什么是水工建筑材料?

什么是水工建筑材料?

[拼音]：shuigong jianzhu cailiao

[外文]：hydraulic structure construction materials

可用以修建水工建筑物的各种材料的总称。水工建筑材料随着社会生产力的发展而逐步发展。中国古代早有“筑土御水”之说。战国时代水利事业获得发展，例如在这一时期修建的都江堰工程使用了大量的竹子、木材、砂石料和粘土。南朝梁天监十三年(514)在修建浮山堰中曾应用铁件贯串石块筑堤。明代《天工开物》中详细记载了用糯米石灰三合土修建贮水池的方法。19世纪以来，建筑钢材、水泥、混凝土和钢筋混凝土相继问世，成为主要的建筑材料。20世纪又有多种具有特殊性能的水泥、混凝土外加剂、防水材料、合成高分子材料和预应力混凝土等逐步得到发展和应用。水工建筑物由于经常受到水的压力、水流冲刷、磨损、冻融或干湿循环等作用，出现混凝土冻胀破裂、 收缩开裂、 腐蚀、空蚀、化学侵蚀、海生物侵蚀、钢材锈蚀、木材腐蚀、沥青与合成高分子材料老化等问题，都较其他建筑物严重，需要重视。

建筑材料按其组成物质可分为四大类。

（1）矿物质材料，包括天然土、砂、石及其加工制成的材料，如烧土制品（砖、瓦等）、无机胶凝材料（石灰、石膏、各类水泥等）、砂浆及各种混凝土等；

（2）有机材料，包括木材、竹材、沥青、合成高分子材料（如环氧树脂、聚乙烯树脂）等；

（3）金属材料，包括黑色及有色金属材料；

（4）复合材料，即由上述两种或两种以上材料组合构成的材料，如沥青砂浆、环氧混凝土、土工织物等。水利工程使用的建筑材料种类繁多，现择要说明如下。

土石坝材料

用于修建土石坝的天然土、砂、石料。天然材料的性质、数量和分布以及能否合理选用，直接影响土石坝的质量和造价。土石坝材料的运费一般占土石坝造价的50％～60％，如能就地、就近取材，缩短运距，就可以大幅度降低土石坝的造价。材料选用一般要满足以下要求：

（1）具有与其使用目的相应的工程性质，如防渗料有足够的防渗性能，坝壳料有较高的强度，反滤料有良好的级配和排水性能等；

（2）材料性质比较稳定，如在大气和水的作用下不致严重风化变质，在渗流作用下不致因可溶盐溶蚀而造成渗流通道，在高水头作用下有足够的抗管涌能力等；

（3）便于施工，如要求土料含水量在最优含水量左右，无超径料等。土石坝材料分类：

（1）按材料性质可分为土料（含细粒粘性土及砾石土）、砂砾料和石料(含天然卵石、漂石及开采的碎石岩块)；

（2）按渗透性可分为不透水料、半透水料及透水料；

（3）按材料用途及填筑部位可分为防渗料、坝壳料、反滤料、过渡料及护坡料。

防渗料

坝体内减小坝身渗流量的材料。一般要求：

（1）有足够的防渗性能，对均质坝渗透系数不大于1×10-4cm/s，对心墙或斜墙不大于1×10-5cm/s；

（2）无过量的可溶盐和有机质；

（3）有较好的塑性和渗透稳定性；

（4）浸水与失水时体积变化较小；

（5）便于施工。具有以上性质的粘性土、砾石土、风化砾石土、开挖出来的风化岩、人工掺和的砾石土都可作为防渗料。

坝壳料

主要用于保持坝身稳定的材料。一般要求有较高的强度，在下游坝壳水下部位及上游坝壳水位变动区还要有较高的透水性。砂、砾石、卵石、漂石、料场开采和由建筑物地基开挖的石料都可作为坝壳料。堆石坝早期采用高处抛填配以射水冲实的方法，对石料质量要求严格；20世纪60年代以来，堆石坝改用薄层铺筑，振动压实的方法，风化岩、软岩石等材料在高坝中得到大量应用。

反滤料

在防渗料和坝壳料之间为防止渗透破坏，防止细粒土流失而设置的材料。防渗体和坝壳的粒径及刚度相差很大，为避免坝体内刚度突变，常在中间设置过渡料。一般过渡料也兼有反滤料的作用。这两种材料的合理使用都是保证土石坝安全运行的重要措施。反滤料和过渡料应具有以下性质：

（1）一定的颗粒级配；

（2）一定的透水性；

（3）质地致密坚硬，具有较高的抗水性和抗风化能力。一般选用天然砂砾料或爆破后的岩块再经人工破碎、筛分。

护坡料

保护土石坝坝坡的材料，可用抛石、干砌石、浆砌石、混凝土、沥青混凝土以及草皮等材料。上游护坡石料要求质地坚硬，不易风化，石块尺寸能抵抗风浪淘刷。下游护坡主要防止雨水冲刷，可用砌石、碎石、草皮等材料。

混凝土

由胶凝材料、骨料、水及其他掺和料按一定比例拌制的拌和物。它是用途极为广泛的建筑材料，种类很多：

（1）按胶凝材料分，有水泥混凝土、沥青混凝土、硅酸盐混凝土及聚合物混凝土；

（2）按容重分，有重混凝土（容重大于2700kg/m3）、 普通混凝土（容重为1900～2600kg/m3）和轻混凝土（容重小于1900kg/m3）；

（3）按使用功能分，有水工混凝土、建筑混凝土、道路混凝土、耐火或耐酸和防射线混凝土等；

（4）按施工工艺分，有常规混凝土、碾压混凝土、喷射混凝土及泵送混凝土；

（5）按强度标号分，有低标号、高标号和超高标号混凝土。此外还有按某种特征（材料、工艺、配筋、结构、性能等）来命名，以区别于其他混凝土，如加气混凝土、无砂混凝土、浸渍混凝土、钢筋混凝土、纤维混凝土、干硬性混凝土、高流态混凝土、预填骨料压浆混凝土等。用得最多的还是由水泥、砂、石和水配制的普通混凝土以及配有钢筋的钢筋混凝土。

普通混凝土中的水泥和水形成水泥浆，包裹骨料表面并填充中间空隙；在硬化前起粘聚、润滑作用，使混凝土拌和物易于拌匀、浇筑和振捣；在硬化后形成水泥石，把骨料胶结成一整体。混凝土的原材料丰富，适应性强，但抗拉强度较低，性脆易裂，可配以钢筋或纤维，制成加筋混凝土来适当弥补上述缺点，扩大使用范围。混凝土的工作性，又称和易性，是指混凝土拌和物在施工过程中(拌和、运输、浇筑及振捣)保持均匀密实而不分层与不离析的性能。它综合反映了拌和物的流动性、粘聚性、保水性及易密性。常用坍落度（标准圆柱形混凝土拌和物试件下坍的厘米数）作为流动性指标。坍落度为零的混凝土称干硬性混凝土。

混凝土强度一般指抗压强度，是混凝土最重要的性质，通过标准试块测定。用规定方法制取的标准试块，在标准条件下养护，按龄期（从加水拌和成型至强度测试止的天数）28天的抗压强度而划分的等级称为混凝土标号。中国水工混凝土分为75、100、150、200、250、300、400、500及600等9个标号。决定混凝土强度的主要因素是水泥标号和水灰比（拌和物中拌和水量与水泥用量的重量比）。混凝土的其他强度，如抗弯强度约为抗压强度的1/5～1/8，直接抗剪强度为抗压强度的1/4～1/6;抗拉强度为抗压强度的1/9～1/15。混凝土的d性模量，随标号增高而增大；其抗裂性能通常以极限拉伸值（轴向拉伸断裂时的极限拉应变）作为指标。混凝土的耐久性指其抵抗随时间而引起性能与状态改变的能力，通常包括抗渗性、抗冻性、抗磨性、抗侵蚀性等。合理选择水泥及其他原材料、 严格控制水灰比、 优化配合比设计、掺用适当的外加剂、采用表面保护处理以及加强施工质量控制，可以提高混凝土的耐久性。混凝土的主要组分为水泥、砂、石及水，还有掺和料及外加剂。

水泥

水硬性胶凝材料，加入适量水后，成为塑性浆体，能在空气中硬化，也能在水中硬化，把砂石等散粒材料胶结在一起。水泥种类很多：

（1）按其主要水硬性物质名称分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和硫铝酸盐水泥等；

（2）按其用途及性能分为通用水泥（如普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥）、专用水泥(如油井水泥、 砌筑水泥)和特种用途水泥(如快硬高强水泥、大坝水泥、膨胀水泥等)。用水泥制成的砂浆或混凝土坚固耐用，在水工建筑物中广泛应用。硅酸盐水泥也称波特兰水泥，是硅酸盐类水泥的基本品种。当其生料烧至部分熔融，得到以硅酸钙为主要成分的硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏共同磨细而成；如掺以粒化高炉矿渣，称矿渣硅酸盐水泥;掺以火山灰混和材，称火山灰质硅酸盐水泥。为适应水利工程的需要，中国还生产大坝水泥、抗硫酸盐水泥和灌浆水泥等。大坝水泥主要用于要求水化热较低的大坝或大体积混凝土工程。抗硫酸盐水泥用于受硫酸盐侵蚀、冻融和干湿作用的河港工程及地下工程。灌浆水泥具有凝结时间较长，流动性较好和析水性较小的特点，适用于固结灌浆、帷幕灌浆和接缝灌浆，还可用于密封伸缩缝和修补裂缝等。

骨料

砂与石子的总称。一般粒径为 0.15～5mm的骨料为砂，也称细骨料；粒径大于5mm的骨料为石子，也称粗骨料。产自天然河床或岸上的称天然骨料；开采岩石经机械破碎、粉磨、筛分而成的称人工骨料。一般天然骨料成本较低，宜优先使用；如天然骨料储量不足，或质量较差，或附近无天然骨料，运距较远，则采用人工骨料或以其补充调剂。骨料一般占混凝土体积的 3/4以上，起骨架作用，并可减少混凝土因水泥硬化、干缩湿胀而引起的体积变化。其物理力学性能对混凝土的性能有直接影响，故需慎重选用。砂一般不分级（也有分两级的）。石子分为 4级，即小石、中石、大石和特大石，各级的最大粒径分别为20、40、80和120mm（或150mm）。根据建筑物断面和钢筋间距大小，一般结构选用二级配或三级配，四级配多用于大断面素混凝土。骨料的粒径越大，越能节约水泥，但限于施工设备及工艺条件，一般最大粒径约为 120mm。骨料的生产流程如转运次数过多，高差太大，导致骨料破碎、分离和超逊径过量，将严重影响混凝土质量和均匀性，必要时须二次筛分。有碱活性反应的骨料不宜使用。

外加剂

为改善混凝土某些物理力学性能或改善施工条件所掺用的化学制剂及工业副产品，有：降低混凝土拌和用水、节约水泥的减水剂；改变混凝土凝结时间的缓凝剂或速凝剂；提高混凝土耐久性的加气剂；易于泵送或生产高强混凝土的高效减水剂等。中国水工建筑物中常用的外加剂有亚硫酸纸浆废液、木质璜酸钙、糖蜜或糖蜜酒精废液、加气剂、松香热聚物等。有时使用有两种以上外加剂的复合制剂，冠以不同商业名称，既起减水作用，兼有引气或缓凝作用；对大体积混凝土，复合制剂既可降低水泥用量，减少水化热，又可降低和推迟温峰，对温度控制、防止裂缝都有积极作用。有的外加剂对水泥有选择性，选用时除根据厂家说明书外，还需预为验证。

掺和料

在水泥熟料中掺以天然或人工的矿物质材料，用以调节水泥标号，降低水化热，改善混凝土和易性与密实性，提高抗侵蚀能力，防止碱骨料反应等。有的掺和料与水泥产生化学作用，生成水化产物的称为活性混合材，如火山灰、 页岩、 浮石、硅藻土、凝灰岩、粉煤灰等；有的仅起填充作用或改善和易性，不产生水化产物的称为惰性混合材，如石粉、粘土等。使用最为广泛的掺和料为粉煤灰，对改善水工混凝土性能比较显著，对节约水泥用量，降低工程成本也有显著的经济效益。

砂浆

由胶凝材料、细骨料和水等按一定比例配制的拌和物。它常以薄层使用，起粘结、传递应力、衬垫以及表面装饰和防护作用，主要用于砌筑砖、石、预制块体和表面抹灰等。按胶凝材料的不同，可分为下列数种。

（1）水泥砂浆：在水利工程中使用最多，适用于砌筑处于水中或潮湿环境的砌体；

（2）石灰砂浆：常用于对强度要求不高的砌体；

（3）混合砂浆：掺有适量混合材料的水泥和石灰砂浆；

（4）沥青砂浆：由沥青与石粉、细骨料加热拌匀，铺筑压实，多用于路面、防水层、伸缩缝等；

（5）树脂砂浆：由合成树脂加入固化剂、粉料和细骨料调制而成，用于防腐蚀、抗冲磨护面等；

（6）聚合物水泥砂浆：以聚合物与水泥共同制成的胶凝材料，用于护面、防水层、粘结剂等。砂浆按抗压强度等级划分砂浆标号。中国在水工建筑物中常用的标号为25、50、100、150和200号。

有机材料

水工建筑常用的有机材料主要有以下几类。

木材

由树木加工而成的材料。它是最古老的建筑材料之一，其特性是质轻、强度较大，d性和韧性好，抗冲击能力较强，导热性小，电绝缘性强，加工性能好。水利工程常用作模板、脚手架、渡槽、闸门、施工便桥以及房屋装修和生活办公用具等。人造板材是节约及综合利用木材的重要手段。大部分人造板材的原料都是木材采伐加工过程中的剩余物，经机械捣碎，加入适量胶料或粘合剂，压制成型。这种板材强度较高、胀缩小，耐腐蚀，弥补了天然木材的一些缺陷，发展较快，应用广泛。

沥青

由复杂的高分子碳氢化合物及其非金属（氧、硫、氮）衍生物混合组成的有机胶凝材料。它能溶于二硫化碳等有机溶剂中，在常温下呈固态、半固态或液态，具有良好的粘结性、 憎水性、 塑性及抗酸碱腐蚀能力。水利工程如渠道、 蓄水池、 堤防护面、大坝和坝基的防渗体以及伸缩缝、止水井的灌注等多使用粘滞性较低、塑性好的道路石油沥青。

合成高分子材料

由分子量在几千以上的化合物构成的有机材料，又称高聚物，如塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂等。按其来源可分为天然与合成两类；按其化学结构主要分为链状的线型分子和网状的体型分子结构；按其生成反映可分为加聚物和缩聚物。

合成树脂是指一些类似树脂的高分子化合物，以合成树脂为主要成分，掺入（或不掺）填料、增塑剂、稳定剂等塑制成型的材料称塑料，如聚乙烯、聚氯乙烯等。水利工程中塑料可代替部分止水铜片；塑料薄膜可用于渠道、蓄水池的防渗衬砌。塑料与玻璃纤维或其织物的层叠材料称玻璃纤维增强塑料，也称玻璃钢，用于钢丝网水泥薄壁构件和溢流面的护面层。多孔塑料板可用于排水系统；泡沫塑料板可用于混凝土的表面保温。

合成橡胶是具有可逆形变的高d性合成高分子化合物。常用的合成橡胶有氯丁橡胶、丁苯橡胶等，用于闸门的止水材料；合成橡胶与锦纶或其他帆布组合的层叠材料可用作橡胶坝的坝袋；其乳液作为外加剂可提高水泥混凝土的塑性。

合成纤维是全人工合成的线型高分子化合物抽成的纤维。工程上常用的有聚酰胺（商品名锦纶、尼龙、卡普隆）、聚丙烯等。纤维织物可用以代替传统的砂砾石反滤层或梢料沉排，或作成巨型砂袋堆筑堤坝。

合成高分子材料耐久性较差，易于老化，在氧气、紫外线和热的作用下，化学结构逐渐破坏，导致性能变差。但如用于水中或地下工程，寿命也可延长。

环氧树脂

含有环氧基的合成树脂，呈粘性液体或半固体，需掺一定数量的硬化剂(也称固化剂、高联剂)，使其硬化成热固性树脂。水利工程中主要使用胺类硬化剂如乙二胺、间苯二胺，在干燥条件下效果较好；当用于潮湿表面和水下，则需选用耐水的硬化剂，如酮亚胺、聚酰胺，或掺入促进剂如煤焦油，其粘结强度与混凝土本身抗拉强度基本相同。在环氧树脂中还常根据不同用途掺入各类稀释剂、增韧剂和填料等。例如以糠醛、丙酮或二甲苯作稀释剂，其溶液可用于0.1mm以上的裂缝灌浆；以金刚砂为主要填料的胶泥可用作水轮机过流部件的抗磨损涂层。在配制与使用环氧树脂时，要注意防毒、防火和避免污染环境。

金属材料

分黑色金属与有色金属两大类。铁、铬、锰称黑色金属；黑色金属以外的金属统称有色金属。钢是铁和碳等元素组成的铁碳合金。水利工程较多使用普通碳素钢与普通低合金钢（也称低合金高强度钢）。建筑用钢大多将钢材制成线材或型钢使用，如圆钢、方钢、扁钢、角钢、槽钢、工字钢、钢轨、钢板、钢带、钢管、钢丝等。钢筋用于钢筋混凝土结构，分光面钢筋和螺纹钢筋。前者用普通碳素钢热轧制成；后者用普通低合金钢热轧制成。

复合材料

水工建筑物常用的复合材料有：

（1）以沥青为基材的防水材料。其品种很多，例如：与纸脂、玻璃纤维布、麻布或再生胶组合成各类防水卷材；与某些合成树脂配成防水油膏；与粉状或纤维状矿物填充料组成沥青胶，再加砂、石配成沥青砂浆或沥青混凝土。

（2）以水泥、 石英粉、 砂、石等作填料，掺入环氧树脂组成环氧砂浆或环氧混凝土，多用于镶面石的砌筑或勾缝、水泥混凝土的粘合（包括新老混凝土粘合）、已浇混凝土坑洞或大裂缝的修补以及用于抗磨损、抗空蚀、防渗等保护层。

（3）土工合成材料是以人工合成的聚合物为原料(包括各种塑料、合成纤维、合成橡胶等)应用于土木建筑工程的新型材料，主要分为土工织物、土工薄膜及特种土工合成材料。制造土工织物的原料以丙纶及涤纶最多，其次是锦纶。土工织物的功能是隔离、排水、反滤、增加强度、用作路基垫层等。制造土工薄膜的原料有沥青、天然橡胶、合成橡胶以及各种塑料。土工薄膜主要用于防渗，如土石坝的直立或倾斜防渗层、闸坝上游铺盖防渗层、混凝土坝挡水面防渗层以及渠道防渗等。特种土工合成材料可以代替土工织物，也可与土工织物组合使用，主要品种有带状织物、 席垫、 土工网、土工格栅、成型的塑料板等。