水利水电工程建筑材料应用要点

水利水电工程建筑物长期承受水压力、渗透、冲刷、冻融等复杂作用，建筑材料的选择与应用直接决定工程的安全性和耐久性。水利水电工程建筑材料涵盖筑坝土石料、土工合成材料、建筑石材、水泥及水泥砂浆、水泥混凝土、建筑钢材等主要类别，水工纤维混凝土等新型材料也逐步得到广泛应用。

一、主要建筑材料的应用条件

1.1 筑坝用土石料

筑坝用土石料主要包括坝壳用土石料、防渗体用土石料和排水设施及砌石护坡用石料。

均质土坝常用砂质黏土和壤土，要求渗透系数不宜大于 1×10⁻⁴cm/s，黏料含量一般为 10%～30%，有机质含量（按重量计）不大于 5%，易溶盐含量小于 5%。心墙坝和斜墙坝则多选用粒径级配较好的中砂、粗砂、砾石、卵石及其他透水性较高、抗剪强度参数较大的混合料。

防渗体用土石料一般采用黏土、砂壤土、壤土、黏质土等材料。

排水设施和砌石护坡用石料可采用硬岩，要求饱和无侧限抗压强度不小于 30MPa，岩石孔隙率不大于 3%，吸水率（按孔隙体积比计算）不大于 0.8，重度应大于 22kN/m³。也可采用碎石、卵石，不宜使用风化岩石。

1.2 土工合成材料

根据《土工合成材料应用技术规范》GB/T50290—2014，土工合成材料分为土工织物、土工膜、土工复合材料和土工特殊材料四大类，在水利工程中主要承担防渗、反滤排水、防护和加筋四大功能。

防渗工程一般宜采用土工膜或复合土工膜；承受较高拉力时宜采用加筋复合土工膜；地形复杂、要求自愈时可采用土工合成材料膨润土防渗垫；道路工程可采用现场涂（喷）沥青的薄膜土工织物。

反滤排水工程中，反滤功能可采用无纺土工织物，排水功能同样利用无纺土工织物的平面排水能力，需要排水能力较大时可采用复合排水材料和结构。

加筋土工程中用到的土工合成材料包括土工格栅、土工织物、土工带和土工格室等。

1.3 建筑石材

水工建筑物对石料的核心要求是较好的耐水性、抗冻性和耐久性。不同成因的石料性能差异明显：

火成岩类中，花岗岩抗冻性高、凿平磨光性好、质地均匀坚固，是良好的建筑装饰材料**；闪长岩吸水性低、韧性高、抗风化能力强；辉长岩具有很高强度及抗风化性；辉绿岩硬度中等、磨光性较好，多用于桥墩、基础、路面等；玄武岩**强度高、耐久性好，但脆性大不易成大块，主要用作筑路材料和堤岸护坡材料。

水成岩（沉积岩）类中，石灰岩致密者可加工成板状用于砌墙、堤坝护坡，碎石可作混凝土集料，但由于易溶于含游离CO₂较多的水，用于水工建筑物时应考虑其溶解性及抗冻性**。砂岩**多用于基础、衬面和人行道等，但黏土砂岩遇水软化，不能用于水中建筑物。

变质岩类中**，片麻岩用途与花岗岩基本相同，但因呈片状而受到限制，可做成板材用于渠道和堤岸衬砌；大理岩用于地面、墙面、柱面及栏杆等；石英岩**均匀致密、耐久性很高，但硬度大、开采加工困难。

1.4 水泥

水泥是水利工程中最重要的水硬性胶凝材料。按矿物成分组成可分为硅酸盐系列、铝酸盐系列、硫铝酸盐系列等；按用途和特性分为通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类。

通用水泥指《通用硅酸盐水泥》GB175—2023 规定的六种硅酸盐水泥：硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥。通用硅酸盐水泥密度一般为 3100～3200kg/m³，初凝时间不得早于 45min，终凝时间不得迟于 600min。

针对不同工程部位，水泥选用策略如下：

• 水位变化区域的外部混凝土、溢流面受水流冲刷部位：优先选用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅酸盐大坝水泥，避免采用火山灰质硅酸盐水泥。
• 有抗冻要求的混凝土：优先选用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、硅酸盐大坝水泥，并掺用引气剂或塑化剂。当环境水兼有硫酸盐侵蚀时，优先选用抗硫酸盐硅酸盐水泥。
• 大体积建筑物内部混凝土：优先选用矿渣硅酸盐大坝水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥，以适应低热性要求。
• 水中和地下部位混凝土：宜采用矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥等。

水泥使用中的关键检验要求：应有出厂质量证明书（包括厂名、品种、强度等级、出厂日期、抗压强度、安定性等）及28d强度证明书。存储超过 3个月（快硬水泥超过 1个月）、无出厂证明、对质量有怀疑以及进口水泥，均应复试并按复试结果使用。

1.5 水泥砂浆

新拌砂浆的和易性是其核心工艺性能，包含流动性和保水性两个方面。

流动性常用沉入度表示，即标准圆锥体在砂浆中沉入的深度。沉入度越大，砂浆流动性越好。

保水性可用泌水率表示，工程上多采用分层度指标——即上下层砂浆沉入度的差值。分层度大于 2cm 的砂浆易泌水，不宜使用；分层度接近于零的砂浆虽保水性好，但容易发生干缩裂缝。砂浆的分层度以 1～2cm 为宜。

1.6 水泥混凝土

水泥混凝土是水利工程中用量最大的结构材料，其质量由和易性、强度和耐久性三大技术指标共同决定。

（1）和易性

和易性包括流动性、黏聚性、保水性三个方面。影响和易性的因素有水泥浆的用量与稠度、砂率、水泥品种与细度、外加剂的掺入以及时间和温度等。坍落度是衡量混凝土拌合物流动性的关键指标，用上口100mm、下口200mm、高300mm的坍落度筒测试——灌入混凝土后捣实，拔起筒后以筒高（300mm）减去坍落后最高点高度即得坍落度。

（2）强度

混凝土抗压强度以边长为 15cm 的标准立方体试件，在标准养护条件（温度 20℃±2℃，相对湿度 **95%**以上）下养护到 28d 龄期测定。根据抗压强度分为C10、C15、C20、C25、C30、C40等不同强度等级。影响因素包括施工方法及质量、水泥强度及水胶比、集料种类及级配、养护条件及龄期等。抗拉强度一般约为相应抗压强度的 10%，测定方法有劈裂抗拉试验法及轴心抗拉试验法两种。

（3）耐久性

混凝土耐久性包含五个维度：

• 抗渗性：抗渗等级分为 W2、W4、W6、W8、W10、W12，分别表示能抵抗0.2～1.2MPa的水压力而不渗水。影响因素包括水胶比、集料最大粒径、养护方法、水泥品种、外加剂、掺合料和龄期。
• 抗冻性：抗冻等级分为 F50、F100、F150、F200、F250、F300，由混凝土的密实度、孔隙构造和数量、孔隙的充水程度共同决定。
• 抗冲磨性：抵抗高速含沙水流冲刷破坏的能力。
• 抗侵蚀性：抵抗环境水侵蚀的能力。
• 抗碳化性：抵抗环境大气中二氧化碳碳化的能力。

（4）混凝土重力坝分区

混凝土重力坝不同部位对混凝土性能有不同要求，从坝体表面到内部共分为六个区域：

• I区（上下游最高水位以上的表层）：主要有抗冻性要求。
• II区（上下游最高水位与最低水位之间的表层）：除抗冻性要求外，还有强度、抗渗性、抗侵蚀性要求。
• III区（上下游最低水位以下的表层）：除对抗渗性、强度要求较高外，对低热、抗侵蚀性也有一定要求。
• IV区（靠近坝基部位）：对强度和低热要求较高。
• V区（坝体内部）：通常采用低热、低强度混凝土。
• VI区（有水流通过的部位）：对抗冲磨性、抗侵蚀性和抗冻性要求高。

（5）集料技术要求

集料是混凝土的主要组成材料，按粒径分为细集料和粗集料。

细集料（粒径 0.16～5mm）按细度模数F·M分为粗砂（3.7～3.1）、中砂（3.0～2.3）、细砂（2.2～1.6）、特细砂（1.5～0.7）。细集料的质量技术要求如下：

粗集料（粒径大于5mm）分为特大石（80～150mm或80～120mm）、大石（40～80mm）、中石（20～40mm）、小石（5～20mm）四级。粗集料最大粒径控制：不应超过钢筋净间距的2/3、构件断面最小边长的1/4、素混凝土板厚的1/2。粒径组合方式：最大粒径40mm时采用D₂₀、D₄₀两级；80mm时采用D₂₀、D₄₀、D₈₀三级；150(120)mm时采用D₂₀、D₄₀、D₈₀、D₁₅₀(D₁₂₀)四级。

（6）混凝土配合比设计原则

配合比是指混凝土中水泥、水、砂及石子材料用量之间的比例关系。设计应遵循：根据工程要求、结构型式、施工条件和原材料状况确定各组成材料用量；在满足工作性要求的前提下选用较小的用水量；在满足强度、耐久性及其他要求的前提下选用合适的水胶比；选取最优砂率；选用最大粒径较大的集料及合适的级配比例。

（7）外加剂与掺合料

混凝土外加剂（GB50119—2013）按功能分为四类：改善和易性（减水剂、引气剂、泵送剂）；调节凝结硬化（速凝剂、早强剂、缓凝剂）；改善耐久性（引气剂、防水剂、阻锈剂、养护剂）；改善其他性能（膨胀剂、防冻剂、防水剂、泵送剂）。

粉煤灰（GB/T1596—2017）按煤种分为F类（无烟煤或烟煤）和C类（褐煤或次烟煤，氧化钙含量一般大于10%）。拌制混凝土和砂浆用粉煤灰分为I级、II级、III级。

（8）混凝土施工质量控制

混凝土施工质量通过原材料检测、配料称量、拌合物检测和硬化混凝土检测四个环节严格控制，各项检测项目和频次如下：

混凝土材料称重允许偏差严格规定为：

拌和过程中的混凝土检测要求：

浇筑过程中坍落度检测每班至少2次，同时检查混凝土是否初凝并检测温度。施工质量评定以抗压强度为主要指标，评定设计强度保证率和强度均匀性。

1.7 建筑钢材

建筑钢材分为钢结构用钢材和钢筋混凝土用钢筋及钢丝两大类。

钢筋的力学特性：有物理屈服点的钢筋具有明显屈服平台，以屈服强度作为设计依据，屈强比（屈服强度/极限抗拉强度）反映结构可靠性潜力，抗震结构要求屈强比不大于0.8。无物理屈服点的钢筋无明显屈服点，取残余应变为0.2%时的应力作为名义屈服点（条件屈服强度），约相当于0.8倍的抗拉强度，以极限强度作为主要强度指标。钢筋的塑性性能通过伸长率（δ₅或δ₁₀）和冷弯性能反映。

钢材质量检验：有物理屈服点钢筋检验屈服强度、极限强度、伸长率、冷弯性能四个指标；无物理屈服点钢筋只测后三项。钢材力学性能包括抗拉性能（抗拉屈服强度、抗拉极限强度、伸长率）、硬度和冲击韧性等；工艺性能包括焊接性能及冷弯性能。

钢筋检验规则：以 60t 同一炉（批）号、同一规格尺寸为一批，随机选取2根各截取一个抗拉试件和一个冷弯试件，钢筋端部先截去 500mm 再取试样。拉力检验中屈服点、抗拉强度和伸长率三个指标如有一个不符合规定，即判定不合格。冷弯试件弯曲后不得有裂纹、剥落或断裂。钢号不明的钢筋需检验合格后方可使用，抽取试件不得少于 6组。

二、水工纤维混凝土技术要点

根据《水工纤维混凝土应用技术规范》SL/T805—2020，纤维混凝土是指掺加钢纤维或合成纤维作为增强材料的混凝土，能有效提高混凝土的抗裂性和耐久性。

2.1 纤维材料类型与参数

钢纤维由钢材切断、薄钢片切削、钢锭铣削或熔钢抽取等方法制成，水工钢纤维混凝土可采用碳钢纤维、低合金钢纤维或不锈钢纤维。形状分为平直形和异形（压痕形、波形、端钩形、大头形和不规则麻面形等）。钢纤维长度宜为 12～60mm，直径宜为 0.2～0.9mm，长径比宜为 30～80。

合成纤维以合成高分子化合物为原料制成，水工合成纤维混凝土可采用聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯醇纤维和聚甲醛纤维等。从产品外观分为单丝纤维、膜裂网状纤维和粗纤维。合成纤维长度宜为 3～65mm，直径宜为 5～100μm，粗纤维直径大于100μm。

2.2 施工工艺要点

拌和宜采用强制式拌合机，一次拌合量不宜大于额定搅拌量的 80%，宜先干拌后湿拌并适当延长拌和时间，宜采用无碱速凝剂产品。浇筑方式应保证纤维分布均匀性和结构连续性，连续浇筑区域内不得中断、不得加水。泵送工艺宜选用功率较大的设备；喷射工艺应采用湿喷法。养护按SL677—2014执行，重要部位宜延长养护时间。

2.3 质量检验

原材料计量允许偏差如下：

进场检验方面，钢纤维检验批为每 20t，抽检外观、尺寸、抗拉强度、弯折性能和杂质含量；合成纤维检验批为每 10t，抽检外观、尺寸、断裂强度、初始模量、断裂伸长率和耐碱性能。

拌合物检验每班次或每8h不少于2次（称量、拌和时间检查），含气量和坍落度按SL677—2014执行，纤维含量检验每班次或每8h检验1次。

强度检验以设计龄期抗压强度为主。结构混凝土每100m³取1组28d、每200m³取1组设计龄期；大体积混凝土每500m³取1组28d、每1000m³取1组设计龄期；喷射混凝土每50～100m³不少于1组设计龄期。

总结

水利水电工程建筑材料的选择遵循"性能匹配、质量控制"的核心逻辑。从筑坝土石料的渗透与强度指标，到水泥混凝土的和易性-强度-耐久性三大技术维度，再到建筑钢材的屈服强度与屈强比控制，每一项材料决策都关乎工程安全。水工纤维混凝土等新型材料的应用，为水利工程的耐久性提升提供了新的技术路径。