混凝土的耐久性和可持續(xù)發(fā)展問題述評

1．廣西建筑工程質(zhì)量檢測中心，廣西南寧 530011；2．廣西建筑科學(xué)研究設(shè)計院，廣西南寧 530011

摘要：從提高混凝土耐久性和混凝土技術(shù)可持續(xù)發(fā)展方面概述現(xiàn)代混凝土技術(shù)的發(fā)展趨勢和發(fā)展方向?；炷夹g(shù)發(fā)展的根本方向是堅持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，在與地球資源環(huán)境和諧共生的發(fā)展基礎(chǔ)上，最大限度地改善混凝土的耐久性，提高其使用壽命。

關(guān)鍵詞：混凝土；耐久性：可持續(xù)發(fā)展

混凝土技術(shù)發(fā)展的一個終極目標(biāo)是最大限度地延長其使用壽命，也即耐用性(Serviceability)問題。這就對混凝土的長期性能特別是耐久性提出了更高的要求。另外一個很重要的問題是混凝土技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展，其目標(biāo)就是要使混凝土技術(shù)的發(fā)展與資源、環(huán)境等實現(xiàn)良性循環(huán)，盡量減少造成修補(bǔ)或拆除的浪費(fèi)和建筑垃圾，大量利用優(yōu)質(zhì)的工業(yè)廢棄物和礦石，盡量減少自然資源和能源的消耗，減少對環(huán)境的污染[1]。

1 混凝土的耐久性

混凝土的耐久性可定義為“在使用過程中經(jīng)受氣候變化、化學(xué)侵蝕、磨蝕等各種破壞因素的作用而能保持其使用功能的能力”[2-3]。一般混凝土建筑物的使用壽命要求在50年以上，很多國家對橋梁、水電站大壩、海底隧道、海上采油平臺、核反應(yīng)堆等重要結(jié)構(gòu)的混凝土耐久性要求在100年以上。氣候條件適中的陸上建筑物，應(yīng)要求混凝土在200年內(nèi)安全使用。我國GB 50010--2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，混凝土的耐久性設(shè)計應(yīng)按照環(huán)境類別和設(shè)計使用年限進(jìn)行，分為50年和100年2個耐久性預(yù)期目標(biāo)，對于重大、重要工程應(yīng)按照100年壽命來設(shè)計混凝土。近幾年來，我國已有不少工程的混凝土設(shè)計壽命達(dá)到100年，這些工程大都結(jié)合環(huán)境條件和特點(diǎn)，采取專門有效的措施，以充分保證混凝土工程的耐久性設(shè)計要求。比較著名的百年工程有三峽大壩、東海大橋、南京地鐵1號線、崇明越江通道北港橋梁、重慶朝天門大橋空心橋墩、杭州灣大橋等[4]。

但是近幾十年以來，混凝土構(gòu)筑物因材質(zhì)劣化造成失效以至破壞崩塌的事故在國內(nèi)外也是屢見不鮮，并有愈演愈烈之勢。

國際上混凝土的大量使用始于20世紀(jì)30年代，到五六十年代達(dá)到高峰[1]。許多發(fā)達(dá)國家每年用于建筑維修的費(fèi)用都超過新建的費(fèi)用。

過去，除了大型水利工程外，我國混凝土工程的耐久性問題長期不受重視，混凝土結(jié)構(gòu)沒有達(dá)到預(yù)期的使用壽命，受環(huán)境作用過早破壞的實例很多，由此造成的經(jīng)濟(jì)損失也很大。由于許多工程設(shè)計只滿足荷載要求，而沒有提出耐久性的要求，使已建成的混凝土構(gòu)筑物存在耐久性隱患。我國在50年代興建的水電站大壩有很多已經(jīng)成為“病壩”，我國的混凝土工程量在改革開放30多年來突飛猛進(jìn)，可以預(yù)見，耐久性不佳的混凝土工程的劣化問題將會日趨嚴(yán)重。因此，混凝土耐久性問題越來越受到人們的重視。

1.1 混凝土的耐久性破壞

混凝土耐久性涉及到混凝土性能的方方面面，是影響混凝土使用壽命的首要因素。造成混凝土耐久性不佳的原因多種多樣，主要可分為：(1)物理破壞：由溫度變化引起的收縮膨脹裂縫(這是由于混凝土內(nèi)骨料和硬化水泥漿體不同的溫度膨脹系數(shù)而引起)，如凍融循環(huán)、除冰鹽分對混凝土的剝蝕等：(2)化學(xué)破壞：由混凝土內(nèi)部材料引起的堿骨料反應(yīng)以及外部侵蝕性離子(Gl-)引起的諸如鋼筋銹蝕、硫酸鹽侵蝕(SO42-)以及碳化(CO2)等；(3)機(jī)械破壞：沖擊、磨損、流動淡水溶蝕作用、流動氣體的磨蝕、沖蝕等(如道路、水利混凝土)。如何有效地預(yù)防和抵抗這些破壞因素的破壞力，是解決混凝土耐久性問題的關(guān)鍵。

1.2 混凝土耐久性破壞常見原因

我國已故混凝土權(quán)威吳中偉院士早在1991年就指出[1]，近年來混凝土耐久性破壞愈趨嚴(yán)重的原因很多，常見的和較重要的主要有：

(1)原材料因素：如水泥因為強(qiáng)度提高、細(xì)度增大、硬化速度加快等因素，加劇了混凝土結(jié)構(gòu)的開裂問題；優(yōu)質(zhì)合格的骨料資源日趨枯竭，只有采用質(zhì)次或有問題的集料(如海砂、風(fēng)化砂石、堿活性骨料等)，對集料的質(zhì)量也缺乏必要的重視；

(2)施工原因：過于追求施工進(jìn)度，對混凝土工程的施工質(zhì)量控制不嚴(yán)，也不注意對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的養(yǎng)護(hù)；

(3)應(yīng)用原因：現(xiàn)代混凝土的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，使大量混凝土工程所處的環(huán)境與使用條件日益嚴(yán)酷，但未認(rèn)真采取相應(yīng)的對策以提高其在嚴(yán)酷環(huán)境下的使用壽命；

(4)設(shè)計研究原因：對混凝土工程耐久性的研究試驗工作大部分局限在試驗室階段，與實際使用環(huán)境脫節(jié)，更重要的是混凝土工程在設(shè)計過程中常常只考慮單一的破壞因素，忽視對實際中常發(fā)生的2個以上破壞因素引起的綜合破壞作用，即對混凝土耐久性綜合癥缺少認(rèn)識。

1.3 混凝土耐久性研究存在的問題

混凝土耐久性問題自20世紀(jì)50年代提出，受到世界各國的廣泛重視，幾十年來各國混凝土行業(yè)工作者進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)試驗研究工作，獲得了一定的成果，有些成果對一些常見的耐久性問題的解決起到了顯著作用：如引氣劑對提高混凝土抗凍性的作用；限制水泥和混凝土中的堿含量對堿—集料反應(yīng)的預(yù)防；活性礦物摻合料對提高抗?jié)B性和對鹽類侵蝕作用的抵抗以及對減輕碳化作用、保護(hù)鋼筋以免銹蝕、抑制混凝土中的堿—集料反應(yīng)以及防止淡水溶析作用和表面破壞等均提出了有效的措施。為了得到耐久性良好的混凝土，按耐久性設(shè)計混凝土和預(yù)測混凝土的使用壽命成為耐久性研究的主要內(nèi)容和最終目標(biāo)。但是我們也應(yīng)該看到，由于研究內(nèi)容的片面性和理論深入不夠以及研究方法存在的局限性和缺陷性[5]，使得大量基礎(chǔ)的耐久性研究成果對解決實際混凝土工程耐久性問題的成效不大，也使當(dāng)前的混凝土耐久性問題呈現(xiàn)越來越嚴(yán)重的趨勢。主要表現(xiàn)在：(1)針對單一破壞的因素研究較多，而忽略了常常在建筑物中出現(xiàn)的多因素共同作用的研究；(2)很多試驗是在實驗室加速試驗條件下得到的，與混凝土實際使用環(huán)境相差甚遠(yuǎn)，使試驗結(jié)果無法進(jìn)行比對。典型的如骨料堿活性反應(yīng)快速檢測法(ASTMCl260，南非快速砂漿棒法等)，該方法是將試件浸泡在80℃1N的NaOH溶液中進(jìn)行測試，試驗條件十分嚴(yán)酷，與混凝土實際環(huán)境條件相差甚遠(yuǎn)；(3)材料因素研究得多，結(jié)構(gòu)因素研究得少，基礎(chǔ)理論的研究更少，缺乏定量研究，更缺少區(qū)分不同體系、不同結(jié)構(gòu)的材料在耐久性能上差別的對比。

1.4 常見的耐久性綜合癥

實際混凝土工程中的耐久性問題相對比較復(fù)雜，常常不是單一出現(xiàn)的，而是多種因素共同作用的結(jié)果，因此，有必要充分了解混凝土中的耐久性綜合作用因素?；炷凉こ讨谐霈F(xiàn)的常見耐久性綜合癥如下：

(1)碳化與鋼筋銹蝕：

(2)凍融循環(huán)(包括海水凍融)與鋼筋銹蝕；

(3)鹽類腐蝕與鋼筋銹蝕；

(4)鹽類腐蝕與凍融循環(huán)、機(jī)械力破壞；

(5)鹽類腐蝕中SO42-、Mg2+、Cl-作用的綜合疊加效應(yīng)引起混凝土的快速破壞；

(6)緩慢延續(xù)的堿—集料反應(yīng)與其它破壞作用的綜合和疊加。

研究防治混凝土耐久性綜合癥，必須弄清楚破壞作用的主次和先后，并對幾種因素的共同作用，尤其是疊加效應(yīng)加以研究。疊加效應(yīng)相對比較復(fù)雜，有時還會出現(xiàn)負(fù)疊加，即互相抵消的特殊現(xiàn)象。

混凝土中以堿—集料反應(yīng)為主因及導(dǎo)因的耐久性綜合癥現(xiàn)象十分普遍，具體表現(xiàn)在：

(1)堿—集料反應(yīng)十鋼筋銹蝕：前者是導(dǎo)因，堿—集料反應(yīng)引起開裂導(dǎo)致鋼筋銹蝕，造成嚴(yán)重破壞；

(2)堿—集料反應(yīng)+凍融循環(huán)：我國北方有幾處機(jī)場跑道因堿—集料反應(yīng)而開裂，加速了凍融破壞；

(3)堿—集料反應(yīng)+海水腐蝕：如日本沖繩島海港的混凝土結(jié)構(gòu)破壞：

(4)堿—集料反應(yīng)+機(jī)械力(包括沖擊、磨損、疲勞等)破壞：如日本阪神高速公路梁、柱、橋面等；

(5)堿—集料反應(yīng)+除冰鹽+鋼筋銹蝕：如北京、天津等地的立交橋破壞等。

因此，在對混凝土按耐久性進(jìn)行設(shè)計和壽命預(yù)測方面，應(yīng)綜合考慮各種不同的破壞因素，并根據(jù)經(jīng)驗、同類材料的性能、快速試驗結(jié)果以及混凝土工程暴露的環(huán)境條件等，對所設(shè)計的混凝土工程的耐久性進(jìn)行預(yù)測。

1.5 提高混凝土耐久性的途徑

混凝土的耐久性是一個十分復(fù)雜的綜合性問題，不僅與所使用的材料本身有關(guān)，還與混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件(包括溫濕度、結(jié)構(gòu)物周圍的水和土壤中的侵蝕性離子、空氣中的侵蝕性成分等)緊密相連，因此要系統(tǒng)提高混凝土的耐久性，必須先將環(huán)境條件調(diào)查清楚，再結(jié)合混凝土所采用的材料進(jìn)行耐久性設(shè)計。

(1)修訂現(xiàn)行的設(shè)計及施工規(guī)范，將對工程結(jié)構(gòu)的耐久性要求納入相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程中。這方面的工作最近幾年已經(jīng)開展，已將一般混凝土結(jié)構(gòu)的50年和100年的耐久性要求列入了相應(yīng)的建筑設(shè)計及驗收規(guī)范中，如GB／T 50362--2005《住宅性能評定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50010—2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》以及GB 50003—2001《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)渤等。

(2)從設(shè)計階段入手，混凝土工程結(jié)構(gòu)除了按強(qiáng)度設(shè)計，保證受力安全外，還必須根據(jù)結(jié)構(gòu)物使用環(huán)境按耐久性設(shè)計，以保證工程的使用壽命。這是混凝土耐久性研究的發(fā)展趨勢，已經(jīng)成為當(dāng)前最活躍的混凝土技術(shù)研究方向之一。

日本是最早對混凝土耐久性設(shè)計和預(yù)測進(jìn)行研究的國家，已有系統(tǒng)的設(shè)計綱目和預(yù)測參數(shù)。根據(jù)日本專家調(diào)查得出的各類混凝土的實際使用壽命為田：一般混凝土制品20年、橋梁工程壽命50年、混凝土壩壽命100年，并以此制定了鋼筋混凝土建筑物的設(shè)計壽命。系統(tǒng)的耐久性設(shè)計綱目基本內(nèi)容包括：(1)按照建筑物的劣化狀態(tài)將耐久性設(shè)計目標(biāo)分為100、65、30年3個等級；(2)劣化外力分為一般劣化外力和特殊劣化外力；(3)相應(yīng)的設(shè)計施工標(biāo)準(zhǔn)方法。

英國在20世紀(jì)80年代修訂的混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范中增加了大量的耐久性條款，根據(jù)暴露環(huán)境條件的嚴(yán)酷程度對最小保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)度、抗凍性、最大水灰比、水泥品種、最小水泥用量、最大膠結(jié)材料用量(水泥+礦物摻合料)、引氣量、集料要求等等都作了具體規(guī)定，對按照耐久性要求設(shè)計混凝土結(jié)構(gòu)工程起到了很好的指導(dǎo)作用。

我國的黃士元、劉崇熙等專家于20世紀(jì)90年代初就提出了“按耐久性設(shè)計混凝土”的思想，經(jīng)過10多年的發(fā)展，越來越為建筑工程界和材料界所認(rèn)識。但是總的說來，我國在按耐久性設(shè)計混凝土方面還有大量的工作和實際問題需要不斷研究和解決。

(3)在政府的領(lǐng)導(dǎo)下，建立地方混凝土耐久性專家組，系統(tǒng)研究對本地區(qū)混凝土耐久性有重大影響的各種因素，并提出指導(dǎo)性意見，混凝土耐久性研究涉及因素繁多，既包括材料科學(xué)的基礎(chǔ)研究，也涉及惡劣環(huán)境對混凝土的侵蝕作用，而且我國幅員遼闊，各地原材料性能差異很大，制定全國統(tǒng)一的指導(dǎo)性文件，各地在實施過程中難免會遇到種種困難。因此，有必要在地方政府的領(lǐng)導(dǎo)和扶持下，集中有限的人力、物力和財力，成立一個以混凝土耐久性專家小組為核心的地方科研基地，這個科研基地可以依托科研院所或高等院校，結(jié)合本地實際，對本地區(qū)的經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展影響較大的重要混凝土結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行全面調(diào)查，并對原材料進(jìn)行試驗研究，為本地區(qū)混凝土工程的耐久性設(shè)計從材料篩選到工程施工提供指南。這方面英國有著十分成功的先例：英國混凝土協(xié)會依托BRE(土木工程研究機(jī)構(gòu))，組成各個專家小組，對混凝土技術(shù)的方方面面都做了詳盡的調(diào)查研究和試驗工作，發(fā)布了很多技術(shù)報告，如“TR30-堿骨料反應(yīng)：如何降低其對混凝土的危害”，“TR40—?；郀t礦渣和粉煤灰在混凝土中的應(yīng)用”等。BRE對堿骨料反應(yīng)也做了深入的研究，制作了50cmx50cmx50sm的大型混凝土試件放置在室外大氣環(huán)境下，對潛在堿活性骨料和礦物摻合料對堿骨料反應(yīng)的抑制作用進(jìn)行長期的監(jiān)測，已經(jīng)歷時20余年。這些長期試驗的數(shù)據(jù)具有很高的實用價值，可與實驗室快速法試驗結(jié)果進(jìn)行比對，進(jìn)而科學(xué)預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。

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