对“高性能混凝土”十年来推广应用的反思

对“高性能混凝土”十年来推广应用的反思 发布时间：2008-08-13文章作者：清华大学土木水利学院廉慧珍 来源：混凝土2003年7月前言自从1994年清华大学向国内介绍和发起应用高性能混凝土以来，高性能混凝土得到较多的应用，对混凝土耐久性的重视有所加强了，粉煤灰、矿渣等矿物掺和料的使用增多了，预拌混凝土更普遍了，混凝土拌和物的施工性能得到了改善。但是，近年来在国内外却发生较多“高性能混凝土”结构开裂，特别是早期开裂的问题。而混凝土的裂缝正是在实用阶段环境侵蚀性介质侵入的通道。尽管在工程进行过程中，这些裂缝得到了修补，仍然可成为混凝土提早劣化的隐患。于是不免产生一个问题：开裂了的混凝土还能是高性能的吗？反过来，我们又产生一个问题：当初提出“高性能混凝土”的概念，是强调混凝土的耐久性，那么，什么混凝土不需要耐久呢？究竟应如何理解高性能混凝土？实际上，近年来混凝土的开裂成为国内外的热门课题，并不是“高性能混凝土”所独有的，只是“高性能混凝土”也没有逃脱当前较普遍存在的混凝土结构开裂的命运罢了。也就是说，某些“高性能混凝土”的开裂带有普遍意义上的原因。对高性能混凝土的定义，或含义，至今没有统一的理解。就我国的情况来看，十年来由于对高性能混凝土的理解存在若干误区，造成“高性能混凝土”使用上的盲目和混乱。大多数对“高性能混凝土”的理解是“高强”、“高流动性”、“掺用矿物掺和料”，而用现行规范在实验室制作的小试件、以简化的条件和强制的过程进行的“耐久性”试验结果，又同该混凝土在实际结构中的表现不一致。存在这种现象并不是使用者的责任，其中包括我们在内的许多科技工作者本身的认识也是在不断发展的，对已有认识的不断深化和修正是正常的、必需的。本文的目的是和大家共同探讨几个问题，以使我们的主观世界更加符合客观实际，不断促进科技进步。误区之一：高性能混凝土必须高强度高强混凝土技术的发展对建设事业起着重大作用，使得过去只能用钢结构建造的高层、大跨和恶劣环境中的结构物可以使用钢筋混凝土，不仅节省了能源的消耗（承受1000t死荷载、高1m的柱子用混凝土与用钢相比，所消耗的能源可减少约57% 1），而且相对于大气对钢的锈蚀来说，混凝土更耐久。因此，100年来，尤其是近50年，混凝土的强度不断提高，是科学技术不断进步的体现，并促进了建设事业的发展。然而，世界上不存在完美无缺的事物，有一利必有一弊，有所得必有一失；任何技术都有其适用的范围。目前大多数人仍把高性能和高强联系在一起。甚至有人盲目追求混凝土的高强、“超高强”以至“特超高强”，并以此为“水平”的标准。西方国家报道的许多开裂的“高性能混凝土”，其实都是高强度的混凝土。由于混凝土是一种非均质的“混相”体，其内部各相之间的作用力主要是范德华力，抗拉强度远低于抗压强度。如图12所示，当混凝土抗压强度为10MPa时，抗拉强度和抗压强度的比值(以下简称拉压比)约为110；抗压强度为30MPa时，拉压比约为112；抗压强度为60MPa时，拉压比约为114；抗压强度为90MPa时，拉压比则约只有118。这样，就使得混凝土的强度越高，其脆性越大，断裂韧性越小（见图2），抵抗突发荷载（如地震、爆炸)和疲劳（如高耸结构承受的风荷载,道路承受的动力荷载）的能力越差。由图2可见，随着混凝土强度的提高，破坏以前出现的塑性变形越不明显；越会出现爆发性破坏。图33中梁的延性比随混凝土强度的提高而下降速率提高，从26MPa提高到63MPa时，尽管箍筋率增加了约60%，梁的延性比却下降了约80%。此外，高强混凝土一般使用强度等级高的水泥，同时，为了满足施工性的要求，水灰比很低的高强混凝土必须有较大的水泥用量，尤其是不掺用或掺量小的矿物掺和料时，会使混凝土中水化温升很高，控制不好时会产生较大的温度应力，再加上低水灰比造成的较大自收缩应力，增加了混凝土的易裂性。有鉴于高强混凝土的优点和缺点，在土木工程学会高强与高性能混凝土委员会制定的高强混凝土设计与施工指南中关于高强混凝土的设计，最高考虑到C80，并建议使用钢管混凝土来提高构件延性比。问题是，由于人们以强度作为衡量混凝土水平和质量的定势，往往从设计到混凝土生产，再到施工，对混凝土的强度层层加码，并非工程实际要求那么高的强度。大多数工程所要求的是C30、C40这样中等强度等级的混凝土。正如吴中伟所论述：“如果强调高性能混凝土必须在C50以上，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如低层和多层房屋以及高层房屋的上层构件，又如海工、水工，尤其是在不利环境中的结构物大体积混凝土等，对强度要求并不高，但对耐久性要求却很高，高性能混凝土不只是高强度的，而是包括各强度等级的。”4误区之二：高流动性就是高性能混凝土拌和物的流动性从10年前普遍的7090mm发展到现在大量预拌混凝土的180200mm，甚至已经有自密实的混凝土的浇筑，这也是混凝土技术的一种进步：减轻了震捣的劳动量，推动了预拌混凝土的发展，泵送高度已可达300m，并大大减少了“蜂窝”、“狗洞”等质量事故，提高了混凝土的匀质性。目前很多人以高流动性为“高性能混凝土”的特征。影响混凝土流动性的因素是用水量和高效减水剂，而影响相同流动性混凝土用水量的主要因素是骨料的质量。我国目前骨料质量非常差，如北京和深圳，自然状态砂石的空隙率接近50%，则混凝土就要有较多的含浆量才能满足流动性的要求。目前北京预拌混凝土的用水量许多都在175180 kgm3。较大的用灰量和用水量组成了较大的浆骨比是混凝土收缩增加的又一个因素。如果能将混凝土用水量降低到150 kgm3以下，则抗裂性就会得到较大改善。国内外的实践表明，掺入大量的粉煤灰后，因其存在大量玻璃微珠而能减小混凝土的需水量，同时可增加拌和物内部粘聚性而大大改善混凝土泌水、离析的性能，而却可减小拌和物与泵管之间的粘附力而增加可泵性。P K Mehta在美国加州大学伯克利分校一项加固工程中，密配筋的基础和剪力墙的C30和35 (约相当于我国混凝土的C40)混凝土掺粉煤灰50%和60%，在施工中实测拌和物的坍落度为125mm时，与坍落度为180mm的普通混凝土的泵送性能相当，不离析或泌水5。实际浇筑时坍落度仅为100mm。深圳港创公司生产的混凝土证明，掺入粉煤灰后，拌和物坍落度为100mm的拌和物泵送性能良好，而且这样的混凝土浇筑的构件均有很好的抗裂性。因此，不能把流动性作为混凝土拌和物“高性能”的指标，而应当根据不同工程特点，注重拌和物的施工性能。坍落度的大小要服从于混凝土的匀质性和体积稳定性。误区之三：限制掺入粉煤灰从排斥粉煤灰到如今“级”粉煤灰供不应求，是我国混凝土技术的又一进步。许多人认为掺粉煤灰的混凝土就是“高性能混凝土”。但是大部分的掺量不超过20%，有的规范还规定掺量不大于15%。这种现状实际上仍然是20年前对掺掺和料水泥的指导思想的延续。基于对矿物掺和料的认识不足和对水泥混凝土科学技术的分解论，建筑材料的教科书至今仍以“调节水泥标号”作为矿物掺和料的一项作用：615%的矿物掺和料等量取代硅酸盐水泥，则水泥标号降一等。也就是说，认为掺入矿渣或粉煤灰必然影响强度。实践证明，以简单取代的方法在使用硅酸盐水泥的混凝土中掺粉煤灰，在掺量不大于20%时，不仅对强度影响不大，对其他性能影响也不大，和普通硅酸盐水泥差别不大。那么掺粉煤灰的意义何在呢？掺量不能增加，如何发挥粉煤灰的潜在优势?尽管许多人接受粉煤灰对混凝土耐久性的作用、降低混凝土温升、减小收缩和抗裂的作用等观点，但潜意识里仍然是怀疑的。这也是不无根据的，但这种根据恰是从分解论的研究方法中得出的。现在讨论三个问题。其一，关于强度。粉煤灰对混凝土的贡献对水胶比特别敏感。如图46所示的粉煤灰掺量为40%的碾压混凝土中，粉煤灰和水泥分别对混凝土强度的贡献与水胶比和龄期的关系。在7天，当水胶比.约为0.7（体积比约为1.7）以上时，水泥的贡献大于粉煤灰的贡献（粉煤灰的贡献为0）；28天粉煤灰的贡献虽然增加了，但当水胶比约为0.7（体积比约2.2）时，粉煤灰的贡献还是为0；而后期，则粉煤灰的贡献超过了水泥的贡献。重要的是，可见到无论哪个龄期，粉煤灰的贡献随水胶比的降低而增长的速率比水泥的快，也就是说粉煤灰对水胶比更加敏感。如果在较高水胶比下以粉煤灰等量取代水泥，所得到的强度，尤其早期强度当然会下降很多。英国Dunstan在Abrames1912年建立的强度-水灰比两维关系图上加了一根粉煤灰掺量的轴，成为强度-水胶比-粉煤灰掺量的三维关系图(图5）6，一定强度水平上的混凝土水胶比必须随粉煤灰掺量而改变（如图中的阴影区即水胶比-粉煤灰的等强度面）。因此，掺40% 粉煤灰和10%矿渣粉的混凝土抗压强度28天的平均可达到52.7 MPa，3个月超过60 MPa7。所以从耐久性出发，粉煤灰掺量直到60%对强度都不会有影响。主要是使用方法的问题。同时，粉煤灰的掺量越大，对潮湿养护越敏感（见图6）8。另外，粉煤灰对温度也很敏感。跟踪实际构件中的温度进行养护实验的结果表明，实际构件中的较高温度对粉煤灰较有利而对硅酸盐水泥较不利，实验室标准条件下养护的试件强度,掺粉煤灰的低于构件中实际强度,而不掺粉煤灰的则相反。因此用现行标准制作的试件强度不反映现场实际构件混凝土的强度9。其二，关于收缩和开裂怀疑掺粉煤灰后混凝土的收缩和开裂性，所以不敢多掺。多数把掺量控制在20%左右，掺用的目的主要仍是经济效益。哈尔滨工业大学工程硕士研究生刘旭晨作了一项有意义的试验，他分别掺30%和60%粉煤灰与纯水泥配制同强度等级的混凝土各制作三块3m1.5 m0.2 m的板, 各用三种不同养护制度进行养护：浇筑1小时后覆盖薄膜,浇筑8 h后覆盖薄膜,始终不覆盖。观察混凝土板面开裂情况。其结果是，1小时后覆盖的都没有裂；8小时覆盖掺60%粉煤灰的没有裂,其余的都裂；始终未覆盖的在16小时后全都开裂，而且掺60%粉煤灰的最大裂缝长度和宽度最大，但是却还没有凝固；裂缝宽度大于0.5mm裂缝的数量，无掺和料的占约37%，掺30%粉煤灰的约占55%,60%粉煤灰的约占64%。这些差别的原因应当是三种混凝土对水的敏感性的差别造成的。混凝土的密实度取决于水胶比，密实度低的混凝土C在塑性阶段，裸露的表面水分蒸发后，内部的水分能及时向表面泌出作为补充，因此不易出现塑性收缩裂缝；很密实的混凝土内部的水不易泌出，当表面水分蒸发后，无水分补充的来源，就会产生塑性裂缝。水胶比越低，混凝土的密实度越大。这就是当成型后不覆盖的混凝土C在还没有凝结时就出现裂缝的原因。但粉煤灰在28天以前基本上不参与水化反应，掺入不同量的粉煤灰后，混凝土中的水灰比（水和水泥的比值）实际上不同程度地增大了。为了进行分析,分别计算三种混凝土中的水胶比和水灰比，见表1。表1粉煤灰掺量不同时混凝土的水胶比和水灰比编号（粉煤灰掺量%）粉煤灰掺量水胶比水灰比A（0）00.50.5B（30）300.410.59C（60）600.360.85由表1可见，掺粉煤灰后尽管水胶比减小了，而水灰比则加大了，混凝土C中因其水灰比很大（0.85），在8小时覆盖之前，仍有大量的水供其消耗，因此成型后8小时再覆盖也可不开裂。而混凝土B的水灰比相对较低，水泥水化较快的混凝土也容易失水，所以8小时后再覆盖已为时过晚。现行规范中对混凝土收缩的测试是成型一天（注意：并无覆盖）后拆模测初长，这对于需要加强保湿养护的粉煤灰来说是不公平的。凡是在工程中掺用了粉煤灰而开裂的混凝土都和养护有关。其三，关于抗冻性。用现行标准的方法检测掺粉煤灰混凝土的抗冻性或抗路面盐冻剥落性变差。M. D. A.THOMAS“对20多个现场（主要是公路工程结构物）进行了调查，这些工程的粉煤灰混凝土一直是暴露在使用化冰盐的冻融环境之中。有些工程已经经历了20多个冬天，但调查混凝土都没有出现剥落现象，使用性能非常好，而有些从现场取得的一些粉煤灰混凝土样品进行实验室试验的结果却不好，这说明用现行对普通水泥混凝土进行的抗剥落性能试验方法不适合用于评价粉煤灰混凝土。显然粉煤灰混凝土的快速试验和现场条件下的表现缺乏一致性。大量现场的粉煤灰混凝土在严酷条件下正继续提供着良好的服务，而同一混凝土样品在实验室里试验中却表现不好。”10抗冻性也如此。粉煤灰对试件制备和养护条件更为敏感。制作试件条件没有考虑掺粉煤灰前后混凝土中水化动力学的变化，因而相同龄期掺和不掺粉煤灰的试件的微结构不同。掺粉煤灰的混凝土尽管水胶比低了，而水灰比却增大了，在28天以前（一般在28天以前粉煤灰基本上不参与反应）的密实度相对较低，只有经过较长龄期，才能形成更加密实的微结构；实验证明，掺粉煤灰的混凝土的微结构适合于在较高温度下发展，20的标准养护温度对掺粉煤灰的试件比对不掺粉煤灰的试件不利；另外，掺粉煤灰的混凝土凝结慢，泌水不明显，如果抹面结束后泌水还在继续，会对抗剥落性能带来很不利的影响10。因此目前需要建立针对掺用矿物掺和料的混凝土的、更接近现场条件的实验方法作为工程合格的评定。方法和标准很重要，具体问题要具体分析和对待。怎样理解高性能混凝土自从20世纪80年代末美国和日本相继提出高性能混凝土的概念以来，对高性能混凝土仍无被各国普遍接受的确切定义，各个国家不同人群有不同的理解4,12。大多数承认单纯高强不一定耐久，而提出“高性能”则希望能既高强又耐久。1990年由美国国家标准与技术研究所（NIST）和混凝土协会（ACI）主办了第一届高性能混凝土的讨论会，定义高性能混凝土为：“靠传统的组份和普通的拌和、浇筑、养护的方法不可能制备出的具有所要求的各种性质和匀质性的混凝土。作为实例，这些性质可以包括：易于浇筑和振捣而不离析、增强的长期力学性质、高的早期强度、高韧度、体积稳定性和在严酷环境中的长寿命”11。1999年2月的“concrete international” 发表布了由美国ACI的技术活动委员会（TAC, Technical activities Committee）提出的作为ACI对高性能混凝土的定义：“高性能混凝土是符合特殊性能组合和匀质性要求的混凝土，采用传统的原材料和一般的拌和、浇筑与养护方法，未必总能生产出这种混凝土。”在此定义下面的注释为：“高能混凝土是某种特性适合于特殊工程应用和环境的一种混凝土。对于一定的工程应用可考虑的特性实例为：易于浇筑，振捣不离析，早强，长期力学性能，抗渗性、密实性，水化温升，韧性，体积稳定性，严酷环境下的较长寿命”。并指出，由于高性能混凝土许多特性是相关的，改变其中之一，通常造成其他一个或多个特性的改变；因此，对预定的工程，配制混凝土中必须要考虑的一些特性，必须在合同中逐条明确规定12。1999年ACI的定义是1990年讨论会定义的发展，强调混凝土的工程针对性以及匀质性。定义中没有提到如何达到高性能混凝土，因为有许多途径达到定义中的最终目的12。经过反思，结合ACI的定义，由本文上述分析，应当理解为，高性能混凝土不是一个混凝土的品种而是强调混凝土的“性能”（performance）或者质量、状态、水平。或者说是一种质量目标。对不同的工程，高性能混凝土有不同的强调重点（即“特殊性能组合”）。吴中伟说：“高性能”显然是针对过去不高或“中”、“低”的性能提出的。在不同时期，“高”和“低”的分界线是大不相同的。随着科技的飞速进步与要求的不断提高，今日的“高”必然会被新的“高”所代替而成为来日的“低”。用“高”、“低”来命名科技产品，尤其是命名象混凝土这样的大宗材料，是不科学的与难以持久的。现在“约定俗成”，待使用一段时期后，希望找到一个更科学、更合理的新名词5。这段话就是这个意思。如果还用“高性能”的名词的话，则应当认识，高性能混凝土是整个工程全部环节协调、配合共同得到的耐久的可持续发展的混凝土，不是只要有配合比就能生产的，而是由包括原材料控制、拌和物生产制备与整个施工过程来实现的。由于要求混凝土结构的耐久性，混凝土首先就必须是体积稳定的、匀质的；开裂了的当然就不能称之为“高性能”。可持续发展的含义则是最大限度地节省能源、资源、保护环境，并且，耐久性本身也包含可持续发展的意义减少修补和拆除的建筑垃圾和重建的能源、资源消耗。可以断定，除了个别临时性结构，所有混凝土结构都应当符合这样的质量目标。因此，为了避免误导，针对各个不同工程特点和需要，对混凝土提出满足具体要求的性能和耐久性的设计，是否比笼统强调“高性能混凝土”的名词要更科学一些，更能促进我国混凝土技术广泛的进步？参考文献1 Oskar Beijer, Energy Consumption related to concrete structures ACI Journal Nov. 11,1975.2 李国泮，马贞勇译，A. M .Neville原著，混凝土的性能，1983年第一版3 363 Committee, ACI, State of the Arts Report on High Strength Concrete,1994., Chapter 6. 4 吴中伟，廉慧珍，高性能混凝土，中国铁道出版社，1999年9月5 P. K. Mehta, Ggreening of the concrete industry for sustainable Development, Concrete International, July 20006 Dunstan M R H. Fly Ash，As“The Fourth Composition”of Concrete, In：Proceedings of Second CANMET International Conference on Fly Ash ,Silica fume, Slag and Natural Pozzolans in Concrete,1987.7 深圳地铁一期工程科技成果鉴定文件：高性能混凝土在深圳地铁一期工程中应用的实验研究，2000年8月8 M. N. Haque, M. K. Goplan, Strength Development of Inadequately Cured High Fly Ash Content an Structural Concrete, Cement and Concrete Research, Vol.16, 1986.9R.K.Dhir, M.R.Jones, PFA Concrete: Influence of Simulated in Situ Curing on Elasto-Plastic load Response, Magazine of Concrete Research,1993,45,No.163.10 M.D.A.THOMAS. Laboratory and field studies of salt scaling in fly ash concrete. Frost Resistance of Concrete. Proceedings of the International RILEM workshop. E & SPON 1997.11Nicholas J. Carino and James R. Clifton ，High-Performance Concrete: Research Needs to Enhance its Use，Concrete International，September 1991.12Henry G. Russell, ACI Defines High-Performance Concrete, Concrete International，February 1999.