第五节 建筑材料研究
一、基本概念
广义而言，建筑材料是指水利水电工程建设所需要的一切材料。通常分为三大类：第一类为矿物质材料，包括天然土料、天然石料、烧土制品、无机胶凝材料、混凝土以及水泥砂浆等；第二类为有机质材料，包括木材、竹材、沥青、橡胶、土工合成材料等；第三类为金属材料，包括钢筋、钢板、铜片及各种有色金属材料。在水利水电工程建设中，应用较多的建筑材料是砂石料、土料、水泥、混凝土、钢材、木材、沥青以及土工合成材料等。
建筑材料的工程性能是工程设计中最需要重视的问题之一，建筑物结构所处环境和承受的作用不同，设计要求的建筑材料的工程特性也不同，因而不同建筑物或建筑物不同部位可以采用不同的建筑材料。建筑材料的工程特性包括材料的比重、容重、孔隙率，材料的强度、变形性质、渗透性及其他与水有关的性质，材料的热学性，材料的抗化学腐蚀性，材料的耐久性等。为了能够合理选择与正确使用材料，必须研究和掌握材料的各项有关性质，特别是一些新型材料的工程特性。
在水利水电工程建设中，建筑材料的费用占工程总投资的比重较大，建筑材料的品种、质量及规格是水利水电工程设计的重要内容，直接影响建设工程的安全质量、进度和投资；在一定程度上影响建筑物的结构型式、施工方法以及施工进度；影响工程的可维护性和耐久性；影响建筑物抵御不可预见风险的能力。在科学技术高度发展的今天，新型建筑材料不断出现，促进了结构设计和施工技术的革新，推动了工程技术进步与发展。因此，建筑材料生产及其科学技术的迅速发展，对工程建设具有十分重要的作用。
二、天然建筑材料
（一）勘察试验要求
天然建筑材料是水利水电工程的主要建筑材料。为了合理利用工程所在地天然建筑材料并且为工程设计提供基本依据，需要按照规程规定进行必要的地质测绘、勘探、试验及研究等工作，包括开展天然建筑材料料源方案的综合比较等，探明其储量、质量、开采、加工及运输条件等。不同设计阶段，勘察、试验和研究工作的内容和重点有所不同。
在规划设计阶段，一般要求在工程区20km范围对各类天然建筑材料进行普查，初步了解材料的类别和质量，并估算储量。草测1/5000～1/10000料场地质图和1/50000～1/100000料场分布图。
在预可行性研究阶段，一般要求初步查明料场土层结构、岩性、软弱结构的性质及其分布、地下水、无用层厚度及方量，有用层的储量、质量和开采、加工、运输条件以及料场开采可能对环境的影响等。编制1/1000～1/2000料场地质剖面图、1/2000～1/5000料场综合地质图和1/25000～1/50000料场分布图。勘察储量不小于设计需要量的3倍，误差不超过40%。
可行性研究阶段，要求在初查的基础上进行详查或复查，详细查明料场土层结构、岩性、软弱结构的性质及其分布、地下水、无用层厚度及方量、有用层储量及质量，以及开采、加工、运输条件、可能对环境的影响等。编制1/500～1/1000料场地质剖面图、1/1000～1/2000料场综合地质图和1/10000～1/50000料场分布图。勘察储量不小于设计需要量的2倍，误差不超过15%。
（二）主要质量指标
1.石料
天然石料在水利水电工程建设中应用十分广泛，如用作混凝土骨料、堆石坝坝料和砌石建筑物等。它具有抗压强度高，耐久性好，分布较广，便于就地取材等特点。
工程上常用的岩石有花岗岩、玄武岩、闪长岩、辉绿岩、石灰岩、砂岩以及大理岩、石英岩和片麻岩、板岩等。不同的岩石，其矿物成分、结构和构造不同，物理力学性质和工程性能也有差别，因此需要在掌握其工程性质的基础上合理选用。
水利水电工程设计中，应考虑当地天然建筑材料分布及其工程特性，因材设计或因地制宜地进行水工建筑物设计，根据石料的用途，提出石料的干密度、抗压强度、抗冻等级、软化系数等质量指标；或结合对现场石料的质量评价和鉴定，确定天然石料的适用性。
2.土料
土除了广泛用作建筑物地基之外，还用于修筑土坝、土堤，在运河、渠道和隧洞等工程中，还用作其他建筑物的垫层、铺盖和防渗心墙等。
与其他连续介质不同，土的主要特征就是它的多孔性和松散性。土是松散矿物颗粒的集合体，通常包括固体、液体和气体三部分（又称三相土）。这些组成部分之间的数量比例关系和相互作用，决定着土的物理力学性质和它在工程中的作用。
在水利水电工程应用中，通常需要在地质勘察的基础上，经土工试验或按照土的工程分类，确定土的矿物组成、土层结构、颗粒级配、含水量以及强度、变形、渗透性等指标，确定其适用性和适用范围。用作防渗的土料，应使其有机质含量（按重量计）小于2%，粘粒含量以15%～40%为宜，天然含水率接近最优含水率或塑限，压实后，渗透系数小于1×10-5cm/s等。土的不同的工程应用，有不同的质量要求，需要分别研究论证。
三、水工混凝土
混凝土是以水泥、砂、骨料和水为主要原料，按适当比例配合，经搅拌、浇筑、振捣、硬化而形成的建筑材料。由于水工混凝土结构或暴露于大气，或埋置于地下、浸入水中，经受日光、温度、流水及环境水等外界因素的影响，因此，除了需要具有一般普通混凝土的性能外，还要根据其所处部位的工作条件，分别满足抗压、抗渗、抗冻、抗裂、抗拉、抗冲耐磨、抗风化和抗侵蚀等要求。例如，对坝体迎水面外部混凝土，有抗渗和抗冻的要求；对泄水建筑物过流表面的混凝土，有抵抗高速水流的冲刷、空蚀和泥沙磨损的要求；对大体积混凝土，有限制水化热温升、防止温度裂缝的要求；当环境水中含有酸、盐等有害物质超过某一限度时，水工混凝土要具有抵抗有害物质侵蚀破坏的要求。为了满足这些要求，需要通过研究，确定对水工混凝土原材料、配合比、水工结构设计以及混凝土浇筑等的专门的技术要求。
（一）对原材料的要求
1.水泥
水工混凝土要针对其性能要求，使用不同性能的水泥。对水泥的要求主要有：①大体积内部混凝土，要求用低热水泥，如硅酸盐大坝水泥和普通硅酸盐大坝水泥；②有抗冲刷和抗冻要求的混凝土，优先采用硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥；③当环境水有硫酸盐侵蚀性时，应选用抗酸水泥；④当骨料中含有碱活性成分时，应采用低碱水泥；⑤建筑物外部水位变化区、溢流面和经常受水流冲刷部位的混凝土，以及受冰冻作用的混凝土，其普通硅酸盐水泥早期强度等级不宜低于P.O 32.5R。
2.骨料
水工混凝土可选用天然骨料、人工骨料，必要时也可两者混用。对骨料的要求主要有：①砂的细度模数宜控制在2.4～2.8，天然砂宜按粒度分级；②粗骨料按粒径分级，一般为5～20mm、20～40mm、40～80mm、80～150mm（或120mm）四级；③砂石骨料中含有碱活性骨料时，必须进行专门验证；④骨料质量的技术要求，在控制含泥量及其他有害物质含量方面较普通混凝土更加严格。
3.水
水工混凝土对水质的要求与一般普通混凝土相同。凡适用于饮用的水，均可用以拌制、养护水工混凝土。
4.掺合料
水工混凝土常用的掺合料是粉煤灰。Ⅰ级粉煤灰品质的主要指标是：①细度，45μm方孔筛筛余量不大于12%；②烧失量不大于5%；③三氧化硫不大于3%；④需水比不大于95%；⑤含水量不大于1%。另外，含碱量应控制不大于1.5%。其他可以采用的掺合料还有合格的火山灰、磷矿渣、钢渣、石灰石粉、凝灰岩粉等。
5.外加剂
根据设计和施工需要选用，通常能够起到改善混凝土性能的作用。常用的外加剂有减水剂、加气剂、防水剂、防冻剂、缓凝剂和早强剂等品种。外加剂的品质指标要符合国家或行业相关标准。外加剂选择一般需要通过兼容性试验检验，其掺量也通过试验研究确定。
（二）对施工的要求
（1）选择合适的混凝土配合比。主要要求有：①除应满足各项强度及其性能设计指标外，还应满足施工和易性的要求，并采取措施合理降低水泥用量；②为确保混凝土的质量，工程所用混凝土的配合比，即水泥用量、水灰比、砂率、骨料级配及其用量等必须通过试验确定；③对于大体积建筑物的内部混凝土，胶凝材料（水泥+掺合料）用量不宜低于120kg/m3；④根据建设条件的变化或使用新的掺合料与外加剂，进一步调整优化混凝土配合比，改善混凝土物理力学性能和热学性能等。
（2）水工混凝土在拌和、运输、浇筑、养护过程中，除有与一般普通混凝土相同的质量控制要求外，有时还有一些专门要求。如控制混凝土的浇筑温度；对混凝土浇筑的分缝尺寸、分块高度、相邻坝块的高差及浇筑间歇时间等，均应根据具体施工条件加以限制。
（3）对大体积水工混凝土，需采取综合措施，包括温度控制措施，以防止混凝土产生裂缝，主要措施是减少混凝土热量、降低浇筑温度、加强浇筑块散热和进行表面保护等。
（4）低温季节施工时，必须有专门的施工组织设计和可靠的防寒保温措施，以保证混凝土满足设计规定的强度增长的要求。