我国混凝土工程发展中的几个问题

  摘要：由于对土木工程结构耐久性的要求，近年出现了高性能混凝土。高性能混凝土是采用现代混凝土技术制作，以耐久性作为设计的主要指标，而非片面追求高强度。为提高混凝土质量还应注意提高砂石料质量，要求石子粒径小、粒形好，砂子粗、级配恰当。研究现代混凝土技术还需树立大系统的观念，需要各学科的相互协作、相互交叉和相互渗透。

  关键词：混凝土 高性能混凝土 耐久性 砂石料 可持续发展

  我国解放前水泥产量仅几十万吨，混凝土技术十分落后，因没有规范而全凭经验。1947年，吴中伟教授提出了“混凝土科学技术”的概念，并在实践中引进国外经验，联系我国的实际，写出了《怎样做好混凝土工程》^[1]一书，书中提出的混凝土配合比设计的简易方法后被编入中央重工业部基建司的《混凝土配合比设计》中，自此将我国的混凝土逐步纳入科学化的轨道。50年来，我国水泥和混凝土工业发展迅速，水泥产量从1949年的66万t到1997年已达5.1亿t。50年代我国混凝土设计强度平均为15MPa；70年代平均强度为20MPa，预应力混凝土仅使用40~45MPa;80年代平均强度提高到25~30MPa；近年来北京地区大量使用的混凝土设计强度已达30~40MPa；C50以上高强度混凝土已在大城市建设中大量用于预制构件、高层建筑和大跨度桥梁中。高效减水剂的使用，不仅使高强混凝土得以实现，而且大大改善了混凝土的施工性能，推进了预拌混凝土的发展，减少了混凝土浇筑的缺陷。这是混凝土技术进步的重要标志。

  由于对土木工程结构耐久性的要求，随着科学技术的发展，近10年来出现了高性能混凝土这种新型的混凝土技术。高性能混凝土应用现代混凝土科学技术，可提高混凝土结构安全使用寿命，尽量减少造成修补或拆除的浪费和建筑垃圾;高性能混凝土可大量利用工业副产品和废弃物，尽量减少自然资源和能源的消耗，减少对环境的污染;高性能混凝土具有优异的施工性能，便于施工，可节省劳力，减少振捣用电，降低环境噪声等，因此高性能混凝土是混凝土可持续发展的出路，下一个世纪将进入高性能混凝土的时代。但从我国整体来看，目前高性能混凝土尚为“阳春白雪”，预拌混凝土也只在少数大城市中占据主导地位。高性能混凝土的健康发展，不仅是科技人员和施工人员的事，而且需要房地产开发者、设计人员、工程监理人员和政策法规制定者的共同努力。 高性能混凝土技术包含了混凝土制作全过程的优化，并不仅仅是配合比的选择，它还包含对原材料的要求和施工技术。就当前我国这方面的现状而言，还存在若干影响混凝土技术发展的问题。本文就其中一些问题提出粗浅看法，希望引起讨论从而对我国混凝土进步起一些促进作用。

  1混凝土高强不一定耐久

  同世界范围的发展趋势一样，近百年来我国水泥与混凝土的发展趋势也是不断提高强度。一方面是由于生产水平的提高，另一方面也是由于使用者的要求。提高混凝土的强度，可以减小构件断面尺寸而增加建筑物的使用空间，降低配筋率、减轻结构自重而提高抗震性能，降低工程总体造价。

  例如，据美国芝加哥地区结构工程师WillianSchmidt和EdwardSHoffman计算，为了支撑445kN的使用荷载，每层楼所需的单位比价:当使用强度为42MPa的混凝土时为5.2美元，混凝土强度为52MPa时为4.21美元，而混凝土强度为62MPa时则降至3.65美元^[2]。费城一高层办公楼底层钢筋混凝土柱，保持用钢量不变，混凝土强度从41MPa提高到55MPa时，柱子断面尺寸从915mm×1170mm减小到760mm×760mm，减小了46%^[2]。提高混凝土强度的方法是采用高标号水泥、降低水灰比和增加单方水泥用量，片面提高强度而忽视其他性能的倾向，会造成水泥生产向大幅度提高比表面积和增加硅酸三钙、铝酸三钙的含量发展，增加了水泥中水化热大、收缩倾向大、抗化学侵蚀性差的组分。混凝土中单方水泥用量增加，也造成了混凝土收缩增大和由于内部温升增大、产生温差应力而增加开裂的倾向。因此，混凝土的强度和耐久性虽有一定联系，但高强不一定耐久;反之，高性能混凝土按耐久性进行设计，高性能也不一定高强，任何强度的混凝土都可实现高性能(考虑适用性和经济性，最好是C30以上)。然而，有不少人仍然认为高强度才是高性能。为了竞相显示自己的技术力量，不少工程技术人员纷纷配制出C80、C100的超高强混凝土。这种以高强度来标志混凝土科技进步的观念，即从低强度混凝土到中等强度，再到高强度以至超高强度混凝土，长期以来已被公认。这种过分重视强度以致忽视甚至无视耐久性等重要性能的错误观念，却为水泥基材料的进步和土木工程带来了极大的损失。

  混凝土的最大缺点是破坏时呈脆性。这种脆性破坏的倾向随强度的提高而增加，如图1、2的实例所示。

  由图1可见，混凝土的强度越高，在荷载作用下破坏之前的塑性变形阶段越短。图2为只在受拉区配筋的梁，延性比为梁在破坏荷载下的挠度和使钢筋屈服荷载下梁的挠度之比，ρ'/ρ⁰为配筋率与极限配筋率之比。由图2可见，混凝土强度从26MPa提高到63MPa时，尽管受拉钢筋配筋率随之增加。而梁的挠度延性比也随之下降。同样，柱子的抗震延性比亦随混凝土强度的提高而下降^[3]。 近年来，由于担心施工单位偷工减料，有些设计人员将混凝土设计强度提高一个等级;试验技术人员在试配时担心一线施工质量不能保证，又取较大的标准差值，使配制强度又几乎提高一等。对于高强混凝土更是如此，这等于又提高了混凝土强度等级，进一步增加了脆性。对地震区的结构而言，则是增加了不安全的因素。

  对结构而言，构件断面不仅与强度有关，还有刚度的要求。无论强度多高，也要保证最小的断面尺寸，因此对强度的要求也是有限的。像追求体育运动成绩那样追求混凝土的高强度是没有意义的。希望将有限的力量转到提高高强混凝土韧性的研究上，这是高强混凝土研究的难题——表现为其抗拉强度和抗压强度比、断裂能和结构构件的延性比。

  2 什么是高性能混凝土

  混凝土高强就是高性能的观点已被高强不一定耐久所否定，但仍有人认为高性能混凝土必须是高强混凝土。从目前已取得的效果以及从工程安全性与安全使用期等要求来讲，高强混凝土必须是高性能混凝土。因此高强混凝土应当包括在高性能混凝土之中，而不是相反。如果强调高性能混凝土必须高强，则必然大大限制高性能混凝土的应用范围。大量使用的钢筋混凝土建筑物和构筑物对强度要求并不高，但应当是耐久的。因此高性能混凝土应不只是高强度，而应包括各强度等级，这样才有广阔的应用范围。提高混凝土的技术水平和质量，才能成为混凝土的发展方向。

  还有人认为，掺用矿物细掺料的混凝土就是高性能混凝土。吴中伟教授对高性能混凝土的定义为:高性能混凝土是一种新型的高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，是以耐久性作为设计的主要指标的。针对不同用途要求，对下列性能应有重点地予以保证，即耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。为此，高性能混凝土配制的特点是低水胶比，选用优质材料，除水泥、水、集料外，必须掺加足够数量的矿物细掺料和高效外加剂 ^[4] 。图3显示了配制混凝土 所采取的措施对达到高性能的影响。其中采用低水胶比的目的是降低混凝土温升、增强硬化前后混凝土的体积稳定性，同时也是掺用矿物细掺料的要求^[5] ;掺用优质矿物细掺料的目的是为了提高施工性、体积稳定性、密实性和抗化学侵蚀性，同时因降低水胶比和混凝土温升而提高耐久性;使用高效减水剂的目的是保证混凝土拌合物的施工性;优异的施工性又保证了混凝土的密实成型而提高了耐久性。

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  因此，掺用矿物细掺料只是提高混凝土性能的一个措施，而且，矿物细掺料不是简单的掺用，必须根据工程具体要求选用合适品质的细掺料，有时还需恰当地复合掺用，更不是水泥的简单取代。

  还有人希望高性能混凝土是“傻瓜混凝土”“什么人都能做”。这种想法源于对现场一线施工人员素质下降而影响混凝土施工质量的无奈。实际上，任何高技术都是在解放一线工人劳动力的同时，却对技术人员的素质提出了更高的要求。高性能混凝土由于其优异的施工性能，给施工带来方便，可消除由于振捣不匀而造成的缺陷，因此降低了对现场一线工人的要求。但是高性能混凝土的性能对原材料和配合比的变动更加敏感。低水胶比、多细掺料和高效减水剂使拌合物具有不同于普通混凝土的流变特性，要求技术人员和管理人员熟悉这种特性和质量控制的技术。因此高性能混凝土对工人要求低了，而对技术人员和管理人员却要求高了，仅有合理的配合比是达不到高性能的。

  3 现行标准、规程与高性能混凝土的关系

  没有规矩不成方圆，任何科学技术在工程上应用都必须依据标准、规范和规程，但科学技术又总是先行的，即标准、规范和规程总是滞后的。如果只是严格执行标准、规范而不考虑科学技术的进步，则势必阻碍科学技术的发展。在高性能混凝土技术的研究和推广应用中，也必然遇到这个问题。例如由于高性能混凝土掺用高效减水剂，使用很低的水胶比，对水泥流变性能的要求高于对强度的要求，按照现行ISO标准在水灰比为0.5的条件下进行检验的水泥流变性能，就不能反映水泥在高性能混凝土中的行为^[6] 。

  事物都具有两面性。在一定时期、一定的条件下，优点突出的事物，其缺点往往会被忽视。在注意到一种倾向时，必须注意被掩盖的另一种倾向，以免走弯路。例如目前我国修订水泥标准的主要目的是“与国际接轨”，这是WTO的要求。通过推行修订后的水泥标准，可望提高优质水泥熟料的产量，优化我国水泥生产的结构。按照新标准52.5号水泥必须达到旧标准的625号的强度，也就是说，实行新标准后，现有水泥强度必须提高一个等级。如前所述，目前提高水泥强度的路线主要是提高C3A和C3S的含量及水泥的比表面积。其结果是，在强度(尤其是早期强度)提高的同时，却降低了后期强度增长率、储存的性能和抗化学腐蚀的能力，提高了水化热，增加了收缩，流变性能变差。在高性能混凝土的推广应用中，高效减水剂与水泥相容性的问题也因此而更加突出。因此修改后的水泥标准实施后，是否可以在现行有关标准中增加如下相应的附加规定。

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  (1)按掺用高效减水剂的低水胶比混凝土流变性能优化石膏的掺量^[7]，则水泥中的SO3含量比现有按水灰比0.5优化的SO3含量提高约0.5个百分点。

  (2)按绿色混凝土^[8]的思路，高性能混凝土中矿物细掺料掺量将超过50%。大量试验数据表明，应按不同用途突破现行规定的限量，以缓解水泥强度提高带来的负面影响。

  (3)在水泥强度提高的情况下，也应相应提高混凝土强度。我国水泥标准修订前，很多地区仍然大量使用425号以上的水泥配制C20混凝土，由于有最小水泥用量限制，不得不采用0.6甚至0.7的水灰比，致使混凝土的耐久性很差，这无疑是很大的浪费。

  (4)除非特殊的用途(如冬期施工、抢修工程)，建议尽量不用早强水泥，以免影响混凝土的耐久性。

  4 混凝土的可持续发展与砂石的危机

  可持续发展是以保护资源和环境以及节省能源为前提的。从少用水泥、掺用以工业废料为主的矿物细掺料以及本身的耐久性等方面考虑，高性能混凝土是符合可持续发展战略的。但混凝土中的砂石料占总量的70%以上，砂石的生产和质量也影响到混凝土能否可持续发展的问题。

  由于砂石原料来源广泛易得，生产工艺简单，价格低廉而长期不受重视，被一些人认为是取之不尽的材料而随意浪费。近年来由于混凝土用量的猛增，对砂石产量的需求大大增加，原有较大规模的砂石生产厂家的产量不能满足要求而出现了大量不具规模的作坊式私人采石场。有的一座山有几十个采石场，多采用安全措施很差的炸药爆破和落后的破碎机破碎。采用这种工艺，强度越高的岩石，针、片状颗粒越多;粒径越小，针、片状颗粒越多。为保证针、片状颗粒总量不超标，几乎都将10mm以下的颗粒筛除。加工后产生的石粉量也很大，因此石子的生产过程中资源的浪费严重，而且质量越来越差。例如对石子的要求偏重于强度，而对石子的级配则只有在标准中规定，实际上似乎越来越令人无可奈何。90年代初之前北京的石子空隙率一直为40%~43%，而目前已达46%以上，甚至达到48%以上。广东一带石子空隙率甚至达50%。按国家标准，建筑工程使用的石子为连续级配，最小粒径为5mm;而目前实际混凝土用碎石一般做不到5mm以上连续级配。广东一带的石子则全部以??一、三??或??二、四??出售，即粒径10~30mm或20~40mm。北京的石子实际上也没有10mm以下的颗粒。石子中针、片状颗粒含量居高不下。砂子的开采更是无序，有的采砂场方圆不过几十米，设备只有一条船、一辆拖拉机、一个筛子、一台磅秤。滥采滥用的结果，使一些大城市已经越来越买不到高性能混凝土所需级配良好的粗砂。用现有的砂石必须增加浆骨比和高效减水剂掺量来满足拌合物流动性的要求，不仅不经济，而且使混凝土弹性模量降低，收缩增大，从而影响耐久性。

  在混凝土的原材料中，人们长期以来只注重水泥的质量而忽视砂石的质量。尽管有砂石的国家标准，却难以按标准控制砂石的生产。高性能混凝土要求石子粒径小、粒形好，砂子粗，级配恰当，这在目前的砂石生产状况下很难满足。

  只有使砂石的生产集约化，达到一定的规模，才有力量改造目前落后的生产工艺、进行科学的质量控制和管理以及下脚料的综合利用。否则，任凭市场盲目竞争，不仅子孙后代没有砂石用，眼前即将出现砂石的危机，混凝土将无法持续发展。

  节约资源一方面需要科学开采，另一方面还需要科学使用，这就需要我们纠正一些观念。例如对石子，如果控制了风化(软弱)颗粒、含泥(细粉)量，对强度不必要求太高，则破碎后的粒形好，等径状颗粒多，针片状颗粒少，对混凝土强度影响很小。因为相对于混凝土的强度来说，天然岩石的强度是足够的。即使是强烈风化的低强度花岗岩，其岩石抗压强度也达80~100MPa。石子对混凝土强度的影响主要是界面。当石子和混凝土弹性模量差别很大时(例如低强度混凝土使用高强度石子)，在水泥水化减缩和温度、湿度变化时，二者变形不一致，会导致界面产生微裂缝，成为混凝土的薄弱环节；如果二者弹性模量差别缩小，则界面结合可得到加强。轻骨料混凝土的强度可以大大高于轻骨料的强度，主要是由于界面的作用。由表1的实例可见，所用石子中深康风化粗粒花岗岩强度低，但粒形好，混凝土的水胶比为0.31时，拌合物施工性能好，28d抗压强度达71.3MPa;乌石谷致密石灰岩的强度很高，但不仅针、片状颗粒多，多数是不够针、片状标准的长条状和扁状颗粒，水胶比为0.33时拌合物坍落度也只有148mm，此时混凝土28d强度为68.8MPa。这说明混凝土性能对水胶比要比对石子强度敏感，而石子的粒形对混凝土施工性的影响则更重要。

  放宽对石子强度的要求，可扩大石子的可用资源、减少加工过程中的浪费，同时可提高石子的总体质量。

  另一个例子是，近年出于预防混凝土中碱-骨料反应的考虑，对石子的碱活性进行了控制。这是对混凝土耐久性重视的表现，值得庆幸。但另一方面却限制了大量资源的利用。据调查，北京地区石子十之八九具有潜在碱活性。众所周知，混凝土中碱-骨料反应的发生条件除骨料具有碱活性外，必须是使用高碱的水泥，必要条件则是有水。在相同条件下影响碱-骨料反应的因素还有混凝土的水胶比、骨料粒径、温度以及环境(如干湿交替会加速反应)等。在混凝土中掺入足够量含有活性SiO2的矿物细掺料能使碱-骨料反应完全得到抑制。图4、5为在水泥中掺入矿渣或粉煤灰时的抑制情况。可见抑制碱-骨料反应的矿物细掺料矿渣掺量为40%，粉煤灰掺量为30%。

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  降低混凝土的水胶比，对碱-骨料反应也有缓解作用，尤其是室内不接触水的构件，更没有发生碱-骨料反应的环境条件。因此在推行高性能混凝土后，具有碱活性的骨料也可利用。然而对骨料的粒形、粒径和级配等影响高性能混凝土性能的品质应当给予更大的重视。

  5 现代混凝土技术的进步和大系统的观念

  人类进入现代文明时期以后，任何重大发明创造和技术进步都不可能是个人的行为，社会越发展，越需要各学科的互相协作、互相交叉和互相渗透。

  长期以来，水泥、混凝土、钢筋混凝土构件和工程结构被划分属于不同学科，在不同领域的不同层次(level)上或对不同尺度(scale)的对象进行研究，在工程上也分属不同行业。例如，一般水泥的研究属于微观和亚微观(或称细观)层次，主要用化学和物理化学的方法研究熟料烧成和水泥的水化;混凝土的研究主要在宏观(粗观)层次上用物理和力学方法进行;钢筋混凝土构件的研究则完全在宏观层次上用力学方法进行，其间的关系是上一层次只要了解下一层次的结果。实际上，水泥，特别是混凝土，是一种复杂的、非均质的多相体，水泥浆体、混凝土，以至钢筋混凝土结构的行为都不能用其中各组分单个行为的简单叠加来表征。即不同层次上研究的结果均不能简单地外推。在相同水灰比(水胶比)和外界条件下，有些细掺料在砂浆和混凝土中的行为是不同的。例如页岩灰是一种很好的细掺料，其最佳掺量在水泥中是30%，而在混凝土中则是20%;在混凝土中掺入硅灰时，混凝土强度随硅灰的掺量而提高;但在水泥中，水泥强度并不随硅灰的掺量而变化，说明混凝土的行为并不取决于水泥单独的性质和行为。这是由于众所周知的界面的存在所引起的，如果把不同层次各自研究的结论简单地放在一起，就会发生各性质及各因素之间的相互制约或矛盾。应当是将水泥放在混凝土中、混凝土放在钢筋混凝土构件中、钢筋混凝土构件放在工程中、工程放在环境(自然的和社会的)中进行研究，才能使各层次间的关系达到对立的统一。

  过去，在各层次研究分离的情况下，本应是整体的水泥-混凝土-工程结构，由于分属不同领域，造成其工程技术人员"隔行"。在当前进入高性能混凝土时代之际，会出现矛盾而影响工程质量和混凝土科技的进步。例如，随着建设的发展，工程结构设计人员要求提高混凝土强度，提高混凝土强度则要求水泥提高标号(为了工程的进度和经济的缘故还要求提高水泥早期强度);而不懂混凝土的结构设计人员并不知道 混凝土的强度是怎样提高的;混凝土的生产者也不了解水泥标号(或早期强度)的提高是采取了什么措施，而这种措施反过来会对混凝土的其他性能和工程有什么影响。水泥的生产者并不了解混凝土技术的进展，不知道水泥的性质如何与混凝土技术相适应，结果导致发生使用外加剂的混凝土流变性能的问题、大体积混凝土的温度应力问题、收缩开裂的问题、混凝土的长期性能问题等。水泥最终要体现到工程上去，向工程渗透，才能符合工程实际。混凝土科学技术人员不仅要了解水泥除强度以外的各种物理力学性能，而且要增加一些水泥组成和工艺的知识，还应了解施工的知识和结构、构造的知识;反之，结构工程设计和施工技术人员必须深化水泥、混凝土的知识，才能知道如何对水泥提出全面而正确的要求，并正确地使用混凝土。现在许多房地产开发者规定由甲方采购和供应主要原材料，因而需要房地产开发者、工程监理人员也懂得水泥、砂石、外加剂等原材料的何种组分和性质对混凝土有何种影响;懂得结构和施工的知识，而且知识要不断更新，否则不仅会阻碍技术进步，而且还会影响工程质量。即社会越进步，就越需要基础知识扎实和知识面宽的技术人员，在任何领域中，若只凭经验，固执己见，不能接受新事物，只会成为新技术的绊脚石。

  参考文献

  1 吴中伟.怎样做好混凝土工程.北京:科技出版社

  2 ACI363Committee.StateoftheArtsonHighStrengthConcrete，1994

  3 陈肇元.高强混凝土应用中的几个问题.吴中伟院士从事科教工 作60年学术讨论会，1999，10

  4 吴中伟，廉慧珍.高性能混凝土.北京:中国铁道出版社，1999，9

  5 Dunstan，M R H.Fly ash as the Fourth Constituent of Concrete Mix，Proceeding of Fourth International Conference on Fly Ash，Silica Fume，Slag and Natural Pozzolanain Concrete.Istanbul，Turkey，1992，(5)

  6 Jolicoeur C，Simard M A，Aitcin P C.Cement-Superplasticizer Compaibility in High Perfomance Concretes.The Role of Sulphates，Selected Papers on Superplasticizer Prepared by Aitcin P C.Hundy Chemical Ltd.CA.，1995 

      7 AitcinPC，Jolicoeur C，MacGregor J G.Superplasticizers.HowThey Work and Why They Occasionally Don't.Concrete International，1994，(5)

  8 吴中伟.绿色高性能混凝土与科技创新.建筑材料学报，1998，(9)