对混凝土结构的耐久性的思考：过去、现在与未来

AdamNeiville

[摘要]本文用预期的暴露条件以及规定的，或者传统的结构服务寿命来表征耐久性。注重耐久性意味着设计者应考虑如何保证耐久性，而不是具体的意见或条例。过去认为耐久性依赖强度，两者是相互伴随的。水泥性质的变化，即使用“新水泥”可以在较大的水灰比获得满足规定的同样强度，而结构的耐久性显著降低。这使得我们需要重新考虑配合比设计方法，将强度和耐久性两者兼顾。今后必须依赖应用一系列胶凝材料与外加剂，依赖精心地进行从配料到养护的各个操作步骤。

许多作者，尤其是国际性杂志的论文作者，总喜欢告诉读者说：他早就发现正确的概念，而其他人遵循了错误的做法。我恰好相反，要告诉你们：我曾经错误地看待设计与施工中的耐久性问题。我应该澄清这个问题。但本文只涉及确保耐久性的态度，不是具体方法和措施。

下面我会告知你们现在我的想法，至于未来，是有人让我写进标题，也许是为了吸引人们的注意，而我只能提出几点建议和猜测。

1.什么是耐久性

在谈论我过去的观点，也就是当时多数人所持的观点之前，应该先对混凝土结构的耐久性下个定义。耐久性意味着一定的混凝土结构在规定的，或预期的服务寿命期里继续表现其功能，即维持所要求的强度与服务性。应该注意分析一下这个定义：首先，我指的是：一定的混凝土结构。因为不存在一般含义上耐久的混凝土：如果我要为花园工具室修个地板，打算用上一年就推倒。某种质量的混凝土就“耐久”了，但这种混凝土用于一座大桥、一条隧道或一座大坝中也许就不耐久了。所以，说某一混凝土是“耐久的”，或“不耐久的”是错误的。这是很显然的，作为一位进行过许多次法律辩论的专家，我经常听到律师们谈论“不耐久的”混凝土，而没有引用任何设计阶段预见的具体暴露条件。

实际上，有两个界定“耐久性”的术语。前面已经谈到第一个，即预期的服务寿命，预期值可以规定为具体的年限。如大型隧道为年；或工业建筑为25到50年；或一座家庭的木制房屋基础要50～70年。

第二个术语涉及混凝土在预计暴露条件下的破坏过程。有的情况下，例如一座牛棚，牛群要呼出大量二氧化碳；另外一种，例如处于适宜气候中的一座桥梁，可能又受到了冻融循环的作用。还要重复说的混凝土在一种条件下耐久了，在另一些条件组合下就可能不耐久。仍然是没有本质上耐久的混凝土。

一旦讲清楚，好像很容易明白。但未必都能认识。特别是在法庭上辩论。有时混凝土不耐久，是因为用途发生了变化，例如本是设计存放纸的仓库的地板，却改为放化学品了。

发生混凝土不够耐久的原因，可能是来自外部，也可能来自内部。外部原因作用于混凝土的表面，通常是力学作用，如磨耗、冲磨或者空蚀，在这方面不打算多谈。

我想考虑的原因是化学的或物理的作用，有时它们原本是外部的；有些情况下它们是内部的。内部的原因包括碱-硅反应，世界上有些地区，又是碱-碳酸盐反应，它们都是化学的。最常见的化学侵蚀形式是从混凝土外部引起的，以离子侵蚀形式的作用；例如硫酸盐和天然与工业液体。此外，氯盐和二氧化碳以弱碳酸盐的形式导致钢筋锈蚀。锈蚀还要有氧进入作为阴极。

物理作用包括反复的冻融循环以及与化冰盐有关的作用，以及温度的影响。温度的影响可以是混凝土浇注时的温度较高，也可以是混凝土构件不同部位的温差所引起。骨料与水泥石热膨胀系数之间的差异很大可能是破坏性的，如果温度变化循环次数多的话。

我不想详尽地介绍影响耐久性的因素，也不想摆出各种外部与内部因素，因为这是一篇介绍性的文章，不涉及具体的技术。我认为重要的问题在于认识到不同的因素可能会以超叠的方式起作用。加之，混凝土的劣化很少是由于一个单独的原因所引起，混凝土是一种有耐力的材料，尽管某些条件不利，仍可以表现得令人满意，但若又增加一些不利条件，也可能就要产生劣化。所以我们理所当然地要尽可能好地制备混凝土。特别是当我们要考虑尽量减小侵蚀性介质易于渗入混凝土的问题。当侵蚀性介质是以溶液形式侵蚀时，混凝土受液体的侵入性（penetrability）是最重要的。我用“侵入性”这个术语来概括液体进入混凝土的不同机理。包括：渗透性——压差，通常是水头，作用下的流动；扩散——浓度梯度引起的传输；吸附作用——开口的毛细孔迁移。

2.过去对耐久性的看法

在有点太长的引言之后，来说说过去对耐久性的看法。我早在年出版的“混凝土的性质”那本书第一版里所说是个很好的例子。我讨论了不同的劣化作用，但给人的印象是：在设计阶段，不需要考虑耐久性。书中的拌和物设计方法图里，化学侵蚀影响水泥类型的选择，但不直接影响水灰比选择。

虽然在我的书里讨论了某些特殊形式的侵蚀，我写道：通常制备优质的硬化混凝土首先要求满意的抗压强度。目的不仅在于保证混凝土具有规定的承受抗压荷载能力，并且许多其它所要求的性质是和高强度相伴的。这就是那本书出第一版6年后我所持的观点。年，在英国建筑钢筋混凝土实用规范（CP）中明确地说：“暴露越严酷，要求混凝土的质量越高”。

我那本书第二版问世于年，要好一点。我写道：“合理强度、适当浇注的混凝土，在一般条件下是耐久的。当高强度不必要，而高耐久性很重要时，耐久性要求将决定水灰比。这里没有什么不对，但是仍然会给人以强度与耐久性是相伴而行的印象。这多半与年左右波特兰水泥的情况相符。不久，现代水泥厂的生产改变了，对耐久性产生了不良影响。

在谈论这个问题之前，想强调刚才引用的第二版里所述的工作。我所说：“合适地浇注”，显然任何接触过混凝土浇注的人都知道：尽可能地充分捣实是必要的。如果按规定水灰比拌制的一罐混凝土运到现场时已过于干稠，用现行工艺不能够捣实，有必要再加些水，那么它虽然工作度合适了，再坚持原来限定的水灰比，以获得低毛细孔孔隙率可就没用了，现场生产的混凝土要出现大孔隙。如果我们是这样做的，那么理论上硬化水泥石侵入性很低，但实际却有大孔为侵蚀性流体提供易于通过的通道。显然，如果拌和物的工作度与捣实设备和人力不匹配，就需要重新设计拌和物。

在第三版，出版于年，我没有多点进展，但不久就意识到：现代水泥性质变化对强度发展，以及对硬化水泥石微结构带来的影响，这是控制混凝土侵入性的控制因素，因此也是一定条件下混凝土耐久性的控制因素。我愿意就此再展开谈谈。

在年，我对70年代浇注的混凝土比老混凝土更易于受碳化影响这个问题作了评论，用“新”水泥制备的混凝土的渗透性也比较大。当然，根据水泥厂商的介绍，新水泥强度更高，好像新水泥产品更好，依我的观点，事实肯定不是这样，至少不会如此，是因为工程师没有充分了解这一变化。让我详细说说。

在习惯上，而且通常依然如此，是用标准28d试件强度来限定混凝土拌和物。在年和年，结构设计者规定同样的28d强度，他们的印象是这样得到的混凝土就完全一样。不合时尚的指令性拌和物设计规程是不经济的，确实如此，代替它的性能规程提供了证据：告诉预拌混凝土供应商你要求的28d强度，而拌和物设计就由他们了。

所以，28d强度没有变，但拌和物的组分变了。为什么？答案是现代水泥的性质变了。不是所有国家的所有水泥厂都一下子变的，所以想搞清楚发生了什么变化更是困难。首先，水泥磨得更细了，所以水化更快了，在早期更快达到规定的强度。更重要的是，水泥的化学组成改变了，硅酸三钙多多了，而硅酸二钙少了。这又使得水化和强度发展进一步加速。尤其是这使得28d强度更高，后期强度却明显降低了。可以用两根强度-龄期曲线来描述这一结果：一是新水泥，一是老水泥，在28d他们通过同一点，当然也都通过原点。但是老水泥较慢到达28d强度值，而后发展幅度较大，可能1年龄期还要增长25～30％；而新水泥早期增长迅速，28d后趋平，增长很小（见图1）。

新水泥的曲线形状可以用增大水灰比来改变，仍然达到28d强度，对预拌混凝土供应商，这意味着可以用较低的单方水泥用量，省下钱来，同时仍能满足规定的28d强度。

这对耐久性有什么显著意义？水灰比较高，硬化水泥石有更多的毛细孔，以及更为连通的孔系。所以，侵入性更大，侵蚀性介质更易于进入混凝土。

上述这种变化没有引起了解内情的人的

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lktp/6224.html