1.2　贵阳院水工混凝土材料研究特点

1.2.1　技术优势

贵阳院材料团队自1986年成立以来，一直致力于水工混凝土材料的应用研究，在主持和参与了国家及省部级多项重点科技攻关的基础上，特别是自国家西电东送系列工程开工以来，研究出了一批高水平的科研成果，获各级科技奖励30余项，其中国家级奖励3项，省部级奖励16项。经过32年的发展，贵阳院材料团队形成了12大技术优势：

（1）碾压混凝土筑坝材料的试验研究及应用。

（2）碾压混凝土材料层间结合试验研究。

（3）高寒地区碾压混凝土筑坝材料技术。

（4）混凝土超高粉煤灰掺量技术。

（5）混凝土新型掺合料的综合利用技术。

（6）不同岩性骨料在混凝土中的应用研究。

（7）抗冲耐磨混凝土的应用研究。

（8）自密实混凝土的应用研究。

（9）膨胀剂的应用研究。

（10）面板堆石坝筑坝材料的试验研究。

（11）四级配混凝土原材料及配合比试验研究。

（12）环氧树脂灌浆材料性能检测研究。

1.2.2　研究特点

贵阳院在材料研究方面具有以下特点：

（1）密切结合工程应用开展材料研究，在推行“材料为结构服务”理念的同时，注重材料创新对结构设计创新的引导。

材料与结构是相辅相成、相互促进的关系。一方面，材料研究要服务于结构设计。设计是工程建设的龙头，出于工程安全角度考虑，结构设计一般基于应用较为成熟的常规材料，提出对材料的性能参数，所以材料研究首先要满足设计提出的性能要求。另一方面，材料研究也为结构设计的创新提供可能。特别是当某种材料匮乏，并且通过材料研究发现更为廉价的替代材料时，出于工程技术经济性角度考虑，促使结构设计采用新材料的性能参数重新计算，从而推动结构设计的创新。

（2）在混凝土原材料的选择上，因地制宜，尽量采用当地材料，“用二流的原材料配制一流的混凝土”。

随着现代工业的飞速发展，原材料制备技术不断提高，水泥、粉煤灰、砂石骨料、外加剂等原材料的品质也得到了较大提升。在原材料品质提升的同时，多数设计者倾向于采用相对优质的原材料制备优质的混凝土，从而对原材料提出较为苛刻的技术要求。例如：在大坝混凝土设计时，为降低大体积混凝土水化温升，要求采用中热水泥甚至低热水泥；为进一步降低混凝土用水量，放弃使用Ⅱ级粉煤灰而要求使用Ⅰ级粉煤灰。其实，这是一个很大的误区。

混凝土是一个复杂的多元体系，任何一种原材料都不能孤立的将其品质定为优或劣，而应通过配合比的设计和试验研究，找到最适合的配比和使用方法。另外，从工程经济性考虑，片面要求使用优质的原材料也将大大增加工程造价。

贵阳院在材料研究中，重视工程技术经济效益，倡导结合工程实际的因地制宜原则，尽量采用当地材料，并且充分利用工业废渣，实现与环境协调的绿色可持续发展。例如：在粉煤灰资源丰富的贵州，贵阳院研究开发超高粉煤灰掺量应用技术；而在粉煤灰资源匮乏的西藏地区，则选择不同岩性石粉作为掺合料进行应用研究。

1.2.3　新技术应用简介

混凝土原材料的创新是实现混凝土具有不同性能的基础。贵阳院紧密结合工程特点，在混凝土原材料选择方面大胆创新，通过大量系统性试验研究，积累了丰富的应用研究经验。以下简要介绍部分混凝土原材料的应用实例，有关混凝土新技术研究与应用的内容将在后续章节详细介绍。

1.2.3.1　水泥应用实例

贵阳院自1958年建院以来，先后完成了乌江、南盘江、北盘江、清水江、赤水河、澜沧江（西藏境内河段）等30余条大中型河流的水能开发规划和150余座大中型水电站的勘测设计，特别是碾压混凝土筑坝技术上积累了许多宝贵的经验。结合贵阳院材料专业技术优势，总结了水泥在水电项目上的应用实例。

1.硅酸盐水泥

硅酸盐水泥应用可追溯到20世纪90年代初期贵阳院设计建成的普定水电站碾压混凝土拱坝。它是我国第一座坝体高度超过70m的碾压混凝土拱坝。电站大坝建设中通过对碾压混凝土重力坝结构材料、施工、设计研究，提出了普定拱坝采用碾压混凝土筑坝新技术的大胆建议。在筑坝材料方面选用Mg O含量较高的纯硅酸盐水泥，水泥厂家不需要掺用混合材，而是在混凝土配合比设计中提高掺合料掺量来降低混凝土的水化温升。考虑到混凝土自身收缩性能，首次通过掺入Mg O和选用MgO含量较高的纯硅酸盐水泥使碾压混凝土自生体积变形呈微膨胀型，以补偿混凝土温降收缩，从而提高碾压混凝土抗裂能力，介于当时研究时间仓促，该成果只应用到了坝体强约束区垫层混凝土中。

2.普通硅酸盐水泥

我国西部水资源丰富，水利水电开发基本处于西部地区，而西部工业发达程度普遍不高。从原材料水泥的选择上，如果大量采用适宜大体积浇筑的中低热水泥则需要从中、东部地区采购，运距太远，加之西部地区交通条件复杂，对工程的经济性将造成影响。同时，通过调研贵州境内几家主要水泥厂生产的中热硅酸盐水泥与普通硅酸盐水泥，对比发现，普通硅酸盐水泥比中热硅酸盐水泥的强度一般要高出6～10MPa，普通硅酸盐水泥的水化热也不高，中热硅酸盐水泥的热强比比普通硅酸盐水泥还要略高一些。从水化热、强度和经济性分析，贵阳院本着尽量采用当地材料筑坝的理念，在实际的工程设计中主要考虑使用普通硅酸盐水泥，并不刻意追求采用中低热水泥。

采用普通硅酸盐水泥时，可以对生产厂家提出技术要求，对水泥的强度、水化热、MgO、碱含量、比表面积和熟料矿物组成等指标要求要高于现行国家标准，并利用驻厂监造的方式对水泥生产质量进行控制，保证水泥的高品质和质量稳定。此方法使得普通硅酸盐水泥符合碾压混凝土的应用特点，节约了成本。表1.2-1为部分普通硅酸盐水泥的工程应用实例。

3.中、低热硅酸盐水泥

水泥的水化热和强度是一对互相关联又互相矛盾的性能，即水化热愈低则强度也愈低。中、低热水泥中C3A和C3S含量较低，比表面积、早期水化活性相对也较低，7d强度为28d强度的40%～60%。在贵州省构皮滩水电站、四川省官地水电站、重庆市江口水电站和藤子沟水电站都应用了中热硅酸盐水泥。在四川省枕头坝一级水电站应用了低热硅酸盐水泥。表1.2-2～表1.2-4分别列举了构皮滩水电站使用的中热硅酸盐水泥（P.MH42.5）的矿物组成、化学成分及水泥物理力学性能试验结果，水泥各项性能指标均符合《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥》（GB/T 200—2003）的要求。

1.2.3.2　掺合料应用实例

1.粉煤灰

粉煤灰作为混凝土的掺合料，在贵阳院设计的水工混凝土工程中推广应用始于1989年，主要应用在贵州省东风水电站常态混凝土拱坝、普定水电站全断面碾压混凝土拱坝、红枫水库堆石坝坝体防渗灌浆等工程。在今天，粉煤灰作为主要掺合料已广泛应用于水工混凝土中。

1989年贵州省清镇火电厂建成了装机200MW火电机组，采用了静电除尘系统，但其一、二、三电场混排粉煤灰的质量只是Ⅲ级粉煤灰或等外粉煤灰，由排灰系统加水后用浆泵送至粉煤灰库，未能加以利用。当时的贵阳院科研所正在进行东风水电站常态混凝土拱坝的混凝土配合比科研工作，混凝土配合比中需掺用粉煤灰，而当时贵州省尚无商品粉煤灰供应，只能到广西壮族自治区田东火电厂和云南省普坪村火电厂取粉煤灰进行混凝土配合比科研工作。在贵州省电力局的大力支持下，在清镇火电厂建成了一个临时粉煤灰干灰回收系统，利用铰笼取粉煤灰设施，通过对该火电厂粉煤灰进行的系列试验表明，其粉煤灰品质差，烧失量高，细度粗，只能达到Ⅲ级粉煤灰或等外粉煤灰水平。后经多方共同努力，清镇火电厂建成了贵州省第一条商品粉煤灰加工回收系统——风选粉煤灰加工储存系统，其风选粉煤灰的细度可达到Ⅰ级粉煤灰，烧失量只能是Ⅱ级或Ⅲ级粉煤灰，该粉煤灰先后应用在贵州省东风水电站大坝常态混凝土和普定水电站碾压混凝土中。20世纪90年代后期，贵州省火力发电厂装机越来越大，环保要求越来越高，几乎所有电厂都建成电收尘系统，在总结清镇火电厂风选粉煤灰加工回收商品粉煤灰供应系统的经验后，推广了商品粉煤灰加工储存经验，随着加工工艺水平的提高，特别是火电厂煤炭燃烧工艺的提高，贵州省内已有火电厂的商品粉煤灰达到Ⅰ级粉煤灰水平，结束了贵州省没有Ⅰ级粉煤灰的历史。

东风水电站是当时亚太地区最高最薄的常态混凝土拱坝，厚高比为0.163，在坝体混凝土42.56万m3中，掺用了清镇火电厂风选粉煤灰，每方混凝土用粉煤灰量达到胶凝材料总掺量的35%（60kg/m3），完全满足设计的各项性能指标要求，该工程粉煤灰总用量达3万t。

普定水电站是当时世界最高的全断面碾压混凝土拱坝，其迎水面为二级配防渗碾压混凝土，背水面为三级配碾压混凝土，混凝土总方量为23.1万m3，在坝体碾压混凝土中，采用了纯硅酸盐水泥，掺用了清镇火电厂粉煤灰达55%或65%，三级配碾压混凝土用粉煤灰达99kg/m3，二级配碾压混凝土用粉煤灰达103kg/m3，碾压混凝土配合比的各项性能指标满足设计要求，该工程粉煤灰量总用量3万t。

粉煤灰在两个水电工程的应用中，改善了混凝土的和易性和工作性，保证了混凝土的质量，降低了坝体混凝土绝热温升，东风水电站掺用35%的粉煤灰后，绝热温升下降了4.5℃，普定水电站掺用55%和65%的粉煤灰后，绝热温升分别下降了6.5℃和8.0℃，防止和有效减少了混凝土的温度裂缝，提高了工程质量，降低了工程造价，为贵州省成功建设高薄常态混凝土拱坝和第一座全断面不分缝自防渗的碾压混凝土拱坝创造了条件。

进入21世纪以后，贵阳院设计了贵州、四川、重庆、新疆、西藏等30多个水电工程，使粉煤灰在水工混凝土中的应用进入了一个新的高峰期。

贵阳院水电工程筑坝混凝土的粉煤灰掺量，以1989年最初设计的贵州省东风水电站大坝常态混凝土掺用Ⅱ级粉煤灰30%～35%，和普定水电站坝体内部碾压混凝土掺用Ⅱ级粉煤灰65%（采用纯硅酸盐水泥）、外部碾压混凝土掺用Ⅱ级粉煤灰55%为标志，将我国水工混凝土材料技术提升到了一个新的水平。

进入21世纪以后，贵阳院设计的水电工程如贵州省洪家渡水电站、引子渡水电站、索风营水电站、大花水水电站、思林水电站、沙沱水电站、光照水电站、格里桥水电站、董箐水电站、毛家河水电站、石垭子水电站、沙阡水电站、善泥坡水电站、马马崖一级水电站、象鼻岭水电站、四川省枕头坝一级水电站、立洲水电站、固滴水电站、达维水电站、西藏地区果多水电站、新疆地区石门水库等，各工程均采用了粉煤灰作为掺合料。不同工程根据其设计的坝型结构特点，采用的粉煤灰掺量也不相同。2000年至2010年期间，粉煤灰的应用技术水平和国内同类工程相当，常态混凝土坝中粉煤灰掺量一般为20%～35%，碾压混凝土坝中粉煤灰掺量一般为40%～60%。

2010年以后，贵阳院创造性地开展科研工作，研究发明了超高粉煤灰掺量技术，针对碾压混凝土重力坝工程，大坝内部C9015三级配碾压混凝土中的粉煤灰掺量达到70%～75%，突破了碾压混凝土设计规范中65%的上限要求，在国内外尚属首创，从而提高了碾压混凝土的应用技术水平。

2.磷矿渣

磷矿渣作为水工混凝土掺合料，在美国20世纪80年代已开始试验研究，在国内研究不多，过去应用磷矿渣都是掺入水泥原材料中，作为水泥熟料制成磷矿渣水泥。

磷矿渣作为水泥混合材和混凝土掺合料使用的效果不低于粉煤灰和矿渣，但是磷矿渣在水泥和混凝土中的利用率却远不及粉煤灰和矿渣，主要是其料源偏少，磷矿渣在使用时要磨制成粉末，磨制成本偏高，作为掺合料使用存在早期强度低、凝结时间略长的问题。

云南省水利水电勘测设计研究院于20世纪80年代开始进行磷矿渣作为混凝土掺合料的试验研究，90年代初开始将研究成果应用于小型水利工程甲甸水库（砌石拱坝），并于1994年正式应用于鱼洞水库大坝混凝土工程。云南大朝山水电站采用磷矿渣和凝灰岩混掺作为混凝土的掺合料。

2004年至2007年贵阳院在贵州索风营水电站和四川官地水电站分别开展了磷矿渣作为混凝土掺合料的试验研究。2010年贵州沙沱水电站开展了大坝碾压混凝土磷矿渣和粉煤灰混掺的试验研究，并在大坝碾压混凝土进行了部分应用，效果较好。

从以上几个工程进行的磷矿渣作为掺合料的研究成果看，磷矿渣不宜单独作为掺合料使用，主要是由于磷矿渣的比重比粉煤灰大，并且电镜分析显示，磷矿渣微粒主要为棱角状，单掺磷矿渣混凝土泌水较大，和易性不好，因此磷矿渣宜与粉煤灰混掺使用。当磷矿渣和粉煤灰混掺时，两种掺合料的火山灰效应、形态效应和微集料效应相互叠加，形成工作性能互补效应和强度互补效应，可明显提高混凝土的和易性或可碾性和强度。

磷矿渣作为掺合料，以索风营水电站进行的C9030W8F100二级配闸墩混凝土和C9015W4F50三级配大坝内部碾压混凝土的试验研究成果为例，其混凝土有以下特点：

（1）磷矿渣和粉煤灰混掺的效果比单掺好，二级配闸墩混凝土磷矿渣和粉煤灰掺量各占15%，三级配大坝坝体内部碾压混凝土磷矿渣和粉煤灰掺量各占30%。

（2）掺入磷矿渣后混凝土的7d抗压强度比单掺粉煤灰的略低，28d抗压强度和90d抗压强度增长较高，尤其是碾压混凝土90d抗压强度最高增长30%，说明掺入磷矿渣后对混凝土的早期强度略有降低，但混凝土的后期强度增长较快，其充分利用了磷矿渣后期强度增长效应。

（3）混凝土的28d及90d的劈拉强度、抗拉强度、极限拉伸值、抗折强度均有一定提高，说明掺入磷矿渣后对混凝土的抗裂性能有一定提高，混凝土的拉伸变形要好于单掺粉煤灰的混凝土。

（4）磷矿渣混凝土随着磷矿渣掺量的增加其后期强度增长率更高，说明磷矿渣的掺量越高，其后期活性越好。

（5）掺磷矿渣能降低混凝土的弹性模量，特别是早期弹性模量。

（6）磷矿渣掺入混凝土能提高混凝土的抗渗性能和抗冻性能，从而提高了混凝土的耐久性能。

磷矿渣虽然是一种较好的掺合料，但由于其磨制成本相对于粉煤灰高，料源没有粉煤灰丰富，因此其使用没有粉煤灰广泛，但是若在磷矿渣料源丰富的地方使用，亦具有独特的优势。

磷矿渣的缓凝机理及其中的有害物质对混凝土的影响和与其他掺合料复掺改善混凝土的性能都有待进一步研究。新的高效矿物掺合料的研究和开发应用工作应加强，有关矿物掺合料的标准和规范也需要尽快修订和制定。

1.2.3.3　外加剂应用实例

1.萘系高效减水剂及膨胀剂在光照水电站的应用

光照水电站最大坝高200.5m，是当时世界最高碾压混凝土重力坝。当时，虽然国内外已建成多座碾压混凝土重力坝，但仍缺乏200m级碾压混凝土重力坝的建设经验，且该水电站地处夏季高温地区，给碾压混凝土重力坝的坝体结构、温度控制、筑坝材料、施工工艺等提出了新课题，要建设好高质量的世界最高碾压混凝土重力坝，必须解决好三个方面的主要问题：防裂、防渗、碾压混凝土的层面结合，同时还须解决碾压混凝土的抗冻耐久性问题。

（1）碾压混凝土减水剂应用。光照水电站大坝主体为碾压混凝土，碾压混凝土由于成型工艺特殊，为分层摊铺碾压成型，与普通混凝土有本质区别，正是由于这种独特的成型工艺，对碾压混凝土的凝结时间提出了要求，即凝结时间应满足施工要求，保证上层浇筑碾压时下层没有凝结硬化，否则上层碾压时会破坏下层混凝土结构，同时缓凝减水剂应能够有效控制混凝土的水化放热速率，避免集中放热形成温度裂缝。与普通混凝土有所不同，碾压混凝土由于流动性差、体系内自由水含量低、露天施工等条件限制，延长其凝结时间难度较大。尤其高温季节，使其凝结时间超过10h，是比较困难的，原因在于这种干硬性混凝土中富裕水分很少，固相组分充分接触，只要小部分水泥水化即可形成凝胶网络达到凝结硬化状态，而普通塑性混凝土掺加减水剂以后胶凝材料可以被充分分散在液相体系中，水化凝胶不易形成网络从而易延长凝结时间。

由于在夏季施工，最高温度超过40℃，环境气候干燥，碾压混凝土失水较快，凝结时间较短，为克服现场高温和干燥的条件，减小碾压混凝土Vc值的损失，并且有效延缓碾压混凝土凝结时间，这就要求混凝土外加剂厂家的减水剂必须适应现场气候条件的变化。在施工过程中，采用高温型缓凝剂配制的HLC-NAF缓凝高效减水剂，不仅满足碾压混凝土对凝结时间的要求，同时可以很好地控制水化热释放，有利于大体积混凝土温控，经过工程的实际应用，满足了光照水电站大坝碾压混凝土的施工要求，保证了层间结合质量。

针对各种碾压及常态混凝土配合比，在具体的使用过程中，HJAE-A混凝土引气剂能显著改善混凝土的和易性，减少拌和物的离析、泌水，气泡稳定性能优异，极大地提高了混凝土耐久性能。在与HLC-NAF缓凝高效减水剂复合使用时，相容性好，不影响相互间的性能，满足了现场施工的要求。

（2）坝基垫层混凝土Mg O应用。为了防止坝体混凝土裂缝，坝基垫层混凝土中掺入了辽宁海城生产的轻烧Mg O膨胀剂，其化学成分试验结果见表1.2-5，品质鉴定试验成果见表1.2-6。

本工程坝基垫层三级配混凝土设计强度等级为C9025W10F100，其混凝土配合比见表1.2-7，设计要求混凝土龄期为90d，水灰比为0.55，粉煤灰掺量为30%，自生体积变形60×10-6，工程采用了外掺轻烧MgO膨胀剂4.0%，再加上水泥中含的MgO，虽然MgO总量大于5%，但经蒸压安定性试验检验合格。混凝土自生体积变形性能试验成果见表1.2-8。

2.聚羧酸高效减水剂在沙阡水电站的应用

沙阡水电站位于贵州省正安县芙蓉江干流河段上，是芙蓉江梯级规划中的第七级，为碾压混凝土重力坝，最大坝高58.5m，装机容量50MW。

20世纪90年代，由于萘系高效减水剂的运用，继贵阳院承担的普定水电站工程碾压混凝土的粉煤灰掺量提高到60%～65%，东风水电站工程常态混凝土提高到30%～35%之后，截止到2009年，粉煤灰掺量都没有新的突破。从2009年开始，“高掺粉煤灰”技术陆续在贵阳院设计的董箐水电站、光照水电站、石垭子水电站得到了部分应用，还在贵州省台江县台雄水库也到了部分应用，均取得较好的试验研究成果。主要应用情况如下：

贵州省光照水电站：碾压混凝土重力坝，最大坝高200.5m，应用在坝顶C9020二级配防渗碾压混凝土粉煤灰掺量65%；在坝顶C9015三级配内部碾压混凝土粉煤灰掺量70%。

贵州省董箐水电站：面板混凝土堆石坝，最大坝高150m，应用在溢洪道泄槽边墙C30常态混凝土粉煤灰掺量50%。

贵州台雄水库：常态混凝土拱坝，应用在坝体C9020三级配外部常态混凝土粉煤灰掺量50%；C9020四级配内部常态混凝土粉煤灰掺量50%。

贵州石垭子水电站：碾压混凝土重力坝，最大坝高134.5m，应用在坝体上部C9015三级配内部碾压混凝土粉煤灰掺量70%。

贵州沙阡水电站：碾压混凝土，最大坝高58.5m，该工程全坝段采用高掺粉煤灰技术，采用重庆嘉南水泥公司生产的P.O 42.5水泥，遵义鸭溪火电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，贵州特普科技有限公司生产的GTA聚羧酸减水剂，砂石骨料为灰岩骨料。GTA聚羧酸减水剂性能试验结果见表1.2-9，三级配碾压混凝土配合比、绝热温升、自生体积变形、干缩变形等试验结果分别见表1.2-10～表1.2-13。

采用的贵州特普科技有限公司生产的GTA聚羧酸减水剂相对于萘系减水剂，其减水率较高、保坍性好，有效地降低了大坝碾压混凝土的用水量及胶凝材料用量。结果表明：碾压混凝土的层面泛浆效果良好，各项性能指标均满足设计要求。

高掺粉煤灰技术的成功应用，减少了混凝土的水泥用量，降低了单方混凝土综合造价，降低了温控措施费用，节约了工程投资，同时也降低了资源消耗、减少了废气、废物排放，节能环保、经济效益和社会效益显著。