引言：混凝土的“超级配方”
作为世界上最大的水电站，三峡大坝自1994年开建以来，其2600万立方米混凝土的耐久性一直是工程界关注的焦点。近期，东南大学与中国三峡集团联合团队在《工程》期刊发表的研究成果揭示了这一“超级混凝土”的奥秘——中热水泥与粉煤灰的黄金组合，使得三峡大坝混凝土在经历17年自然暴露后，依然展现出卓越的力学性能和抗环境侵蚀能力。这项研究不仅解开了混凝土长期耐久性的密码，也为未来巨型水利工程的材料设计提供了科学范本。

为何要研究混凝土的“17年之变”？

传统混凝土性能研究多依赖实验室加速实验，例如高压碳化、冻融循环等。然而，实际工程中的混凝土常年暴露于复杂环境：长江水流的冲刷、干湿交替、微量离子侵蚀，以及气候温差变化。这些因素在实验室中难以完全模拟。
研究团队另辟蹊径，通过两个维度展开分析：

1. 实验室混凝土：模拟三峡环境，对六类不同配比的混凝土进行长达10年的性能追踪，并保存至17年分析微观结构；
2. 实际混凝土芯样：从大坝不同部位钻取17年服役的芯样，对比其与实验室样本的差异。
   这种“虚实结合”的方法，首次完整揭示了混凝土从实验室到实际工程的长期演化规律。

中热水泥+粉煤灰：微观致密的“化学魔术”

研究显示，三峡混凝土的卓越性能源于其独特的材料配比：

• 中热水泥（MHC）：通过降低熟料中高放热矿物（如C3S、C3A）的含量，减少水化热，防止大体积混凝土因温差开裂。其镁氧（MgO）含量达4%-5%，可补偿混凝土的长期收缩变形。
• 粉煤灰（FA）：掺量高达20%-40%，发挥双重作用：
  • 物理填充：微米级球形颗粒填充水泥颗粒间隙，减少孔隙；
  • 化学激活：通过火山灰反应，与水泥水化产物氢氧化钙（CH）反应，生成更多钙（铝）硅酸盐水合物（C-(A)-S-H）凝胶，进一步密实结构。

微观成像显示：17年后，粉煤灰颗粒几乎被凝胶包裹，水泥熟料完全水化，孔隙率低至5.8%-8.0%，且无明显的“薄弱界面过渡区”。这种均质结构如同紧密堆砌的砖墙，有效阻挡水分和有害离子渗透。

性能数据：抗压翻倍，抗渗堪比“铜墙铁壁”

• 力学性能：实验室混凝土抗压强度随龄期持续增长，10年后达40-79 MPa（兆帕），比28天强度提升超50%；高粉煤灰（40%）混凝土即便水胶比（w/b）为0.55，强度仍突破50 MPa，打破“高掺粉煤灰必牺牲强度”的固有认知。
• 抗渗性：氯离子扩散系数低至100-300库仑（ASTM标准“极低渗透”等级），相当于在混凝土内部筑起“分子筛”，有效隔绝侵蚀介质。
• 抗冻性：虽自然养护导致抗冻性下降，但经历50次冻融循环后，相对动弹性模量仍高于60%，残余强度满足结构安全要求。

隐忧与启示：表面的“岁月痕迹”

尽管整体性能优异，实际钻取芯样暴露的问题不容忽视：

• 表层退化：长期接触水流的混凝土表面孔隙率增至8%-12%，局部出现松散结构。扫描电镜显示，钙矾石（AFt）转化为单硫型水化硫铝酸钙（AFm），碳酸盐沉积导致毛细孔粗化。
• 环境侵蚀：长江水中的微量镁、硫酸根离子持续溶解混凝土中的氢氧化钙，引发缓慢“钙浸出”。

对此，研究团队建议：未来需重点监测大坝表面混凝土的微观劣化，并研发表面防护涂层，以应对百年服役的挑战。

结论：超级混凝土的“中国方案”

三峡大坝混凝土的17年验证，不仅证明了中热水泥与粉煤灰协同效应的科学性，更颠覆了传统混凝土设计理念：

• 高粉煤灰≠低性能：30%掺量是优化孔隙结构与抗渗性的关键阈值；
• 长期养护≠绝对安全：自然暴露导致的表层劣化需纳入全生命周期管理。

这项研究为全球水利工程提供了“中国样板”——在低碳（粉煤灰利用减少碳排放）与高性能之间找到平衡，让“混凝土巨人”真正经得起时间考验。未来，团队计划对三峡混凝土展开更长期的跟踪，解码其“百年耐久”的终极密码。

来源: Engineering