的成果，但在水工材料全面发展和推广应用方面仍有些不足。

5.1 存在问题

5.1.1我省水工材料发展不均衡

部分领域发展有一些优势，但仍有许多领域相对滞后。我省在碾压混凝土方面有较明显优势，形成了具有地方特色技术。万安溪、芹山、街面等工程面板混凝土防裂技术取得成功，在仙游抽水蓄能电站上库、下库面板混凝土施工中掺用纤维素纤维，取得了良好应用效果。2001年起，开始研究CSG筑坝材料配合比与材料特性，于2004年成功应用于街面水电站的量水堰，成为我国第一座永久性的胶凝砂砾石坝工程。之后在洪口水电站上游围堰35.5米级胶凝砂砾石高坝取得技术突破。土石坝低弹模塑性混凝土防渗墙技术已经在宁化桥下、南安坂头、长乐三溪等多座水库除险加固工程中成功应用。近年我省出现了一种全向互锁型生态护底砌块，在福州、宁德、南平、三明等地的生态挡墙和护坡中使用，效果较好。但与国内外新型水工材料的发展与应用相比，我省在诸多方面相对滞后，如高分子和有机无机复合的修补材料、堆石混凝土、水工沥青混凝土防渗体技术、水工钢结构与新型结构的钢闸门应用、活动金属防洪墙方面、发展新型防腐技术、生态堤岸与河流形态修复工程等诸多方面技术相对滞后或处于空白状态。

5.1.2自主研究成果少

我省水利科研单位少，每年在水工材料发展研究方面投入的力量有限，近年来水工材料方面科研成果较少。

5.1.3设计理念未与时俱进

由于水工新材料新技术的推广应用往往需要规划、设计等部位或单位支持，因规划设计单位的设计理念、工程应用条件等方面的制约，国内外的一些新型水工材料与水工材料应用技术尚未能在我省大范围地推广应用，同时存在示范工程少、规模小等现象。

5.1.4对新技术未能有效吸收与应用

近期建设的河道整治工程、土石坝除险加固工程，有一部分工程，直接照搬其它地区的个别做法，除险加固项目多以大坝上下游坡面、坝顶硬化为主，尤其在背水坡面改造中一些工程使用较多石材甚至薄层抛光板材，未能贯彻绿色生态、人与自然和谐的理念。

5.1.5配套施工技术有待改进

在近些年大坝加固工程中，部分工程对闸墩、坝体坡面、溢流面等结构部位进行混凝土面层防护，现较多出现空鼓、开裂和成片剥落。一些位于较高处有剥落迹象的修补面无形中形成了新的安全隐患。若短时间内重新翻新，不仅造成经济损失，而且严重浪费资源，引发社会问题。由于每个工程具有自身特点，施工技术、施工环境、施工工艺不同，水工修补材料的修补效果也明显不同，故需改进与提高水工材料配套施工技术。

5.2 对策

5.2.1政策鼓励、资金支持

新型水工材料的发展与工程应用离不开决策层面的政策鼓励、资金支持。对于已取得一定成就的我省水工材料，应加大推广示范应用的力度，如CSG筑坝材料、土石坝低弹模塑性混凝土防渗墙技术、纤维抗裂面板混凝土等；对于发展相对滞后或基本处于空白的水工材料，如大型钢结构、新型水工闸门、生态混凝土、绿色水工结构工程、新型金属结构防腐技术等给予一定的政策鼓励措施，增加资金支持力度，增加试点示范工程，有利于加快这些水工材料的推广应用节奏与步伐。

5.2.2规划、设计理念更新

提供平台与渠道，鼓励规划设计单位采用水工新材料、新技术，参加有关技术交流活动，特别是项目建设单位、项目主管与审查部门，在新型水工材料应用研究方面给予技术支持。

5.2.3技术的消化与吸收

针对河道整治工程、土石坝除险加固工程一些简单做法，强调技术的消化与吸收，避免生搬照套。根据每个工程特点，同时贯彻绿色生态、人与自然和谐的理念，提出适合我省发展的新型水工材料与施工技术。

5.2.4施工技术引进与更新

水工新材料的推广应用与其施工技术是相配套的，结合每个工程具体特点、施工环境，发展相应的施工技术、施工工艺，培养施工技术力量，有利于新型水工材料的推广应用与健康发展。