當混凝土“邂逅”長江：一場微觀世界的持久戰

長江水年均流量超9000億立方米，攜帶著微量鎂、硫酸根離子，日夜沖刷著三峽大壩的混凝土“鎧甲”。東南大學與三峽集團的最新研究發現，這座“混凝土巨人”不僅未被歲月侵蝕，反而在17年間與長江水形成獨特“共生關系”——中熱水泥與粉煤灰的“動態防護網”，讓混凝土在化學侵蝕中越戰越勇。這項突破性成果揭示了材料與環境協同進化的科學密碼。

長江水的“溫柔刀”：看似無害的慢性侵蝕

研究團隊首次公布三峽庫區水化學數據（表1）：

  • 鎂離子（Mg2?）：7.6 mg/L（接近生活飲用水標準限值）
  • 硫酸根（SO?2?）：11.7 mg/L（僅為海水濃度的1/300）

看似溫和的環境，實則暗藏“鈍刀割肉”效應：

  1. 鈣浸出：水流持續溶解混凝土中的氫氧化鈣，導致表層孔隙率從6%升至12%；
  2. 鎂置換：鎂離子取代C-S-H凝膠中的鈣，形成疏松的鎂硅酸鹽（M-S-H），強度下降10%-15%；
  3. 干濕循環：每年約30次水位漲落，引發鹽分結晶膨脹，加速微裂紋擴展。

實驗室模擬發現：在pH=7.5的模擬長江水中浸泡10年后，混凝土抗壓強度損失達18%，遠超純水環境的5%。這解釋了為何鉆芯樣本表層出現“蜂窩狀”結構（圖26c）。

材料的“自適應進化”：中熱水泥的鎂氧“修復術”

面對環境侵蝕，三峽混凝土的“兩大基因”展現了驚人韌性：

1. 中熱水泥的“變形補償”

  • 鎂氧（MgO）微膨脹：水泥中4.5%的MgO在17年間持續水化生成水鎂石（Mg(OH)?），體積膨脹0.8%-1.2%，主動填充裂縫（圖25e）；
  • 溫度協同：夏季40℃高溫加速水鎂石生成，與冬季收縮形成動態平衡，避免應力集中。

2. 粉煤灰的“化學鎖鏈”

  • 鋁相遷移：粉煤灰中的Al?O?與硫酸根結合，生成單硫型硫鋁酸鹽（AFm）而非膨脹性鈣礬石（AFt），防止內部脹裂；
  • 硅網加固：火山灰反應生成的納米C-S-H纖維（直徑＜10nm），像“鋼筋網”般穿插孔隙，使氯離子擴散系數低至1.7×10?12 m2/s（圖16）。

電鏡證據顯示：17年后，粉煤灰顆粒表面覆蓋致密反應層（圖30），形成“核-殼”結構，既保護未反應內核，又通過微孔釋放活性硅鋁。

實驗室VS現實：被低估的“時間變量”

研究發現，實驗室標準養護（20℃/90%濕度）與實際環境的性能差異高達30%：

  • 抗凍性偏差：自然養護混凝土經歷50次凍融后強度損失達42%，而實驗室樣本在300次循環后仍保持85%強度（圖11）；
  • 碳化悖論：盡管現場碳化深度僅8mm（圖14），但表層C-S-H凝膠的鈣硅比從1.7降至1.2，導致pH值下降1.5個單位，鋼筋銹蝕風險隱現。

核心矛盾在于：實驗室加速試驗無法復現長江水-溫度-微生物的復合作用。例如，沉積在混凝土表面的硅藻（每年增長3μm）分泌有機酸，加速局部腐蝕，這一現象在無菌實驗室完全缺失。

綠色啟示錄：億噸粉煤灰的“重生之路”

三峽工程消耗粉煤灰超300萬噸，相當于：

  • 減少碳排放：每噸粉煤灰替代水泥，減少CO?排放0.8噸，累計減排240萬噸；
  • 固廢資源化：消耗全國1.2%的燃煤電廠固廢，避免填埋占地4500畝；
  • 經濟賬：降低水泥用量節省成本12億元，等效于建造3座跨江大橋。

更深遠的意義在于：該技術讓我國中低品質粉煤灰（燒失量＞8%）得以高值化利用。傳統認為不宜用于混凝土的褐煤灰，經三峽配比優化后，28天強度反超普通粉煤灰混凝土15%（圖8）。

未來挑戰：百年大壩的“健康密碼”

面對下一個17年，研究團隊提出三大方向：

  1. 智能監測網：植入納米二氧化硅熒光傳感器，實時監測混凝土內部pH值、濕度變化；
  2. 自修復涂層：開發含微生物的硫鋁酸鹽修補砂漿，遇水釋放碳酸鈣修復微裂紋；
  3. 氣候適應性設計：針對未來極端氣候（如日溫差超15℃），優化MgO摻量梯度分布。

正如論文通訊作者于洋教授所言：“混凝土不是冰冷的材料，而是會‘呼吸’的生命體。讀懂它與環境的對話，才能筑就真正的世紀工程。”

結語
三峽大壩混凝土的17年征程，不僅改寫了土木工程材料教科書，更開創了重大基礎設施與環境協同演化的研究范式。當科技與自然達成微妙平衡，“混凝土長壽基因”的故事才剛剛開始。

來源: Engineering