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覃维祖—汲取20世纪的教训，在21世纪建造耐久的结构物

发布于：2022-07-14 09:10:14 来自：道路桥梁/隧道工程 0 7

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编者按：

经典永远历久弥新。

当混凝土劣化时，通常都归咎于养护、骨料、外加剂和质量控制， 水泥则很少受指责 。或许这是因为人们相信，只要通过了标准测试，所有相同品种的水泥都是等同的。然而，品种相同但来自不同厂家的水泥，在延伸性(抗裂性)上却会有大幅度的差异。现代水泥的组成和细度发生了很大变化，这是建筑业需求的反映；现代混凝土是70年来采用水化趋向加快、用量趋向加大的水泥的最终结果。这种趋势导致混凝土强度快速升高但也容易开裂，造成今天各类混凝土快速劣化的不利局面。

我们不要再没完没了地把眼光总盯在采用替代物、外加剂和钢筋及塑料增强等治疗办法上，而直接着眼于把石头粘在一起的胶结料——水泥吧！

在21世纪建造耐久的结构物

（P .K .Mehta and R .W .Burrows）

20世纪这100年里，我们经历了民主、社会、技术和环境空前的变化，这些变化对所有的工业，包括建筑业都带来巨大的影响。至今，混凝土建筑业一直是以及时和有效的方式满足住房和基础设施的需求。

现在我们进入了新世纪，面临着新的挑战：如何建设在环境方面可以持续发展的混凝土结构。高浓度温室气体造成的气候变化已成为环境最大的威胁，如下面所讨论的，建筑业正是产生这些问题的部分原因。

主要的温室气体是二氧化碳，在20世纪里，它在地球周围环境的浓度上升了50%。二氧化碳是制造两种主要的建筑材料——水泥与钢材——的副产品。

因此建筑业需要确定怎样才能满足未来基础设施的需要而不用增加水泥与钢材的产量。通过提高结构的耐久性是保护这些建筑材料的方法之一，也是建筑业解决可持续发展问题的一部分。

一些屹立了2000年之久的无筋混凝土结构，例如用缓慢硬化的火山灰-石灰水泥建造的古罗马万神殿和欧洲的几条输水故道仍然完好；同时20世纪用波特兰水泥建造的钢筋混凝土结构则迅速地劣化。当暴露在侵蚀环境，例如除冰盐和海水中，桥面板、停车场、海底隧道和其他海工结构在不到20年时间就出现严重的耐久性问题。

以往，通常认为结构物的耐久性不足，既不是设计，也不是材料的原因所引起。 大多数情况下，都认为是施工操作不当的责任。混凝土捣实与养护不良、钢筋保护层不足以及接缝漏水是施工存在问题的一些例子。

然而现今一个严重的问题是：

许多新结构的施工操作和过去保持一致，而过早劣化的现象却在不断增多。这意味着除非我们深入地了解现今的建设实践，深刻地认识影响混凝土结构劣化的主要原因，否则混凝土结构过早劣化的现象还将以很高的速度不断延续。

劣化现象，例如钢筋锈蚀和硫酸盐侵蚀，在水和离子渗入到混凝土内部时就会发生。在相互隔离的微裂缝、可见裂缝与孔隙相连通，就产生渗透。

因此，渗透与开裂是紧密相关的，开裂的原因有很多，然而，其中有一个使混凝土结构在早期的开裂起主导因素的原因，那就是为满足现代高速施工所采用高早强水泥及其混凝土拌合物。

作者在本文中回顾了20世纪混凝土业为满足越来越高的强度要求，不可避免地违背了材料科学的基本规律，即开裂与耐久性之间存在的密切关系。为了实现建设可持续发展的混凝土结构这个目标，有必要更新一些观念和建设实践。

1930年以前

根据Burrows的文章所述：在1931年美国混凝土学会的会议上，有人展示了40幅对混凝土结构检查的照片，其破坏原因或是破碎（可能因暴露在冻融循环造成），或接缝渗漏，或捣固不良，没有与开裂有关的报道（见下表所示）。众所周知，在那以前建造混凝土结构所用水泥都是粗磨（Wanger比表面为1100cm ² /g），含硅酸三钙较少（不到30%）。Burrows认为：混凝土由于破碎和渗漏而破坏向由于开裂而破坏的转变，是始于水泥生产向细度和C ₃ S增大，他的观点被1944年对混凝土结构调查的结果所证实。

1930-1950年

1944年，美国公共道路管理局对加州等4个州的桥梁进行了检测，检查的目的在于调查西部各州混凝土迅速瓦解的原因。总体上，大约200座结构，从小的、单跨的桥梁，到大的、多跨桥梁，时间为3~30年进行了检测。

Jackson认为已有足够的证据表明：在1930年以后建造的混凝土结构使用寿命不如在那以前的，例如67%在1930年以前建造的桥梁检查时完好，而1930年后建造的仅27%尚完好。由于施工技术仍然保持一样，他的结论是水泥的细度发生了变化很可能是主要原因。

他报道：由于用户需求高早期强度的结果，ASTM标准改变为允许水泥粉磨得更细。Jackson认为：用Wanger细度为1800cm ² /g（相当于布氏比表面300m ² /kg）的水泥建造的结构不如25年前用粗磨水泥的耐久。

美国垦务局进行了一系列现场与实验室研究的结果，证实了Jackson的理论。Brewer和Burrows在1951年，Backstrom和Burrows在1955年分别报道了这些结果。

1950-1980年

自1950年起，混凝土建设实践发生了几个重大的变化。例如预拌混凝土业、泵送混凝土浇注，以及插入式振动棒振捣迅速发展起来。它们需要用高工作度的拌合物，在70年代出现高效减水剂之前，就采用多加水的拌合物。

为了满足早期较高的强度水平，同时维持快速施工的时间表，通用水泥的细度和C ₃ S含量进一步增大。至1970年，ASTM的Ⅰ型水泥C ₃ S含量上升到50%；细度达到300m ² /kg。

普通水泥组成和水化特性急剧变化对混凝土耐久性带来的影响， 可以从以下事实得到答案： 用1945年生产的水泥，0.47的水灰比，混凝土28d强度为31MPa；在1980年用当时的Ⅰ型水泥，可以较少的水泥用量、高得多的水灰比（0.72）而获得相同的28d强度。由于渗透性增大，后者在侵蚀性环境中的耐久性自然下降。

当混凝土用于桥面板时，相当于进行现场快速试验，因为桥面板混凝土通常要暴露在除冰盐和快速的干湿和冷热循环中。在1987年美国材料顾问委员会的一篇报告中，令人吃惊地观察到1940年以后铺筑的混凝土桥面板大部分呈现出耐久性问题的通病。估计253000桥面板，其中部分使用不到20年，呈现不同程度的劣化，而且每年还要增加35000座。

图1 Ⅰ型水泥7d强度增长

有理由相信，1974年以后混凝土桥面板加速出现耐久性问题，可以直接归因为采用了高早期强度的水泥和混凝土。 Neville也认为混凝土耐久性问题的加剧，是由于水泥标准没有限定细度、C ₃ S含量和早期强度。

当今，ASTM中的Ⅰ型和Ⅱ型水泥C ₃ S含量超过60%；细度高于400m ² /kg。Gebhardt在1994年广泛地调查了北美水泥生产情况，分析了71种ASTMⅠ型水泥和153种ASTMⅡ型水泥的数据，除了低C ₃ A含量的Ⅱ型水泥外，两类水泥的组成和物理特性没有什么差异：C ₃ S含量与细度都大约在56%和375m ² /kg。

以ASTM C109检验砂浆立方体龄期为1d、3d、7d和28d抗压强度分别为14、25、31和41MPa。作者的结论是：看来将水化热适中规定为Ⅱ型水泥的特性多年来已经消失。

图2 Ⅱ型水泥7d强度分布

图1表明在过去的70年里，ASTMⅠ型水泥的7d抗压强度翻了一番（从17到31MPa）；图2 表明，在1953年采用ASTM的Ⅱ型水泥时，至少50%的7d强度还不到21MPa；而到1994年，再没有如此低的强度发展。且大约50%的7d强度在31到38MPa。

现今可以买到的水泥在3~7d都能满足ASTM规定的28d强度。为了适应建筑业快速施工的需要，实际上是要将硬化较慢且较为耐久的水泥挤出在市场中的位置。

图3 高性能混凝土早期开裂

Krauss和Rogalla还对1970年以来混凝土桥面板开裂与劣化提出了另外的解释，指出劣化问题的高潮与1974年美国道路工程师协会（AASHTO）规范大修改恰好重合。

40年里，从1931年到1973年，AASHTO对桥面板规定28d最小抗压强度为20.7MPa，这种混凝土早期的弹性模量小而徐变大，因此不容易因温度收缩和干缩开裂。

随着在路桥上广泛使用除冰盐的增加，钢筋锈蚀的问题加剧，AASHTO决定必须减小混凝土的渗透性，于是在1974年提出限制混凝土最大水灰比为0.445、最小水泥用量为362kg/m ³ 、28d最低抗压强度为30MPa。

Krauss和Rogalla:认为：正是早期高的温度收缩与干缩、低徐变和高弹模，使这些混凝土易于开裂，因此在侵蚀环境里不耐久。

不幸的是：有些人认为AASHTO将水灰比从0.53降低到0.445是个好主意，进一步再降低到0.3就更好了。而现在掺用高效减水剂很容易做到这一点。如下面所讨论，已经有许多结构采用非常低的水灰比，开裂非常严重的报道。

1980年至今

自80年代初起，高效减水剂和活性火山灰矿物掺合料，例如硅粉的使用，使配制水胶比（W/cm）非常低、大工作度，称之为高性能混凝土成为可能。

这种产物的28d抗压强度通常在50~80MPa，试验室试件的渗透性非常小。由于早期的高强度、高弹模，很快在一些快速交工的工程，例如高层建筑的构件找到用途。

在抗渗透性和耐久性为首要考虑的部位采用高性能混凝土已经出现了很大的矛盾 ，解释如下：

1996年，如Krauss和Rogalla所报道，对北美（美国和加拿大）20万座新建造的桥梁进行调查的结果显示：其中10万座以上的混凝土桥面板在施工后很快出现横向裂缝。作者将其主要归因为温度收缩。通常裂缝是穿透的，沿桥的纵向间隔为1~3m。

作者的结论是： 在不利的条件下裂缝发展，降低了混凝土抗渗透性，加速了钢筋锈蚀和混凝土劣化。看来混凝土桥面板劣化在70年代中期加剧的问题，很可能是由于AASHTO限定采用高强混凝土的缘故，而80年代后在公路建设中采用高早强的高性能混凝土并没有解决这些问题。

根据Krauss和Rogalla所述： “在采用高水泥用量、高效减水剂和硅粉时，1d湿养护的抗压强度可达27.6~55MPa；这类混凝土1d的弹模可达28.8~35.8Gpa。是1974年前所用普通混凝土的3~7倍。这类强度非常高的混凝土徐变显著减小。与徐变显著减小相关的脆性和早期可见裂缝与其它异常开裂现象，和工程师们从普通混凝土得到的经验不一致。

Burrows引用了弗吉尼亚、德克萨斯等州桥面板的经验证实Krauss和Rogalla的结论。1974年当弗吉尼亚的桥面板强度从21MPa提高到28MPa后，开裂加剧了；与此类似，1995年对堪萨斯29座桥的调查显示：采用44MPa强度的混凝土开裂要比用31MPa时增加1倍；1997年德克萨斯州的高性能混凝土桥面板示范工程——Louetta Overpass，比采用普通混凝土的相邻车道开裂得更厉害；在丹佛，尚未施工完的高强混凝土第23街高架桥就出现开裂。

开裂的原因是由于使用高水泥用量（w/c = 0.31）和水化快的Ⅱ型水泥（该水泥的细度为391m ² /kg；C ₃ A+C ₃ S含量为72%，是北美大约200个Ⅱ型水泥中最高的），使温度收缩和自身收缩非常大。掺用了众所周知使混凝土自身收缩显著增大的硅粉，是这种混凝土开裂进一步加剧的原因。普通混凝土中，50个微应变的自身收缩可以忽略，而高强混凝土的自身收缩可达几百个微应变，与干缩一样大。

从20世纪的经历中得到的教训

从20世纪混凝土施工的实践中，作者可以得出下列结论：

在20世纪进行大量的现场调查表明：自20世纪30年代以来，无论水泥，还是混凝土的强度都提高了，而这通常伴随着劣化问题相应地加剧。

通用水泥C ₃ S含量与细度逐渐增大，使这些水泥的早期强度可以发展得非常高，而现今又趋向生产水泥用量大、早期强度高的混凝土拌合物。与早期的普通混凝土相比，现今混凝土由于徐变小，而温度收缩、自身收缩与弹模大，更易于开裂。混凝土的高强度与早期开裂之间存在着密切的、逆转的关系。

开裂与暴露于侵蚀性环境混凝土结构的劣化之间，存在着密切的关系。

即使遵循了良好的建设实践，混凝土结构过早地劣化仍会发生，说明在现行规范中对混凝土耐久性的要求存在某些误区，如下面所讨论。

在考虑实际结构的服务寿命时，要慎用实验室进行混凝土耐久性的试验结果，因为混凝土开裂在很大程度上取决试件尺寸、养护经过和环境条件。实验室的试件小，且体积变化通常不受约束。以用量大、水化快的富水泥拌合物进行实验室试验结果渗透性可以很低，但这种拌合物用于处在干湿、冷热和冻融反复循环环境中的结构就未必耐久。在这种环境里，养护不足的大掺量粉煤灰或矿渣混凝土在现场也会开裂和劣化，同时养护良好的试件在实验室里也会呈现出优异的渗透性能。

推荐应用规程中对耐久性的要求

现行施工规程是由美国混凝土学会318建筑规范或它的改版所规定，该规范在1989年改版并强调在耐久性很重要时，拌合物配比的选择应优先考虑耐久性。

虽然用意是好的，但是为此推荐的实施办法，达不到建筑物耐久和环境可持续发展的预期目标。为说明这一点，下面分析ACI318-99对耐久性的要求如何影响规定强度为20MPa并暴露于除冰盐或海水中的配筋结构混凝土拌合物设计。

水泥用量：

该规范规定混凝土拌合物最大水胶比（W/cm）为0.40，最小强度为35MPa。通常，混凝土平均强度还要比规定强度高5~10MPa，取决是否有现场强度数据和建立标准差的需要。对于骨料最大粒径为25mm、坍落度100mm的拌合物，ACI 211对非引气混凝土推荐195kg/m ³ 用水量，采用普通减水剂可减少用水7~8%，将用水量降低到180kg/m ³ 。

因此，在最大水胶比(W/cm)0.40时，需要水泥用量为450 kg/m ³ ；如果采用高效减水剂，减水率提高一倍，水泥用量也要410 kg/m ³ 。从理论和现场经验考虑，这样的水泥用量太多，无法建造不开裂、可耐久的结构物。

用水量：

按照ACI 318对最大水胶比的规定控制用水量，如上所述，这种方法在胶凝材料全部使用，或者大部分使用硅酸盐水泥时是不能取得令人满意的效果的。看来从耐久性观点出发，直接控制拌合物最大允许用水量是很必要的。

矿物掺合料：

例如磨细粒状高炉矿渣、ASTM的F类粉煤灰，在降低初龄期混凝土的水化热、强度和弹模很有效。这就是为什么养护适当的大掺量矿渣或粉煤灰（胶凝材料重量的50%或更多）混凝土通常较少开裂，因此在服务期渗透性较小，这是控制混凝土因钢筋锈蚀、碱-骨料反应和硫酸盐侵蚀而劣化的一个重要因素。

从耐久性考虑，建筑规范应在混凝土结构设计中采用大掺量矿物掺合料混凝土的方针。

裂缝宽度与耐久性

在美国混凝土学会的混凝土实用手册中，对暴露在不同环境中混凝土结构物的裂缝宽度与耐久性间的关系没有明确的方针。虽然ACI 224 R-98提出在钢筋混凝土结构暴露于除冰盐或海水环境中的受拉面，分别以0.15~0.18mm为最大允许裂缝宽度。

该报告还否认了裂缝宽度不是预测钢筋锈蚀和混凝土劣化一个可靠标志的说法。对于一个设计者，有必要懂得评价裂缝控制的程度，至少要知道裂缝与微裂缝（小于0.1mm）对混凝土渗透性的影响，简单介绍如下：一般来说，在水泥砂浆和粗骨料或钢筋的界面过渡区，水胶比较大，因此形成较大的孔隙率，较低的强度，在应力作用下容易开裂。

因此，当结构，或结构的某一部分受到激烈的大气侵蚀或循环荷载作用时，就可能形成网状的遍布各处的微裂缝，在这种情况下，即使外观上只出现很少、很窄、非连续的表面裂缝，仍会给有害离子渗入混凝土内部提供通道。

建造实践需要进行一些变革

即使正确地限定了原材料和拌合物配合比，并且小心地遵循施工规程，认为可以根据现有的实践建造耐用和持久的混凝土结构仍然是不现实的。

这是因为在20世纪里，材料和建造实践首先是为了满足快速建设的需要，事实已经证明：这对暴露于严酷环境条件下运行的混凝土结构耐久性是有害的。

我们已经处于在建造耐用和环境中持久的混凝土结构时，必须牺牲一些建设速度，显然，这需要业主、营造商与设计者转变观念，下面简单讨论一些建造实践中必须变革的问题：

由于20世纪发生的巨大变化，仍然认为高速施工是有利于社会的概念是成问题的。从全球来看，劳动力不短缺，但是我们面临人为气候变化的严重问题，这使得一些建筑材料，例如钢材和混凝土给环境带来很大代价的产品生产成为引人注目的中心。因此，保护材料的生产，而不是施工速度，应该成为21世纪混凝土业新的关注点。

认为混凝土强度越高，结构越耐久的观念没有被现场实际经验所支持。高早强的混凝土更易于开裂，在侵蚀性环境中劣化更迅速；规范应该修正，足够地强调这一点。

许多已经试过，对混凝土耐久性问题的简化或者严密的解决办法都没有多少成效。 必须认识到：没有一个整体论方法就达不到耐久的目的。

ACI 201（混凝土耐久性委员会）的报告不考虑开裂-耐久性关系，因为开裂不是这个委员会的使命；混凝土开裂是ACI 224委员会负责的内容，而它又不想涉及耐久性问题。

许多耐久性问题的根本原因可以追溯到这种简化方法论。

ACI 318正是忽略了开裂-耐久性关系，而又过分强调强度-耐久性关系，因此无助于建造耐用和环境中持久的混凝土结构。

为营造结构设计人、材料工程师和施工人员之间比今天密切得多的工作关系，转变成整体论方法，以控制混凝土结构的开裂是非常必要的。

认为混凝土耐久性可以用控制水胶比的办法来控制是错误的。因为不是水胶比，而是用水量对控制开裂更为重要。减小了用水量，在保持强度相同的条件下，可随之相应降低水泥用量，从而减小混凝土的温度收缩、自身收缩和干缩。所以为了获得耐久性，选择混凝土配合比的标准也必须进行一次重大的变革。

注意在强调从w/cm-强度关系转变到用水量-耐久性关系过程，需要比现在惯用的建设实践更密切得多地关注骨料级配。应用良好的骨料级配可以大幅度地降低用水量，进一步降低可以通过使用中效或高效减水剂，大掺量粉煤灰或矿渣，以及粗磨硅酸盐水泥来达到

为取得保护材料的目的，标准需要从指令型向性能型变革。例如ASTM C 1157-98水硬性水泥的性能标准规定：通用水泥（GU型）3d和7d最大抗压强度值分别为20MPa和30MPa；该标准还涉及一种中热水泥（MH型），限制其3d与7d最大抗压强度值分别为15MPa和20MPa。

它们都不限制水泥的组成和细度，然而，为了符合最大强度的限制，就必须控制现今水泥的细度和C ₃ S含量。

这可以通过粗磨的、低C ₃ S含量的硅酸盐水泥，也可以将普通硅酸盐水泥与大掺量粉煤灰或矿渣复合使用来达到。

与符合ASTM C150的Ⅱ型水泥相比，采用ASTM C 1157-98的GU型和MH型水泥应该更不容易出现开裂。

结论

在20世纪，混凝土建筑业受越来越高速建设的经济利益所驱动，越来越多地采用高早强水泥和混凝土拌合物，从现场经验得到的结果是：许多现代混凝土结构表明它们易于开裂，在暴露于侵蚀性环境中时，劣化起来要比预期的服务寿命快得多。

为建造在环境中可持久的混凝土结构，21世纪的混凝土实践必须靠耐久性，而不是强度来驱动，这种变革要靠如本文所述，在选择原材料、拌合物配比设计和建设实践上进行大的转变来达到。

覃维祖译自Building Durable Structures in The 21st Century. Concrete International. March,2001

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cof_49329337

这个家伙什么也没有留下。。。

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