高性能混凝土在水利工程中的耐久性优化研究

摘要：在水利工程建设体系里，高性能混凝土凭借独特优势占据关键地位。其耐久性直接关联工程服役寿命与安全。本研究聚焦高性能混凝土在水利环境下的耐久性优化，从材料特性剖析入手，深挖影响耐久性的多元因素，并提出针对性优化策略，旨在为水利工程中高性能混凝土的科学应用与性能提升提供坚实理论支撑与实践指引 。​

关键词：高性能混凝土；水利工程；耐久性；优化​

引言

水利工程作为国家基础设施建设的核心板块，关乎水资源调配、防洪灌溉及能源供应等国计民生大事。高性能混凝土以其出色性能成为水利工程建设的优选材料。然而，复杂水利环境对其耐久性构成严峻挑战，如不加以优化，将大幅缩短工程寿命，增加维护成本，因此，提升高性能混凝土耐久性迫在眉睫，对保障水利工程长期稳定运行意义重大。​

一、高性能混凝土在水利工程中的特性​

1.1 高强度与高密实度特性

高性能混凝土在原材料选用上极为严苛，采用优质水泥、精细级配骨料，并添加高效减水剂等外加剂，通过精准调控配合比，使水泥浆体与骨料充分包裹、紧密结合，形成致密的内部结构。在实际水利工程中，如三峡大坝，其主体结构大量使用高性能混凝土，强度等级高达 C30 - C40，能轻松承受大坝自身重力以及上下游巨大的水压。高密实度使得混凝土内部孔隙率大幅降低，一般孔隙率可控制在 5% - 10%，远低于普通混凝土。这种低孔隙率有效阻挡了外界侵蚀介质，如氯离子、硫酸根离子等的入侵，延缓了钢筋锈蚀进程，减少混凝土因内部结构破坏而产生的劣化现象，为水利工程长期稳定运行筑牢根基，大幅延长工程使用寿命。

1.2 良好的抗渗性

高性能混凝土内部颗粒级配经过精心设计，粗细骨料搭配合理，水泥石与骨料界面过渡区得到优化。在水利工程的水闸、渡槽等长期受水浸泡与渗透作用的结构中，这一特性发挥着关键作用。例如，在南水北调工程的输水渠道建设中，高性能混凝土的抗渗等级可达 P8 - P12。其内部连通孔隙极少，能有效阻止水分及有害离子渗透。当外界水分携带侵蚀性离子试图渗入混凝土内部时，致密的结构成为一道坚实屏障，防止混凝土因冻融循环、化学侵蚀而性能下降。

1.3 优异的抗冻融性

在寒冷地区水利工程，如东北地区的水库、水电站建设中，高性能混凝土的抗冻融性优势显著。通过添加优质引气剂，能在混凝土内部引入均匀稳定、直径在 0.05 - 1.0mm 的微小气泡，这些气泡如同一个个 “缓冲气囊”。当混凝土中的水分结冰膨胀时，气泡可提供缓冲空间，缓解冻胀应力。同时，其高密实度减少了水分侵入量，降低冻融破坏风险。据实验数据，高性能混凝土经 500 次冻融循环后，强度损失率可控制在 10% 以内，质量损失率小于 5%，而普通混凝土在相同条件下，强度损失率可能超过 30%，质量损失率高达 15%。

二、影响高性能混凝土耐久性的因素​

2.1 原材料品质因素

水泥作为混凝土的胶凝材料，其品种与强度等级对水化反应及混凝土强度发展影响深远。例如，普通硅酸盐水泥早期强度增长快，但抗侵蚀性相对较弱；而中低热硅酸盐水泥水化热低，适用于大体积混凝土工程，可减少因温度应力产生的裂缝，提升耐久性。骨料的粒径、级配、坚固性同样关键，粒径适中、级配良好的骨料能使混凝土更加密实，提高力学性能。若骨料坚固性差，在长期荷载与环境作用下易破碎，降低混凝土整体性能。外加剂质量与掺量不当，如缓凝剂掺量过多，会延长混凝土凝结时间，甚至导致混凝土无法正常硬化；减水剂超掺可能引发混凝土泌水、离析，改变混凝土内部结构，使体积稳定性变差，进而降低耐久性。​

2.2 配合比设计因素

水胶比是影响混凝土性能的核心参数，水胶比过高，多余水分在混凝土硬化过程中蒸发，留下大量孔隙，降低混凝土密实度与强度。研究表明，水胶比每增加 0.05，混凝土强度可能降低 10% - 15%，同时抗渗性、抗冻性也大幅下降。砂率不合理时，若砂率过大，混凝土拌合物干涩，工作性差，且会增加水泥用量，导致成本上升；砂率过小，骨料间摩擦力增大，不易振捣密实，影响混凝土整体质量。矿物掺合料种类与掺量选择不当，如粉煤灰掺量过高，会延缓混凝土早期强度增长，改变混凝土微观结构与水化产物，削弱耐久性。

2.3 施工工艺与环境因素

搅拌过程中，若搅拌不均匀，混凝土各成分分布不均，导致局部强度不足或性能不稳定。振捣不密实易产生内部缺陷，如蜂窝、麻面等，为外界侵蚀介质提供入侵通道。养护是混凝土强度增长与水化反应的关键环节，养护不及时或方法不当，如早期缺水养护，混凝土内部水泥水化反应不完全，强度无法正常增长，表面易产生干缩裂缝。水利工程所处环境恶劣，干湿交替环境使混凝土反复经历吸水、失水过程，加速内部结构破坏；冻融循环下，混凝土内部水分结冰膨胀、融化收缩，周而复始，导致结构损伤；化学侵蚀环境中，水中的酸、碱、盐等侵蚀性介质与混凝土发生化学反应，腐蚀混凝土内部成分，加速性能劣化。​

三、高性能混凝土耐久性的优化策略​

3.1 原材料的选择与控制优化

选用高强度、低碱水泥，如 42.5 级及以上低碱硅酸盐水泥，可减少碱骨料反应风险，提高混凝土耐久性。优质骨料应质地坚硬、洁净，严格控制骨料含泥量不超过 1%，泥块含量不超过 0.5%，避免有害物质对混凝土性能的负面影响。根据工程需求，合理选择外加剂，如在需要提高混凝土抗渗性时，可选用引气剂、防水剂；在大体积混凝土工程中，为降低水化热，可选用缓凝型减水剂。同时，精准控制外加剂掺量，通过试验确定最佳掺量范围，确保原材料质量稳定，为高性能混凝土耐久性奠定坚实基础。​

3.2 配合比的科学设计优化

基于工程环境与性能要求，运用先进设计方法，如全计算法、固定砂石比法等，优化水胶比。一般水工混凝土水胶比宜控制在 0.35 - 0.50 之间。合理调整砂率，通过试验确定最佳砂率，使混凝土工作性与密实度达到平衡。在矿物掺合料搭配方面，可将粉煤灰、矿渣粉、硅灰等按一定比例混合使用，利用不同矿物掺合料的优势互补，改善混凝土微观结构，提高强度与耐久性。例如，在一些海洋环境下的水利工程中，采用粉煤灰与硅灰复掺，可有效提高混凝土抗氯离子侵蚀能力。​

3.3 施工过程与后期维护优化

规范搅拌工艺，控制搅拌时间与转速，确保混凝土各成分均匀混合。振捣时，采用合适的振捣设备与方法，如插入式振捣棒、平板振捣器等，根据混凝土构件尺寸与浇筑部位选择振捣参数，确保混凝土均匀性与密实度。加强养护管理，在混凝土浇筑后及时覆盖保湿材料，保持表面湿润，养护时间不少于 14 天。后期定期检测维护，利用无损检测技术，如超声回弹综合法、雷达检测法等，对混凝土结构进行检测，及时发现并修复缺陷，如对出现裂缝的部位采用压力灌浆修复，延长工程使用寿命。

四、结论

本研究全面剖析高性能混凝土在水利工程中的特性，明确原材料、配合比、施工及环境等影响耐久性的关键因素，并针对性提出优化策略。通过优化原材料、配合比，规范施工与加强后期维护，可显著提升高性能混凝土耐久性，为水利工程安全长效运行提供有力保障 。​

参考文献

[1]周欢.水利工程高性能混凝土高温劣化试验研究[J].广西水利水电，2022，（05）：15-18.

[2]何江.水利施工中高性能混凝土强度及耐久性能研究[J].水利科技与经济，2023，29（06）：150-154.

[3]李建辉.新时期混凝土施工技术在水利施工中的应用分析[J].水上安全，2024，（17）：190-192.