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混凝土性能对结构耐久性与安全性的影响

[摘　要 ]　由于混凝土从干硬性向塑性转变 ,离析、沉降与泌水明显加剧 ,引起匀质性和稳定性下降 ;由于早强水泥和高效减水剂广泛应用,混凝土凝固和硬化强度发展迅速 ,初期收缩变形受约束产生很大的弹性拉应力得不到松弛则产生开裂,这两方面原因严重地影响处于侵蚀性环境混凝土结构的耐久性和安全性 ,迫切需要提高对这一问题的认识 ,并落实到设计、施工、材料各方面 ,使混凝土结构基础设施建设在新世纪能够可持续地发展。

[关键词 ]　拌合物的稳定性 ;　早强混凝土 ;　开裂性能 ;　耐久性评价 ;　耐久性设计

1　概述
　　改革开放以来 ,我国的基础设施建设进入了高潮期 ,带动国民经济的高速发展 ,取得的成就举世瞩目。但是这一期间修建的许多混凝土结构
,包括桥梁、道路、隧道、港口、大坝、建筑
物等 ,在建期间或建成不长时间后出现可见裂缝 ,影响外观、影响在侵蚀性环境中运行结构的耐久性 ,还使一些结构的使用功能受到影响。工作环境严酷的结构物
,例如桥梁与桥面板、路面板、隧道衬砌和海港工程 ,特别是水位变动区的部位等 ,影响尤其严重。
　　前年笔者到某省出差 ,听该省交通科研所负责人说起该省近些年修建的水泥路面高等级公路“三年以内不坏的很少”
!花费大量人力、物力修建的公路损坏得如此迅速 ,实在令人震惊。正因为如此
,包括他们在内的一些省区已经放弃利用当地丰富原材料资源修建水泥路面发展公路交通建设的方向 ,改从国外、省外购买原料铺筑沥青路
;大量损坏的桥面板、路面板上也加罩沥青混凝土面层。
　　为什么这些年来修建的混凝土结构劣化得如此迅速呢 ?多数人将其归结为施工人员的素质下降 ,导致施工质量出现问题
,包括混凝土生产、混凝土浇筑与振捣和养护等各方面 ;对于水泥路面的迅速损坏 ,则常常归因为个体运输户超载所造成。然而 ,无论是设计、施工、监理人员
,还是混凝土材料的科研和生产人员 ,大都忽视了一个非常重要的原因 ,那就是水泥混凝土组成和性能变化带来的影响。
2　水泥混凝土技术的进展
　　 2 0世纪近 50年来 ,我国的水泥混凝土技术可以大致分为三个阶段 :
　　50～ 60年代前半期　当时国内的水泥产量少、生产技术落后 ,水泥中所含早强矿物 (硅酸三钙 )少、粉磨细度小 ;加之在计划经济体制下
,水泥厂为了完成产量定额指标 ,在产品里掺
入比例不小的混合材 ,因此生产供应的水泥活性小、标号低。从经济角度出发 ,最大限度地节约水泥是当时生产与使用混凝土的重要考虑出发点 ,所以在配制时
,为了满足并不高的设计强度 ,仍然需要水灰比尽量低 ;粗骨料的最大粒径越大越好、砂率越小越好 ,因此从搅拌机出来的拌合物一般都很干涩
,即使被称为塑性混凝土的拌合物 ,也只有 2 0ｍｍ左右的坍落度 使运送、浇筑和振捣等操作都比较困难。但是
,正因为这个时期使用的是干硬性的混凝土拌合物 ,水泥的早期强度发展缓慢 ,因此稳定性较好 (离析、泌水少 ),硬化混凝土的裂缝少
,耐久性相对较好。例如河北秦皇岛一带当时修筑的水泥混凝土路面、天津港口防波堤使用的混凝土块 ,几十年后仍然保持尚好
;混凝土的后期强度发展幅度也比较大 ,如在七、八十年代去检测那个时期修建的强度只有 2 0ＭＰａ的屋架 ,发现强度都翻了一番以上。
　　2 0世纪 70～ 80年代　由于文化大革命期间疏于管理 ,且因为新施工工艺 ,尤其是泵送工艺和混凝土路面真空吸水工艺的应用 ;混凝土外加剂
,尤其是高效减水剂的应用 ,以及易于浇
捣、加快施工速度、缩短工期的需要 ,混凝土拌合物逐渐从干硬向塑性转变 ,坍落度由 0～ 2 0ｍｍ增大到 1
80ｍｍ甚至更大。虽然因为减水剂对水泥有较强烈的分散作用 ,水灰比可以保持不变或有所降低 ,但拌合物的匀质性和稳定性仍然明显变差
,在运输、浇筑和振捣过程以及成型后都容易出现离析、沉降、泌水现象 ,从而在骨料与水泥浆的界面 ,或者钢筋与混凝土的界面
形成薄弱的过渡区 ,混凝土硬化后 ,尤其在这一区域 ,形成大量孔隙与微裂缝。
　　2 0世纪 90年代以后 ,由于许多大型结构物 ,尤其是高层建筑物和大跨桥梁的兴建 ,混凝土设计等级提高 ,而大剂量高效减水剂以及矿物掺合料
,例如硅粉等的复合应用 ,使水灰比(水胶比 )可以大幅度降低 ,配制生产出来的拌合物强度发展迅速 ,满足了工程施工对高早强混凝土的需求。这一时期
,水泥混凝土技术还发生了一系列重大的变化 ,包括水泥中的早强矿物 (硅酸三钙 )增多、粉磨细度加大 ,使活性大幅度提高 ;由于市场经济的发展
,水泥中的混合材明显减少 ;以散装运输车大包装方式运送和储存水泥的发展 ,使水泥进入混凝土搅拌机时的温度明显升高 ;单位体积混凝土中水泥用量的增大
,加剧了水化温升的发展。
　　以上这些变化给混凝土各种性能带来很大影响 ,下面逐一进行分析。
3　混凝土的收缩
　　人们重视混凝土的收缩现象 ,是因为它会引起开裂 ,影响混凝土结构的外观、耐久性乃至使用功能。伴随着混凝土水灰比的降低 ,干燥收缩会减小
;由于胶凝材料用量增大 ,温度收缩会加剧 ;但是现今混凝土收缩现象最突出的变化 ,则是自生收缩的增大。
　　自生收缩与干缩一样 ,也是由于水的迁移而引起。但这时水分并非向外蒸发散失 ,而是因为水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的液面下降
,产生所谓的自干燥作用 ,混凝土内的相对湿度降低 ,体积减小。水灰比变化对两种收缩的影响正相反 ,即当水灰比降低时干缩减小
,而自生收缩增大。如当水灰比大于0.5时 ,混凝土自干燥作用不明显 ,其自生收缩与干缩相比小得可以忽略不计 ;但当水灰比小于 0.3 5时
,体内相对湿度会很快降低到 80 %以下 ,自生收缩与干缩接近各占一半。
　　与干缩是由表及里不同 ,自生收缩在混凝土体内各处均匀发生 ,并且不失重。此外 ,低水灰比混凝土的自生收缩集中发生于与水拌合后的初龄期
,因为在这以后 ,由于基体内的自干燥作用 ,相对湿度降低 ,水化就基本上终止了。换句话说 ,在模板拆除之前 ,混凝土的自生收缩已经大部分产生
,甚至已接近完成 ,而不像干燥收缩 ,除了未覆盖且暴露面很大的路面板、桥面板以外 ,许多构件的干缩可以认为只在拆模以后并处于干燥环境中才发生。
　　在大体积混凝土里 ,虽然水灰比不低 ,自生收缩量值不大 ,但是与温度收缩叠加 ,会增大应力
,所以水工大坝施工一直将自生收缩作为一项性能指标进行测定和考虑。现今许多断面尺寸虽不很大 ,且水灰比也不算小的混凝土结构
,也需要像大坝一样考虑温度收缩和自生收缩叠加的影响 ,因为在这些结构里 ,两者的发展速率均要比大坝混凝土中快得多 ,因此也激烈得多。
　　还有塑性收缩 ,在水泥活性大、混凝土温度较高 ,或者水灰比较低的条件下也会加剧引起开裂。因为这时混凝土的泌水明显减少
,表面蒸发的水分不能及时得到补充 ,当混凝土尚处于塑性状态 ,稍微受到一点拉力 ,表面就会出现分布不规则的裂缝———塑性收缩开裂。出现裂缝以后
,混凝土内的水分蒸发进一步加快 ,于是裂缝继续扩展。
　　但是 ,仅了解收缩变形大小 ,还不能很好地预测混凝土的开裂。因为混凝土在结构里所受的约束大小
,对开裂同样有重要影响。长期以来根据实际经验得出以控制混凝土体内部与表面最大温差 (一般为≤ 2 5℃ )常常并不能奏效
,其原因就在于不同结构设计条件与环境造成约束上的差异。
4　混凝土的徐变
　　徐变是混凝土这种粘弹性材料的重要性质之一。通常对于混凝土结构会因为徐变而使得变形不断增大 ,或者带来预应力损失 ,人们十分熟悉。但是另一方面
,徐变会使混凝土的温度或其他收缩变形受约束时产生的应力得到松弛。事实上 ,长期以来结构混凝土因为各种收缩变形受约束而并未引起广泛开裂的重要原因
,是早期强度增长较缓慢的混凝土徐变松弛作用显著的结果。以一组数据来说明徐变的作用[1 ]:设混凝土达到温峰后下降幅度为 3 0℃ ,其弹性模量为 3
0ＧＰａ,线胀系数 1 0× 1 0 -6,如果不存在徐变 ,则引起的拉应力可高达 9ＭＰａ ,显然任何普通混凝土都无法承受这样大的应力而产生开裂
,由此可见徐变的影响之大。
　　徐变与混凝土强度通常是反向发展的。Ｂｕｒｒｏｗｓ认为[2 ]:美国的水泥自 2 0世纪 3 0年代以来的变化 ,使混凝土的徐变降低到接近 0
,使普通混凝土原来具备开裂后的自愈能力完全丧失 ,因此一旦混凝土开裂就无法再愈合 ,而且在外界荷载与环境条件 (包括干湿、冷热循环 )作用下继续收缩
,使裂缝会进一步连通和扩展。国内水泥这些年来的变化 ,也促使混凝土的徐变能力发生了同样的演变。
5　混凝土的强度与延伸性
　　如上所述 ,国内 2 0世纪 70年代以后混凝土从干硬性向塑性转化 ,稳定性与匀质性下降 ,导致强度 ,主要是抗弯拉强度明显下降。尽管另一方面
,当混凝土抗压强度提高时 ,抗拉强度
也会有所提高 ,但幅度明显要小些。此外 ,高强混凝土比普通混凝土的开裂时间明显提前的事实表明 :混凝土的抗裂性能不仅取决于强度
,还和其它一些参数密切相关。
　　Ｍｅｈｔａ将徐变、弹性模量和抗拉强度三个参数归纳为混凝土的延伸性 ,显然徐变大、弹性模量低和抗拉强度高的混凝土延伸性良好[3 ]。如上所述
,现今混凝土早期强度发展迅速 ,弹
性模量随之上升 ,因此少量的收缩变形会产生很大的弹性拉应力 ,而又得不到徐变松弛缓解 ,因此即使抗拉强度伴随抗压强度提高
,但混凝土的延伸性却往往随着抗压强度的提高而减小 ,开裂时间反而提前 (图 1 )。

　　有关混凝土强度一个突出的新问题 ,是对它的预测与评价。现行规范沿用标准养护室与现场放置的试件作为评价强度发展基准的方法
,在如今混凝土构件温升显著的情况下越来越不适应了。由于小试件不能反映结构混凝土在温升影响下强度发展明显加速的实际结果 ,带来许多显而易见的问题
,例如确定拆模并开始养护的时间存在很大盲目性等 ,然而最大的问题发生在混凝土原材料选择和配合比设计的确定上。因为矿物掺合料 ,尤其是粉煤灰在 2
0℃温度下水化缓慢 ,可是随着温度升高 ,其二次水化的速度会明显加快。 1 980年Ｂａｍ ｆｏｒｔｈ[4]对一厚度为 2
5ｍ的结构进行的试验证明 :掺有 3 0 %粉煤灰、水胶比为 0 51的混凝土在浇注温度为 1 5℃ ,温峰达到50多度的条件下 ,
3ｄ以前抗压强度达 50ＭＰａ以上 ;而没掺粉煤灰的纯水泥混凝土 (水灰比 0 54),由于温升 (超过 60℃ )的负面影响 ,其 2
8ｄ强度仅约 40ＭＰａ。可是在标准养护条件下的试验结果却截然不同 :纯水泥混凝土 2 8ｄ强度达到 50ＭＰａ以
上 ,掺 3 0 %粉煤灰的混凝土强度在 2 8ｄ后才赶上前者。这个例子生动地表明现行评价方法带来的严重偏差 ,Ｉｄｏｒｎ[5]曾在1
991年拟文指出 :在特定试验室条件下取样制备试件进行试
验作为控制质量的方法 ,而不去开发以物理化学为科学依据的控制方法是不合乎当今时代的错误。 2 0世纪
80年代挪威开发并在工程中应用的“温度匹配养护”技术 ,即将试件放在与混
凝土结构温度变化过程相同的条件下养护 ,从而预测实际强度发展的方法值得仿效。
　　综上所述 ,不是强度 ,而是混凝土的坚固性 (没有裂缝 )对其运行条件下保证混凝土的水密性和耐久性起关键的作用。换句话说 ,单纯依靠限定强度等级
,或最大水灰比 (水胶比 )是不能达到使结构高耐久性的目的 ,甚至有时会相反———加速劣化。
6　混凝土的耐久性
　　人们基于长期以来积累的经验得出结论 :混凝土的强度越高 ,渗透性就越小 ,耐久性也就越好。但现今的实践表明 :采用适宜材料与良好操作制备的Ｃ3
0混凝土 ,能在大多数环境条件下呈现足够低的渗透性和良好的耐久性 ;反之 ,混凝土的强度等级虽然高 ,由于稳定性、均匀性不良 (沉降、离析、泌水造成
),在界面形成大量孔隙和微裂缝 ,就会使渗透性变大 ,影响混凝土结构在侵蚀性环境里的耐久性。这说明现今大多数混凝土初始的渗透性可以足够低
,问题出在实际结构工程中的混凝土是否能够稳定达到和长期维持低渗透性。
　　1 994年Ｍｅｈｔａ[6]提出混凝土受外界环境影响而劣化的整体模型 (见图 2 )。与以往通过简化方式建立的模型不同
,整体性模型不具体指某一个原因 ,而是强调了微裂缝和孔隙是引起
混凝土劣化的初因 ;也不把混凝土的损伤归咎于水泥浆或混凝土某一组分的作用 ,而是考虑环境与荷载的作用对孔隙、裂缝扩展与连通的影响 ;此外
,该模型依据实验室与现场的经验 ,认为混凝土的饱水程度对膨胀和开裂起主导作用 ,无论产生劣化的原因是冰冻 (冻融循环 )、钢筋锈蚀、碱—骨料反应
,还是硫酸盐侵蚀

　　值得注意的是 :在水密性逐步丧失的第一阶段 ,只能看到一点损伤的迹象或根本看不到 ;第二阶段才出现损伤的迹象 ,开始缓慢 ,而后加速。这说明
:在第二阶段 ,饱水的混凝土由于一种或几种体积膨胀现象 (如水结冰、钢筋锈蚀与钙矾石或碱硅凝胶 ),其孔溶液的静水压力上升。同时
,由于水泥浆里的氢氧根离子溶蚀 ,被氯离子或硫酸根离子所取代 ,硅酸钙水化物就会丧失胶凝性和强度 ,这两种损伤过程都会使微裂缝扩展
,导致水密性进一步丧失 ,加速了损伤。
　　许多结构工程师认为受弯拉构件出现裂缝是不可避免的 ,并将控制裂缝寄托于增加配筋。众所周知 ,配筋并不能消除或者减少混凝土里的收缩裂缝
,而只能把少而宽的裂缝分散为大量的微细裂缝。其实正是那些看不见、检测不到的微细裂缝 ,最终可能成为离子在混凝土与钢筋表面之间迁移的必要通道。所以
,许多现行规范根据侵蚀环境不同严重程度划分等级 ,并通过限制裂缝宽度、增加保护层厚度以及一些特殊措施来保证耐久性的条款
,在实际工程中并未能获得预期的效果。
　　综上所述 ,可以得知混凝土技术的进展却带来大量结构物过早劣化 ,耐久性下降的原因。这就是混凝土材料组成和生产过程设施与工艺的改进
,虽然能使其局部的匀质性提高 ,但稳定性下降 ,即离析、沉降和泌水 ,造成更大范围和更大程度的非匀质性
,形成骨料和水泥石界面间薄弱的过渡区。微结构本身存在着隐患 ,而诸多因素又使得混凝土硬化期间的变形受约束导致比以往大得多的拉应力
,两方面的共同作用造成混凝土裂缝 (包括可见与不可见裂缝 )不断地扩展与连通
,因此结构物在服务期间受荷载与环境影响出现过早劣化和耐久性问题就成为必然了。
7　混凝土结构耐久性与安全性的改善
　　综上所述 ,混凝土技术发展带来的变化 ,影响着混凝土结构的耐久性 ,乃至安全性 ,迫切需要人们更新知识、更新观念
,首先从加强混凝土结构在侵蚀环境中耐久性的第一道防线———抗裂性能 ,包括尽量减小因早期收缩变形受约束引起的内应力
,以及改善在荷载与环境作用下保持低渗透性的能力 ,并且在侵蚀性特别严酷的环境中辅以多重防护措施 ,从而真正改善混凝土结构耐久性的目的。
　　为了提高混凝土结构的耐久性与安全性 ,需要从设计、检测评价、施工、材料等诸多方面考虑。首先
,在设计上要改变长期以来沿袭“混凝土强度越高就越耐久”的概念 ,将耐久性和强
度参数结合起来进行设计。在这方面 ,欧洲的“材料与结构、试验与研究学会”(ＲＩＬＥＭ)下属的ＴＣ 1 3 0 -ＣＳＬ已经开展了大量工作 ,并于 1
996年发表了《混凝土结构耐久性设计》报告[7]。
　　其次 ,需要考察现行评价检测方法存在的问题。评价混凝土的耐久性大致分三类方法 :实验室快速试验、环境暴露试验和实际结构检测。前两类方法存在的问题
,主要是它们都无法反映混凝土在实际结构里的工作状态 ,尤其是材料变形受约束条件下在早期的抗裂性能
,以及建成后在荷载与环境作用下产生的应力导致其内部微裂缝的延伸与扩展 ,以及和孔隙的连通 ,使混凝土抗渗透性不断下降 ,外界侵蚀性介质得以进入
,从而影响混凝土耐久性这些最重要的变化过程。与它们相比 ,对实际结构的检测要较为直接得多 ,因此能够更好地反映其实际环境与运行状态。
　　由于渗透性和耐久性存在密切的关系 ,因此发展了下列三类渗透性试验方法 :1 )透气性能 ,如渗氮性能检测 ; 2 )透液性能
,通常用透水试验检测 ; 3 )离子扩散性能 ,如氯离子扩散试验。
　　近些年来 ,欧美一些国家在混凝土耐久性的评价和预测方法上开展了大量研究
,包括对混凝土原材料和初龄期混凝土的抗裂性能进行检测与评价方法、现场混凝土初龄期自应力的检测技术、实验室和现场结构混凝土进行抗渗透性能的检测与评价方法
,并将上述几方面检测与评价方法相结合 ,来综合地检测评价并用于控制混凝土的耐久性。
　　第三 ,改善混凝土结构的耐久性需要在施工和材料方面采取以下必要的技术措施 :
　　1 )注重改善骨料的质量 ,通过改进加工设施等条件 ,提高其粒形和级配品质参数 ,减小空隙率 ,并优化配合比设计方法 ,严格控制混凝土单位用水量
,提高混凝土拌合物 ,尤其是采用
泵送浇注坍落度较大混凝土拌合物的稳定性 ,控制初凝时间 ,尽量减小和消除离析、泌水现象 ,从而大幅度改善混凝土的匀质性 ,加强界面薄弱环节。
　　2 )通过采用例如温度匹配养护 (将试件置于与结构相匹配的温度变化历程条件下养护 ,从而获得更接近实际结构混凝土强度发展的信息 )等技术
,利用大掺量矿物掺合料混凝土以及相应的配套施工技术 (包括模板材料的选用和混凝土的浇注、振捣、精整与养护等 )来降低结构混凝土早期的内应力发展
,从而达到控制开裂 ,保持高抗渗透的能力。
　　3 )在难以避免开裂的结构部位通过改进构造设计 ,掺用阻锈剂或使用环氧涂层钢筋提高阻锈能力 ,掺用纤维材料提高混凝土保护层断裂能
,在硬化混凝土表面喷涂防护层等措施。
　　同时 ,要在上述各方面应用于实践 ,效果获得证实的基础上 ,不断修订规范和标准 ,使其尽快地推广到混凝土结构的工程建设中去。时间是紧迫的
,新的世纪已经到来 ,正如Ｍｅｈｔａ
所说[8]:在 2 0世纪 ,混凝土建筑业受越来越高速建设的经济利益所驱动 ,越来越多地采用高早强水泥和混凝土拌合物 ,从现场经验得到的结果是
:许多现代混凝土结构表明它们易于开裂 ,在暴露于侵蚀性环境中时 ,劣化起来要比预期的服务寿命快得多。为建造在环境中可持久的混凝土结构 , 2
1世纪的混凝土实践必须靠耐久性 ,而不是强度来驱动 ,这种变革要靠选择原材料、拌合物配比设计和建设实践上进行大幅度的转变来达到。