水工混凝土材料研究进展综述

李家正

(1.长江科学院 材料与结构研究所，武汉 430010；2.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，武汉 430010)

1 研究背景

长江科学院(简称“长科院”)材料与结构专业创建于1951年，应荆江分洪工程和汉江杜家台分洪工程建设需求而诞生，随丹江口水利枢纽工程和陆水水利枢纽工程建设而逐步成长壮大，在深度参与葛洲坝工程和三峡工程科研中技术逐步走向成熟。

70 a来，为适应水工混凝土原材料向多元化、功能化、地缘化、低碳化发展，研究方向涵盖了水泥、矿物掺和料、砂石骨料与外加剂等原材料的研究与应用，促进了国内大坝混凝土水泥由中热硅酸盐水泥(以下简称“中热水泥”)向低热硅酸盐水泥(以下简称“低热水泥”)进步，开发应用了优质粉煤灰、磷渣粉、石灰石粉、天然火山灰质材料等掺和料品种，推荐了满足施工进度、工程质量且经济环保的当地砂石料技术方案，并将补偿收缩材料、纤维增韧材料及防渗抗裂剂等功能材料引入水工混凝土中，引导大坝混凝土材料设计理念从强度主导向耐久性转变。以工程需求为导向，不断推动大坝常态混凝土、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、抗冲磨混凝土等的技术进步，结合理论研究与工程实践，形成不同类型水工混凝土的高性能化制备与调控技术，完善水工大体积混凝土裂缝机理与控制技术。持续为国内外众多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，开发了高性能的水工混凝土，凝练了奖励、专著、论文、专利、规程规范等一大批创新成果，引领了水工混凝土行业的技术进步和发展。

2 原材料向多元化、功能化、地缘化、低碳化发展

2.1 大坝水泥

1958年第一次三峡工程科研会议后，长科院随即开展了三峡工程混凝土用水泥的研究[1]。采用了国家标准《硅酸盐大坝水泥与矿渣硅酸盐大坝水泥》(GB 200—63)中的硅酸盐大坝水泥与矿渣硅酸盐大坝水泥，即目前的中热水泥和低热矿渣硅酸盐水泥。20世纪70年代初，长科院等单位开始研究低热微膨胀水泥的矿物组成范围，经过数百组配比方案的探索，终于制备出低热微膨胀水泥[2]。1975—1979年，低热微膨胀水泥先后在浙江省江波潭水库、长绍水库和福建省池潭水电站等工程进行现场试验。结果表明，低热微膨胀水泥具有水化热低、早期强度高，有微膨胀和补偿收缩作用[3]。使用低热微膨胀水泥筑坝，可以降低坝体内部温度，简化温控措施。与矿渣大坝水泥或纯大坝水泥相比，最高温度低3.8～5.8 ℃。1978年，低热微膨胀水泥获得全国科学大会奖励，1979年12月，获国家发明二等奖，1982年3月制订并颁布了《低热微膨胀水泥》(GB 2938—82)。

针对我国水电工程高坝大库长期服役的安全保障技术难题，从水泥源头提升水工大体积混凝土温控防裂与长期耐久性能，是推进水电建设和筑坝技术发展的新途径。低热水泥以硅酸二钙(C2S)为主导矿物，具有早期发热缓慢、水化热温升低、后期发展快的技术优势，可有效降低混凝土最高温度，有利于大坝混凝土的温控防裂，从而提高大坝及结构混凝土的抗裂安全系数[3]，因此，低热水泥非常适用于水工大体积混凝土[4]。不同品种水泥的品质指标见表1、化学与矿物成分见表2[5]。长科院在低热硅酸盐水泥矿物组成优化及技术指标，低热水泥混凝土的配制技术、性能发展规律及其微观机理，低热水泥抗冲耐磨混凝土设计与配制、温控防裂和应用，拱坝低热水泥混凝土全面性能、温控防裂仿真计算和反演分析等方面进行了全面系统的研究。低热硅酸盐水泥在白鹤滩、乌东德等工程全坝应用，混凝土浇筑方量超1 070万m3，截至目前未出现温度裂缝，为水工混凝土温控防裂开创了一条新的技术途径。在此基础上制定了《水电工程低热硅酸盐水泥混凝土技术规范》(DL/T 5817—2021)，该标准的发布为低热水泥在水电工程中的推广应用将起到积极作用。

表1 水泥的品质性能指标(强度等级42.5)[5]Table 1 Performance indicators of cement (strength grade 42.5)[5]

表2 水泥的化学成分与矿物成分[5]Table 2 Chemical composition and mineral composition of cement[5]

2.2 掺和料

2.2.1 粉煤灰传统掺和料

在混凝土中掺入粉煤灰等优质矿物掺和料取代部分水泥，不仅可以将工业废渣资源化利用，降低对自然资源和能源的消耗，还可以改善混凝土的抗裂耐久等各项性能，是发展绿色水工混凝土的重要技术措施。20世纪90年代以前，我国的水电工程建设规模普遍不大，混凝土掺和料使用很少，水工混凝土水泥用量高、环境负荷大，混凝土本身也易开裂、耐久性差，严重影响水工建筑物的使用寿命与安全运行。因此，提高水工混凝土的经济性和长期耐久性能，大力发展绿色混凝土，是水利水电行业实现可持续发展的研究课题。

1962年在修建陆水水利枢纽时，长科院采用武汉青山热电厂的粉煤灰作混凝土掺和料进行了试验，为三峡工程混凝土掺用粉煤灰奠定基础[6]。由于当时国内用粉煤灰作水泥的混合材料或混凝土的掺和料都处于起步阶段，对粉煤灰的品质尚未制定统一的指标。长科院与中国建筑材料科学研究院共同主持起草了我国第一个粉煤灰品质的国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB 1596—1979)；在1991年的修订版本中[7]，依据需水量比指标，将用于水泥混合材料、混凝土掺和料的粉煤灰分别划分为2个与3个等级；2005年的修订版本中[8]，将粉煤灰按CaO含量分为F类和C类2个类别，按需水量比分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3个等级。

最初为了获得满足细度要求的粉煤灰，往往采用磨细法将粗灰全部加工成细灰，但该方法能耗大、噪声污染严重，且磨细的粉煤灰需水量比不一定能得到改善，甚至在一定程度上会增大。为解决Ⅰ级粉煤灰难以生产的问题，长科院在1988年协助湖北松木坪电厂首次提出采用分选法加工粉煤灰，成功生产出Ⅰ级粉煤灰，并用于清江隔河岩工程，也为三峡工程使用分选法生产Ⅰ级粉煤灰积累了经验[9]。三峡大坝混凝土具有优异的长期性能，试件强度测试结果见图1，极限拉伸值跟踪观测结果见表3[10]。工程应用的成功经验为后续水利水电工程的掺和料应用产生了示范效应，先后在小浪底、龙滩、溪洛渡、向家坝、锦屏等国内外数百项水利水电工程中得到成功应用。同时，长科院主编了电力行业标准《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》(DL/T 5055—2007)，进一步推动了水工混凝土掺用粉煤灰技术的发展。

表3 三峡大坝混凝土试件极限拉伸值长期观测结果Table 3 Long-term observation result of the ultimatetension of concrete specimens of the Three Gorges Dam

2.2.2 新型矿物掺和料

随着水利水电工程建设的蓬勃发展，水工混凝土矿物掺和料的需求量也日益增加。然而，在我国粉煤灰与矿渣等传统矿物掺和料资源空间分布不均匀，很多地区粉煤灰供应紧张尤其是优质粉煤灰更是供不应求。因地制宜开发其他新型矿物掺和料或将粉煤灰与其他掺和料以合适比例掺入水泥基材料，已成为水工混凝土掺和料发展的必然趋势。开展新型水工混凝土矿物掺和料研究一方面可以适当缓解粉煤灰供应紧张问题、降低工程成本，另一方面可结合其他矿物掺和料的优势，取长补短，经过复掺改性后使混凝土的各项性能更加优异。

在我国水能资源最为丰富的西部地区，传统掺和料紧缺已经成为水工混凝土发展面临的新常态。为应对这一突出矛盾，根据“就地取材”原则，2000年以来，长科院逐步开发出了可部分或完全替代粉煤灰的新型矿物掺和料[11-13]，包括磷渣粉、石灰石粉、天然火山灰质材料等，并在许多水利水电工程建设中得到成功应用。如针对贵州索风营、沙沱以及湖北龙潭嘴等工程掺和料短缺问题，先后开展了大量试验工作[14-15]，为以上工程成功应用磷渣粉掺和料提供了重要的技术支撑。新疆特克斯山口水库是新疆地区第一座开工建设并投入运行的碾压混凝土重力坝，长科院通过长期的试验论证与研究[12]，首次将石灰石粉与粉煤灰双掺料成功应用于寒冷地区大坝碾压混凝土。针对西藏雅鲁藏布江中游电站工程粉煤灰资源短缺、品质波动大、运距远等问题，长科院因地制宜开发了凝灰岩粉天然火山灰质材料用作混凝土掺和料[16]，并成功应用于大古水电站，工程应用效果良好。

除此之外，还研究开发了钛渣粉、砂板岩粉、花岗岩粉、大理岩粉等材料用作水工混凝土新型矿物掺和料[17-18]。多年来，长科院紧紧围绕矿物掺和料技术开发、工程应用等关键技术难题，从作用机理、品质控制、配制与施工技术以及性能测试与评价等方面开展系统研究，开发出技术可行、经济合理的水工混凝土用矿物掺和料，并形成成套的应用技术标准体系，包括《水工混凝土掺用磷渣粉技术规范》(DL/T 5387—2007)、《水工混凝土掺用天然火山灰质材料技术规范》(DL/T 5273—2012)、《水工混凝土掺用石灰石粉技术规范》(DL/T 5304—2013)、《水工混凝土掺用硅粉技术规范》(DL/T 5777—2018)等，标准规定的各矿物掺和料主要品质指标对比见表4。

表4 各矿物掺和料主要品质指标对比Table 4 Comparison of major properties of mineral admixtures

2.3 砂石料

大中型水利水电工程多采用人工砂石料，且骨料在水工混凝土中体积比一般在80%以上，因此，骨料品质显著影响混凝土工程质量。理想的骨料应该是耐久、坚固、抗碱、不透水、尺寸稳定且符合最佳粒径分布的。然而，由于各坝址当地材料的差异性，现场可能遇到各种砂石骨料原材料技术问题，通过大量的专项科研成果，长科院为水利水电工程建设提供了相应的技术措施与科技支撑。

20世纪50年代和80年代分别研究了三峡工程风化砂与花岗岩人工砂的问题[1]，最终优选加工后的风化砂基本满足规范要求，通过掺外加剂和优质粉煤灰也能改善人工砂混凝土性能；还将骨料加工系统二次筛分出的石屑砂弃料成功用于三峡围堰塑性混凝土中[19]，变废为宝, 解决了场地堆放问题,又增加了塑性混凝土的变形能力。结合丹江口、百色、锦屏、龙开口等工程[20-21]，针对骨料级配不良、石粉含量大等常见问题，进行了系统的理论与试验研究，除合理改进生产工艺外，还提出用部分微石粉等量取代粉煤灰等措施，保障了大坝混凝土的施工进度与工程质量。

针对龙滩工程粗骨料裹粉问题[22]，提出了加强一次筛分水洗力度、增设二次筛分水洗系统等措施，并制定裹粉质量控制标准，增设刮砂机以提高碾压混凝土用砂中石粉含量，改进粗骨料跌落缓降设备以控制超逊径和中径筛余合格率，通过以上措施，大法坪砂石系统骨料从质和量上均完全满足龙滩大坝建设要求。针对锦屏一级、白鹤滩等工程遇到的表面锈染骨料问题[23-24]进行研究，结果表明骨料表面锈染物的存在，基本不影响混凝土的抗压强度，但一定程度上降低了混凝土的抗拉能力，因此，对于抗拉要求较高的部位及构件，建议适当控制锈染骨料用量，研究成果为锈染骨料对混凝土的性能影响评价及在大坝中的合理应用提供了技术支撑。

1952年，结合三峡工程，在国内率先开展碱-骨料反应探索性试验[25]。在70 a的研究中，先后对长江、黄河、金沙江、乌江、红水河、雅砻江、赣江、汉江、清江、额尔齐斯河、伊犁河、塔里木河等流域近百座重要水利水电工程骨料料源的碱活性及其抑制措施进行了试验研究和科学论证，为工程混凝土骨料料源的选择和碱活性抑制提供了科学方案。通过研究[26]，掌握了我国水利水电工程常用的岩浆岩、沉积岩、变质岩骨料碱活性特性，积累了大量珍贵的混凝土碱-骨料反应长期监测资料，揭示了不同岩石骨料的长期碱-骨料反应膨胀特性，不仅对我国工程混凝土骨料料源选择具有指导意义，而且为完善碱-骨料反应试验方法和评判标准提供了科学依据。对三峡闪云斜长花岗岩的长期碱-骨料反应试验已积累了30多年的观测资料，是国内碱-骨料反应最长的研究资料。在此过程中，逐步建立了适用于我国水利水电工程的混凝土碱-骨料反应试验标准和研究方法体系。相关成果纳入《水工混凝土试验规程》(SL/T 352—2006)、《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T 5151—2014)及《水工混凝土抑制碱-骨料反应技术规范》(DL/T 5298—2013)中。

尾矿是利用率较低的大宗工业固体废物。尾矿大部分以沟谷、低地为堆存地，污染水土，破坏环境，乃至造成灾害。随着国家对环境保护和土地管理的加强，尾矿的治理和利用已成为必须解决的迫切问题，仅对其中的有价元素进行回收减量效果十分有限，只有将其作为建筑材料利用才是最根本的出路[27]。近年来，长科院依托金沙江金沙水电站和银江水电站工程，研究了攀钢尾矿代替天然骨料作为大坝混凝土骨料的可行性。采用攀钢尾矿作为粗、细骨料制备了全尾矿骨料二级配、三级配和四级配混凝土。结果表明[28-29]，全尾矿骨料配制的混凝土抗压强度、极限拉伸值、抗冻性能和抗渗性能满足设计要求。在近似胶凝材料用量时，尾矿骨料混凝土与天然骨料混凝土的抗压强度、极限拉伸值、弹性模量和抗冻等性能接近。尾矿骨料混凝土的导热系数，导温系数和线膨胀系数更低，线膨胀系数与人工灰岩骨料配制的混凝土接近。目前，金沙江金沙水电站部分采用攀钢尾矿骨料，金沙江银江水电站拟全坝使用尾矿骨料。尾矿骨料的应用不仅能够满足工程的需求，同时具有良好的经济性和环保效益，对推动其他固体废弃物的综合利用起到良好的示范作用。

2.4 其他功能材料

2.4.1 补偿收缩材料

1982年在吉林白山重力拱坝首次发现高氧化镁含量水泥具有延时膨胀作用，对温降收缩具有补偿作用，可有效减少混凝土开裂风险[30]。1993年，杨华全等[31]研究了掺氧化镁的混凝土性能。混凝土抗压强度随氧化镁掺量的增加而降低，当掺量<4%，抗压强度降低不明显。混凝土的自生体积变形随氧化镁掺量的增加而增加，自生体积变形呈现为正值，但干缩和绝热温升等受影响较小[3-4]。轻烧氧化镁的膨胀开始时间在1～3 d，外掺6%轻烧氧化镁的混凝土在1 200 d时，自生体积变形仍保持膨胀增长的趋势[32]。近年来，长科院围绕掺氧化镁混凝土安定性、养护温度、力学性能、体积稳定性、抗裂性能等开展了大量的研究工作[33-35]。在此基础上，长科院积极推动氧化镁在水利水电工程上的应用推广工作。截止目前，国内已有40多个水电工程采用外掺氧化镁混凝土，如四川铜街子、贵州东风、索风营等大型水电工程。长科院作为主要起草单位主编了《水工混凝土掺用氧化镁技术规范》(DL/T 5296—2013)，为推动氧化镁在水工混凝土的推广应用提供技术支撑起到积极作用。

2.4.2 纤维增韧材料

水工混凝土常用的纤维有钢纤维、聚丙烯(PP)纤维、聚丙烯腈(PAN)纤维、玄武岩(BF)纤维、纤维素纤维和聚乙烯醇(PVA)纤维等。纤维材料的发展是由低弹低强到高弹高强、单一品种到多品种、性能逐步提高、工艺逐渐改善的过程。钢纤维是在水工混凝土中发展最早应用最广的纤维品种，应用于三峡、瀑布沟、天生桥一级等工程中并取得良好效果，但存在成本高、易结团、易锈蚀等问题，影响混凝土耐久性[36]。

长科院开展了掺PP的混凝土在三峡工程的应用研究[37-38]，PP纤维可有效减少混凝土泌水，抑制早期塑性裂缝的产生，提高早龄期抗冲磨强度8%，提高长龄期抗冲磨强度18%，提高早期抗折强度10%。PP纤维目前已成功应用于三峡二期泄洪坝段、巴家咀水库溢洪道、两岔水库防渗面板等工程，但PP纤维在热、氧、紫外线等作用下易老化，与水泥基材料的粘结性能有待提高。

相比PP纤维，PAN纤维的强度、弹性模量、延伸耐碱性、与水泥基材料结合等性能更加优良。研究表明，PAN对于抑制混凝土早期塑性裂缝和干缩裂缝是有效的，但是对于改善后期抗裂性能不明显[39-40]。PAN纤维目前已应用于世界最高水布垭面板坝的面板混凝土中，在30 000 m2的一期面板中仅发现少量裂缝。PVA纤维是抗拉强度最高、弹性模量最高的人工合成纤维之一，与水泥基材料具有良好的结合性，可提高早期及后期的混凝土抗裂性和变形能力，明显改善混凝土弯曲韧性。掺0.9 kg/m3PVA纤维7、28、90 d极限拉伸值分别提高5%、6%、4%，平板抗裂等级从Ⅱ级提高到Ⅰ级[41]。长科院采用温度应力试验机，研究了掺PVA纤维的开裂敏感性，掺PVA纤维的混凝土开裂温度为-7.3 ℃，抗裂性能优良[42]。

2.4.3 防渗抗裂剂

长科院研发了大体积混凝土防裂抗渗剂功能材料[43]，由激发剂、多种膨胀源和活性组分组装而成的多元复合材料，内含多种活性组分和激发剂，可等量替代水泥，显著降低混凝土早期水化温升，同时通过激发水泥-掺和料复合胶凝体系中混合材和掺和料的活性，提高混凝土后期强度，增加混凝土密实性，改善耐久性；引入缓释技术，通过多膨胀源复合组装技术，针对大体积混凝土常用水泥、掺和料在不同混凝土类别中的特性(结构特点、环境影响、施工要求等)和发展规律，提供相应的活性激发历程和补偿收缩历程，显著提高混凝土的体积稳定性，防止温度裂缝。目前，该材料已成功应用于湖北龙潭嘴电站碾压混凝土大坝中，并在西藏拉洛水利枢纽及配套灌区工程的厂房挡墙和坝面台阶的3个不同位置作为示范区域进行示范应用[44]，现场示范区域混凝土状态良好，无裂缝发生。

3 大坝混凝土材料设计从强度主导向耐久性设计理念转变

3.1 水工高性能混凝土的研究与应用

3.1.1 大坝混凝土耐久性设计理念的提出

1996年11月，长科院刘崇熙高级工程师在中国土木工程学会第四届全国混凝土耐久性学术交流会上，发表了“三峡大坝混凝土耐久性寿命500年设计构想”的学术论文[45]，提出“按混凝土建筑物耐久寿命设计混凝土”的设计新思维，拟改变“按强度设计混凝土”的传统观念。时任中国民主同盟中央常务委员会、副主席钱伟长教授附此文上书中央。党和国家领导人均给予批示，表示对三峡工程的高度关怀。由此，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[46-47]，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。

3.1.2 水工碾压混凝土

长科院于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，经过室内研究和1984—1985年在葛洲坝大江1号船闸下导墙左侧护坦的现场试验[48]，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[49]，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。2000年起为索风营、龙滩、彭水、银盘、阿海、观音岩、官地、沙沱等多个工程开展了碾压混凝土研究[50-52]，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120～150 mm，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[53-54]。

3.1.3 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[55-56]中，长科院提出了“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4～6 MPa、初始切线弹模800～1 500 MPa、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[57-58]。1998年汛期，三峡坝址出现了8次洪水流量>50 000 m3/s的洪峰，最大洪水流量61 000 m3/s，流量>50 000 m3/s的时间为36 d，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567 mm，最大拉应变为4×10-5，下游围堰防渗墙实测最大变形271 mm，上下游围堰实测渗水量分别为10 L/s和36 L/s，防渗墙防渗效果显著[59]。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。

3.1.4 水工沥青混凝土

长科院关于沥青混凝土的研究始于三峡茅坪溪工程，茅坪溪防护大坝最大坝高104 m，采用沥青混凝土作为防渗心墙，心墙高94 m，宽度为0.5～1.2 m，碾压式浇注施工，是当时国内最高的沥青混凝土心墙坝。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[60]，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-应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。根据研究成果，与长江三峡集团有限公司共同起草、修订了《水工沥青混凝土试验规程》(DL/T 5362—2018)，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、巴基斯坦Karot、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[61]。

3.1.5 其 他

长科院是国内最早开展抗冲磨混凝土研究的单位之一，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。同时，为改善混凝土韧性、降低塑性收缩、满足水工混凝土抗裂需求，制备了各类纤维增韧混凝土，成果应用于三峡三期工程、水布垭面板堆石坝、白莲河面板堆石坝、溪洛渡导流洞抗冲磨部位、锦屏喷射混凝土等，为解决水工混凝土裂缝问题提供了重要的技术支持[38-39]。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 40 mm的水工自密实混凝土制备技术。基于以上研究成果，编制了《水工混凝土配合比设计规程》(DL/T 5330—2016)、《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150—2006)、《水工碾压混凝土试验规程》(DL/T 5433—2009)、《水工喷射混凝土试验规程》(DL/T 5721—2015)、《水工自密实混凝土技术规程》(DL/T 5720—2015)等技术标准。

3.2 水工大体积混凝土抗裂技术研究

3.2.1 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。20世纪50年代，长科院就开始对大坝混凝土裂缝进行研究[62-64]。1978年“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。2005年，在国家自然科学基金重点项目“现代水工大体积混凝土裂缝机理与控制”的资助下，以工程为背景，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。

3.2.2 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)[65]，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[66]，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[67]，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。2004年至今，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，并被纳入《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150—2006)等行业技术标准。

4 展 望

奋进新时代，开启新征程。国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要明确指出，要实施国家水网骨干工程，推进重大引调水、防洪减灾等一批强基础、增功能、利长远的重大项目建设。“十四五”时期，我国水利仍将处于大规模建设时期。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。

未来我们将继续对以下几个方向进行深入研究：①简化水工自密实混凝土施工措施，扩大自密实混凝土应用范围，减少对现场人工的依赖，节约人力成本；②将装配式结构理念引入水工行业；③小方量、大体积混凝土控温技术；④低温浇筑技术；⑤高活性天然火山灰材料以及生态环境材料的开发与应用；⑥适用于不同冲磨介质的抗冲磨技术；⑦表面防护技术，包括自清洁混凝土，清水混凝土，防腐蚀、防生物附着混凝土等。总之，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。