混凝土耐久性问题出在水泥细度上

水泥中原混凝土网 2018-12-21

为什么古罗马斗兽场，这些古代建筑可以千年屹立不倒，而我们今天却常见建筑、桥梁结构开裂、倒塌，竟然如此不堪呢?

　　当看到这张古罗马斗兽场的照片时，应该很多人会思考一个问题，为什么这些古代建筑可以千年屹立不倒，而我们今天却常见建筑、桥梁结构开裂、倒塌，竟然如此不堪呢?

　　当然，这可以用概率来解释，毕竟古代建筑中绝大多数是无法存留到今天被我们瞻仰的，留下来的精品建筑只是极少数，这个数量应该比今天建造的优秀建筑少很多，只是我们都无法见证它们一千年后是否还会保持老样子。

　　然而，这个理由显然不够。

　　那如果让“荷载”来背这个锅呢，似乎更合理一些。尤其是我国，桥梁建设如此高歌猛进却依然赶不上物流大货车的需要，导致公路桥梁服役二三十年就满目疮痍。然而这也有点问题，毕竟还有为数不少的建筑物并非经常处于超载状态，还不是一样出现了各种各样的耐久性问题。

　　美国加州大学伯克利分校的P.K.Mehta教授，享誉世界的混凝土材料专家，给我们指出了另一条思路：问题出在水泥上。

　　中国工程人的一个伟大创造，就是这个“砼”字，完美地给出了混凝土的解释：人工石，即用以水泥为核心的胶凝材料，把一些碎石“粘接”起来，形成在外观上满足工程的各种需要，在受力上就像一块完整的大石头那样坚挺。按照这样的思路，那些经典的古建筑同样是由石材+胶凝材料建成的。其中，作为骨料的碎石，任何一块都具有上亿的年龄，千年的跨度对其来说不足以形成物理性能方面的巨大差异，而波特兰水泥的发明至今还不到两百年的时间，因此胶凝材料的差异可能就是造成上述问题的原因之一。

　　美国加州大学伯克利分校的P.K.Mehta教授，享誉世界的混凝土材料专家，他在《Building durable structures in the 21st century》一文的开头就提出在21世纪我们面临的一个大问题：how to build concrete structures that are environmentally more sustainable?

　　他的这篇综述，以时间为线，以纵观一个世纪的视角来看待混凝土耐久性问题，并发现了一个意想不到的现象：

　　1930年前并不存在混凝土耐久性问题，这是近年来才有的事儿。

　　他提到，1944年，美国公路局对加州等地的混凝土结构展开大调查，目的是要查明为什么西部州混凝土桥梁这样迅速破坏。调查涉及200座桥梁，服役时间3~30年不等。结果显示：1930年之前建造的桥梁67%完好，而1930年后的完好桥梁只有27%完好。

　　由于检测的桥梁虽然时间跨度大，但在这几十年中，施工技术并没有变化。因此认为造成这个现象的原因，应该出在材料，也就是水泥上。1930年前，波特兰水泥采用的是粗磨工艺，这有许多缺点，如强度非常低、比表面积小，约为1100 cm2/g，C3S的含量不超过30%。用这样的水泥制成的混凝土，其结构退化主要体现在破碎(如强度不够，或冻融循环导致的破碎)、结构漏水(混凝土密实度不够造成的抗渗性不高)等，没有与裂缝相关的退化被报道。而1930年以后，水泥生产工艺得以改善，水泥的细度变得更细——调查认为恰恰是细度出的问题，并建议并提出细度超过1800cm2/g范围则会影响耐久性。

　　1950年后，混凝土施工有了大进展，包括预制混凝土、泵送施工、以及插入式振捣器对混凝土工作性的要求提高——对流动性的要求在1970年出现减水剂之前是通过提高用水量来实现的。

　　有了更先进的施工工艺，人们就希望可以更快地完成工程项目，因此渐渐提高了对工期的要求，这也就随之导致要求混凝土具有越来越高的早期强度。为了实现早期强度，用水量不能太高，因此只能将水泥做得更细。1970年美国的ASTM Type I 波特兰水泥中C3S含量提升到50%，使得细度达到了300m2/kg，这对混凝土的性能影响巨大，1945年，0.47水灰比已经可以达到28d强度31MPa。

　　由于混凝土桥面板具有所处环境恶劣的特点，经常受到融雪剂、干湿循环、冻融循环、冷热循环等作用的共同影响，因此可视为对混凝土的加速试验，在耐久性方面具有一定的代表性。1987年，美国 U.S. National Materials Advisory Board开展了一项调查，关注建于1940年后的桥面板。结果为，253000座桥面板正在劣化过程中，一些寿命不到20年，且以35000座每年的速度增长。

　　负责调研的Krauss 和 Rogalla根据调查结果，得出了一个令人意外的结论：由于美国1970年中期后集中发生的桥面破坏案例，与1974年AASHTO 规范修改有着时间上的重合，因此认为规范的修改错误，是导致这些破坏的主要原因。

　　在1931~1973这40多年里，AASHTO规范规定桥面板混凝土28天平均强度达到20.7MPa，最大水灰比0.53。这种混凝土被指出是低弹性模量，高早期徐变，容易发生温度和干缩裂缝。考虑到桥面板的特殊性，AASHTO希望加强抗渗透性。因此1974年规定最大水灰比0.445，最小水泥用量362kg/m3,28d强度达到30MPa。这似乎是倡导使用更小的水灰比，但这样反倒使得混凝土耐久性反而差。

　　Krauss 和 Rogalla还提到，混凝土强度的提高，除了配合比的因素以外，就是水泥的影响，对于强度不同的水泥，除了细度和C3S含量，其他几乎没有区别。

　　1980后，减水剂蓬勃发展，可以使混凝土有更低的水灰比和更好的工作性能。特征为28d强度达到50~80MPa、低渗透性的高性能混凝土随之出现。然而，1996年Krauss 和Rogalla再次进行了调研，结果显示：美国和加拿大的200000新建桥梁，超过100000混凝土桥面板建设不久后就发现裂缝。Krauss 和 Rogalla指出，高性能混凝土可以在早期达到很高的强度和弹性模量，但这样一来就减少了其徐变潜力，使混凝土变得更脆，因而容易产生裂缝。

　　Virginia, Kansas,Texas, and Colorado的现场勘察结果也证明了Krauss和Rogalla的结论。1974年，弗吉尼亚大量报道桥面裂缝时，也是对强度要求从3000增长到4000 lb/in2的时候。相似地，1995年堪萨斯州29座桥梁出现裂缝，也是对强度要求在44MPa的时候，在丹佛，高强混凝土还没施工完成就裂了。裂缝的原因是因为采用了较高的水泥用量(水灰比=0.31)以及快速水化反应的Type II 水泥，导致了热收缩+自收缩，细度391m2/kg， C3A-plus-C3S含量占到72%。

　　面对问题如何解决？

　　P.K.Mehta教授总结了过去近一个世纪的经验，指出了水泥细度的变化给混凝土性能带来的巨大影响。如今的高性能混凝土(HPC)具有水泥用量大，早期强度高的特点。这样由于更高的热收缩、干缩、弹性模量，导致裂缝容易产生。规范中对于强度的要求过高，容易导致耐久性问题。

　　实验室得到的混凝土耐久性试验数据，由于存在试件尺寸、边界以及受力条件与实际结构相差较大，导致其可靠性不是很高。

　　因此，P.K.Mehta教授建议首先在规范方面，应该强调若结构有耐久性要求，混凝土配合比需要以耐久性要求为准。且水泥用量不宜过大，单位用水量不宜过大，还可以添加矿粉、粉煤灰等矿物添加剂，来降低水化热、强度、早期弹性模量。这是为什么当掺入矿物外加剂(如50%粉煤灰)的混凝土在控制裂缝和保持较好抗渗性上做的较好。

　　需要注意的是，在现有材料和施工方法条件下，建造质量好，强度高，耐久性也好的建筑简直是神话——因为现代工业要求施工进度，快速施工下注定对耐久性的考量无法周全。我们目前使用的建筑材料、快速施工方法，都是20世纪之后才有的，这些都是新问题，也都是有待解决的重要问题。提高混凝土结构的耐久性，必须从材料选择、混凝土配合比，以及施工方法等多方面一同努力才可能最终解决。

编辑：余婷

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