混凝土耐久性問(wèn)題出在水泥細(xì)度上

　　當(dāng)看到這張古羅馬斗獸場(chǎng)的照片時(shí)，應(yīng)該很多人會(huì)思考一個(gè)問(wèn)題，為什么這些古代建筑可以千年屹立不倒，而我們今天卻常見(jiàn)建筑、橋梁結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、倒塌，竟然如此不堪呢?

　　當(dāng)然，這可以用概率來(lái)解釋，畢竟古代建筑中絕大多數(shù)是無(wú)法存留到今天被我們瞻仰的，留下來(lái)的精品建筑只是極少數(shù)，這個(gè)數(shù)量應(yīng)該比今天建造的優(yōu)秀建筑少很多，只是我們都無(wú)法見(jiàn)證它們一千年后是否還會(huì)保持老樣子。

　　然而，這個(gè)理由顯然不夠。

　　那如果讓“荷載”來(lái)背這個(gè)鍋呢，似乎更合理一些。尤其是我國(guó)，橋梁建設(shè)如此高歌猛進(jìn)卻依然趕不上物流大貨車的需要，導(dǎo)致公路橋梁服役二三十年就滿目瘡痍。然而這也有點(diǎn)問(wèn)題，畢竟還有為數(shù)不少的建筑物并非經(jīng)常處于超載狀態(tài)，還不是一樣出現(xiàn)了各種各樣的耐久性問(wèn)題。

　　美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的P.K.Mehta教授，享譽(yù)世界的混凝土材料專家，給我們指出了另一條思路：?jiǎn)栴}出在水泥上。

　　中國(guó)工程人的一個(gè)偉大創(chuàng)造，就是這個(gè)“砼”字，完美地給出了混凝土的解釋：人工石，即用以水泥為核心的膠凝材料，把一些碎石“粘接”起來(lái)，形成在外觀上滿足工程的各種需要，在受力上就像一塊完整的大石頭那樣堅(jiān)挺。按照這樣的思路，那些經(jīng)典的古建筑同樣是由石材+膠凝材料建成的。其中，作為骨料的碎石，任何一塊都具有上億的年齡，千年的跨度對(duì)其來(lái)說(shuō)不足以形成物理性能方面的巨大差異，而波特蘭水泥的發(fā)明至今還不到兩百年的時(shí)間，因此膠凝材料的差異可能就是造成上述問(wèn)題的原因之一。

　　美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的P.K.Mehta教授，享譽(yù)世界的混凝土材料專家，他在《Building durable structures in the 21st century》一文的開(kāi)頭就提出在21世紀(jì)我們面臨的一個(gè)大問(wèn)題：how to build concrete structures that are environmentally more sustainable?

　　他的這篇綜述，以時(shí)間為線，以縱觀一個(gè)世紀(jì)的視角來(lái)看待混凝土耐久性問(wèn)題，并發(fā)現(xiàn)了一個(gè)意想不到的現(xiàn)象：

　　1930年前并不存在混凝土耐久性問(wèn)題，這是近年來(lái)才有的事兒。

　　他提到，1944年，美國(guó)公路局對(duì)加州等地的混凝土結(jié)構(gòu)展開(kāi)大調(diào)查，目的是要查明為什么西部州混凝土橋梁這樣迅速破壞。調(diào)查涉及200座橋梁，服役時(shí)間3~30年不等。結(jié)果顯示：1930年之前建造的橋梁67%完好，而1930年后的完好橋梁只有27%完好。

　　由于檢測(cè)的橋梁雖然時(shí)間跨度大，但在這幾十年中，施工技術(shù)并沒(méi)有變化。因此認(rèn)為造成這個(gè)現(xiàn)象的原因，應(yīng)該出在材料，也就是水泥上。1930年前，波特蘭水泥采用的是粗磨工藝，這有許多缺點(diǎn)，如強(qiáng)度非常低、比表面積小，約為1100 cm2/g，C3S的含量不超過(guò)30%。用這樣的水泥制成的混凝土，其結(jié)構(gòu)退化主要體現(xiàn)在破碎(如強(qiáng)度不夠，或凍融循環(huán)導(dǎo)致的破碎)、結(jié)構(gòu)漏水(混凝土密實(shí)度不夠造成的抗?jié)B性不高)等，沒(méi)有與裂縫相關(guān)的退化被報(bào)道。而1930年以后，水泥生產(chǎn)工藝得以改善，水泥的細(xì)度變得更細(xì)——調(diào)查認(rèn)為恰恰是細(xì)度出的問(wèn)題，并建議并提出細(xì)度超過(guò)1800cm2/g范圍則會(huì)影響耐久性。

　　1950年后，混凝土施工有了大進(jìn)展，包括預(yù)制混凝土、泵送施工、以及插入式振搗器對(duì)混凝土工作性的要求提高——對(duì)流動(dòng)性的要求在1970年出現(xiàn)減水劑之前是通過(guò)提高用水量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

　　有了更先進(jìn)的施工工藝，人們就希望可以更快地完成工程項(xiàng)目，因此漸漸提高了對(duì)工期的要求，這也就隨之導(dǎo)致要求混凝土具有越來(lái)越高的早期強(qiáng)度。為了實(shí)現(xiàn)早期強(qiáng)度，用水量不能太高，因此只能將水泥做得更細(xì)。1970年美國(guó)的ASTM Type I 波特蘭水泥中C3S含量提升到50%，使得細(xì)度達(dá)到了300m2/kg，這對(duì)混凝土的性能影響巨大，1945年，0.47水灰比已經(jīng)可以達(dá)到28d強(qiáng)度31MPa。

　　由于混凝土橋面板具有所處環(huán)境惡劣的特點(diǎn)，經(jīng)常受到融雪劑、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、冷熱循環(huán)等作用的共同影響，因此可視為對(duì)混凝土的加速試驗(yàn)，在耐久性方面具有一定的代表性。1987年，美國(guó) U.S. National Materials Advisory Board開(kāi)展了一項(xiàng)調(diào)查，關(guān)注建于1940年后的橋面板。結(jié)果為，253000座橋面板正在劣化過(guò)程中，一些壽命不到20年，且以35000座每年的速度增長(zhǎng)。

　　負(fù)責(zé)調(diào)研的Krauss 和 Rogalla根據(jù)調(diào)查結(jié)果，得出了一個(gè)令人意外的結(jié)論：由于美國(guó)1970年中期后集中發(fā)生的橋面破壞案例，與1974年AASHTO 規(guī)范修改有著時(shí)間上的重合，因此認(rèn)為規(guī)范的修改錯(cuò)誤，是導(dǎo)致這些破壞的主要原因。

　　在1931~1973這40多年里，AASHTO規(guī)范規(guī)定橋面板混凝土28天平均強(qiáng)度達(dá)到20.7MPa，最大水灰比0.53。這種混凝土被指出是低彈性模量，高早期徐變，容易發(fā)生溫度和干縮裂縫?？紤]到橋面板的特殊性，AASHTO希望加強(qiáng)抗?jié)B透性。因此1974年規(guī)定最大水灰比0.445，最小水泥用量362kg/m3,28d強(qiáng)度達(dá)到30MPa。這似乎是倡導(dǎo)使用更小的水灰比，但這樣反倒使得混凝土耐久性反而差。

　　Krauss 和 Rogalla還提到，混凝土強(qiáng)度的提高，除了配合比的因素以外，就是水泥的影響，對(duì)于強(qiáng)度不同的水泥，除了細(xì)度和C3S含量，其他幾乎沒(méi)有區(qū)別。

　　1980后，減水劑蓬勃發(fā)展，可以使混凝土有更低的水灰比和更好的工作性能。特征為28d強(qiáng)度達(dá)到50~80MPa、低滲透性的高性能混凝土隨之出現(xiàn)。然而，1996年Krauss 和Rogalla再次進(jìn)行了調(diào)研，結(jié)果顯示：美國(guó)和加拿大的200000新建橋梁，超過(guò)100000混凝土橋面板建設(shè)不久后就發(fā)現(xiàn)裂縫。Krauss 和 Rogalla指出，高性能混凝土可以在早期達(dá)到很高的強(qiáng)度和彈性模量，但這樣一來(lái)就減少了其徐變潛力，使混凝土變得更脆，因而容易產(chǎn)生裂縫。

　　Virginia, Kansas,Texas, and Colorado的現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果也證明了Krauss和Rogalla的結(jié)論。1974年，弗吉尼亞大量報(bào)道橋面裂縫時(shí)，也是對(duì)強(qiáng)度要求從3000增長(zhǎng)到4000 lb/in2的時(shí)候。相似地，1995年堪薩斯州29座橋梁出現(xiàn)裂縫，也是對(duì)強(qiáng)度要求在44MPa的時(shí)候，在丹佛，高強(qiáng)混凝土還沒(méi)施工完成就裂了。裂縫的原因是因?yàn)椴捎昧溯^高的水泥用量(水灰比=0.31)以及快速水化反應(yīng)的Type II 水泥，導(dǎo)致了熱收縮+自收縮，細(xì)度391m2/kg， C3A-plus-C3S含量占到72%。

　　面對(duì)問(wèn)題如何解決？

　　P.K.Mehta教授總結(jié)了過(guò)去近一個(gè)世紀(jì)的經(jīng)驗(yàn)，指出了水泥細(xì)度的變化給混凝土性能帶來(lái)的巨大影響。如今的高性能混凝土(HPC)具有水泥用量大，早期強(qiáng)度高的特點(diǎn)。這樣由于更高的熱收縮、干縮、彈性模量，導(dǎo)致裂縫容易產(chǎn)生。規(guī)范中對(duì)于強(qiáng)度的要求過(guò)高，容易導(dǎo)致耐久性問(wèn)題。

　　實(shí)驗(yàn)室得到的混凝土耐久性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由于存在試件尺寸、邊界以及受力條件與實(shí)際結(jié)構(gòu)相差較大，導(dǎo)致其可靠性不是很高。

　　因此，P.K.Mehta教授建議首先在規(guī)范方面，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)若結(jié)構(gòu)有耐久性要求，混凝土配合比需要以耐久性要求為準(zhǔn)。且水泥用量不宜過(guò)大，單位用水量不宜過(guò)大，還可以添加礦粉、粉煤灰等礦物添加劑，來(lái)降低水化熱、強(qiáng)度、早期彈性模量。這是為什么當(dāng)摻入礦物外加劑(如50%粉煤灰)的混凝土在控制裂縫和保持較好抗?jié)B性上做的較好。

　　需要注意的是，在現(xiàn)有材料和施工方法條件下，建造質(zhì)量好，強(qiáng)度高，耐久性也好的建筑簡(jiǎn)直是神話——因?yàn)楝F(xiàn)代工業(yè)要求施工進(jìn)度，快速施工下注定對(duì)耐久性的考量無(wú)法周全。我們目前使用的建筑材料、快速施工方法，都是20世紀(jì)之后才有的，這些都是新問(wèn)題，也都是有待解決的重要問(wèn)題。提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，必須從材料選擇、混凝土配合比，以及施工方法等多方面一同努力才可能最終解決。