对混凝土从业人员的挑战

2020年1月3日15:30:20对混凝土从业人员的挑战已关闭评论 1,086

作者:Adam Neville         翻译:赵筠



正因为混凝土是非常成功和应用最广泛的建筑材料,就无法保证不会“盛极而衰”。生命中充满竞争,需要不断进步和改变。本文“蓄意挑战”,试图促进混凝土行业实践的进化。

改变必须根植于研究。我注意到,混凝土领域许多研究在持续地开展,但总是在正确的地方、由合适的人们来完成的吗?过去,至少在有些国家,许多研究工作是在政府研究组织和行业协会试验室进行的。例如,在英国,从上世纪三十年代开始的半个世纪中,包括建筑研究院(Building Research Establishment)、道路研究试验室(Road Research Laboratory)和水泥与混凝土协会在内的研究机构,混凝土研究取得了巨大的进步。但是,今非昔比。

在英国,此后针对混凝土的大量研究工作是在大学开展的。如今,大学有其院系组织,强调个人成绩,个人晋升与成绩相关,不可避免地鼓励研究者个人向越来越窄的专业化方向发展。我知道这样的事实,即鼓励设立跨学科的研究中心。然而,材料专家与结构工程师在实践中合作开发更好的混凝土结构,成功的故事很少。

专家

上述说法不是批评,而是要正视这样的事实:结构工程和混凝土的复杂性。混凝土作为一种材料,有无数的和变化的组分,不是一个研究小组所能掌握,何况个人。而现状则是由教授们个人构成一个较大的专业化群。虽然个人的环境不同,多数情况下,一个教授可能终生在一个和同一个大学从事单一专题工作,也许是博士课题的延续,他会得到所有的教授头衔,甚至正教授乃至杰出教授。

该教授可能在某个小领域成为优秀的专家,这个领域久而久之可能很重要,所做的工作有价值——对涉及结构及其设计和施工的其他工程师有价值。工程师们向教授或其它权威部门咨询,但他或她可能不会建议取消一个体系的问题而建议在设计中做根本性的改变。

再强调一下,专家当然是需要的。也很难找到对于设计、施工和材料均很在行的全能型通才。但是,设计人员必须具备足够多知识,从而知道什么是可能的,以及需要什么专业意见。

这种情况不限于结构工程,其它学科例如医学可能更为严重。我的一个朋友最近心血管系统有严重的问题,对于年事已高的人们,几乎都要寻求专业的意见。根据一个专家的建议,他不得不进行大型心脏外科手术。一切都进行得很顺利,因为如今的心脏外科医生非常称职,并且得到很好技术设备的支持。这些技术设备的设计制造工程师,名字和面孔没有出现在公众的视野里。然而,我的朋友回到家后,用他自己的话,他变得“非常贫血”。他赶紧回到医院,一个内科会诊医师发现他患有非常陈旧的、被忽视了的十二指肠溃疡。被治愈后,我朋友这些年来第一次感觉“特别健康”。为什么会发生如此令人沮丧的故事?我们生活在高度专业化时代,几乎没有通才存在。甚至全科医生,当他或她一旦发现某个特别问题,就会指导病人去看某个专家。专家从不关注他或她知识领域以外的东西,因此可能遗漏许多问题。

通才

知识爆炸使专业化延伸成为必然,今天已不可能对各领域最狭窄的终端知道很多。我与很多人熟识,他们受到土木工程的训练,一直保持对实际施工的兴趣:西班牙的Eduardo Torroja,德国的Hubert Rüsch,美国的Bob Philleo。他们已经去世了。不少类似的人们还健在,但最快在我脑海中冒出来的名字是加拿大的Pierre-Claude Aïtcin和Mohan Malhotra,以及美国的Chester Siess。

我认为这些人的关键特征,是他们接受了作为土木或结构工程师的训练,并且他们扎根于工程中。关于混凝土,他们也许在大学没有学习多少(在我的学位课程中,总共有9课时),但后来他们获得了需要的材料知识。我相信,有良好的工程基础训练,以及作为工程课程一部分而学习的化学和物理知识,他们知道工程要点,也明晰地知道应从专家处寻求什么。职业转换是不切实际的:一个化学、地质工程师或材料科学毕业生,不太可能在工作中学习到足够的结构行为方面知识,更不用说进行结构分析。

如果谈到结构分析引起怀疑,让我再谈谈在钢筋和预应力混凝土结构设计时需要考虑的徐变。我曾经遇到过一些设计师,在他们的分析中只会使用少量标准系数来估算徐变,他们不太清楚混凝土的组成对徐变的影响。另一个极端,是有这样一些徐变专家,他们全神贯注于发展构思精巧的或极端复杂的公式,用于描述试验室试件的徐变。然而,他们似乎并不关心服役结构的行为,随时间变化结构上应力根本不是常数,结构上出现徐变恢复以及应力松弛。当然,也有这样的人们,知识面同时跨越混凝土材料的徐变、可变因素和结构相关的多轴应力。实例是Walter Dilger和Amin Ghali,两人均是加拿大卡尔加里人。

我所阐述的上述实例,是我看到的,混凝土存在的根本性问题,但更为重要的是:它们是导致服役混凝土结构重复出现问题的根源。混凝土结构坍塌极为罕见,向结构设计师们致敬。然而,这是设计中固有的问题,是混凝土过度的变异性导致经济性降低。对于词语“过度的”,我的意思是减小变异性可提高经济性。现在来讨论,如今所生产的混凝土引起变异性的原因。

安全系数

现代结构设计,包含安全性的概率评估。对于混凝土,标准圆柱或立方试件测试的特征强度,用材料的分项安全系数折算转换为结构中混凝土的服役强度。这种系数在不同设计规范之间有所变化,我应该限制在以英国结构混凝土规范为例。首先,来看看强度的分项安全系数:设计强度是混凝土特征强度除以该系数。按照1972年版英国结构混凝土规范,材料强度的分项安全系数原理为“用于考虑实际结构上材料强度与试件测试得到强度之间可能的差异”。1985年版规范解释,材料强度的分项安全系数“用于考虑实际的和试验室的值之间的差异、局部缺陷以及构件抗力评价的误差”。作为起草这两个规范委员会的成员,我不得不接受上述说明的正确性。

英国规范规定,混凝土的系数值是1.5;相比之下,钢材的系数值是1.15。两种材料之间的这个差异是非常显著的,反映了钢材是工厂生产,有钢筋测试屈服应力和延伸率的数据。从另一方面来说,混凝土是浇筑、密实、养护(或没有养护),在现场被混凝土工处理过(或不当处理过)。这还不是全部。常常被忘记的是,该分项安全系数1.5是用于混凝土特征强度。特征强度允许标准圆柱体强度只有5%偏低(但还不是偏低过多),这样使设计使用值远高于圆柱体试件平均强度。换句话说,95%的圆柱试件强度高于尚未用到材料分项安全系数除的强度值。

混凝土强度的变异性

我觉得应不需要解释,平均强度与特征强度的差值反映了圆柱试件测试强度的离散性。离散性用标准差表述。对于特征强度的5%值,从正态分布平均强度为起点,强度横坐标等于标准差的1.64倍。如今,混凝土拌和物设计是以平均强度为基础。因此,减小平均强度与规定(和实现)特征强度之间的差值,意味成本降低,即少量的圆柱试件测试蕴含着多余的强度。因为差值是标准差的1.64倍,减小标准差的幅度显然是有益的。

我强烈地感觉到,如果在混凝土实践中实现减小该“差值”,可为混凝土带来很大的经济利益。我认为这比获得更高特征强度重要的多。另外,据我所知,除了预拌混凝土企业做了一些内部工作,这个“差值”没有被研究过。为什么呢?因为这项工作无法在试验室进行,必须在现场——使用现场的“真实材料”,采用实际的现场工作程序。

我想表达的观点是,在称作为满足结构设计而要求的混凝土强度,与预拌混凝土厂必须生产的强度,以及混凝土离开搅拌机时允许拌和物的变异性,其间有较大的差值。此外,在工地现场的工作,事实上还远远不够完美。我不是说,这个差值没有必要:“需要”,因为安全是至关重要的。但是,“差值”的重要性,仅仅因为混凝土配料搅拌和现场操作程序的现状是如今的水平。坦率地和概括地讲,这些都应该能够做得更好。我进一步的观点是,如果不改善,混凝土可能会失去市场让给其它建筑材料。

做得更好,就意味着减小出搅拌机混凝土的强度离散性,同时也改善施工现场的工作,从而减小混凝土“潜在”强度与现场“实际”强度之间的差值。只有这样,我们才能够更加经济地生产混凝土,而不牺牲安全性。

混凝土可能的改善

下一个问题:我们如何做的更好?我没有能力写一个配方,但可以确定一些可以改善的领域。先从混凝土拌和物组分开始。

在搅拌机出料点,混凝土变异性的一个来源是骨料级配的变异。我明白,骨料经过筛分分为几种尺寸粒级,再在配料器中组合起来。但每个尺寸粒级部分覆盖相当大的尺寸范围,在一个特定尺寸范围“内”可能有不同的级配。例如,在粒径范围为10mm至20mm部分,可能较多的或较少的颗粒靠近较小尺寸。如果小尺寸颗粒较多,需水量可能会较大,或工作性较低。因为工作性“必须”达到规定(否则工地计划和提供的手段无法使混凝土良好地密实),预拌混凝土厂必须准备最不利的方案。细骨料较细部分的级配准确性,影响甚至更大。有时最细颗粒的级配变化很大。这意味着,为了达到特征强度,与很好控制级配情况相比,就必须提高平均强度。设定更高的“平均”强度,当然等于更高的成本,使混凝土更昂贵;而较好地控制骨料和用水量,则可实现成本的降低。

同样的道理适用于粗骨料中存在的针、片状颗粒。通常是控制这类颗粒的最大含量,但实际上的含量可能低得多。然而,配合比设计必须考虑最坏的情况,虽然很难遇到,但没人知道何时会出现。当骨料来自多个破碎机时,更是这样。以前曾经遇到过这样的情况,一台磨损严重的破碎机所生产的骨料,形状明显不同于来自其它较新破碎机的骨料。骨料表面特征的差异,同样会导致出搅拌机混凝土工作性的变化。物理学者能够测量颗粒的表面特征,我们应该努力将这样的技术应用于实际投料的骨料。

骨料变异性的下一个问题是含湿量。令人烦恼的是含湿量变化,含水率测量时断时续、不频繁地进行。针对“每一次”进入搅拌机的骨料测量“真实”水量,非常罕见。总之,我个人还没有看到这样的可靠实例,即每一次配料均测量含水率,并用于调整加入水的量。我想表达的观点是:如果每次配料的骨料级配准确、进行形状和表面特征评定,并测量含水率,可以真正实现出搅拌机混凝土变异性的减小。这样可以改善经济性,当然是在发展新方法的费用分摊偿还了之后。

关于发展骨料级配和形状控制的更好方法,我认为还有一个重要因素,即使用再生骨料。除非这种骨料是“好”的、性质受到了良好的控制,否则使用会比较困难。可是,我们必须使用越来越多的再生材料。

在许多领域,天然骨料资源正在枯竭或受到立法保护。此外,多个欧洲国家,天然骨料的使用受到财政措施的抑制。也有强制性规定,要求再生骨料的最小使用比例。英国在二十世纪最后十年,碎石、砾石和砂的总销售量降低了30%。在1999年,市场上所有骨料中有18%是其它来源,包括:处理过的拆除材料、用过的铁路道渣、垃圾焚化炉炉渣、矿渣、石片废料和其它废弃产品。需要的是准确测量这类骨料性质的方法。

很多从事混凝土生产的人们,简单地认为:混凝土就是这样。他们不太积极去实现骨料特征的严密控制,如果骨料工厂属于预拌混凝土企业,积极性甚至更小。一个正直但可能有些幼稚的人也许会问:为什么不呢?回答是,这样的改善需要一大笔钱,在短期中,花费会超过获得的经济效益。

我的一位著名的、非常成功的混凝土企业家朋友,有一次给我解释:“只要其他每个人都做的同样差,花钱去做得更好就没有益处”。

当然,这是真实的,假如客户“必须”买混凝土,因为没有替代材料可以使用。我会在后面谈这个问题。

生态方面的考虑

严密控制骨料级配,也可以减少混凝土的浪费,因为可以避免工作性不符合要求或其它问题而被拒收。经济性可能在于少用水泥,同时有助于生态保护和可持续发展。我们当然应该减少排放二氧化碳到大气中,但混凝土真的是主要的罪魁祸首吗?例如,冒着冒犯许多人的风险,我也不能不批评机动车的使用。比如,在加利福尼亚的高速公路上,合乘车辆车道(强制乘坐两人以上)的每一辆车,大约对应10辆车是“一车一人”。在加利福尼亚和其它地方,目前这种汽车的使用方式也许对于人们生活的舒适和康乐很重要,但我们如果要认真减少有害气体排放,应该加紧针对汽车,而不是混凝土。相比之下,专注于混凝土,好比要降低鱼子酱的价格,就使用便宜的包装。

现场工作可能的改善

在一些国家的工地,混凝土施工遭遇的难题,来源于当地技术工人没有受到良好的培训、技术技能差。现在,缺乏更多地雇佣高技能工人的激励机制,即使可以找到。自然也应当给高技能工人支付较高的报酬,但许多工程承包商逃避这样的支出。再一次出现这样的状况,即没有动机去做的比竞争对手更好。在另外一些场合,我建议的问题解决方案为:在合同中用一个强制条款,规定雇佣一定比例受过培训的和有证书的技术工人和工匠。可以从政府机构建设项目开始这样做。一旦承包商为这些合同雇佣了更好技能的人们,他们会发现,虽然支付了较高报酬,这些工人对其它业主的项目施工也是有利的。

另外,还可能减少混凝土施工需要的总人数。在Concrete International杂志2001年3月期,作者P.K. Metha和R.W. Burrows说:“全球范围,我们不缺乏工人”。但这些工人不是有技能的混凝土工,并且他们会使现有系统延续下去。此外,在过去艰难岁月里,这些人们从世界各地迁移到工业高度发达的地区,雇佣他们在蔗糖、茶和咖啡种植园工作,需要他们是现代同等的合同工。所以,我相信,解决方案在于使用机器人和更大程度的机械化进行混凝土施工。在公路建设中,已经有些机械化施工,但还不够。日本是一个反对引进外国劳工的国家,在机械化特别是使用机器人方面取得了较大进步。另一方面,日本人口中很大比例的教育程度达到大学水平,很少有人愿意从事混凝土工的工作。

如我前面谈到,这里无法提出具体建议和解决方法,我也没有能力做到。在其它领域现有的一些工艺技术,也许适合应用,例如,骨料划分和测定形状与表面特征。做这些当然要花钱,但从长远看,做这些可以确保混凝土继续在建筑材料中处于优势地位。

我频繁出国旅行去调查混凝土和混凝土结构的问题,解决这些真实的或有嫌疑的问题花费了大量努力、时间和金钱。然而,对于导致这些“问题”的原因,许多初始猜测是错误的。例如,一个项目被认为施工工艺差,而事实上是结构设计不足。另一个例子,混凝土被指责不防水,但真正的原因是周边土壤过度灌溉,又缺乏合适排水系统。

当然,也有这样的情况,对于结构所处的特定环境,混凝土本身不够好。如果不把混凝土做的更好,也不更经济,但绝对确定混凝土材料本身和施工质量完全“适合使用的目的”,结构中这样的混凝土肯定能被所有相关人员接受吧?换句话说,混凝土应被定制,适合设计者的需要。但是,设计者必须知道,什么是可以要求的,并且在完成的结构上能真正实现。

混凝土受到威胁吗?

对于我的观点,一种可能的反驳为:看不到有混凝土的竞争对手啊。瑞士的机械手表生产商曾经持有类似态度。然而,当日本的石英手表出现,大量瑞士的小手表制造商消失了,高技能的员工失去了工作。其它领域有类似例子,如电器、汽车还有计算机。

有些变化主要出现在设计上,然后变更了材料。更重要的是,往往只有开发出具有非常特殊性能的新材料,设计的演变才发生。最明显的例子是飞机机体的设计。变化仅来源于使用新材料,并且新材料达到了设计师要求的性能。为满足需求,发展出飞机结构设计师与材料科学家之间的一种合作共生关系。在其它领域也有这样的状态出现。

对于混凝土结构,情况常常是有系列混凝土拌和物可供使用,设计师必须自助在“菜单”中选择。虽然混凝土的类型有了些变化,但没有很大进步或激动人心的发展。期望混凝土的变化可以比拟飞机工业的变化,是不现实的;我们工业的结构设计师无法开发出与混凝土类似的新材料,而混凝土科学家也没有能力想象他们可能遇到的设计的变化。但是,要挑战去做的更好,我们需要一个“智囊团”找寻前进的道路。

最近的进步

在前面章节我说的内容,可能会使有些人甚至很多人不愉快。我得承认这是蓄意挑衅,是为激发所有从事混凝土工作的人们行动起来。当然,混凝土和混凝土施工有了一些变化,如滑模施工、自密实混凝土以及碾压密实,等等,但整体上的显著进步是什么?到现在,引气技术已经有60年历史了,这还是一个偶然的发现。超塑化剂(高效减水剂)等待了30年才被用于混凝土,但超塑化剂毫无疑问是一个意义重大的发展。

使用的混凝土拌和物含高比例粉煤灰和矿渣粉也代表重大的进步。还需要其它的变化来改善混凝土,但令人沮丧的是,混凝土结构总体上与我年轻时代差不多。换句话说,所发生的变化不足以维持未来竞争能力的需要。我们不应忘记钢材的消费量已经大幅度下降。我们怎能知道同样的状况不会发生在混凝土上,尽管混凝土现在的使用量巨大且广泛。

未来

我敢说,年事已高使我悲观。我也许夸张了现实情况,但目标是将混凝土世界从自满中唤醒。我确信,我们正在做的,主要是边边角角的修补。甚至整体方法(holistic approach)实际上也没有多少新意,还是将混凝土看作一种材料,而没有看作一个结构整体,这需要结构工程师的参与。

如果这样的状态持续下去,将会有人在某处找到更好的材料与更好的技术,建造出更好的结构。这类材料可能包含各种聚合物,以及所有类型的纤维组分。硅酸盐水泥也许还会使用,但不是如同混凝土那样作为主要的大量组分,现在常常引发收缩裂缝问题。将来,很可能不再使用钢筋,从而消除令人烦恼的锈蚀问题。

这些都不是异想天开。例如,在美国Huntsville的阿拉巴马大学机械与航空航天工程系研发了一种材料,由硅酸盐水泥、玻璃微珠、丙烯酸乳胶增强剂和水组成,使用碳纤维网增强。该材料可用于小船的船身,只需要7mm厚度提供需要的强度、弹性和抗裂性能。其发明人期待将这种新材料用于航天器。这也是结构设计与材料发展合作共生的一个实例。我不能不注意到,这种发展不是出现在一个土木工程系,着实令人懊恼。当然,这是一个高度专业化的例子,但历史上有大量的专业化产品,在适当的时候被改造成为普通的、广泛使用的材料。

此外,工厂化生产大型结构构件取得了重要进展,包含承重、完成内外装饰以及连接结构。与传统施工相比,这种方法可以实现更好的总体质量控制。特别是建造壳体结构,使用玻璃纤维增强的复合材料,可以有更大的形状自由度和高耐久性。

不是未来的可能性,这样的结构已经存在,例如,1999年在瑞士Bâle建造、被称作“Eyecatcher”(吸引眼球意思)的5层建筑(在2001年9月期Bulletin of the Swiss Association of Engineer and Architects中Thomas Keller撰文介绍)。

这些大型、创新的构件用新材料制造,主要为直线和多角形状,将不会是现在所使用的混凝土结构种类和形状的替代品。在某种程度上,发展方向是生产更圆润和软性形状,可能使用新材料和工业化方法制造和施工。又要说,发展是材料与设计相结合的变化。

我的观点是,需要材料专家与结构设计师的合作共生。后者需要更好地知道,混凝土作为一种材料可以做到什么,以及其工艺程序。前者需要知道,设计师期待什么。更大程度的机械化进行混凝土施工操作,更多(多于零)使用机器人,毫无疑问可以改善结构上混凝土的均匀性,使混凝土结构更可靠,从长期上也更经济。

对于我们,等待“老式”混凝土被“替代”的到来,是像鸵鸟一样把头埋入在砂中。为了混凝土有好的未来,我认为我们需要新方法致力于解决我提到的问题。我们还有时间找到这类新方法,但是岁月不等人。要保持混凝土作为建筑材料的优势地位,我们必须更快地行动。

‘A Challenge to Concretors’原文刊载在Concrete International杂志2002年1月期,pp.63~68





编者按:

此文翻译自A Challenge to Concretors’Adam Neville, Concrete International, 2002, 1, pp.63~68,由清华大学覃维祖教授推荐给我们网站。Adam Neville是混凝土业办令人崇敬的教授,他的书《Property of Concrete》一直是我们推崇的专著,为我们工程实践提供了极大的帮助。他在这篇文章中提出的挑战问题,我们在混凝土工程中都或多或少地遇到过。比如结构设计与材料的关系,结构设计、材料与施工工程的关系问题,的确需要我们相互了解对方,这是我们网站从分享混凝土工程技术及经验扩展到分享整个土木工程技术及经验的初衷。再比如,文章中专门强调混凝土骨料及各种原材料的性质及用量、时间延续、环境温度变化、施工中热量的保持能力等等都对最终混凝土结构强度及耐久性性能有决定性的影响,因此给我们工程带来了严重的挑战,因为实际工程中忽略了这些影响,导致混凝土强度不足,结构裂缝和裂纹问题的实例比比皆是。这些挑战始终是混凝土工程要面对的问题,所以我们网站才要分享我们的经验和技术,希望以工程的眼光,用整体论的方法来看待混凝土施工,而不是将混凝土工程仅仅只视为隧道工程、桥梁工程的一个工序,做好每一个环节,保证结构满足设计要求且安全。由这一篇文章我们也可以理解,结构设计也需要了解混凝土的性能,施工组织设计时也需要了解混凝土的性能,模板设计时同样需要了解混凝土的性能。我们希望在铁路、公路、市政等等土木工程中,将混凝土作为一种工程来看待,按规律办事,面对挑战解决问题,最终达成混凝土的可持续发展。

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