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1991年在加拿大蒙特利爾召開的第二屆國際混凝土耐久性會議上，美國伯克利大學的Mehta教授的發(fā)言題名為“混凝土耐久性——進展的五十年?”［1］。為了準備這個發(fā)言，他翻閱了1987年在美國亞特蘭大召開的第一屆混凝土耐久性國際會議論文集上100多篇達2000多頁的文章，還閱讀了大量20世紀40—90年代國際會議與組織的出版物，這還只是涉及化學方面的論文，他說：“如果再加上研究與凍融循環(huán)和鋼筋銹蝕引起的混凝土耐久性方面的論文，那就簡直數不過來了”。 在該論文的摘要中，他指出［1］：“從提高耐久性角度，盡管有一些似乎是重要的、有價值的發(fā)現(xiàn)，然而與50年前相比，今天的混凝土結構更加缺乏耐久性”。這與英國的Neville 在第一屆國際混凝土耐久性會議上的發(fā)言如出一轍：“這次研討會是涉及混凝土耐久性的，有幸提出一個問題：為何在這些年的研究工作后，仍然存在這么多混凝土耐久性的問題，可能甚至比50年前的問題還要多?”［2］ Mehta教授還指出［1］：以重要性遞減的順序排列，現(xiàn)今混凝土劣化的主因是：鋼筋銹蝕、冷天的結凍、侵蝕環(huán)境的物理-化學作用。人們已經形成一個共識：并非硅酸鹽水泥組成的變異，而是混凝土的滲透性，才是其整個耐久性問題的關鍵；另一個共識是：20世紀40年代以后為建筑業(yè)的快速發(fā)展期，由于水泥組成的變化，混凝土的強度可以滿足需要，但從鋼筋銹蝕、抗凍融循環(huán)和化學侵蝕的角度來看，是無法令人滿意的。 盡管在認識和控制使混凝土劣化的各種物理與化學現(xiàn)象方面有了顯著的進展，然而混凝土結構卻更加趨于不耐久。原因之一是從耐久性試驗所獲得的信息都支離破碎，不能綜合為一個對現(xiàn)場混凝土真實的、長期作用的全面認識。由于實驗室的快速試驗與實際混凝土結構的性能相關性不好，因此過于相信涉及耐久性不同方面的試驗方法與規(guī)程，也成為問題的一部分。 今天，我們國家的混凝土工程基礎設施正在以前所未有的速度建設著、運行著，同樣“認識和控制使混凝土劣化的各種物理與化學現(xiàn)象方面有了顯著進展”，自20世紀50年代初至今的60年里，是否也正在重現(xiàn)“有更多的混凝土結構更加缺乏耐久性”呢? 原因又何在? 1 國內外混凝土工程劣化加速的典型案例及原因分析 Mehta和Burrows在2001年美國雜志上發(fā)表的一篇文章中［3］，列舉了一些非常典型的混凝土工程劣化加速的典型案例。1944年，美國公共道路管理局對加利福尼亞州等4個州的橋梁進行了檢測，檢查的目的在于調查西部各州混凝土迅速瓦解的原因。總體上，大約200座結構，從小的、單跨橋梁，到大的、多跨橋梁，時間為3～30年進行了檢測。Jackson認為已有足夠的證據表明：在1930年以后建造的混凝土結構使用壽命不如在那以前的，例如67%的1930年前建造的橋梁檢查時完好，而1930年后建造的僅27%完好。由于施工技術仍然保持一樣，他的結論是水泥的細度發(fā)生了變化很可能是主要原因。美國墾務局進行了一系列現(xiàn)場與實驗室研究的結果證實了Jackson的觀點。 “自1950年起，混凝土建設實踐發(fā)生了幾個重大變化。例如預拌混凝土業(yè)、泵送混凝土澆筑，以及插入式振搗棒振搗迅速發(fā)展起來。它們需要用高工作度的拌合物，在20世紀70年代出現(xiàn)高效減水劑之前，就采用多加水的拌合物。通用水泥的細度和C3S含量進一步增大滿足早期較高的強度水平，同時維持快速施工的時間表。至1970年，ASTM的Ⅰ型水泥C3S含量上升到50% ，細度達到300m2/kg”?！?/span>當混凝土用于橋面板時，相當于進行現(xiàn)場快速試驗，因為橋面板混凝土通常要暴露在除冰鹽和快速的干濕和冷熱循環(huán)中。在1987年美國材料顧問委員會的一篇報告中，人們吃驚地發(fā)現(xiàn)1940年以后鋪筑的混凝土橋面板大部分出現(xiàn)耐久性問題。估計253000座橋面板，其中部分使用不到20年，呈現(xiàn)不同程度的劣化，而且每年還要增加35000座”?！?/span>有理由相信，1974年以后混凝土橋面板加速出現(xiàn)耐久性問題，可以直接歸因于采用了高早期強度的水泥和混凝土。Neville也認為混凝土耐久性問題的加劇，是由于水泥標準沒有限定細度、C3S含量和早期強度。當今，ASTM中的Ⅰ型和Ⅱ型水泥C3S含量均超過60%，細度高于400m2/ kg”。 1996年，如Krauss和Rogalla所報道，對北美20萬座新建造的橋梁進行調查的結果顯示：其中10萬座以上的混凝土橋面板在施工后很快出現(xiàn)橫向裂縫。作者將其主要原因歸于溫度收縮。通常裂縫是貫穿的，沿橋走向的間隔為1～3m。作者的結論是：在不利條件下的裂縫發(fā)展降低了混凝土抗?jié)B性，加速了鋼筋銹蝕和混凝土劣化。看來混凝土橋面板劣化在20世紀70年代中期加劇的問題，很可能是由于AASHTO限定采用高強混凝土的緣故，而80年代后在公路建設中采用高早強的高性能混凝土并沒有解決這些問題。 根據Krauss和Rogalla所述：在采用高水泥用量、高效減水劑和硅灰時，1d濕養(yǎng)護的抗壓強度可達27.6～55.0MPa；這類混凝土1d的彈性模量可達28.8～35.8GPa。是1974年前所用普通混凝土的3～7倍。這類強度非常高的混凝土徐變顯著減小。與徐變顯著減小相關的脆性和早期可見裂縫與其他異常開裂現(xiàn)象，和工程師們從普通混凝土得到的經驗不一致。 Burrows引用了弗吉尼亞、德克薩斯州等橋面板的經驗證實Krauss和Rogalla的結論。1974年當弗吉尼亞的橋面板強度從21MPa提高到28MPa后，開裂加劇；與此類似，1995年對堪薩斯29座橋的調查顯示：采用44MPa強度的混凝土開裂要比用31MPa強度混凝土時增加1倍；1997年德克薩斯州的高性能混凝土橋面板示范工程——Louetta Overpass 比采用普通混凝土的相鄰車道開裂得更厲害；在丹佛，尚未施工完的高強混凝土第23街高架橋便出現(xiàn)開裂。開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(該水泥的細度為391m2/kg；C3A+ C3S含量為72%，是北美大約200個Ⅱ型水泥中最高的)，使溫度收縮和自身收縮非常大。摻用了使混凝土自身收縮顯著增大的硅灰，是這種混凝土開裂進一步加劇的原因。普通混凝土中，50個微應變的自收縮可以忽略，而高強混凝土的自收縮可達幾百個微應變，與干縮一樣大。 國內以水泥混凝土為材料的公路建設發(fā)展較為遲緩，直到20世紀70年代末，筆者調進交通部公路科研所工作時，這種公路只在河北唐山與秦皇島地區(qū)和浙江省等地較為多見。記得那時就曾聽見唐山公路處反映：所用水泥強度等級越高，路面板就越容易斷板。90年代初，國內不少省市受一場洪水影響，先前鋪筑的渣油表處路面被水浸泡后很快損壞。往災區(qū)運送物資時，例如從江蘇到安徽的312國道水泥混凝土路，雖然長時間浸泡在水中已看不見，仍然可以安全行車，道路暢通，被老百姓稱為“救命道”。于是，全國許多省市掀起一股修建水泥混凝土路面高等級公路的熱潮。但是，好景不長，20世紀末21世紀初，大部分省市地區(qū)的高速公路建設又轉而采用瀝青路，一個重要原因當然是瀝青材料可以不靠進口，且品質可以通過復合聚合物得到顯著改善。但另一個原因是許多水泥混凝土路面的公路開裂與劣化迅速。如圖1所示，位于安徽省內的合巣蕪高速公路通車沒幾年就“千瘡百孔”，行車困難。
2001年，筆者應邀到京珠高速公路上一個標段去了解路面板開裂與劣化迅速的原因。該路段的路面板采用進口雙車道滑模攤鋪機在2000年11—12月攤鋪，僅過去半年左右時間，路面就出現(xiàn)多條順著道路走向的裂縫，而且在不斷擴展、延伸(見圖2)。據該路段的主管工程師反映，本來很想把他們承擔的這一標段修筑成樣板工程，所以十分精心地施工了基層，以致在未鋪筑路面板前，大量運料車輛來回行駛了兩三個月毫發(fā)未損，受到來檢查工作的省交通廳表揚。但令他萬萬沒想到的是當路面板攤鋪后，這一標段的開裂最早，也最嚴重。經過情況了解和具體分析，筆者列出了以下原因：①水泥穩(wěn)定碎石基層過于堅固，對路面板混凝土早期收縮約束強烈；②路面板混凝土早期強度發(fā)展迅速、模量大，變形受基層約束產生高應力；③縱縫切得過淺(2～3cm)，未發(fā)展斷開，從側面形成進一步的約束；④受超載重負和填方段路基沉降影響。
該標段10多km長的混凝土路面板在通車后不到10年后全部挖開重建。 2 混凝土耐久性研究與工程劣化呈現(xiàn)相反趨勢的主要原因 有關這個問題，Mehta教授在1997年發(fā)表的一篇文章［4］中敘述到:“在認識和控制混凝土劣化的主要原因，包括鋼筋銹蝕、冰凍作用、堿-骨料膨脹和硫酸鹽侵蝕方面，已經取得很大進展。然而基于現(xiàn)代知識基礎上的材料規(guī)范以及試驗方法，還是依據對于涉及耐久性問題的混凝土科學的簡化。這個問題需要進一步考查，是因為根據規(guī)范、指南建造的許多結構物，在遠未達到預計的使用壽命之前就已經破壞。如果我們的結構設計、材料標準和施工實踐都符合要求，為何還面臨如此眾多的耐久性問題呢?”在這篇文章里［4］，Mehta將結構劣化的主導原因歸結為混凝土的開裂：“劣化現(xiàn)象，例如鋼筋銹蝕和硫酸鹽侵蝕，在水和離子滲入混凝土內部時就會發(fā)生。在相互隔離的微裂縫、可見裂縫與孔隙相通時，就產生了滲漏。因此，滲漏與開裂是緊密相關的，開裂的原因有很多，然而，最主要的一個使混凝土結構早期開裂原因是為滿足現(xiàn)代高速施工所采用的高早強水泥與高早強混凝土拌合物”。 由此，他將1991年在第二屆國際混凝土耐久性會議上“從耐久性試驗所獲得的信息分解，不能綜合為一個對現(xiàn)場混凝土真實的、長期作用的全面認識”，轉變到對混凝土開裂敏感性增大的認識上。Mehta總結為［4］:“適當的組分、澆筑和養(yǎng)護的混凝土基本上是不透水的，應該在大部分環(huán)境條件下具有足夠長的使用壽命。然而，由于環(huán)境的作用出現(xiàn)開裂，結構物因此喪失了運行時的水密性，也就是對于上述劣化過程的抵抗力。現(xiàn)代混凝土結構開裂的事實說明：人們沒有對混凝土技術上控制開裂的基本原理給予足夠的重視”。 所以，他發(fā)出警告［3］:“以往，通常認為結構物的耐久性不足，既不是設計，也不是材料的原因所引起的。大多數情況下，都認為是施工操作不當的責任。混凝土搗實與養(yǎng)護不良、鋼筋保護層不足以及接縫漏水是施工存在問題的一些例子。然而現(xiàn)今一個嚴重的問題是：許多新結構的施工操作和過去保持一致，而過早劣化的現(xiàn)象卻在不斷增多。這意味著除非我們深入地了解現(xiàn)今的建設實踐，深刻地認識影響混凝土結構劣化的主因，否則混凝土結構過早劣化的現(xiàn)象還將以很高的速度不斷延續(xù)”。 3 降低混凝土開裂敏感性以延長結構物的使用壽命 隨著低水灰比(或水膠比)高早強混凝土的應用，結構物早期開裂的現(xiàn)象日益突出，引起人們的關注。實踐證明：高強混凝土是對早期開裂非常敏感的材料，這不僅是水化熱的結果，由于自干燥作用產生的自收縮和硫酸鹽相的化學反應，可能也是重要起因。結構混凝土或大體積混凝土意外地出現(xiàn)開裂，不能總是歸因于現(xiàn)場工程師缺乏經驗，該領域里許多問題尚缺乏了解，激發(fā)全世界許多人去進一步研究［5］。 正確地檢測與評價混凝土的收縮與開裂趨勢，是采取措施有效減少或避免開裂的前提。在積累澆筑大壩這類大體積結構混凝土經驗的基礎上，建立的防止混凝土早期產生溫度裂縫的檢測與評價方法，是通過測定絕熱溫升、水泥水化熱等參數以選擇原材料、確定配合比，并采取預冷拌合物和埋設冷卻水管等措施來控制內外允許溫差，總之是局限于盡量降低最大溫升的辦法預防開裂。但實際上即使是水灰比不低的大壩混凝土，即主要由于溫度收縮可能引起開裂的混凝土，也并不單純是溫度變化本身造成開裂，如上所述，開裂是由于應力超過材料的強度(斷裂能)所致，因此除溫度變化外，所有影響應力和強度發(fā)展的因素，尤其是材料的彈性模量、熱膨脹系數以及松弛能力，包括它們在初期的變化都必須考慮在內。關于這個問題，Mehta在他的著作——《混凝土微結構，性能與材料》一書中有比較詳盡的敘述。 “由于荷載及溫濕度作用引起變形的重要性，首先在于他們的交互作用是否會引起開裂。收縮應變的大小只是諸多導致混凝土開裂因素的一方面，其他影響參數包括：①彈性模量越低，一定大小的收縮引起的彈性拉應力越小；②徐變越大，應力松弛越大，凈拉應力越小；③抗拉強度越高，拉應力超過材料強度，使其開裂的風險越小。 綜合上述減小混凝土開裂的諸因素，可以用一個簡單的術語——延伸性表示。當混凝土能承受大的變形而不開裂時，混凝土具有較高的延伸度。顯然，為了使開裂的風險最小，混凝土不僅應收縮小，而且應具有高延伸度(即低彈性模量、高徐變和高抗拉強度)。通常，高強混凝土由于熱收縮較大和應力松弛較小而易于開裂；同時，低強混凝土由于熱收縮較小和應力松弛較大而較少開裂……” Mehta教授總結了20世紀建造的混凝土結構缺乏耐久性，得出以下幾條重要結論［3］。 1) 在20世紀進行大量的現(xiàn)場調查表明，自20世紀30年代以來，無論水泥還是混凝土強度都提高了，而這通常伴隨著劣化問題相應加劇。 2) 通用水泥C3S含量與細度逐漸增大，使這些水泥的早期強度可以發(fā)展得非常高，而現(xiàn)今又趨向生產水泥用量大、早期強度高的混凝土拌合物。與早期的普通混凝土相比，現(xiàn)今混凝土由于徐變小，而溫度收縮、自身收縮與彈性模量大，更易于開裂。混凝土的高強度與早期開裂之間存在密切的、逆反的關系。 3) 開裂與暴露于侵蝕性環(huán)境混凝土結構的劣化之間存在密切關系。 4) 即使遵循了良好的建設實踐，混凝土結構過早地劣化仍會發(fā)生，說明在現(xiàn)行規(guī)范中對混凝土耐久性的要求存在某些誤區(qū)。 5) 在考慮實際結構的服務壽命時，要慎用實驗室進行混凝土耐久性的試驗結果，因為混凝土開裂在很大程度上取決于試件尺寸、養(yǎng)護經過和環(huán)境條件。實驗室的試件小，且體積變化通常不受約束。以用量大、水化快的富水泥拌合物進行實驗室試驗，結果滲透性可能很低，但這種拌合物用于處在干濕、冷熱和凍融反復循環(huán)環(huán)境中的結構就未必耐久。在這種環(huán)境里，養(yǎng)護不足的大摻量粉煤灰或礦渣混凝土在現(xiàn)場也會開裂和劣化，同時養(yǎng)護良好的試件在實驗室里呈現(xiàn)出優(yōu)異的抗?jié)B透性能。 為在21世紀建造耐久的結構物，Mehta提出了一些建造實踐中必須變革的問題［3］。 1) 由于20世紀發(fā)生的巨大變化，仍然認為快速施工是有利于社會的概念是成問題的。從全球來看，勞動力不短缺，但是我們面臨人為氣候變化的嚴重問題，這使得一些建筑材料，例如鋼材和混凝土給環(huán)境帶來很大影響的產品生產更加引人注目。因此，保護材料的生產，而不是施工速度，應該成為21世紀混凝土業(yè)新的關注點。 2) 認為混凝土強度越高、結構就越耐久的概念沒有被現(xiàn)場實際經驗所支持。高早強的混凝土更易于開裂，在侵蝕性環(huán)境中劣化更迅速；規(guī)范應該修正，足夠地強調這一點。 3) 為解決混凝土耐久性問題，已經試過許多分解論的，或者很狹窄的辦法，都沒有多大成效。必須認識到：沒有一個整體論方法就達不到耐久的目的。美國混凝土學會耐久性委員會(ACI201)的報告不考慮開裂-耐久性關系，因為開裂不是這個委員會的使命；混凝土開裂是ACI224委員會負責的內容，而它又不想涉及耐久性問題。許多耐久性問題的根本原因可以追溯到這種分解論方法。ACI318正是忽略了開裂-耐久性關系，而又過分強調強度-耐久性關系，因此無助于建造耐用和環(huán)境中持久的混凝土結構。一個向整體論的轉變，在結構設計者、材料工程師和施工人員之間構建起比現(xiàn)在緊密得多的工作關系，對于控制混凝土結構的開裂是非常必要的。 4) 認為混凝土耐久性可以用控制水膠比的辦法來獲取是錯誤的。因為不是水膠比，而是用水量對控制開裂更為重要。減小用水量，在保持強度相同的條件下，可隨之相應降低水泥用量，從而減小混凝土的溫度收縮、自身收縮和干縮。所以為獲得耐久性，選擇混凝土配合比的標準也必須進行一次重大的變革。注意在從強調水膠比-強度關系轉變到強調用水量-耐久性關系的過程中，需要更密切地關注骨料級配。應用良好的骨料級配可以大幅降低用水量，進一步降低可以通過使用中效或高效減水劑、大摻量粉煤灰或礦渣膠凝材料、粗磨硅酸鹽水泥實現(xiàn)。 5) 為取得保護材料的目的，標準需要從指令型向性能型轉變。例如ASTMC1157—98規(guī)定：通用型(GU型)3d和7d最大抗壓強度值分別為20MPa和30MPa；該標準還涉及一種中熱型( MH型) ，限制其3d與7d最大抗壓強度值分別為15MPa和20MPa。它們都不限制膠凝材料的組成和細度，然而，為符合最大強度的限制，就必須控制現(xiàn)今水泥的細度和C3S含量。這可以通過粗磨的、低C3S含量的硅酸鹽水泥，也可以將普通硅酸鹽水泥與大摻量粉煤灰或礦渣復合使用來達到。與符合ASTMC150的Ⅱ型水泥相比，采用ASTM C1157—98的GU型和MH型膠凝材料應該更不容易出現(xiàn)開裂。 參考文獻: ［1 ］ Mehta P K．Durability of concrete——fifty years of progress?［C ］∥CANMET /ACI． 2nd International Conference on Durability． 1991． ［2 ］Neville A．“Why we have concrete durability problems”［J］ ACI SP-100，1987：21-30． ［3 ］ Mehta P K，Burrows R W． Building durable structures in the21st century［J］． Concrete International，2001． ［4 ］ Mehta P K． Durability-critical issues for the future［J］． Concrete International，1997． ［5 ］ Springenschmid R． Avoidance of thermal cracking in concrete at early ages［R］． RILEM． 1998． （開心一刻） |
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