水工程结构缺陷加固技术-全球应用与耐久寿命

在水工程兴建与除险加固施工中，水泥、混凝土用量很大，往往占水库大坝、水闸等的建材用量一半以上，只是堤防工程相对少些，但其不可或缺和替代。

水泥通常有五大类（表2.20），相应用途不尽相同。作为水工程尤其是坝工混凝土所用的水泥，通常采用波特兰（portland）水泥即“硅酸盐水泥”。这类水泥，由表2.20可见，配置高强混凝土是优势，然而，作为坝工却又往往是大体积现浇，故采取传统的“按强度设计混凝土”模式。不可避免地出现“无坝不裂”的病态，除非在现浇时采取一种“混凝土预冷二次风冷骨料技术”[1]。

表2.20　五大类水泥的特性与适用范围

在我国乃至全世界，除了三峡大坝第三期右岸400万m3现浇混凝土，以及龙滩水电站大坝、南水北调中线丹江口大坝加高等工程和巴基斯坦、埃塞俄比亚等国采用了长江设计院上述发明未出现混凝土裂缝外，其他所有水工程的混凝土均有裂缝病害，而且随着时间的推移，大坝老化等，病险水工程除险加固就势在必行。

除险加固水工程的混凝土，当前有三种配制途径。

（1）“按强度设计混凝土”的传统模式配制。

1）水泥：在各种硅酸盐水泥基材上，现场大量外掺粉煤灰、煤渣、矿渣、烧粘土、天然火山灰等以降低工程造价。这种作法带来的后果是，混凝土强度与水化热淡化。实际的“胶凝材料（水泥加上述各混合料）”中，CaO仅有15%～35%，致使混凝土严重缺钙，抗碳化（中性）能力下降[2]。

2）水灰比：当在现场大量外掺混合料的坝工混凝土，使《水工混凝土施工规范》（DL/T 5144—2001）的水灰比（即水与水泥之比）等同了水胶比（即水与水泥+掺和的混合料之比）。实质上，“水灰比”与“水胶比”是两个不同概念。令水为“W”，水泥为“C”。混合料为“F”，则水灰比≠水胶比，除非“F”=0。若坚持水灰比等同水胶比来配制混凝土，无疑就导致混凝土组织结构疏松，耐久性低下。因为，当大坝外部混凝土的水胶比时，实际上的水灰比；而当大坝内部混凝土的水胶比=0.7～0.8时，实际上的水灰比。

（2）采用混凝土预冷二次风冷骨料技术的坝工混凝土模式配制。所谓“混凝土预冷二次风冷骨料技术”，就是改变常规的“三冷法”（水冷骨料加上风冷保温，最后加片冰拌制混凝土）为“二次风冷骨料”工艺，最后加片冰拌制混凝土，即第一次风冷代替常规的水冷骨料工艺。骨料第一次风冷完成后再通过上料胶带机进入拌和楼贮料仓，对骨料进行第二次风冷，以达到所需的骨料温度。

常规“三冷法”与革命性的混凝土预冷技术“二次风冷骨料加片冰拌和法”的区别，就在于预冷效果——温度的差别上，见表2.21。(www.xing528.com)

表2.21　基础约束区坝工混凝土预冷方法及其效果对比表*

① 龙慧文，罗清.两次风冷骨料新技术在三峡工程中的应用.水利水电快报，2001（15）。
② 每立方米混凝土加40kg片冰及6～8℃冷水拌和。
* 刘崇熙.三峡大坝混凝土耐久寿命500年的设计构想，中国土木工程学会混凝土耐久性专业委员会主编.第四届全国混凝土耐久性学术会议论文集。苏州：苏州大学出版社，1996。

从本质上讲，采用混凝土预冷二次风冷骨料技术作坝工混凝土的配制模式，仍旧坚持了“按强度设计混凝土”的理念，但它与传统的模式根本不同之处在于，二次风冷骨料的革命性混凝土预冷技术，既保证了坝工设计要求的混凝土强度值，又使大体积现浇的混凝土没有裂缝（纹）。没有裂缝（纹）的坝工混凝土，在一定意义上就意味着其寿命高、耐久性长。

（3）按水工程“耐久寿命设计混凝土”的自然主义模式配制。诠释按水工程“耐久寿命设计混凝土”的自然主义模式配制，在理念上，是将混凝土推向持续发展，并把混凝土建筑物与自然环境融为一体的“目的论”。在技术上，是总结世界长寿大坝混凝土经验：采用波特兰水泥当其外掺火山灰时，则以“波特兰水泥1/2+火山灰1/3+CaO1/6”同时补钙；坚持采用低水灰比（外部，内部和较富裕的水泥用量[220（内部）～273（外部）kg/cm3]，同时，强调“冷混凝土浇筑和坝块冷却以及加气—减水剂技术”。这一模式途径，初步被日本的大井坝（1921～1924年建造）、美国的胡佛大坝（建成于1935年）和日本的冢原坝（1938年建成）等所印证，并取得大坝混凝土强度随时间推移而增长的数据（91天为17MPa；34年为40MPa），相应大坝混凝土表层抗碳化（中性化）厚度在0.19～0.36mm。

刘崇熙博士等研究认为[3]：理想的长寿混凝土设计，采用初始水灰比，可取得当抗冻标号Dn≥D800时，混凝土的“半衰期（T）”=347年的结果。它意味着该混凝土耐久寿命在500年以上。

这一推论，基于国外的混凝土同类研究与实验结果，其中以美国的帕威斯研究最为典型。

帕威斯（T.C.Powers）[4]研究结果表明，完全水化的之波特兰水泥石，是一种无毛细孔结构的水泥凝胶，其凝胶孔空隙约为28%，说明水泥凝胶组织致密；实验检测得到的凝胶孔径仅为5～40Å，只能容纳2～15个水分子，故其渗透系数小于2.5×10-12 cm/s，相当于新鲜完整结晶的花岗岩之抗渗性水准；如此微量的凝胶水即使超冷（-78℃）也不结冰；超干燥（低于30%湿度）也不蒸发收缩。这就是说，长寿混凝土的关键在于选择低水灰比并完全水化的，如此，就同样收到与“混凝土预冷二次风冷骨料技术”“按强度设计混凝土”——没有裂缝（纹）混凝土的耐久长寿效果。

以上三种模式，对水泥混凝土的基材[水泥、骨料（石子、砂）、掺和料（粉煤灰、凝灰岩粉、矿渣微粉、硅粉、粒化电炉磷渣、氧化镁等）、外加剂（普通减水剂、高效减水剂、缓凝高效减水剂、引气减水剂、缓凝剂、高温缓凝剂、引气剂、泵送剂等]水均有严格要求，它们反映在《水工混凝土施工规范》（DL/T 5144—2001）的第5章内，简述如下。