水利工程结构材料研究成果综述

　　摘    要：　本文回顾了60年来中国水科院在水工结构材料方面取得的主要成果, 包括混凝土筑坝材料、结构模型试验、混凝土断裂力学、水工混凝土耐久性及评估、面板坝接缝止水、堆石坝沥青混凝土防渗技术、结构检测与安全评估和水工新材料等。回顾历史, 对于凝练创新文化, 启迪和激励未来发展, 是十分有益的。

　　关键词：　水工混凝土; 结构模型试验; 混凝土耐久性; 接缝止水; 水工沥青; 无损检测; 聚脲; 环氧材料;

 

　　Abstract：　Sixty years have passed since the establishment of Department of Structures and Materals (DSM) of China Institute of Water Resources and Hydropower Research (IWHR) . Furthermore, all the ma-terial sections of DSM have transformed into an enterprise in 2002, named Beijing IWHR-KHL Co., Ltd, and a new era of development in marketization has started. In this paper, the main research achievementsof the structural materials sections of DSM have been retrospected and reviewed, including concrete dammaterials, structural model test, concrete fracture mechanics, durability and evaluation of concrete, jointwater stop for CFRD, asphalt concrete facing of reserviors, structural inspection and evaluation, new repair-ing materials, etc., to celebrate the sixty anniversary of IWHR, which is very benificial to the condensa-tion of innovatory culture, the revelation and stimulation of the future research.

　　Keyword：　hydraulic concrete; structural model test; concrete fracture mechanics; concrete durability; joint waterstop; hydraulic asphalt concrete; nondestructive inspection; polyurea; epoxy;

　　水工结构材料学科是结构材料研究所的两大学科之一, 是我国为了适应水利工程建设的需要, 于1958年整合设立的。设立之后, 围绕着坝工建设的诸多迫切技术问题开展研究, 支撑了我国坝工建设的发展和技术进步。后期根据实际工程的需要, 开展了大坝混凝土老化病害与耐久性、性态检测与安全评估及修补材料技术的研究。2002年起, 所内各材料研究室全部转制为科技企业, 成立了北京中水科海利工程技术有限公司, 结构材料研究所沿着科研市场化的方向进入了新的发展时期。以下将建所60年来水工结构材料学科取得的主要成果分述如下。

　　1、 混凝土筑坝材料

　　建所早期, 根据刘家峡、三门峡和柘溪等工程建设需要, 针对混凝土筑坝材料开展了系统研究, 取得的成果主要包括: (1) 针对国家困难时期如何节约水泥问题[1], 研究出了包括火山灰、烧黏土、粉煤灰等掺合料的应用技术、塑化剂或塑化剂引气剂联用技术、预埋大骨料和骨料级配优化、大坝合理分区和如何利用混凝土后期强度等[2,3,4,5]。 (2) 鉴于国内这时还没有统一的试验方法标准, 参考国外经验, 开展了水工混凝土性能测试方法研究[6,7], 在不同试验方法对比试验、新仪器研制和性能验证试验等研究基础上, 编写了国内第一部《水工混凝土试验方法 (1958) 》, 并几经完善最终形成了《水工混凝土试验规程 (SD105-82) 》。该标准影响深远, 很多试验方法至今仍在使用。 (3) 针对配合比设计理论和方法欠缺问题, 开展了水工混凝土配合比设计和性能试验研究[8,9,10,11,12], 包括胶凝材料、骨料和试件尺寸影响、室内和实际混凝土性能相似性等, 研究了弹性模量、极限拉伸、徐变、导温系数等温控参数, 提出了采用低弹模高极拉、降低热强比等基本选材和设计思路, 并提出了混凝土质量控制管理方法, 这些成果至今仍在广泛应用。 (4) 针对水工混凝土抗冻性、耐久性问题, 研究了引气剂使用、掺合料抑制骨料碱活性等, 提出了不同环境分区混凝土的抗冻设计标号及室内室外抗冻相关性的建议值, 提出了不同坝高抗渗等级的设计推荐值, 解决了渗透系数试验难题[13,14,15]。这一时期围绕刘家峡大坝建设取得的一系列成果[16,17,18], 于1978年获得了全国科学大会奖, 这是文革前我所相关成果的集大成者, 与同期建设的三门峡大坝、丹江口大坝相比, 刘家峡大坝地处环境恶劣的西北地区却是耐久性最好的一座大坝, 这与当时先进的科研保障、良好的施工质量和严格管理是分不开的。这一时期的外加剂研究成果[19]也获得了1978年全国科学大会奖。

　　1978年, 结构材料研究所恢复重建后, 进一步取得了一些成果: (1) 在原有基础上研发出了DH萘系高效减水剂、松香热聚物引气剂, 并在龙羊峡大坝应用;DH萘系缓凝高效减水剂及801引气剂在湖南东江应用, 成果[20]于1985年获国家科技进步三等奖。 (2) 对粉煤灰进行了从颗粒形态、活性机理、物化特性, 到粉煤灰混凝土拌和物、力学、热学、耐久等全面系统研究, 提出了粗灰利用技术、超量取代法 (替代部分砂) 优化设计混凝土配合比, 回答了设计“贫钙”问题, 论证了粉煤灰混凝土的耐久性, 成果[21,22]获得1985年国家科技进步三等奖。我所还主编了《粉煤灰混凝土应用技术规范》 (GBJ146-90、GB/T 50146-2014) 和《水工混凝土掺用粉煤灰技术规程》 (DL/T 5055-1996) 。

　　1979年开始碾压混凝土筑坝技术研究, 取得的系列创新成果[23,24,25,26,27,28], 主要包括: (1) 确定了我国碾压混凝土坝的基本特点, 即筑坝方法为通仓、薄层连续浇筑, 碾压混凝土拌和物采用高掺粉煤灰和低水泥用量, 成果获1986年水电部三等奖, 并用于岩滩等工程。 (2) 研究了人工砂中石粉利用方法, 突破了当时施工规范中石粉含量不得大于12%的限制, 解决了石粉占用农田问题, 可改善和易性与可碾性, 并促成对施工规范的修改。 (3) 研究提出了层面允许间隔时间和提高层间结合强度的技术措施, 研制了允许间隔时间检测仪器。 (4) 研究了粉煤灰质量和掺量对碾压混凝土抗冻耐久性的影响、新拌碾压混凝土含气量与硬化碾压混凝土含气量之间的关系、碾压混凝土抗冻性与气泡特性的关系, 以及碾压混凝土的碳化等问题。通过实践, 可拌制出抗冻等级F400的碾压混凝土, 为严寒地区施工提供了依据, 解决了碾压混凝土的抗冻性问题。该成果于1998年获得国家科技进步一等奖。 (5) 针对早期碾压混凝土拱坝一次封拱灌浆后管路被堵死、无法二次灌浆的问题, 研发出了接缝重复灌浆技术, 并在工程中广泛应用, 成果获2004年中国电力科技进步一等奖。 (6) 试验确定了变态混凝土的加浆率和加浆方法, 研究阐述了碾压混凝土的变态过程和机理, 形成了变态混凝土试验方法, 成果被纳入《水工碾压混凝土试验规程》 (DL/T 5433-2009) 。 (7) 研究提出以复合石灰石粉作为掺合料的方法, 解决了缺乏粉煤灰资源地区修建碾压混凝土坝的问题。部分碾压混凝土筑坝技术成果获得1995年度水利部二等奖。

　　1995年5月至2007年4月, 我所全程参与了长江三峡混凝土质量管理工作[29], 并承担了混凝土配合比优化试验研究, 该试验是当时国内相关试验中内容最多、历时最长的项目, 成果[30,31]后来被多个工程引用。通过降低水胶比、加大粉煤灰掺量的技术路线, 采用Ⅰ级粉煤灰、高效减水剂和引气剂复掺等技术措施, 使四级配混凝土用水量从115 kg/m3降至85 kg/m3左右, 这是提高三峡工程混凝土质量的关键, 也使大体积水工混凝土向高性能混凝土迈进了一步。项目成果获2004年度湖北省特等奖。

　　“八五”期间, 结合二滩工程进行了高强度大体积混凝土材料特性研究, 提出了拌制高强、低弹和中热混凝土以提高大坝混凝土的抗裂性, 优化后的混凝土强度热强比由1.26℃/kg下降到0.70℃/kg, 干缩应力由4.7 MPa下降到3.0 MPa, 弹强比由850降至540, 抗裂系数提高了82.7%。成果获1998年国家科技进步三等奖, 并对小湾、溪洛渡等都有指导意义。

　　针对三峡大坝混凝土和小浪底泄洪排沙洞抗冲磨混凝土, 研究中发现了混凝土中多元胶凝粉体的紧密堆积和复合胶凝效应, 凝练出了配制低热抗裂大坝混凝土新方法, 解决了传统方法高强度与高抗裂难以兼顾的难题, 可降低用水量25 kg/m3左右、降低水泥用量40~50 kg/m3, 混凝土抗裂系数提升13.1%~50.0%。2000年以后小湾、拉西瓦、锦屏I级、大岗山、溪洛渡等高拱坝均采用了这种技术路线, 解决了C50以上抗冲耐磨混凝土普遍“易裂易损”的难题[32,33,34]。成果获2016年国家科技进步二等奖。

　　自“七五”开始, 我所相继承担了西北口、万安溪、天生桥、十三陵和水布垭等面板堆石坝的面板防裂耐久性研究, 取得的成果[35,36]包括: (1) 在万安溪坝中, 采用超掺粉煤灰代替部分水泥和细砂, 以减少水泥用量, 改善粗砂级配;采用三复合外加剂;克服了当地原材料缺陷。 (2) 采用混凝土孔结构理论研究了混凝土性能改善机理, 采用优质掺合料、增强密实剂、合成纤维或钢纤维等进行混凝土改性试验研究, 找到了获得高强、低弹、低收缩特性混凝土的途径, 并提出了系统的技术措施。 (3) 研究建立了各种影响因素与面板长度之间开裂与否的相关关系, 为面板抗裂计算和采取相应防裂措施提供了依据。 (4) 深入分析了混凝土溶蚀机理, 建立了估算混凝土面板耐久年限的计算方法, 提出了改善或提高面板混凝土抗溶蚀耐久性的措施。该成果获2013年度国家科学技术进步二等奖。

　　2、 结构模型试验

　　早期由于结构计算技术和理论水平较低, 不能满足水工结构设计的需要 (尤其是大孔口结构、拱坝等比较复杂的结构) , 结构模型试验曾发挥了重要作用。江西上犹江是我国第一座坝内式厂房水电站, 1955年开工建设, 由于种种原因和条件限制, 光弹试验方法成为了主要结构分析方法用于指导大坝设计。当时的电力部水电科学研究院承担了这一试验项目, 并在清华大学专家指导下, 历经一年完成了该试验, 为工程提供了可靠的应力分析资料和设计建议[37]。此外, 我所还采用胶体模型网格形变试验方法, 进行了柘溪大头坝[38]和桓仁重力撑墙坝[39]的应力分析。

　　湖南东江双曲拱坝在技术设计阶段, 采用了结构计算和结构模型试验交叉进行的方式, 我所作为主要单位承担了这一工作, 其中结构模型试验采用了相似性更好的脆性材料—轻石浆进行, 成果为拱坝应力分析和结构调整提供了依据。轻石浆是一种轻质混凝土, 由浮石骨料、水泥胶结料和其它掺合料组成, 其弹性模量较低, 为1~3 GPa, 在工作应力范围内应力-应变呈直线关系, 各向均质, 且具有足够的强度, 是较好的模型材料。限于当时此类试验刚刚起步, 东江模型试验只考虑了静水压力作用, 尚未考虑自重、温度变化、施工应力等重要因素的影响, 同时在上游面应变量测精度、切向位移量测、内部应力量测、轻石浆材料性能控制等方面也需改进[40,41]。

　　温度应力试验由于温度的作用, 比静应力试验要困难一些, 包括模拟原型温度场、在温变条件下量测模型应变等。为此, 我所采用的办法是:通过计算得到数学上的特解, 把温度问题转化为边界力问题, 再用常温模型求出给定边界力下的通解, 用与计算特解叠加的方法得到温度应力。利用这一原理, 进行了三峡坝内厂房式重力坝型在温度场下的应力模型试验。温度场根据给定的边界条件, 用电拟试验确定, 根据求出的温度和温度梯度计算特解应力。然后用胶体模型网格形变试验方法, 在边界上施加边界力以确定通解应力[42,43]。

　　1960年代以后, 我所采用脆性材料模型试验, 先后研究了“拱上拱”结构 (猫跳河) 、减少坝踵压力措施 (枫树坝) 、深层抗滑稳定及处理措施 (桓仁和安康) 、拱坝体型优化 (东风和小湾) 、升船机结构 (岩滩) 等, 为工程设计提供了技术支持。同时还用该模型试验研究了预应力结构, 研发的新型预应力闸墩传力梁结构形式[44]在五强溪、漫弯、蒲石河和天生桥一级大坝中得到应用。

　　坝基对坝体应力的影响、岩体稳定和安全问题一直是结构计算中不断研究改进的课题[45]。1970年代后期, 我所开展了地质力学模型 (也称复合结构模型) 试验研究, 考虑基础不连续软弱结构面对结构应力应变、承载力的决定性影响, 把关注点放在对不连续结构面的模拟上, 要求模型与原型的抗剪刚度、抗压刚度、强度参数 (C、?值) 满足相似关系, 并研究出了模拟不同强度参数 (C、?值) 的模型材料制作方法, 为地质力学模型试验奠定了基础[46,47]。地质力学模型试验已成为研究复杂岩基上重力坝深层抗滑稳定、拱坝坝肩的稳定性、地下工程围岩稳定, 提出结构稳定处理措施的有效手段, 我所在龙羊峡、安康和二滩等混凝土坝设计中进行了相关地质力学模型试验, 取得的“地质力学模型试验技术”成果获得了1985年国家科技进步二等奖。

　　3、 混凝土断裂力学

　　从大量调查得知, 混凝土坝的主要病害有裂缝、渗漏、冻融破坏、冲刷、磨损和空蚀, 以及环境水侵蚀等, 其中最主要的病害是裂缝。对混凝土坝裂缝危害性的评估和加固措施的研究是很重要的课题, 特别当出现重大裂缝时, 需要深入进行分析研究。1970年代以来, 计算机与有限单元法的应用促进了断裂力学的发展, 并被引入混凝土结构断裂力学分析。我所混凝土断裂力学的研究始于1974年[48], 是国内最早从事混凝土断裂力学研究的机构, 起因是探讨用线弹性断裂力学研究密云水库溢洪道闸墩裂缝的可能性[49,50]。1977年以后, 通过柘溪大头坝劈头裂缝的研究[51], 混凝土断裂力学的研究取得了较大的进展, 主要表现在: (1) 进行了大量混凝土断裂韧度KIC的试验研究和理论分析[52,53], 以阐明缝端微裂缝区、亚临界扩展长度、混凝土抗拉强度、骨料粒径及试件尺寸等因素对KIC的影响, 提出了确定KIC的公式和线弹性断裂力学的应用条件。 (2) 进行了混凝土复合型裂缝的断裂准则理论和试验研究[54], 提出了包括准则和裂缝转角的工程断裂判据, 其中一些判据已用于混凝土坝裂缝稳定分析。 (3) 进行了大量混凝土断裂能GF的试验研究[55,56], 主要采用三点弯曲梁和紧凑拉伸试件, 研究了GF与抗拉强度的关系, 以及骨料粒径与试件尺寸对GF的影响, 并开展了非线性断裂力学研究。

　　对于混凝土坝的严重裂缝, 首先应分析其产生的原因, 其次应研究其现在及发展后对混凝土坝的危害性, 最终的目的是决定是否要加固及加固的原则。对裂缝危害性评估包括以下4项内容: (1) 裂缝成因分析, 视坝体为连续介质, 并常采用材料力学和弹性力学方法进行。 (2) 采用断裂力学方法分析裂缝的稳定性, 求出在不利荷载组合下裂缝的发展过程、裂缝的形状及长度。 (3) 采用材料力学和弹性力学方法分析在各种可能缝长下坝体的应力和稳定性, 判断裂缝对坝体结构安全度的影响, 给出现有的安全度。 (4) 根据现场观测裂缝, 分析裂缝对大坝运行与大坝耐久性的影响, 提出是否要加固及加固原则的建议。在上述内容中, 确定各种荷载下裂缝的长度是关键, 对此断裂力学是比较有效的方法。

　　在前述针对密云溢洪道闸墩裂缝、柘溪大头坝上游面裂缝工作的基础上, 我所还进行了湖南镇梯形坝坝踵裂缝、峡山水库溢洪道闸墩裂缝、侵窝水库混凝土溢流坝闸墩裂缝以及陈村重力拱坝105 m高程裂缝影响与稳定性等问题的研究[57,58], 出版了专着[59], “混凝土断裂力学在柘溪大头坝裂缝研究和加固中的应用”研究成果获得了1991年度国家科技进步三等奖。2005年我国颁布了水工混凝土断裂试验规程[60], 相关研究也已取得了长足进步[61,62], 而我所的前述工作对我国混凝土断裂力学的早期发展起到了重要推动作用。

　　4、 水工混凝土耐久性及评估

　　1980年代, 我所成立了水工混凝土耐久性专题组[63], 完成了全国水工混凝土建筑物耐久性和老化病害处理调查报告[64]。此后近30年间取得的成果[65,66,67,68]主要有: (1) 通过X射线衍射 (XRD) 、扫描电镜、压汞仪等微观分析手段定性研究了混凝土在冻融过程中的微结构变化, 得出了混凝土冻融破坏机理, 即混凝土的冻融损伤破坏过程是一个物理变化为主的过程, 也是一个微裂纹不断萌生和扩展的过程。 (2) 研究了硬化混凝土气泡性质 (平均直径、比表面积、气泡间距系数) 对混凝土抗冻性的影响, 得出抗冻混凝土的气泡间距系数一般不宜超过400μm结果;研发出了高抗冻 (F300) 粉煤灰混凝土与超抗冻 (F600) 混凝土。 (3) 提出了适合于我国国情、以混凝土结构安全使用寿命为目标的混凝土抗冻性定量化设计方法及相关技术条件。 (4) 揭示了混凝土在压力水作用下的渗漏溶蚀机理, 即混凝土中水化产物Ca (OH) 2随渗漏而不断流失, 引起其他水化产物不断分解, 并逐步失去胶凝性。在压力水作用下, 混凝土中Ca (OH) 2的溶蚀速度初期逐步增大、中期基本稳定、而后期又逐渐下降。当Ca (OH) 2溶出 (以Ca O计) 达25%时, 混凝土抗压强度下降36%左右、抗拉强度下降66%左右[69]。上述成果出版了专着[70], 并获得2004年国家科技进步二等奖。

　　2010年以来, 科海利公司进一步研制了扫描范围国内外最大的“全自动全景荧光显微成像系统” (扫描范围达20 cm×20 cm, 分辨率2μm) , 并开发了混凝土全景微裂纹量化分析软件, 形成了混凝土全景微裂纹量化分析技术, 解决了传统混凝土微观分析手段存在的大观察范围与高分辨率不能兼顾的难题。基于该技术揭示了混凝土在典型劣化作用下的损伤破坏机理, 主要成果有: (1) 定量揭示了混凝土在冻融过程中微裂纹结构的演化规律:随着冻融损伤程度的增大, 无论引气混凝土还是非引气混凝土, 其内部微裂纹的长度密度、面积密度和最大裂纹宽度等均在逐渐增大;冻融循环过程引起的微裂纹以过渡区微裂纹为主;砂浆微裂纹和过渡区微裂纹的宽度并无明显差异;在同样的冻融损伤度下, 引气混凝土基体微裂纹的密度低于非引气混凝土[71,72]。 (2) 定量揭示了碱骨料反应 (AAR) 过程中混凝土内部微裂纹结构的演化规律:AAR劣化混凝土试件内部微裂纹的长度密度、面积密度、裂纹最大宽度和平均宽度等均随AAR损伤程度和膨胀率的增加而增大, 混凝土的力学性能、AAR损伤度和膨胀率与微裂纹密度均有很好的相关关系[73]。 (3) 建立了基于全景微结构的混凝土健康状态诊断方法和标准。通过对现场芯样的全景微结构进行定量分析, 可获得微裂纹的结构形态、密度和气泡含量、气泡间距系数等, 这样可以对混凝土的老化损伤程度、是否是抗冻混凝土进行诊断和评估。该方法已经在漫湾大坝和丰满老坝的老化状态定量评估中得到了成功应用, 为业主评价混凝土坝的安全提供了科学依据。

　　以上成果提升了我公司混凝土损伤破坏机理研究的水平, 2014年混凝土全景微裂纹定量分析技术被水利部国科司鉴定为国际领先水平, 并被列为2016年国家科技进步二等奖“高混凝土坝结构安全关键技术研究与实践”中的创新成果之一。

　　5、 面板坝接缝止水

　　早在1960年代, 我所就研发出了聚氯乙烯止水带, 并在水利工程上应用[74]。“六五”期间, 参照国外经验, 研发了非硫化丁基橡胶嵌缝止水材料[75], 并在亭下水库等工程中应用。“七五”期间, 为满足国内刚刚起步的混凝土面板堆石坝的建设需求, 将上述嵌缝止水材料和改性沥青填料应用于西北口面板坝, 以代替国外常用的IGAS嵌缝填料, 取得了满意的应用效果[76]。“八五”期间, 针对嵌缝止水材料在十三陵上池混凝土面板工程应用中存在的问题, 开发出了GB复合止水板, 以代替表层嵌缝材料上的普通盖板[77]。同时, 结合天生桥一级面板坝工程, 试验论证了GB复合铜止水、GB复合止水带的抗绕渗能力, 初步提出了嵌缝填料的流动止水概念[78]。此前, 国外学者针对IGAS嵌缝填料曾进行了止水模型试验, 发现IGAS在水压力下出现孔洞或开裂漏水, 且当水从孔洞或裂口流过时IGAS没有任何自愈能力, 表明以IGAS塑性填料构成的表层止水不能发挥预期的止水作用[79]。据此, 国外学者基于无黏性填料的自愈原理, 提出了以粉煤灰构建表层止水, 并在185 m高的墨西哥Aguamilpa面板坝应用。随后, 我国的天生桥一级面板坝也采用了这一表层止水型式[80]。然而, 尽管以无黏性填料淤填接缝可靠性较好, 但效果也并不很理想, 只是当时没有可靠止水方法时降低接缝渗漏的无奈选择, Aguamilpa坝的初期渗漏量达260 L/s, 天生桥一级坝为150 L/s。是否可以寻求更好的止水方法, 成为当时高面板坝发展中迫切需要解决的关键性问题之一。

　　“九五”期间, 在233 m高的水布垭面板坝论证研究中, 我所研发出了优于国外IGAS的GB塑性嵌缝填料, 该塑性填料可以在高水压下流入并封闭张开的接缝发挥止水作用, 同时提出了GB新型止水结构, 研究出了结构设计方法和施工工艺, 并在包括我国水布垭坝、马来西亚巴贡坝在内的数座200 m级高面板坝中应用, 解决了高面板坝接缝止水的关键技术难题, 其中GB系列止水材料及铜止水结构分析成果被鉴定为达到国际领先水平[81]。

　　“十五”期间, 经进一步完善的该系列成果被纳入了行业规范[82,83]。同时, 针对施工中塑性填料人工嵌填质量低下的问题, 我公司研发了专用挤出机, 可以实现接缝填料的现场一次挤出嵌填, 挤出的填料外形美观, 内部密实, 且经挤出升温后, 可以更好与混凝土基面粘接。该技术目前已在国内大型面板坝工程中推广[84]。

　　“十一五”期间, 针对接缝止水表层盖板与混凝土面板连接质量不易保证, 且盖板接头不可靠的问题, 我公司又研发出了面板接缝涂覆型柔性盖板止水, 用涂刷在塑性填料上的SK单组分聚脲板替代原来的装配式橡胶盖板, 聚脲固化后可与塑性填料、混凝土面板粘接成一体, 显着提高了表层接缝止水的可靠性。2014年155 m高的梨园面板坝首次全面采用了这一涂覆型柔性盖板止水技术, 渗漏量小于30 L/s[85]。

　　GB系列止水材料技术目前已在国内外许多面板坝中获得应用, 其中百米以上高面板坝已超过40座, GB止水材料的品牌效应已经显现, 相关业务强有力支撑了公司的业务发展, 相关成果已获得了包括2013年度国家科学技术进步二等奖在内的多项奖励。

　　6、 堆石坝沥青混凝土防渗面板

　　1950年代末我所就开展了沥青混凝土防渗土石坝试验研究[86,87,88], 但由于当时国产沥青品质差, 施工工艺落后, 建成的沥青混凝土面板坝都不同程度地存在问题, 导致此类工程建设在1980年代后期基本处于停滞状态。

　　1990年代, 我所电科公司协助德国Strabag公司建设天荒坪抽水蓄能电站上库沥青混凝土面板工程[89], 并承担了电力重点项目“碾压式沥青混凝土施工技术”研究[90], 参与了《水工沥青混凝土试验规程》 (DL/T 5362-2006) 的编制, 提升了自身的技术水平。这一时期, 我国尚处于学习掌握国外先进施工技术阶段。

　　2004年, 河南南谷洞沥青面板坝进行其史上第4次修补加固, 我公司中标。该坝在1960年建成时为黏土斜墙堆石坝, 1977—1981年第二次加固中增设了沥青混凝土防渗面板, 但流淌严重, 并于1987年进行了第三次修补加固。本次修补加固施工是以往科研施工经验的深化实践, 我公司取得了沥青混合料拌合系统改造、新型沥青面板岸边接头、白色冷施工封闭层技术等创新成果, 并圆满完成了工程建设[91], 也为此后以我国自有技术开展相关工程建设提供了一个成功范例。

　　凭借南谷洞工程项目的实践经验, 2006—2007年我公司中标承建了河南宝泉抽水蓄能电站上库沥青混凝土面板衬砌工程, 而国内同期建设的张河湾、西龙池工程均由日本大成公司中标施工, 宝泉就成为国内第一个由国内企业施工的大型沥青防渗面板工程。在吸收以往工作经验基础上, 我公司在工程实施中完成了德国摊铺机斜坡改造, 开发出了牵引设备和喂料车、冷缝处理设备、矿料破碎加工系统, 取得了抗斜坡流淌沥青混凝土配合比设计方法、沥青面板与库底廊道和黏土铺盖接头连接形式、圆弧段变幅宽摊铺施工方法等技术成果。宝泉工程的成功建设, 提升了国内自有技术水平[92]。以这些工程经验为基础, 出版了《水工沥青混凝土防渗技术》专着[93], 主编了《水工沥青混凝土施工规范》 (SL514-2013) [94]。

　　针对沥青混凝土面板的低温开裂问题, 2011—2012年, 我公司参与了呼和浩特上库沥青混凝土面板工程的技术论证试验和现场施工。该工程极端最低气温低至-41.8℃, 为世界同类工程中气温最低的工程, 其关键是能否开发出设计冻断温度为-45℃的改性沥青。对此, 我公司采用母体法及时开发出了平均冻断温度为-45.7℃的SK-2改性沥青和-47.5℃的5#改性沥青, 有力支撑了沥青面板方案。尽管业主出于成本考虑, 降低了设计冻断温度要求, 最终采用了平均冻断温度-45.4℃的水工5#改性沥青, 然而在改性沥青研发中的成功实践, 为我国未来寒冷地区沥青混凝土面板工程建设, 提供了宝贵经验[95,96]。前述技术成果也获得了包括2015年度水力发电科学技术特等奖在内的多项奖励。

　　7、 结构检测与安全评估

　　1980年代, 我所就开始关注水工混凝土建筑物的老化病害问题, 并完成了自然科学基金重点项目“水工混凝土建筑物老化病害的防治及评估研究”[97]。1998年后开展了水工混凝土检测技术研究与工程应用[98], 取得的主要成果如下: (1) 形成了基于冲击弹性波的结构无损检测技术, 主要包括基于敲击振源的冲击弹性波CT技术、大坝CT (混凝土坝内部缺陷诊断系统) 、基于冲击弹性波卓越波长的瞬态表面波技术、稳态和变幅稳态表面波技术、冲击回波检测内部缺陷技术、冲击弹性波测试混凝土试件弹性波波速技术, 以及由此衍生出的利用冲击弹性波测试混凝土动弹性模量, 检测混凝土耐久性劣化的方法等[99,100,101], 成果获得2017年大禹水利科学技术二等奖。 (2) 大坝渗漏检测技术的研发, 采用瞬变电磁法、探地雷达、高密度电法等方法实现了对土石坝渗漏的检测, 在腊姑河面板堆石坝工程渗漏检测中取得了较好的效果[102]。 (3) 研发水工混凝土结构老化病害状况的检测技术, 采用回弹、超声回弹法, 结合钻孔取芯法, 实现对混凝土强度的检测;采用超声波、稳态表面波等方法实现了对混凝土裂缝深度的检测;采用钢筋锈蚀仪、混凝土碳化及氯离子含量等检测可直接或间接评估钢筋锈蚀的概率;通过冲击弹性波检测混凝土的动弹性模量可评估混凝土耐久性劣化的程度。 (4) 研发探地雷达的检测技术, 通过对探地雷达检测技术的开发和功能拓展, 实现了隧洞混凝土衬砌、闸底板等结构的厚度、配筋情况及衬砌 (底板) 与围岩 (基础) 接触状态的检测, 为隧洞和水闸等工程施工质量评价和隧洞安全的评估提供依据[103]。

　　目前水工混凝土结构安全评估的对象, 主要是在役混凝土工程[104]和存在质量缺陷或某些条件与设计状况不一致时的新建工程[105]。将缺陷检测结果纳入结构安全评估分析是当前的主要研究内容之一。

　　8、 水工新材料

　　8.1、 聚脲材料

　　双组分喷涂聚脲具有较高的抗冲耐磨性、良好的防渗效果和优异的力学性能, 且喷涂后固化快, 可在立面、曲面上喷涂几十毫米厚不流挂。自1990年代开始在国防、工民建及水利水电工程中得到应用[106,107]。2002年, 科海利公司首次将其引入水利水电工程领域, 针对工程特点, 进行了防渗、抗冲磨和耐久性等一系列试验及施工工艺研究, 并在尼尔基水电站蜗壳[108]、小湾水电站上游面[109]、景洪水电站厂房顶和雪卡水电站泄洪洞等工程中应用。但是, 双组分喷涂聚脲需采用专门的喷涂设备, 施工中常见双组分混合不均匀、成型涂层与基础混凝土粘接强度低等问题, 且只能用于迎水面防渗和流速小于5 m/s的混凝土过水面[110]。为了弥补双组分喷涂聚脲的上述缺陷, 2006年我公司开发了SK单组分聚脲, 通过大量试验, 完成了其分子设计与配方设计, 对物理力学性能及耐久性进行了系统试验。工程应用实践表明, SK单组分聚脲不需要现场混合, 涂层均匀, 与基础混凝土粘接强度高, 耐久性更好, 且开盖既可直接使用, 施工简单、方便, 可用于40 m/s左右高流速混凝土过流面的保护[111]。同时, 根据应用条件, 还将该产品细化成“防渗”和“抗冲磨”两种类型, 满足了水位变化区、高速水流区以及严寒等恶劣环境下的工程要求。我公司还研制了适用于钢板、橡胶板、混凝土等不同基材的配套界面剂, 保证了SK单组分聚脲涂层与基面的可靠粘结, 同时建立了相应的施工工艺和质控方法。2014年还以SK单组分聚脲为基材, 开发了SK高弹性抗冲磨砂浆, 并将其应用于柳洪水电站泄水建筑物混凝土面的推移质冲磨破坏修复[112], 取得了良好效果。

　　目前, SK单组分聚脲已成功应用于混凝土表面防渗、抗冻融及耐久性防护、伸缩缝表面防渗、输水管道承插接口表面防渗、表面抗冲磨防护、混凝土裂缝处理、表面减糙处理等不同类型的上百座水电工程[112,113,114,115], SK单组分聚脲已入选水利部《2015年度水利先进实用技术重点推广指导目录》, 由我公司主编的相关行业技术标准已经实施[116]。

　　8.2、 环氧材料

　　环氧树脂材料在1950年代工业化生产后应用范围迅速扩大, 1960年代我所在国内最早开展了环氧材料在水利工程修补防护中的应用研究, 并于1964年在新安江水电站厂房顶溢流面 (3860 m2) 进行了环氧抗冲磨防护[117,118]。此外, 在青铜峡电站坝面不平整及进水口门槽等处缺陷处理、新丰江电站厂房屋顶混凝土预制板接缝渗漏缺陷处理、柘溪大坝溢流面反弧段冲蚀缺陷处理等工程也试验采用了环氧砂浆修补[119]。针对环氧砂浆的脆性及在新安江应用中出现的开裂、脱空、脱落问题[120], 我所进一步进行了环氧増韧改性研究, 先后开发了弹性环氧砂浆及高韧性环氧砂浆系列材料, 并在水利工程修补防护中得到应用[121]。基于这些科研和工程实践, 主编了相关技术标准[122]。

　　近十年来, 我公司在以往工作经验基础上, 开展了环氧修补材料开裂破坏机理的系统性应用基础研究[123,124], 开发了用于混凝土衬砌防护的YEC环氧防护涂层材料[125], 并成功用于南水北调工程、引大济潢工程、厄瓜多尔卡科多辛克雷水电站、广州抽水蓄能电站、云南松江河口电站等多项引水隧洞工程, 在抗裂性和耐久性方面表现优异。此外, 我公司开发的水下粘接剂、环氧灌浆材料及环氧界面剂等产品也已得到广泛应用。目前, 我公司正在开展适用于防贝、降糙, 以及冷却塔及烟囱防腐等苛刻条件下的涂料研发。

　　9、 未来研究方向

　　未来我公司将继续对水工材料以下几个方向进行深化科学研究: (1) 针对极端环境下混凝土抗裂、耐久性需求, 继续研发具有低热高抗裂的新型胶凝材料, 开发具有多功能的改性掺和料与新型复合外加剂, 从宏观和微观两个维度研究复杂环境下混凝土耐久性的劣化机理和耐久性提升技术。 (2) 在结构安全评估中, 注重对老化缺陷水工结构真实性态的模拟, 继承和发展原有技术成就, 使结构模型试验继续发挥其重要作用。 (3) 研发扫描范围更大 (40 cm×40 cm) 的全景荧光显微成像系统, 以使微结构量化分析技术直接应用于大坝混凝土, 同时将开发反映材料真实老化性态的混凝土坝安全评估方法。 (4) 对极端条件下接缝止水的破坏应对技术继续攻关, 如面板坝水下接缝止水失效、高面板坝面板挤压破坏造成的表层接缝止水失效等, 为面板坝的长期安全运行提供技术支撑。 (5) 研发酸性骨料沥青混凝土防渗技术, 以及沥青面板老化病害机理及修补加固技术。 (6) 聚焦在水工建筑物的防护和缺陷修补上, 研发适应极端环境下 (如严寒、强紫外线、推移质冲蚀、水下等) 的防护修补材料。

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