現代混凝土具有普遍采用化學外加劑和工業廢渣的特征，降低了資源及環境消耗，提高了材料耐久性，滿足了現代土木工程設計和施工的性能要求。然而，組成日趨復雜、流動度加大、早期強度發展加快的材料特性，導致混凝土收縮加大；長跨徑、大體積、強約束的結構形態，以及高溫、干燥等嚴酷環境，導致混凝土收縮開裂問題突出。

       工程實踐和研究表明，80%以上的開裂起因于混凝土的收縮?；炷烈坏╅_裂，抵抗滲透的能力大幅降低，引起滲漏，嚴重影響構筑物的服役性能。裂縫的存在加速了有害介質的傳輸速率，加劇了材料自身性能劣化和鋼筋銹蝕，尤其在高溫、高鹽等嚴酷腐蝕環境下，大大縮短結構的服役壽命。Mehta和Burrows在《在21世紀建造耐久的結構物》（Building Durable Structures in the 21st Century）一文中指出，為建造在環境中可持久的混凝土結構，21世紀的混凝土工程必須以耐久性，而不是強度來驅動。要想在實際工程中真正提高混凝土結構的耐久性，從根本上解決早期收縮裂縫問題意義重大。

       混凝土早期收縮包括硬化前的塑性收縮，以及硬化階段的自收縮、干燥收縮和溫降收縮。在塑性階段，混凝土的體積變化主要表現為豎直方向的凝縮以及水平方向的塑性收縮?；谒终舭l和毛細管負壓的理論模型可用于塑性收縮的預測。

       近期也有研究將體積模量的演化作為塑性收縮的主要參數，并建立了更為復雜的預測模型。在硬化階段，收縮的測試方法比較成熟，例如，ASTM C1698-09推薦使用波紋管法以實現自澆筑成型開始的自收縮的測量。

       然而，實際的工程混凝土內部溫濕度及性能的發展變化，不僅受自身水化的影響，還強烈依賴于結構尺寸以及外部環境等條件。因而，恒溫恒濕的標準環境下的實驗室測試結果不能直接反映實際工程的收縮開裂行為?？紤]不同因素的耦合影響以及不同類型收縮的交互作用，建立相應的預測模型已成為混凝土收縮開裂研究的必然趨勢。

       收縮開裂的表征和評估方法是研究現代混凝土早期開裂行為的關鍵?；谄桨宸?、圓環法等的開裂試驗，可以表征混凝土材料的開裂參數，如初裂時間、裂縫寬度、開裂面積等，但無法直接反應結構層次的開裂行為。朱伯芳院士建立了混凝土溫度應力計算的理論體系，提出了水工大體積混凝土溫度裂縫控制安全系數閾值，以及混凝土“半熟齡期”（semi-mature age）控制和長期保溫的水工混凝土裂縫控制方法；王鐵夢教授建立了溫度應力簡化計算公式，提出“抗與放”（prevent and lay out）的設計原則，以及“跳倉法”等裂縫控制的方法和理念。上述成果已成功地應用于實際工程，解決了普通強度等級大體積混凝土的溫度裂縫控制難題。

       荷蘭代爾夫特理工大學建立了基于混凝土成熟度的抗裂性評估模型，并開發了二維模擬軟件，同時考慮了材料種類對結構應力的影響。然而，混凝土的早期開裂行為強烈地依賴于包括強度、彈性模量和體積變形等在內的早期性能的迅速演變，而如何定量描述早齡期混凝土（特別是大體積混凝土）在溫濕度變化條件下的性能演變歷程，仍然是一項具有挑戰性的任務。

       原材料品質控制和混凝土配合比的優化設計，是減少現代混凝土收縮裂縫的有效途徑。水工大體積混凝土常采用中、低熱水泥以降低混凝土的溫升。膨脹劑、減縮劑和高吸水性樹脂等功能材料可以降低收縮，對于減少一般結構和中低強度等級混凝土的裂縫，起到了積極作用。但是，實際應用也發現，即使采用上述材料，也難以解決現代混凝土的收縮開裂問題。而鑒于實際工程的復雜性，對功能材料在實際使用過程中的性能敏感性（如溫度、濕度敏感性）考慮不足，也大大影響其實際應用效果。

       本文針對現代混凝土復雜的膠凝材料體系，考慮了粉煤灰和礦粉對體系水化反應活化能的影響，并以水化程度作為基本狀態參數，量化描述了混凝土的早期性能演變，以及材料與環境溫濕度之間復雜的交互作用，實現溫濕度變化條件下多種收縮的耦合計算；建立了水化-溫度-濕度-約束耦合作用下的結構混凝土收縮開裂風險評估的方法，提出了基于可靠度的開裂風險系數控制閾值。同時，針對現代混凝土收縮開裂的特點，介紹了水化溫升抑制、全過程補償收縮和化學減縮三項關鍵技術的作用機理及效果。在此基礎之上，開發了抗裂性仿真計算軟件與設計方法，根據實際工程的結構形式、環境特征和材料組成進行抗裂性計算分析。最后，介紹了上述方法和技術在地鐵車站和橋梁橋塔兩個典型工程中的應用。

       本文旨在提出可用于實際工程混凝土收縮開裂評估與控制的理論方法和關鍵技術，主要結論如下：

       （1）針對現代混凝土復雜的膠凝材料體系，提出考慮粉煤灰和礦粉影響的水化反應活化能的計算方法。以水化程度作為基本狀態參數，基于水化-溫度-濕度-約束耦合作用模型，實現變溫變濕條件下自收縮、干燥收縮和溫降收縮的耦合計算，以及結構混凝土收縮開裂風險的量化評估。

       （2）水化溫升抑制、全過程補償收縮和化學減縮三項關鍵技術，能夠有效降低硬化混凝土最大溫升、溫降收縮、自收縮和干燥收縮，減小收縮應力，降低開裂風險。

       （3）基于理論模型和控制技術，開發抗裂性設計方法和系統平臺；根據收縮類型、應力大小和開裂風險出現的時間點，采用對應的抗裂技術，全過程控制開裂風險，使風險系數小于閾值。工程應用結果表明，采用提出的方法和技術，混凝土結構的收縮開裂能夠得到有效控制。

       與混凝土較真！白鶴灘水電站的幕后“藝術家”

       6月28日，全球第二大水電站白鶴灘水電站首批機組正式并網發電！

       白鶴灘水電站總裝機容量1600萬千瓦，居世界第二，僅次于三峽工程；單機容量100萬千瓦，位居世界第一。白鶴灘水電站預計2022年7月可實現16臺機組全部投產發電，屆時一天的發電量可滿足50萬人一年的生活用電。

       作為黨的十八大以來我國開工建設的千萬千瓦級巨型水電工程，白鶴灘水電站工程是長江流域防洪體系重要組成部分，也是實施“西電東送”的國家重大工程，是我國穩增長、調結構、惠民生的新時代“大國重器”。在其成功投產發電的背后，凝結了無數建設者的智慧和心血。

       一群與混凝土較真的“藝術家”

       在四川省寧南縣和云南省巧家縣交匯處的下游河道上，一座世界級巨型拱壩立于其間。大壩左岸的地下洞室里，藏著3條名為“泄洪洞”的奇跡和藝術品。

       稱它們是奇跡，緣于白鶴灘水電站泄洪洞的多項特點：每條泄洪洞長度都在2000米以上，斷面最大可達寬15米、高18米，最大坡度達到23°，過流面積超過20萬平方米。它們的實力也不一般，能承受高達1.2萬立方米每秒以上的大泄量和47米每秒的世界級高流速，僅需18分鐘就可灌滿整個西湖。

       稱它們是藝術品，則是因為其“內外兼修”的混凝土質量：體型精準、平整光滑、耐磨防裂、零缺陷，水流養護狀態下呈現鏡面效果。

       據了解，混凝土施工中素有“無襯不裂”的說法，裂縫似乎是混凝土逃不脫的結局，但白鶴灘的混凝土“藝術家”們卻不這樣認為。

       白鶴灘水電站泄洪洞整體形態和過山車軌道很像，分為上平段、龍落尾段和出口處呈上挑形狀的挑流鼻坎，不同的是泄洪洞每個部位都是混凝土結構。在施工中最困難的，就數龍落尾段。龍落尾段形似龍尾，是一道垂直落差90米的斜坡，23°的最大坡度就出現在這里。

       在以往的水電工程中，如果泄洪洞有龍落尾結構，大多采用混凝土泵輸送混凝土到相應部位，但這種運輸方案不能套用在低坍落度混凝土上。

       工欲善其事，必先利其器。沒有施工裝備，后續的作業就不能進行，創新成了必經之路。

       但創新絕非易事，白鶴灘泄洪洞坡度更大、環境更復雜，想要設計全 套的施工裝備更是難上加難?！半y到和我們合作的廠商都跑了?！比龒{集團白鶴灘工程建設部泄洪洞項目負責人王孝海說。

       為了設計用于龍落尾底板施工的裝備，王孝海創新工作室團隊請來了一些專業廠家，和現場施工單位一起研究。

       這套裝備要適應狹窄和大坡度的環境，要滿足一定的運輸速度保證混凝土不提前凝固，要保證混凝土運輸到準確的部位、不能影響后續人工作業……諸多困難交織在一起，現場試驗情況始終不理想。

       一次次的失敗消磨掉了廠家的耐心，不久王孝海就發現廠商都變得安靜了，“之前我們有一個群，這些廠商的技術人員原本都在群里，后來他們不是‘退群’就是‘隱身’，都不陪我們了，花錢也請不來人”。

       從上平段到龍落尾，再到挑流鼻坎，白鶴灘建設者拿出了全 套施工裝備，實現了“全過流面”創新?！皯们闆r表明，我們自行研制的成套常態混凝土施工裝備安全、高效，較常規施工效率提高了約20%?！蓖跣⒑Ｕf。

       混凝土都是分塊澆筑，塊與塊之間必然會存在一條縫，但泄洪洞的接縫處卻實現了平滑。

       接縫處如何保養、采用什么保護工具，這樣的細節都被施工人員考慮在內。王孝海介紹，從泄洪洞第一倉混凝土澆筑起，建設者就堅持精準析源、精明施策、精心組織、精確控制、精益施工。簡單來說，就是每一個人在每一個環節都有相應的任務。

       施工人員把細致到幾近嚴苛的要求滲透到每一寸鋼筋、每一方混凝土，甚至每一條施工縫里，目的就是為了保障施工質量，這樣的態度和藝術家別無二致。

       白鶴灘泄洪洞平均不平整度小于2毫米，全部都能呈現鏡面效果。這份成績，源自于這一群混凝土“藝術家”的堅持和創新，展現了中國智慧。

       征服世界水電行業的“珠穆朗瑪峰”

       流急坎陡，江勢驚險，要將40%以上的長江水力資源運轉自如，使灌溉中華大地的粗實“血管”暢通無阻，源源不斷輸出清潔電力，江河畔迫切需要一顆強大的“心 臟”。

       而組建這顆“心 臟”的關鍵，就是研制可靠、穩定、高效的水輪發電機組。相對于已投產的長江三峽、溪洛渡、烏東德水電站裝備的巨型水電機組，白鶴灘水電站單機容量再次實現巨大跨越，百萬千瓦機組技術研究的復雜性和技術難度遠超世界已有機組。

       “要成功研制這個目前世界單機容量最大的水電機組，真不容易！”東方電機白鶴灘百萬千瓦發電機總設計師張天鵬感慨道。

       白鶴灘水電站共設計安裝16臺單機容量為100萬千瓦的水輪發電機組，是目前世界上單機容量最大的水電機組，屬于超巨型混流式水輪發電機組，其研制難度遠大于世界在建和已投運的任何機組，被譽為當今世界水電行業的“珠穆朗瑪峰”。機組的成功投產將大幅推動整個水電行業的發展，也標志著我國正逐步成為世界水電創新的中心。

       百萬千瓦，不僅意味著大容量、大尺寸，也意味著發電機會產生更高熱量。作為空冷式機組，如果無法將這些過剩的熱量高效帶走，會造成嚴重的熱變形和熱應力，甚至造成設備損壞。如何幫助高效運行的機組“降火”，是研制團隊面臨的最為棘手的問題。

       或許有人會說，“降火”有什么難的，增加風量不就可以了？難就難在，冷卻風量在很大程度上，與發電機效率呈反比。

       9年前，研制團隊開始了磁極繞組空內冷技術研究應用的攻關工作。通過若干輪次的仿真計算、試驗驗證、方案優化、產品試制，研制團隊成功實現了這一創新技術在白鶴灘項目的落地應用。磁極銅排上開設內通風孔，并新增內部冷卻區，在大幅增加磁極繞組的散熱面積、縮短傳熱路徑的同時，提高冷卻空氣的利用率，大幅降低發電機冷卻需求風量，為實現99.01%這一最高效率指標奠定了基礎。

       “從2006年開始，我們在三峽集團的組織下開始了白鶴灘百萬千瓦機組的研究工作，在機組總體設計、水力、電磁、冷卻、絕緣等9個技術領域進行專項科研攻關，形成了一系列具有自主知識產權的核心技術。我們的發電機效率達到了99.01%，效率水平世界最高?！睆執禊i說，“我們的轉子繞組、空氣內冷新技術，突破了巨型水電機組冷卻技術瓶頸，實現了發電機轉子的最佳冷卻效果，為將來自主研制難度更大的高水頭、大容量水電機組提供了有效的解決方案?？梢哉f，水電裝備的核心技術已經牢牢掌握在我們自己手中?！?/span>