混凝土耐久性問題出在水泥細度上

　　當看到這張古羅馬斗獸場的照片時，應該很多人會思考一個問題，為什么這些古代建筑可以千年屹立不倒，而我們今天卻常見建筑、橋梁結(jié)構(gòu)開裂、倒塌，竟然如此不堪呢?

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

　　然而，這個理由顯然不夠。

　　那如果讓“荷載”來背這個鍋呢，似乎更合理一些。尤其是我國，橋梁建設如此高歌猛進卻依然趕不上物流大貨車的需要，導致公路橋梁服役二三十年就滿目瘡痍。然而這也有點問題，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題。

　　美國加州大學伯克利分校的P.K.Mehta教授，享譽世界的混凝土材料專家，給我們指出了另一條思路：問題出在水泥上。

　　中國工程人的一個偉大創(chuàng)造，就是這個“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，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，千年的跨度對其來說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間，因此膠凝材料的差異可能就是造成上述問題的原因之一。

　　美國加州大學伯克利分校的P.K.Mehta教授，享譽世界的混凝土材料專家，他在《Building durable structures in the 21st century》一文的開頭就提出在21世紀我們面臨的一個大問題：how to build concrete structures that are environmentally more sustainable?

　　他的這篇綜述，以時間為線，以縱觀一個世紀的視角來看待混凝土耐久性問題，并發(fā)現(xiàn)了一個意想不到的現(xiàn)象：

　　1930年前并不存在混凝土耐久性問題，這是近年來才有的事兒。

　　他提到，1944年，美國公路局對加州等地的混凝土結(jié)構(gòu)展開大調(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。

　　由于檢測的橋梁雖然時間跨度大，但在這幾十年中，施工技術并沒有變化。因此認為造成這個現(xiàn)象的原因，應該出在材料，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，如強度非常低、比表面積小，約為1100 cm2/g，C3S的含量不超過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(如強度不夠，或凍融循環(huán)導致的破碎)、結(jié)構(gòu)漏水(混凝土密實度不夠造成的抗?jié)B性不高)等，沒有與裂縫相關的退化被報道。而1930年以后，水泥生產(chǎn)工藝得以改善，水泥的細度變得更細——調(diào)查認為恰恰是細度出的問題，并建議并提出細度超過1800cm2/g范圍則會影響耐久性。

　　1950年后，混凝土施工有了大進展，包括預制混凝土、泵送施工、以及插入式振搗器對混凝土工作性的要求提高——對流動性的要求在1970年出現(xiàn)減水劑之前是通過提高用水量來實現(xiàn)的。

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

　　由于混凝土橋面板具有所處環(huán)境惡劣的特點，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，因此可視為對混凝土的加速試驗，在耐久性方面具有一定的代表性。1987年，美國 U.S. National Materials Advisory Board開展了一項調(diào)查，關注建于1940年后的橋面板。結(jié)果為，253000座橋面板正在劣化過程中，一些壽命不到20年，且以35000座每年的速度增長。

　　負責調(diào)研的Krauss 和 Rogalla根據(jù)調(diào)查結(jié)果，得出了一個令人意外的結(jié)論：由于美國1970年中期后集中發(fā)生的橋面破壞案例，與1974年AASHTO 規(guī)范修改有著時間上的重合，因此認為規(guī)范的修改錯誤，是導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天平均強度達到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強度達到30MPa。這似乎是倡導使用更小的水灰比，但這樣反倒使得混凝土耐久性反而差。

　　Krauss 和 Rogalla還提到，混凝土強度的提高，除了配合比的因素以外，就是水泥的影響，對于強度不同的水泥，除了細度和C3S含量，其他幾乎沒有區(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強度達到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再次進行了調(diào)研，結(jié)果顯示：美國和加拿大的200000新建橋梁，超過100000混凝土橋面板建設不久后就發(fā)現(xiàn)裂縫。Krauss 和 Rogalla指出，高性能混凝土可以在早期達到很高的強度和彈性模量，但這樣一來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，弗吉尼亞大量報道橋面裂縫時，也是對強度要求從3000增長到4000 lb/in2的時候。相似地，1995年堪薩斯州29座橋梁出現(xiàn)裂縫，也是對強度要求在44MPa的時候，在丹佛，高強混凝土還沒施工完成就裂了。裂縫的原因是因為采用了較高的水泥用量(水灰比=0.31)以及快速水化反應的Type II 水泥，導致了熱收縮+自收縮，細度391m2/kg， C3A-plus-C3S含量占到72%。

　　面對問題如何解決？

　　P.K.Mehta教授總結(jié)了過去近一個世紀的經(jīng)驗，指出了水泥細度的變化給混凝土性能帶來的巨大影響。如今的高性能混凝土(HPC)具有水泥用量大，早期強度高的特點。這樣由于更高的熱收縮、干縮、彈性模量，導致裂縫容易產(chǎn)生。規(guī)范中對于強度的要求過高，容易導致耐久性問題。

　　實驗室得到的混凝土耐久性試驗數(shù)據(jù)，由于存在試件尺寸、邊界以及受力條件與實際結(jié)構(gòu)相差較大，導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，應該強調(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。且水泥用量不宜過大，單位用水量不宜過大，還可以添加礦粉、粉煤灰等礦物添加劑，來降低水化熱、強度、早期彈性模量。這是為什么當摻入礦物外加劑(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，強度高，耐久性也好的建筑簡直是神話——因為現(xiàn)代工業(yè)要求施工進度，快速施工下注定對耐久性的考量無法周全。我們目前使用的建筑材料、快速施工方法，都是20世紀之后才有的，這些都是新問題，也都是有待解決的重要問題。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。