英國商品混凝土領域研究四十年回顧

　　英國混凝土學會成立的四十年，幾乎涵蓋了我的研究生涯。四十年來，混凝土行業(yè)發(fā)生的重大變化，對研究工作的類型和數(shù)量，影響頗大，歸納起來有兩大方面。

　　前言

　　就混凝土行業(yè)而言，上世紀六十年代是一個充滿樂觀和進取的時期。雖然在二戰(zhàn)前，鋼筋混凝土就得到應用，但是，真正起飛的年代是在上世紀的五十年代末和六十年代。原因一是鋼材短缺，二是需對城市中心進行重大的再開發(fā)。這是一個住宅和商業(yè)建筑的黃金時期，更不必說公路項目的建設規(guī)劃。當時，由于財政方面的緊縮，施工行業(yè)的建設能力及其對建設速度的追求，促使許多試驗性的解決途徑，都向混凝土結構的方向轉移，其中最值得回憶的，或許就是開發(fā)出多種用于多層樓宇的積木式建筑體系。

　　高潮和低谷

　　混凝土

　　上世紀七十年代中期，一些在六十年代黃金時期建造的結構出現(xiàn)了問題。1968年Ronan Point大廈的部分倒塌，標志著對高層建筑的幻想開始破滅。雖然許多問題并非結構問題，而是建筑、社會、或許還有維修保養(yǎng)不充分等問題所致?；炷令I域中，隨之的研究課題就是耐久性問題。混凝土結構中產(chǎn)生的多種問題, 以及當時日益大量供應的廉價結構鋼材，導致混凝土結構進入不景氣和令人懷疑的時期。直到九十年代中期，即近十年來，混凝土建筑才逐步恢復其往日的自信，讓我們再次見到了更多具有探索精神的混凝土建筑設計和應用。

　　鋼筋

　　第二個主要變化是在鋼筋和混凝土性能方面。雖然早已允許使用高強鋼筋，但是，二戰(zhàn)前和五十年代末期建造的鋼筋混凝土結構，大都采用屈服強度約為250Mpa的低碳園鋼筋。到英國混凝土學會成立之際，情況發(fā)生了迅速變化，屈服強度為410或460Mpa的鋼材，已成為常規(guī)材料。但是，使用經(jīng)驗仍停留在低碳鋼。多年來，鋼材的強度一直穩(wěn)步提高，目前，一般的鋼材強度都能達到500Mpa，而且還能降低安全系數(shù)。因此，我們當前常用的鋼筋應力值等級，都要比在初期，我們憑長期經(jīng)驗為依據(jù)的值高出兩倍。由于鋼材的彈性模量并不是隨其強度而變化，因此，在一定尺寸構件中產(chǎn)生的裂縫和變形，將是其初期的兩倍。

　　水泥

　　水泥也發(fā)生了顯著的變化。當前，波特蘭水泥的強度，也比初期的高得多。此外，在六十年代，混凝土一般都采用普通波特蘭水泥、骨料和水配制而成。但是，當今的混凝土中，會另加各種摻合料，諸如：粉狀粉煤灰（pfa）、微硅灰或高嶺土，以及外加劑，諸如：超塑化劑?；炷烈殉蔀橐环N與過去完全不同的材料，已成為一種更具“高科技”含量的材料。六十年代早期，常規(guī)的混凝土結構強度等級為21-28Mpa，當今, 已很少見到強度低于30Mpa的結構混凝土了。通常，混凝土的強度要高得多。預拌混凝土供應商已能配制出強度超過100Mpa的混凝土，與早期使用的混凝土相比，這已是一種完全不同的材料了。

　　研究工作

　　結構研究

　　五十年代末和六十年代，對結構混凝土的研究相當普遍。在這一時期，研究工作的特色是：重點解決材料的行為特性，其中進行了許多規(guī)模非常大的試驗性研究計劃，現(xiàn)僅舉兩項研究計劃為例，略加說明。

　　其中最雄心勃勃的研究計劃，可能就是由英國皇家學院Baker教授組織，歐洲混凝土委員會贊助的，對鋼筋混凝土斷面韌性的研究。該項研究試圖對鋼筋混凝土建立再分布規(guī)則，幾乎要開發(fā)出可對結構鋼材進行塑性設計的方法。16家實驗室通力協(xié)作，進行了此項研究。研究結果來自約170榀鋼筋混凝土梁。這項研究工作的實用性成果，已包含在CP110規(guī)程和BS8110規(guī)范的再分布規(guī)則條款中。

　　第二項研究計劃是，水泥與混凝土協(xié)會針對裂縫控制的調(diào)查研究。涉及到105榀鋼筋混凝土梁的本項研究工作，于1966年公布了第一份研究報告。接著，又陸續(xù)公布了若干份研究報告。參與調(diào)研的鋼筋混凝土梁超過200榀，并進行了張拉試驗。這項研究計劃的成果是：得出了在英國相繼出版的規(guī)范中列出的裂縫控制公式。這項研究工作的一個副產(chǎn)品是撓度計算法和有效跨高比。這項英國研究計劃，僅是這一時期，對英、美和歐洲的一系列大型工程，進行大量裂縫研究的一個縮影而已。

　　在七十年代，采用這種途徑所進行的混凝土研究，其資料會被規(guī)范起草委員會所用的數(shù)據(jù)庫大量采納，從而推導出有效的設計方法。在這一時期起草的規(guī)程，都是以大量來自試驗所獲得的數(shù)據(jù)資料為其堅實的依據(jù)。

　　到了七十年代末期和八十年代，對結構混凝土進行大規(guī)模研究的途徑基本上都停止了。其原因很多，但最主要的因素是：

　　大學和其他研究機構的經(jīng)費日益緊縮；

　　混凝土行業(yè)界認為，所有他們所需的混凝土結構行為特性，都已研究清楚；

　　研究基金的投入方向，已從結構研究，轉移到更應優(yōu)先考慮的耐久性研究。

　　這并不是說結構混凝土研究已完全停止，比如對剪力的研究，仍是一個持續(xù)不斷的熱門研究課題。從歷史的角度看，一個有趣的現(xiàn)象是，韌性又將重新成為令人感興趣的課題。早期由Baker教授組織的研究證明，混凝土結構的最終破壞，常常是由于混凝土結構受到?jīng)_擊，而其中由于鋼筋斷裂引起的結構破壞可以忽略不計。但是，最近德國斯圖加特的Eligehausen教授及其合作人共同開展了一項研究，主要依據(jù)是，對塑性鉸接區(qū)所進行的非線性計算機分析。研究結果認為，上述結論不再正確。有些現(xiàn)代化加工工藝生產(chǎn)出的鋼材更脆，從而導致由于鋼材斷裂引起的混凝土結構破壞。此外，與Baker教授研究時代的混凝土相比，當前強度更高的混凝土往往更脆。因此，由于混凝土生產(chǎn)和鋼材生產(chǎn)工藝的變化，Baker教授主要研究計劃時期所收集的數(shù)據(jù)資料已過時。如果要更新設計規(guī)則，就需重復進行類似的研究工作。

　　在現(xiàn)代情況下，再象Baker教授那樣，組織一項國際性的合作研究項目，是不現(xiàn)實的。但是，可以在若干國家范圍內(nèi)（包括英國）進行這類研究。一項由歐洲混凝土委員會組建的，由Eligehausen教授領銜的專題小組，已提供了一個學術交流論壇，專門討論這項研究成果，并在1997年公布了一份具有先進技術水平的研究報告。該報告導致了歐洲規(guī)范中，在涉及混凝土脆性時，需考慮鋼材斷裂和日益增長的更高強度進行韌性和再分布極限設計規(guī)則的修訂。

　　近期，另一個成功開發(fā)的主要研究領域是：纖維增強復合材料的設計和更為獨特的維修工作。

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　　耐久性

　　過去四十年中，研究方向的主要轉變是，日益重視混凝土的耐久性研究，其原因已眾所周知。從五十年代末到七十年代初，在這段建設黃金時期，耐久性問題一直沒有被習慣勢力認可。直到七十年代中期，那段時期所建造的一些建筑結構出現(xiàn)了問題，一系列的明顯問題才暴露出來，它們是：

　　高鋁水泥（HAC）的轉化反應，導致了強度的大幅下降。雖然，這種反應已廣為人知，但是，在英國環(huán)境條件下會產(chǎn)生這種反應，一直沒被認識到。根據(jù)坍塌的Camden學院屋面梁的研究顯示，這可能導致所有含高鋁水泥混凝土構件的建筑，都需進行所受影響程度的重大評估。

　　采用含氯化鈣的早強劑，會引起鋼筋腐蝕。

　　在公路上使用去冰鹽會導致鋼筋腐蝕。氯化物的腐蝕作用早已為人所知，但是，公路上大量撒鹽，實際上是后六十年代的一個普遍現(xiàn)象，原因是大量運輸從鐵路轉向公路。此外，由于政治的原因，一年四季都必須保持主要公路的暢通。這項政策的后果，一時并沒被認識到。于是就出現(xiàn)了一段約長達十年的時期，即開始在公路上增加使用去冰鹽，直到出現(xiàn)大量鋼筋腐蝕問題。

　　在中東出現(xiàn)大量鋼筋腐蝕問題，而那里正是英國設計人員和承包商非?；钴S的地區(qū)；

　　堿-硅反應—這是一種水泥中的強堿與某些品種的硅酸鹽骨料之間的反應。過去，人們不相信英國骨料會產(chǎn)生這樣的問題。但是，在七十年代后期，在英國的若干地區(qū)也出現(xiàn)這樣的反應案例。

　　針對這些問題的種種嘗試，反映出對混凝土耐久性的認識是多么膚淺。而且，正是存在那些缺少理性基礎的設計公式和施工程序，特別是對被認定為最嚴重的實際問題，即鋼筋腐蝕的研究，導致了研究基金向與耐久性有關課題的重大轉移。過去25年來，耐久性問題可能是最活躍的混凝土研究課題。

　　探討

　　我已對四十年來混凝土的某些研究領域進行了簡要的回顧。從這段歷史，我們可以得到什么經(jīng)驗教訓呢？

　　研究工作對某些具體問題，能提供各種各樣的答案。但是，問題的存在是最為重要的。它對專家是一種訓練，使專家獲得排除問題的能力，并且提出新的開發(fā)研究方向。這種專業(yè)知識的集成，是需要消耗相當長的時間才能開發(fā)成功的，但是，也會被迅速摧毀。轉向耐久性課題的研究基金，會導致把過去非?；钴S的用于結構混凝土的研究基金擠干榨盡。幾乎沒有結構混凝土專家會成功地改變其學科專業(yè)，變?yōu)槟途眯曰炷翆＜?。大多?shù)專家也沒有進行這樣的學科轉業(yè)。他們認識到其研究經(jīng)費已用盡，他們的專業(yè)生涯也就結束了。他們要么離開研究工作，要么退休。但是，可以肯定的是，目前幾乎沒有新的研究人員進入這一領域。雖然他們沒有被完全摧毀，但是，有關結構混凝土行為特性的專業(yè)知識隊伍當今已很小，而且越來越小?？赡苓€需要十年或十年以上的時間，才能集聚起有關混凝土耐久性的專業(yè)知識，而那時，七十年代后期前存在的耐久性問題幾乎已不復存在。因此，還需很長時間才能獲得對當前緊迫的，又切合實際情況的耐久性問題，作出具有權威性的答復。如果又有某一新領域變得需優(yōu)先考慮，那么耐久性課題的經(jīng)費也會被轉移掉，那時，歷史又會重演，化大量經(jīng)費獲得的耐久性專業(yè)知識，會再次被摧毀掉。

　　這個完整的發(fā)展過程似乎相當消耗財力和人力。但是，可以肯定的是，總會存在一種專業(yè)知識的平衡載體，能涵蓋混凝土的研究工作，并且能對現(xiàn)實的需求作出更有效的反應。

　　結論

　　雖然，在英國和歐洲，混凝土研究工作不景氣已有數(shù)年之久，但是，這種現(xiàn)象并非全球性的。來自遠東（特別是新加坡、中國、日本和韓國）要求發(fā)表的對混凝土研究的論文比例大幅增加?；蛟S在混凝土研究方面，應引起我們（英國）的重視了。