处于交叉路口的混凝土技术——问题和机遇

2020年1月3日16:35:21处于交叉路口的混凝土技术——问题和机遇已关闭评论 2,046


P. K. Mehtaon



提要:

基于当今人口增长、工业化和城市化发展的趋势,混凝土业的未来似乎是很光明的。但是,在乐观的同时必须关注社会对生态问题态度的变化,如自然资源的保护、工程材料的耐久性和环境污染。出于公众对作为建筑材料的混凝土耐久性的关住不断增长,本文详细讨论了混凝土耐久性科学、质量保证和服务寿命预测试验方法,以及混凝土技术教育中存在的不足之处。

关键词:大气污染;混凝土技术;保护;劣化;耐久性;教育;模式;质量保证;研究;服务寿命;城市发展;废弃物管理。

1.引言

我们正处在十字路口。几年后,新的世纪将要开始,二十世纪将成为历史的一部分,留下许多成就和令人失望的事。现在是一个研究未来的关键时刻,由于公众对能源、资源和生态问题意识的提高,不能想当然地认为工业的增长还会不受到限制。

预言未来并不容易,但是,如果我们对目前社会所面临的机遇和问题有一个清醒的认识,我们总能够勾画出一个行业的前景。换言之,我们能将混凝土业目标纳入满足变化的社会需求的轨道上来,而保证其有一个光明的未来。因此,本文通过描述正在发生的影响未来世界的一些变化,介绍混凝土业和技术的现状,以及对现代混凝土技术缺陷的讨论,这些缺陷在混凝土业能有效满足未来世界需求之前是必须解决的。

这个问题并不是第一次被演讲,最早的报告“2000年混凝土”于23年前发表。近年是Neville的一篇文章,及在苏格兰 Dundee大学举行的国际专题讨论会的会议录。如果这次研讨会对面向21世纪的混凝土行业和技术做出了重大贡献,那确实是一个献给Malhotra合适的礼物。

2.明天的世界

与我们生活过的世纪初相比,20世纪末的世界已大不一样。影响未来世界和可能对未来人们态度有重大影响的主导因素是人口增长与城市化、污染与废弃物管理、技术革命与全球化,以及科学研究上的范式转换。下面将简要讨论这些问题。

2.1人口增长与城市化

20世纪出现了前所未有的人口膨胀,主要是免疫和抗菌素的应用而使儿童死亡率急剧下降的结果。例如,在1925~1975的50年间,人口从20亿增长到40亿。虽然有些国家的人口增长率显著降低,总的增长率仍然很高,以致目前世界人口达到60亿,在2025年前可达90亿。为供养额外人口而寻求更多的食物、能源和其它资源,意味着给未来工业带来持续压力。由于海洋的面积是陆地面积的两倍之多,世界正面向海洋开发能源和矿产资源,超过25%的碳氢化合物从沿海及近海沉积物中提取。在过去的20年间,许多海洋结构工程,包括复杂结构,如近海石油平台、海底隧道和超长大跨桥梁已成功地建成,还有许多其它工程在建设中,这次专题研讨会上Gerwick和Hoff将对此进行综述。

由于人口的增长和工业化进程,到本世纪末,历史上第一次城市人口超过农村人口。根据美国的一次调查,如表1所示,在众多人口超过百万的大城市中,将可能出现至少20个拥有1100万或更多居民的特大城市。支撑特大城市和大城市的基础设施,包括新建和翻修的旧结构物,如工业和民用建筑、运送人和货的大型交通设施以及水和污物处理的设施,将需要大量的建筑材料。

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2.2  污染与废弃物管理

在本世纪的后四分之一时间里,许多个人和组织致力于环境状况的公众教育。在这点上,联合国于1992年在巴西里约热内卢举办的世界联发会议是一个里程碑。在世界许多国家由于工业引发的空气、土地和水质的严重污染被审视和控制;大量关于安全处理核废料与化学废弃物的方法正在研究中。今后负责选材的工程师将被认为是在履行社会职责,他们不仅要考虑材料的工程性能和造价,而且要重视其生态友好性。

正在加剧的环境污染问题可能成为所有行业增长的真正威胁,这种前景正被各个领域的许多观察家们所认识。在人口统计学的压力下,借助于技术进展,认识到问题在:近来地球的生态系统已处于层层重压之下。为供养越来越多的人口和为更多的人提供较好的居住条件,将原材料变为消费品的工业机器必须运转得越来越快,即使技术可用于发现充足的原料或燃料以运行工业机器。今天不存在,在不久的将来也不会找到一种有效的技术来排除这个瓶颈制约状况,即对所有由工业行为排放的污物进行生态处理。例如,由碳氢化合物燃烧产生的CO2含量在21世纪中期增长了一倍,因此“温室效应”,将导致环境温度升高到一个有潜在危险的水平。由于美国消耗的碳氢化合物超过世界25%,根据联合国的环境保护公约,其CO2排放量必须压缩到50年代的水平,否则很难避免全球变暖。

来自工业活动的环境污染不是一个新问题。然而,根据Kennedy的报告,我们现在面临的环境危机在量和质上不同于以往任何一次,因为有那么多人口在本世纪一直给世界生态系统强制性带来破坏,以致于作为整体的系统——不仅仅是它的各个部分——可能处在危险中。他说:

“与其它邻近的行星不同,地球被一层称作生命的物膜所覆盖,……,在那一层物膜里,与植物、动物、昆虫、谷物和其它有机体共存的是人类。远在地球生命圈内其它物种出现之后大约50万年后才出现人类,但是由于人口的增长及其经济活动,正殃及这个使该星球独一无二的,精美的外壳。”

2.3 技术革新与全球化

近来通讯和信息技术的革命正使我们的世界成为一个地球村,因此,技术革新的步伐以前所未有的速度快速越过地理和行业的界限。例如,挪威混凝土技术的发展几乎立即可应用于全世界的混凝土业。与其类似,聚合物技术的发展也被迅速应用到各地的混凝土业中。跨国公司间互联网的发展是工业、技术和商贸快速全球化的原因。总的说来,我们的社会经济世界正被跨国公司和国际组织所控制,如国际货币基金组织和世界银行。最近一段时间,许多显示负面影响的事件表明:跨国和国际公司的全球规模与他们的全球责任未必相称。

另外两个技术革命,机器人和生物技术,具有比信息技术更重大的潜在世界后果, Kennedy在一本有争议的书中有所论述。日本工业机器人的应用正在发展,Kennedy举了一个无线电盒式录音机厂的例子,在那里850个工业机器人被安装来完成整个产品生产,同时只需16个工人干的活相当于自动化前340个工人的工作量。如果机器人在全世界发展,它将在工厂生产线、制造和建筑业解放成百万个劳动力。与其类似,对于基本食品的生产,如果我们在农业技术上用许多试验室开发的生物工艺方法取代现行的耕作方法,将在全世界的农业部门引起严重的失业问题。

Kennedy指出:在世界市场上,机器人和生物技术受同样的利益动机所驱使,后工业革命已促进了技术革新。我们似乎已到达该历程中的一个阶段,如果在这个方向进一步发展可能带来灾难性的后果。过去,人口增长由相应的工业增长支撑,因为似乎有无穷的自然资源满足工业需要,并且有充足的空间容纳工业废弃物。现在地球似乎达到了支撑工业发展的极限,如果我们不采取紧急措施降低人口增长率和工业增长率,并且严格控制可能会带来巨大经济和社会变动的技术革新的应用,那将危及人类文明。下文将叙述:如果我们集中人类的智慧,以某种方式来干预,这种可能会摧毁人类文明的最坏情况将不会出现。

2.4 科学研究的范式转换

毫无疑问,今天的社会正享受着科学和工业革新为它带来的好处。原因分析法已成为现代科学思维的主要特征,并在科学理论的发展和许多引人注目的技术成果实施上证明很有用。但是,过分强调科学的分解论——相信一个复杂结构的所有方面或一种复杂现象可以通过将整体分解为许多部分而充分认识——导致了知识的破碎性和局限性。许多领域的专业人员正逐渐认识到这个问题。

关于还原论方法的缺陷,Capra论述道:

“理性和直觉是人类思维功能两种互补的模式。理性思维是线性的、集中的和解析的,属于智力的范畴,其功能是辨别、测量和分类。因此,理性知识往往是原则性的。另一方面,直觉知识是基于直接的、非智力的真实经验,来自所了解事物的延伸,往往是综合的、整体的和非线性的。”

整体论一词来自希腊词汇“holos”,意思是一个未知的现象或结构作为整体而言,它的性质不是各组成部分性质的简单和。Capra预言该科学范式的转换将对所有科学学科领域未来的研究方向产生重大的影响。

3.对混凝土业和混凝土技术的回顾

在变换的世界面前,如上所述,让我们回顾一下混凝土业和混凝土技术的现状,有助于辨别将要面临的问题和机遇。

3.1 需求、供应和材料

由于众所周知的原因,如低相对成本、易得性、通用性、适应性并具有许多结构应用的的工程属性,硅酸盐水泥混凝土已成为全世界应用最普遍的结构材料。估计每年水泥和混凝土产量分别为12亿和70亿吨。由于制造混凝土的组成原料,即水泥、砂子、卵石或碎石,水和掺合料,几乎到处都很丰富,根据目前趋势推测,混凝土业将继续以相应世界人口增长和城市化需求的速率稳步增长。

今天,硅酸盐水泥是制造混凝土主要的水硬性胶凝材料。生产硅酸盐水泥的原料是丰富的,但是从保护能源和资源出发,混合硅酸盐水泥的生产和使用中掺入达70%的高炉矿渣或30%的粉煤灰或其它火山灰。在这点上,Malhotra关于大掺量粉煤灰作为矿物掺合料应用的前沿研究值得关注:他们用粉煤灰替代50~60%的水泥,同时掺入高效减水剂,所获得的产品不仅强度高而且抗渗性优异。如果未来硅酸盐水泥要固定在现有生产量,阻止CO2排放量增加,该项目可以产生非常重大的影响。

至于混凝土的骨料,正以每年约50亿吨的速度消耗,靠近城市和工业区高质量骨料的来源要么已经枯竭,要么即将枯竭。从经济和环境考虑,要求我们学会今后应用那些质次的骨料。例如,在混凝土中引起干缩大的骨料可以与膨胀水泥搭配;会引起碱-硅有害膨胀反应的骨料可与活性火山灰搭配。此外,一个值得考虑的问题是将毁坏的混凝土作为再生骨料,或者用粉煤灰和矿渣制备骨料。最后,几乎所有今天制备的混凝土都含一种或多种化学与矿物外加剂,它们易得并已用于获得各种各样的目的。关于混凝土外加剂和矿物掺合料发展趋势的一些技术现状报告在本研讨会上将会发表。

3.2  混凝土耐久性

普通混凝土,典型的具有20~40MPa抗压强度,对大多数结构应用是足够的。由于抗拉和抗弯强度相对较低,因此这种材料受拉时很容易开裂。存在少数可见裂缝的混凝土结构物在压荷载下通常能继续令人满意地运行;但是,如果这些裂缝与混凝土体内的微裂缝连通,它易受水渗透的影响会显著增加,因此,耐久性会受到不利的影响,取决周围环境的条件。暴露在严酷环境,如极端的温度与湿度,以及侵蚀性化学介质中的混凝土结构要比预期的服务寿命提前破坏。例如,美国国家材料咨询委员会1987年提供的一篇报告说:大量混凝土桥面板,估计有25,3000块,其中有些还不到20年,已受到不同程度的破坏,并且每年还有约3,5000块加入这一行列。隧道、停车库、海洋结构和轨枕混凝土过早地破坏已被一些人调查和报导过,这提供了一个独特的机会来确定:当前我们关于混凝土耐久性的科学知识还缺少什么,以及在现场应用中什么是已经知道的。

3.3  改善性能的新技术

过去20年间开发的一些技术为混凝土建筑业带来了改进;还有一些以改善混凝土作为工程材料的性能为目的。碾压混凝土技术,这是本讨论会上两篇综合报告的主题,对建造混凝土坝可大大缩短工期和成本。自1982年希腊Oregon Willow大坝首次采用碾压混凝土建造以来,全世界采用此项技术建成或正在施工的大坝已超过100座。

为改善混凝土性能,许多新技术和产品已被开发出来。其中值得注意的是含高效减水剂的高强混凝土,用钢纤维、玻璃纤维、聚合物纤维或碳纤维制造的纤维增强混凝土,以及胶乳改性混凝土、化学粘结陶瓷、无宏观缺陷水泥制品和环氧涂层钢筋,这些技术由本研讨会的其他人具体论述。由于高成本和一些特殊问题,许多研究人员,包括Neville在内都认为:应用这些技术而制造的混凝土总量不大。因为与耐久性相关,这里简要地论述高强和高性能混凝土技术。

  高强混凝土

水灰比在0.35~0.45,抗压强度为40~60MPa的高强混凝土,制备时掺用高效减水剂,加或不加矿物掺合料。通常可用当地易得的材料制备,以常用的拌合、操作和养护方法。已用于商品化生产的高工作度混凝土拌合物,水灰比在0.25~0.35,取决所用水泥、外加剂和骨料的物理化学特性。有些产品不仅高强度(60~130MPa抗压强度)而且高抗渗性,这是解决在恶劣环境下长期耐久性的方法。纵观全世界上百座用高性能混凝土建造的结构物,Malier估计:仅要求抗压强度的占25%,其余的耐久性是主要考虑因素。

应该注意到:高强和超高强混凝土(>60MPa)是一种特殊的材料,需要特殊的骨料(高强和连续级配)、特殊的外加剂(即高效减水剂),以及在搅拌和操作时非常小心。挪威承包商Moksnes在一篇基于他的公司在北海建造高强混凝土近海石油钻井平台20年的经验撰写的报告中说:

“高强混凝土将我们不引人注目的初期产品升级为面向未来的,一种更可靠的、复杂的和高技术的产品。我们获得一种新型材料,可使我们设计和建造更强、更高、更纤细和更轻的结构;与此同时我们处在很大压力下要在较短时间里完成工程;按照更严格的偏差和强化的规范要求工作。从过去那种皮实的、偏差大的现场制备材料,到另一极端,变成满足现场施工性能要求,像似在刀刃上求平衡的产品。”

  高性能混凝土

该术语由一些研究人员采用,指具备高工作性、高强、高尺寸稳定性和高耐久性的混凝土拌合物。这种混凝土用于高层建筑中配筋多、复杂的结构构件、近海石油平台、超大跨桥梁和重载路面,由Mehta和Aïtcin、Regourd、De Larrard以及Gjorv等所撰写的文章阐述了高性能混凝土组成和性能的微结构原理。众所周知,普通混凝土的许多特征,即强度和弹性模量相对较低,与材料高度不匀质的微观结构有关,特别是由于水泥浆-骨料界面处存在多孔而薄弱的过渡区。通过密实和强化过渡区可以改善混凝土的性能,并且运行中产生微裂缝(结果导致渗透系数加大)的危险减小。为达到这个目的,首先必须大大减小用水量,这可通过使用高效水泥分散剂(高效减水剂)来完成;为了进一步使混凝土内水化水泥浆和砂浆密实、增强及匀质化,掺用一定量具有颗粒微细和高比表面积的矿物掺合料,如硅粉、稻壳灰、粉煤灰、磨细高炉矿渣粉、偏高岭土、石灰石粉以及碳黑。矿物掺合料的品种和掺量由成本、活性和影响新拌混凝土堆积密实度与工作度所决定。高活性火山灰可缩短达到期望强度和不透水性所需的养护时间;低活性或没有活性的粉末通过降低温升改善抵抗热裂缝的能力。

应该指出:一些混凝土技术专家对使用高性能混凝土这个术语来表征近期开发的,如抗压强度大于100MPa的制品提出了质疑。他们认为除了强度和耐久性外,材料和加工费用也必须考虑之内。根据Idorn未发表的资料,与制备耐久的普通混凝土的费用相比,似乎许多研究人员对他们称之为高性能混凝土的,费用高昂的“高新技术”混凝土既不感兴趣,也不大了解。

3.4  混凝土的生态形象

Kreijger预言:未来材料的选择将由其生态形象决定。对于一定的工程属性,如强度、弹性模量或者耐久性,具有好的生态形象的材料是那些需要最少砍伐地球上森林和泥土流失,生产消耗最少的能源和水,产出最少量的有毒副产品的材料。用Kreijger的判断标准,与金属、聚合物和玻璃相比,混凝土有优良的生态形象,而且可以普遍接受的是似乎没有比混凝土业更好的产业来处理成百万吨的硅质副产品,如粉煤灰、高炉矿渣、硅粉和稻壳灰。在混凝土里使用这些副产品通常伴随着渗透性显著降低和工作性明显地改善,取决其粒径大小、活性和掺量,矿物掺合料还可改善混凝土抵抗热裂缝的性能。

大量这类硅质副产品的存贮,它们通常要含一些重金属,会引起空气和水污染。即使低值利用,如回填和路基修筑,也可能带来危害。因为有毒的金属会渐渐渗透到地下水里。或以矿物掺合料的形式,或作为混合硅酸盐水泥的组分加入混凝土,提供了一种相对安全和便宜的处理方法。McCarthy等人近期的研究表明:硒和铬可以永久地结合到钙矾石的晶体结构中,钙矾石是水泥水化的产物之一。而且,因为粒状高炉矿渣或者粉煤灰能取代混凝土中50~60%的硅酸盐水泥,而不影响最终强度且具有提高混凝土耐久性的潜能,所以使用这些副产品不仅节能而且保护环境。从生态形象角度来看,作者将混凝土称作结构材料世界中的Lord Siva(印度神话中的众神之一)。

4.混凝土科学和技术存在问题

从对未来世界及其需求的预测,以及对今天混凝土业现状的了解,可以确定它继续作为最受欢迎的普通建筑材料必须迅速解决的一系列关键问题。似乎最重要、迫切需要引起注意的问题,是普通混凝土的耐久性,和日益增长的公众对该材料长期使用寿命缺乏信心。

在最近运输研究委员年会上发表的一篇关于混凝土在运输工程中使用性能的报告中,Mather谈到:“如果混凝土在运输工程中的应用不能满足所要求的性能,那或者是由于规范一直存在的错误,或者是没有遵循规范”。规范可能出现下列两种方式之一的错误:或者规范制订者错误地选订了规则,或者可用的规范是基于不完善的科学。作者想要谈谈后者,目的是想破除如果现行规范和推荐实践准则被正确描述和忠实执行就不会存在耐久性问题的神话。本报告除了综述混凝土耐久性科学的现状外,还要讨论如下题目:混凝土耐久性科学的整体性模型、制备普通混凝土的新方法、现行规范和准则、结构服务寿命预测,以及需要介入混凝土技术的教育和研究。

4.1  混凝土耐久性科学

所有的科学研究都要进行简化。当涉及一个复杂的结构或现象时,研究者随意简化该体系且通常一次只研究其中的一个方面,目的是使目标可控制。在科学上,这是一个有效的方法,但是获得的结果价值有限,除非这个结构或者现象所有其它的方面已经被研究过,并且汇集了所有可用的信息。而且,为了根据整体论方法处理复杂的体系,我们必须汇集经验知识和全部可以获得的科学知识。相反,在我们对复杂体系某一部分的研究中,在处理数据时经常拿它们当作整体。同时,在将试验结果建模时,我们很少考虑通过试验衍生出来的知识。简而言之,这是今天大多数科学,包括混凝土耐久性科学存在问题的概括和实质。

只从简化科学的方法获得的知识根基有着严重的缺陷,必须纠正,因为是科学提供技术支撑的基础。例如,如果我们依赖不够科学的理论和模型去建立测试方法和规范,怎么能够期望混凝土结构耐用?为了说明这点,让我们来看看目前大家所接受的关于混凝土破坏的4个基本原因的理论,即硫酸盐侵蚀,碱-硅反应,钢筋锈蚀和冻融循环。

硫酸盐侵蚀

最近作者回顾了若干暴露于硫酸盐环境中结构物的例证,得出了如下结论:首先,没有普遍接受钙矾石与水泥浆膨胀相关的假设。由于生成钙矾石而形成的结晶生长压,以及结晶不良钙矾石的吸水产生了膨胀压,是已提出的几种假设中的两种。从实际结构物的破坏来确认这两个假设很困难,因为这涉及到对过程的观察,通常是只留下了结果,而没有产生作用的原因。已提出由于硫酸钠结晶引起混凝土损伤,是结晶生长压现象的一个例子,但这还没有被证实。与此相反,无水芒硝(Na2SO4)转变为芒硝(Na2SO4·10H2O)倒是一种膨胀现象,而无论如何,这与钙矾石形成,以及硫酸盐对于水泥石的侵蚀都毫不相关。钙矾石吸水常被认为是引起新拌混凝土坍落度损失的原因,在混凝土技术中已众所周知。在硬化混凝土中,钙矾石形成和随后的吸水可能引起足够大的膨胀和开裂压力,特别是当硫酸盐对水泥水化基本产物,即C-S-H和CH侵蚀,已经引起水泥浆强度和刚度丧失的时候。现场观测已经证实:长期暴露于硫酸盐侵蚀下的混凝土丧失了粘结力和强度。

另外一个值得注意的对混凝土由于化学侵蚀而劣化的观测,是只有可透水的混凝土在潮湿环境中易受损伤。如果结构中的混凝土在一开始不透水,它也会在运行期间因为一些原因引起的微裂缝而变得可透水。看来一直要到混凝土因为渗透达到高度饱水时,膨胀化学现象才会发生。据观察,硫酸盐侵蚀很少是引起混凝土损伤的唯一原因。碳化作用(与CaCO3和碳硫硅酸钙的形成有关)和/或碱-硅反应经常在硫酸盐侵蚀劣化的混凝土中发现。应该注意的是:水泥石的碳化和碱-硅反应会加速硫酸盐侵蚀,是因为它们降低了水泥石的碱度并且降低了水泥石的粘聚力和强度。

碱-硅反应

存在于骨料颗粒的某些活性硅与高碱硅酸盐水泥水化产生的高碱溶液间发生的化学反应能生成膨胀型碱-硅凝胶,它可在吸水时引起显著的膨胀。与硫酸盐侵蚀相似,当碱-硅反应引起混凝土结构损伤时,其它引起劣化的因素也同时存在。例如,Shayan和Quick认为:碱-硅反应与一些国家,如加拿大、美国、南非、芬兰和澳大利亚预制混凝土轨枕的破坏有关。在南非和芬兰,报道认为是由于冻融循环引起的微裂缝影响碱-硅反应膨胀;在澳大利亚,他们的调查表明:受影响的轨枕部分刚度丧失,引起疲劳开裂和膨胀。

Idorn根据他长期对全世界混凝土结构耐久性问题进行考察的经历,近来针对硫酸盐侵蚀和碱-硅反应研究提出了如下意见:

硫酸盐引起混凝土的破坏必定表现为:水泥石发生降解、碳化和强度损失,而骨料不受影响。因此这种侵蚀的力学作用是使混凝土由表及里碎裂、剥落,最后混凝土体的体积渐渐变小;而现场碱-硅反应导致混凝土劣化的实例中,水泥石化学上不受影响,而活性骨料颗粒内部断裂和/或部分溶蚀。这是一种会引起体内膨胀性的反应。在没有约束,例如配筋时,混凝土构件会向外膨胀的。而对这两种化学侵蚀现象,传统上都采用实验室砂浆棒线性膨胀(无约束)方法来评价,是一种骗人的、概念性错误的方式。

已经发表的许多研究人员写的报告,包括Swamy在本研讨会上发表的一篇文章都认为:配筋足够的混凝土结构不会因碱-硅反应使力学强度受到任何显著的破坏。Idorn的评论对实验室测试结果预测实际结构行为的实用价值提出的问题也是非常中肯的。如下面所讨论,无约束砂浆棒的膨胀值可能与实际使用条件关系很小,或没有什么相关性,因此不能用于服务寿命预测。

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图1(a)表示钢材受电化学腐蚀的机理;图1(b)是一个基于Tuutti率先研究预测膨胀和混凝土由于埋入钢筋锈蚀而开裂的典型模型。注意该模型仅考虑水、氧气、二氧化碳渗透和氯离子对钢筋脱钝的影响,而没有考虑这些渗入的离子对强度和水泥水化产物,如C-S-H,稳定性的影响。图2由笔者提供,解释了受渗入离子的侵蚀,在钢筋和混凝土同时发生的物理-化学变化。

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图2显示的机理是整体论的,意思是体系的每一部分都不可忽略。例如,既然C-S-H是水泥石强度的主要来源,它的稳定要依靠周围孔溶液中的OH离子,所以由于酸性离子,如碳酸盐、硫酸盐和氯化物置换OH离子对混凝土强度和弹性模量产生的影响就应该被考虑。这里显示的膨胀和开裂机理也考虑了膨胀产物的形成,如胶质铁锈对饱和系统孔隙水压的影响。因此,图2表述了作者的意思,它集中了全部可应用的科学知识,可以从每个特定过程对体系所有组分的影响来得到。图3(a)是关于暴露于海水的钢筋混凝土结构开裂—膨胀—开裂的模型,由Mehta和Gerwick提供,是图2模型的简化。注意:在这些模型里尝试着综合经验知识和应用科学知识,例如,在对San Mateo桥托梁里钢筋锈蚀对混凝土损伤的调查中,作者观察到该破坏是有限的。而经常暴露在冷热循环和干湿循环条件下则更易于产生微裂缝。因钢筋锈蚀引起混凝土结构的破坏,其它许多调查研究也发现:由并非锈蚀的其它原因使混凝土产生的微裂缝,加剧水、氧气和CO2的渗透起了重要作用。在预测混凝土结构的服务寿命时,图2和图3(a)模型是整体的,比图1(b)模型更现实。

冻融循环

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普遍接受的概念,是没有适量引气的饱水混凝土受冻融循环作用时,会由于内部水压引起破坏性膨胀,水压力来自毛细孔水的冻结和水从凝胶孔到毛细孔的迁移,其力大小取决于水泥石的渗透性、饱水程度、可冻水量、结冰速率和平均孔间距系数,或者水受压时将其释放所必须流动的距离。有一些关于水灰比小于0.3和高含量胶凝材料,在养护时能很快成为不透水的高强混凝土拌合物,是否还需要引气以抵抗冻融循环的争论。如果几乎没有可冻水和低饱水度,据讨论,这样的混凝土在暴露于冻融循环时不膨胀,即使没有引气。因此,由一种或多种原因产生的微裂缝和混凝土渗透性与饱水度不断增长,看来是冻融循环引起混凝土破坏的必要前提。这可由图3(b)模型来解释,它是由Moukua提供的,与图3(a)Metha和Gerwick关于钢筋混凝土开裂—锈蚀—开裂的模型非常相似。

4.2  混凝土破坏的整体模型

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综合上述混凝土破坏过程的观点,作者构建了一个整体性模型,如图4所示。说这个模型是整体性的含意是:要考虑众所周知的科学事实,与环境因素对混凝土每个组分,包括孔隙水影响的经验知识这两方面因素。设想一个养护良好、中等强度(即30MPa )混凝土的渗透性很小,直到存在的微裂缝(也就是肉眼看不到的裂缝)扩展并与来自混凝土表面较宽的裂缝连通。由于各种各样众所周知的原因,混凝土中总是有非连续的微裂缝。例如,混凝土用钢筋增强时,将干缩和热缩导致的裂缝分散成非常细的裂缝网,这对结构承载有利,但对侵蚀性介质自表面渗透到混凝土内部是有害的。

图4模型认为环境因素的影响分两个阶段。第一阶段,荷载和大气侵蚀作用(干湿和冷热循环)促使微裂缝扩展直到它们连通,它一旦发生,混凝土渗透性显著增大;第二阶段开始,水、氧气、CO2和酸性离子能容易地渗入混凝土,这些介质的存在又促使各种物理化学反应易于进行,结果一方面是孔隙水压增大,另一方面,混凝土强度和刚度部分丧失。在这两个同步发生过程的影响下,材料逐渐开裂、剥落、体积减小,这反过来又引起渗透性显著增大,加速了混凝土破坏。

图4整体性模型很清楚地叙述了一个值得注意的问题:为什么混凝土的不透水性是上述任何物理-化学破坏过程的第一道防线?如果在混凝土制备和加工过程中给予充分重视,牢牢地守住第一道防线,为什么还需要环氧涂层钢筋来抵抗锈蚀?用ASTM V型水泥来防范硫酸盐侵蚀,以及用低碱水泥或非活性骨料防止因碱-硅反应产生的膨胀?相信从寿命周期费用和资源保护的角度出发,前面所述的生态形象不会被公众忽视得太长久。

4.3 制作普通混凝土的新方法

总的说来,混凝土业的未来并不由需要特殊材料和加工的技术决定;相反,它取决于我们对解决普通混凝土业面临的问题所做出的努力。当然,如下面所建议的,来自新技术实践的一些教训,如高性能混凝土技术,可以用于普通混凝土的制作和加工。

现场在选用材料、拌合物配比和混凝土的生产及施工是以强度定位的。显然,当前的实践必须从强度转向耐久性。由于混凝土开裂对渗透性和由此引起的对于各种各样物理化学侵蚀的耐久性有重大影响,我们必须尽可能在选材、配合比和混凝土施工实践中努力防止结构物在使用过程中开裂。显然,目前这点没有引起足够重视。例如,目前试行规范没有充分注意骨料在控制因热收缩和干缩引起的混凝土开裂中所起的影响。

经验表明:水泥砂浆和粗骨料线胀系数与弹性模量匹配,对确保避免因为冷却和干燥引起的开裂很重要。为减小收缩,要求骨料最小总用量以限制最大水泥用量非常必要。从经济可行的角度出发,应该比现行标准与规范更精确地控制骨料形状、粒径和级配,从而改善混凝土的堆积密度和工作性这些决定拌合物需水量与匀质性的参数。

那些推荐实施方案中很少有深刻的、新的内容;然而由于规范中过分强调强度而不是耐久性,以及在拌合物配合比步骤中过分依赖水灰比—强度关系,许多与耐久性相关的,混凝土技术的基本原理却被忽视了,有必要将它们仍然应用到日常的施工实践中去。这可以通过发展以耐久性为取向的选用材料和拌合物配合比设计来做到。由于是新拌混凝土中的自由水量,而不是水灰比在起决定匀质性、渗透性和耐久性的作用,因此即使是中、低强度等级的混凝土,也能通过掺用减水剂获益。今后在比较便宜的高效减水剂方便易得时,就应该广泛使用起来。此外,为了获得满意的性能,还必须坚持严格遵循适宜的拌合、运送、捣固、抹面、养护和质量保证方法。Idorn预计在未来十年内,丹麦开发的在现场控制新拌混凝土操作和早期养护的技术,将完全取代普通的,通过取样制备试件试验的质量控制方法。至于用坍落度检测工作性和标准养护圆柱试件的抗压强度试验,笔者认为应用这些残存的方法,虽不是最合适,但仍不失其为最简便易行。

4.4  试验方法、规范和服务寿命预测

大多数与耐久性相关的试验方法和规程似乎仅用于有限的目的,即用于控制制备混凝土各组分材料的品质。23年前,美国混凝土学会委员会关于“混凝土—2000年”的报告,引起了对“现今在应用着不当的、偏狭的、过于指令式的试验方法和规程”问题的注意。这个问题必须要解决,如笔者在以前写的回顾中对该问题所下的结论:如果我们继续使用指令性的、不相干的标准,给经济和生态付出的代价将会太高。下面对目前仍在使用的典型试验室试验方法做一简单的回顾。

关于碱-硅反应,ASTM C289提供了一个检测骨料潜在活性的快速试验方法。该试验既不反映混凝土中碱-硅膨胀的机理,也未模拟导致实际结构破坏的力学作用。因此,以该试验为依据,世界上许多骨料来源都遭到否决,而不顾使用这些骨料的混凝土结构现场性能表现良好的事实。与其类似,ASTM C 227通常用来测量一定条件下养护6个月或者更长时间的标准砂浆棒膨胀值,以测试碱-骨料破坏性反应结果。如同用C 289一样,经常发现砂浆棒膨胀值和结构中混凝土显著被破坏之间的相关性很差。

ASTM C 452和C 1012方法用于评价水泥的抗硫酸盐腐蚀性。由于忽略了现场混凝土受硫酸盐侵蚀的一般现象,即粘结性和强度丧失,这些基于膨胀的方法有助于区分C3A含量高低的水泥,而事实上它可以用更为简单和快速的方法就能实施。此外,C 452没有考虑混凝土渗透性的差异,也没有考虑环境多样性对硫酸盐腐蚀的影响(约束程度、温度、压力、溶液pH值和其它离子的存在)。因此,这两种试验在预测现场的混凝土性能方面意义都有限。例如,虽然海水中有具破坏性的高硫酸盐含量,但是使用高C3A水泥混凝土的海工结构运行均良好。

混凝土的抗冻融循环性能通常依据ASTM C 666 A评价。在饱水状态下以4~16℃/h的冻结速率来测试试件,在大约40年前,Powers就警告说:该试验条件过于苛刻(指速度太快,不能模拟现场条件)而没有实用价值。将依据ASTM C 666 A的试验结果和不掺引气剂的混凝土拌和物长期现场性能对照,安大略水工研究人员得出的结论是:试验结果差未必意味着现场性能差。附带说一下,ASTM C 666可以作为一个例子说明:一种试验方法如何会成为开发新产品的障碍。研究人员看来都一致同意:具有60MPa或更高抗压强度(0.25~0.3 W/C)的混凝土试件,不含足够的可冻水时,它就不处于冻融破坏的危险。然而,没有足够引气的混凝土,常常通不过ASTM C 666试验。可是为满足ASTM C 666试验和相关规程,掺有引气剂的高强混凝土拌合物又可能生产不出来,因为引气不利于强度。

由于游离CaO和MgO造成的水泥安定性问题,用高压釜进行测试(ASTM C 151),它要求水泥净浆试样在2MPa气压下存放3 hr。如果膨胀超过0.8%,就被认为安定性不良。这种试验是加速某一现象以致失去意义和目标的典型例子。试验得出被放大了的膨胀值,是由于高CaO和MgO水泥在普通养护条件下水化产生强度的产物,即C-S-H,被高压蒸养所破坏。再者,规程里的蒸压膨胀限值(0.8%)和混凝土使用中的安定性从来就没有显示出相关性。为了符合ASTM C 151试验方法和相关规程,水泥业有时不得不舍弃含白云石质夹杂物的采石场,这对资源保护和生态带来负面的影响。

总之,需要对现行的试验方法和规程进行严格的审视和全面的回顾。如试验室养护试件的抗压强度数据等,某些试验方法对进行质量控制仍然很有用,但它们似乎没有一种在预测混凝土服务寿命时是有用的,如下面所讨论,服务寿命在很大程度上要受混凝土加工过程和实际环境条件所影响。

混凝土加工,即捣固和养护,对现场混凝土的性能有重大影响。然而,大多数质量保证体系都仅以试验室制作的试件为依据。因此,在浇筑、成型和养护中因沉降或温度收缩产生的缺陷,包括早期的微裂缝,是检测不到的。显然,一个整体性的质量保证体系应更多地依据现场混凝土的微结构和性能试验,而不是试验室成型试件的试验数据。为此,本研讨会Gjorv的文章里描述了关于耐久性相关的试验方法。

混凝土用于有害环境中的建筑结构物在逐渐增多,例如除冰盐和海水等。它也正用于或在积极考虑用于封闭有毒的或放射性废弃物的结构物。为提供设计服务寿命需要的定量数据,已开发出基于数学模型的计算机专家系统。如果用于专家系统假设的数学模型有问题,对服务寿命预测的数据资料的可信度就值得怀疑了。一种可靠的数学预测服务寿命方法的三个要素是:准确地定义材料(混凝土)、准确地定义环境和一个可靠的依据快速耐久性试验方法的数据库。如上所述,当前应用的试验室方法是不足以预测现场的结构中的混凝土性能。对材料和环境建模的问题在下面章节中讨论。

对混凝土微结构建模,如图4所示,混凝土的微结构同时受到变化范围很大的环境的影响,这就像要射击一个始终在活动着的目标作为靶子一样。静态模型的不真实,是因为材料的微结构,包括孔结构和渗透性,在不断地变化,对应于水、CO2、氧气和侵蚀性离子在当地温度、湿度和压力条件影响下的渗透速率。演变中的物理化学过程,如未水化水泥和火山灰颗粒的水化,已经形成水化产物的溶解和随后新产物的沉积(一种经常视为微裂缝自愈的现象),会同时具备产生和破坏水泥浆的粘结力。当我们对一个千变万化体系的组成、特性、出现与消失的速率还知之甚少时,怎么能对它建模呢?简言之,对一种正在劣化的混凝土建立数学模型,如在下面所讨论的,最多仅以当前的混凝土耐久性科学为依据,是不够的。

在对环境建模时,我们遇到类似的困难。毫无疑问,干湿循环、冷热循环、冻融循环和加载、卸载循环要对物理化学破坏过程产生深刻的影响。例如,钢筋锈蚀和碱-硅反应随温度升高而加速;而据报导,硫酸盐侵蚀在高温时减小,但在高压时加剧。而且,据Chandra报导,碳化侵蚀,即使有少量SO2和NOx存在的情况下也会加剧,而它们在酸雨和市区雾气中存在。我们通常只知道一个环境变量在一时的影响,而不知道两个或多个环境变量同时存在时的超叠作用。一座混凝土结构物在其服务期可能处于多种环境因素的实际组合,经常在环境模型中被忽略。此外,Rostam认为:通过宏观环境的观察确定微环境的能力是混凝土技术未来研究中的主要难点。

处于交叉路口的混凝土技术——问题和机遇
处于交叉路口的混凝土技术——问题和机遇

因此,有经验的结构设计师们的观察,常常对计算机辅助耐久性预测也有用。在1992年秋波多黎各的ACI大会上,Tedesko说道:“认为通过更精确的、复杂的计算机分析,就能做出更好的设计,是一个错误的概念。设计的质量不是计算精确性的函数,当分析中所作假设的准确性还不知道时,就没有必要追求数值分析高度地精确”。在上述类型问题中,显然很难对服务寿命做出定量地准确预测;然而定性的耐久性设计应该是不难的。这个概念由基于CEB(欧洲混凝土联合委员会)工作的图5表述。根据Rostarn所说:在“损伤初生期”,材料本身尚看不出已显著削弱,但是一些保护屏障受到破坏,例如由于CO2或氯化物渗入产生的钢筋脱钝。但是根据笔者提出,如图4所示的整体性模型,从根本来讲,第一层防护屏障是混凝土的不透水性,因为破坏开始和扩展必须到这层屏障被破坏以后。因此,将图5修改成图6,表示:(a)1阶段的耐久性可通过适当地注意原材料选用、配合比设计和混凝土加工过程获得;(b)不透水性丧失,损伤开始及其扩展不是曲线上一个个分明的点,而是许多重叠的阶段,用光滑的弯道(像河道拐弯处)来描述最好;(c)预计损伤极限为“D”的混凝土结构服务寿命,要随结构类型和结构部分所处的微气候环境而异。

4.5 混凝土技术教育和研究

23年前ACI委员会提交的报告“混凝土――2000年”中所关注的另一问题,是“越来越少的土木工程学校要求学生修完混凝土质量控制和行为”的课程。今天,从混凝土业需要强调的问题角度来看,情况比1971年更糟。美国几所著名的学府,如M.I.T和斯坦福大学土木工程专业本科生和研究生的课程中,似乎不包括任何混凝土技术方面的课程。另外,如加州大学的伯克莱分校和阿尔芭那的伊利诺依大学,现在有关混凝土技术的教学和科研也不如60年代了。Neville宣称:最好的大学关于混凝土技术的教学接近0。一些像混凝土这样的,实际能提高教学机构地位的普通知识都不教给学生,而且这都发生在我们还不能依赖已有规程和规范,并通过计算机建模让普通混凝土建造的结构物使用长久之际。

用技术来解决一个问题,如用环氧涂层钢筋或阴极保护抵抗混凝土中的钢筋锈蚀,是既昂贵,还会产生其它问题。最简单也最有效的解决方案,是回到缺乏耐久性的基本原因或者根源上,即混凝土的渗透性和服务期影响渗透性增大的因素。为了将这个问题有效地付诸现场实践,必须为那些负责设计和施工混凝土结构的人们提供充分的受教育机会。很显然,如果我们想要明天的材料科学家和工程师们能应对本文所描述的挑战,就必须在让他们掌握扎实的基础理论同时,还有足够的现代混凝土加工技术的试验室和现场经验。在本研讨会上,Shilstone就提议专门设置一门混凝土工程的学位课。缺乏混凝土技术的整体论教育、缺乏研究和实践的整体观是造成近年好几个重大工程项目耽搁而付出了高昂代价的主导原因。从Gerwick和Idorn俩人,他们都与混凝土业联系密切,和我来往的通信表明:缺乏经验的设计师制订的不符合实际的规程常常是一个出现问题的原因。

关于混凝土研究,早在23年前,ACI委员会关于“2000年的混凝土”报告中就论述过许多正在进行的研究十分狭窄,因此价值有限。今天研究的地位并未改善。例如,Idorn根据他对目前碱-骨料反应研究现状的观察做了如下评述:自1974年以来,举办了七次关于碱-硅反应的国际性会议。最近一次大会上,虽然宣读的研究论文有134篇,但它们都是一些非常琐碎地关于预防该问题的新知识、试验方法和规程可以接受的准则。Idorn认为:这就是全世界研究了50年以后的现状。而笔者所回顾的50年来混凝土耐久性其它领域研究的现状也与此类似。

教育依赖于研究的基础。为了满足如上所述社会的需求提供相关的教育,我们必须支持相关的研究。与主流混凝土技术仅擦边的研究是一种奢侈,在经济困难时代不应该鼓励。

5.结束语

作者尝试着在本文里表达个人对明日世界和今天混凝土技术现状的看法。可以预计伴随着未来人口增长、工业化和城市化的趋势,混凝土业还将经历一个高速度发展时期,人口失控和本文讨论过的一些技术领域的进展不会令所有工业发展停滞。

今天混凝土技术面临最严重的问题是受严酷环境影响的结构物过早破坏。从大量现场实践获得的证据看来,许多耐久性问题,如硫酸盐侵蚀、碳化、碱-硅反应和混凝土中钢筋的锈蚀,如果当混凝土处于该环境时不透水,并且在预计的服务期内保持不透水性,本来是不会发生的。因此,为突出与耐久性相关的问题,在混凝土选材、配合比设计和施工中必须建立新的、关于混凝土劣化的广义模型,表征环境影响对混凝土渗透性的作用。

混凝土耐久性科学来一次转变——从还原论转换为整体方法论——在我们将试验方法、规程和规范真正用于结构混凝土耐久性的评价之前是很有必要的。许多现行试验方法背后的科学依据很狭窄,它只关注病害的一个可见症状,而不是可见与不可见症状及它们背后所有可能的原因。例如,在硫酸盐侵蚀中,突出的是钙矾石形成和水泥的C3A含量。试验方法和规程都忽略了硫酸根离子对水泥石中氢氧化钙和C-S-H相的作用。Goode所做如下精神病学的观测,也普遍适用于混凝土耐久性科学。

“一些精神病医生们怀疑:目前的精神诊断体系有时是否过分,以至于模糊了病人的问题所在,而不是澄清。他们说:危险就在于将诊断过多地用文字分类表述,会使临床医师过多地注意症状,而不是症状背后的病人。病人的身体内发生了什么,他的外部又如何表现出来——虽然相关——但不相同。

本报告提出了一个整体性模型,它表示大气环境和荷载对混凝土渗透性的作用,随后是侵蚀性离子对混凝土所有组分的作用。在我们将整体性模型引入推荐实施规范的同时,有必要适当地加强混凝土技术教育和研究,来满足社会的需求。

23年前,ACI关于“2000年的混凝土”的报告中提出现今存在许多不相关的规程和规范,大量白费和重复性的研究,以及工科学校混凝土技术教育不足的问题时,当时我们距21世纪来临尚有近30年时间,而现在我们只有6年时间注意这些问题了。况且到目前为止对这些问题的解决,几乎还没有什么像样的举动。在此重申:Malhotra通过关于矿物掺合料及耐久性的研究和组织良好的ACI/CANMENT会议表明:他一直是处于混凝土技术教育的前沿,如果本报告和本研讨会发表的其它报告对混凝土业的发展和付诸实际起到激励作用,那将成为对他最好的奖赏。



王 征 摘译自《Concrete Technology at the Crossroads--- Problems and Opportunities》. Concrete Technology, Past, Present and Future. ACI SP144-1(1994);覃维祖校改。





编者按:

此文章由清华大学教授覃维祖推荐。这是一篇很老的文章,其中罗列了影响混凝土工程全周期性能的许多关键因素。所有这些影响,都要求我们在设计、施工过程中,要仔细设计、小心地选择原材料、精心地设计配合比并严格地控制施工过程,只有这样,才能得到长寿命的混凝土结构。文中的一些见解十分深刻。比如用砂浆棒膨胀的方法检定混凝土骨料的碱骨料膨胀问题,试验方法与实际混凝土结构的膨胀破坏之间没有明显的相关关系。在使用这种方法判定骨料是否可用时要小心,否则会导致大量的骨料无法使用而给混凝土工程带来灾难性困难。文章极具预见性,今天很多预测都变成了现实。因此,混凝土工程需要从整体的观点出发,才能做到可持续发展。

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