混凝土耐久性與高性能混凝土

　　混凝土的耐久性是指混凝土結構在自然環境、使用環境及材料內部因素作用下保持其工作能力的性能。使用環境中的氣體、液體和固體通過擴散、滲透進入混凝土內部，發生物理和化學變化，多數情況下會導致硬化混凝土性能的劣化。發生嚴重的裂化后，常常影響到混凝土工程的壽命和安全性。以往工程中，習慣上只重視混凝土的強度，或片面追求高強度而忽視混凝土的耐久性。曾有調查表明，國內一些工業建筑在使用25~30年后即需大修，處于嚴酷環境下的建筑物的使用壽命僅15~20年。許多工程建成后幾年就出現鋼筋銹蝕、混凝土開裂現象。

　　如何提高混凝土的耐久性與國民經濟、社會安定、環境保護、可持續發展等密切相關，是混凝土材料科學的重大研究課題，是工程界關注的重大科技問題。20世紀90年代初出現的高性能混凝土的使用壽命能夠使混凝土結構安全可靠地工作50～100年以上，是一種新型的高技術混凝土。高性能混凝土選用優質原材料，在配制技術上的特點是除水泥、水、砂、石4種組分之外，還摻加有足夠數量的礦物摻合料和化學外加劑；水膠比較傳統混凝土低。高性能混凝土以耐久性為設計目標，兼顧強度和工作性，在節能、節料、工程經濟、勞動保護及環境等方面也具有重要意義，被稱為“綠色混凝土”，是國內外工程界研究的熱點。

　　國內外高性能混凝土的研究進展

　　1990年5月，美國國家標準與技術研究所和美國混凝土協會在馬里蘭州蓋瑟斯堡召開的會議上首先正式提出“高性能混凝土”這一名詞。實際上，此前的一些重要工程中已采用了高工作性和高耐久性的高強混凝土。

　　日本、歐洲、美國、加拿大都認為高性能混凝土是一種跨世紀的新材料，在嚴酷環境中使用高性能混凝土具有顯著的經濟效益。這些國家在高強高性能混凝土配制方法、耐久性能檢驗方法和提高混凝土耐久性技術途徑方面進行了大量的研究，并在橋梁、碼頭等易腐蝕結構中成功地應用了外摻活性摻合料的高性能混凝土。

　　中國對高性能混凝土的研究基本與國際同步。自上世紀90年代初期國家自然科學基金支持高性能混凝土研究開始，在多個國家大型科研項目的支持下，我國在高性能混凝土新材料研發、耐久性控制、設計和施工技術等方面取得突破：開發了多品種的工業廢渣摻合料，通過物理活化和化學活化解決早期活性、抗裂、收縮等問題，并大量應用；從控制各種原材料的氯離子和含堿量入手控制混凝土的堿-集料反應和鋼筋銹蝕反應，全國很多地區和大型工程都建立了堿—集料反應分布圖和安全集料礦山；清水混凝土技術及自流平混凝土制作的大型體育館看臺、盾構管片、大口徑預應力鋼筒混凝土管都達到國際領先水平。

　　國內外通過近20年的研究和實踐，已經得出一些制備高性能混凝土的具體技術措施：水泥、集料、摻合料的性能對混凝土耐久性影響很大，對其品種需加以認真選擇。混凝土配合比設計時，盡量減少水泥用量和用水量，降低水化熱，減少裂縫，提高密實度；合理使用減水劑和引氣劑，改善混凝土內部結構；摻入足量的礦物摻合料，提高混凝土耐久性能。按照使用環境設計相應的混凝土保護層厚度，預防外界氣體和液體介質滲入內部，腐蝕鋼筋。混凝土工程拌制過程中應提高混凝土拌合物的和易性，并減少用水量；大體積混凝土的澆筑振搗應控制混凝土的溫度裂縫、收縮裂縫、施工裂縫；混凝土澆筑后，應進行充分合理的振搗，提高混凝土密實度和抗滲性，加強養護，減少混凝土裂縫。結構在使用階段還應注意檢測、維護和修理，對處于露天和惡劣環境下的基礎設施工程更應如此。提高混凝土耐久性需要從原材料選擇、配合比設計和結構設計、施工和后期維護等環節加以重視。

　　目前全世界都已經把高性能混凝土的研究重點集中到混凝土服役壽命的設計方面。國際結構混凝土聯合會在2006年6月提出了全概率方法的壽命設計流程圖，法國土木工程師學會在2007年提出了混凝土結構服役壽命設計指南，歐盟也正在研究提出一個過渡的基于性能的耐久性設計方法。我國的GB/T50476-2008《混凝土結構耐久性設計規范》也是吸納了最新的國內高性能混凝土耐久性研究最新成果，根據混凝土的環境條件進行分級，規定混凝土的最大水膠比和最小水泥用量等參數來進行耐久性設計。混凝土服役壽命的設計研究建立的耐久性模型尚有許多不確定因素，有些模型參數還不能量化，確定這些參數的難度較大，另外還缺少重復性好的測試方法，對有些破壞類型還缺少可靠的模型，如干濕循環和硫酸鹽腐蝕等。

　　我國高性能混凝土研發取得的突出成果

　　從1996年開始，國家計委、國家科技部連續設立科技攻關項目和國家科技支撐項目，大力支持對高性能混凝土的創新研究。包括中國建筑材料科學研究總院在內的國內幾十所科研單位、高等院校的一大批專家完成多個高性能混凝土的研究項目，高性能混凝土的研究得到推廣和普及，并在多個重點工程中進行實踐。

　　關注混凝土早期收縮開裂的控制

　　高性能混凝土配制時通常都使用較高的膠凝材料總量，并且摻有大量磨細礦物摻合料，這些措施引起了較大的混凝土自收縮，表現為混凝土的開裂趨勢增加。近年來，高性能混凝土研究的重點之一就是早期收縮的機理、測量方法和設備、影響因素和改善措施，取得了突出進展。大連理工大學和中國建筑材料科學研究總院共同完成的國家自然科學基金重點項目“混凝土結構裂縫的形成與發展機理及控制技術研究”是近年來針對混凝土早期收縮開裂問題開展系統研究的項目之一，該項目從材料和結構兩個不同角度深入研究了影響混凝土早期收縮開裂的因素。研究工作有重要的學術意義和普遍的工程應用價值。

　　開展多因素協同作用條件下水泥基材料失效機理的研究

　　在應用基礎理論研究方面，東南大學、中國建筑材料科學研究總院等單位都開展了多因素協同作用條件下水泥基材料失效機理的研究，針對侵蝕性離子在混凝土中的傳輸機理和機制等進行了深入的研究和探討。中國建筑材料科學研究總院借助國家973項目的支持，結合工程實際研究揭示了高性能水泥基材料在化學介質腐蝕、凍融循環、荷載等環境因素及其在二因素、三因素和四因素協同作用下的損傷失效行為規律，提出了混凝土中氯離子固化模型和鋼筋混凝土在多因素協同作用下的壽命預測模型，揭示了水泥熟料與輔助性膠凝材料的合理匹配是實現混凝土高性能化的關鍵，開發的多因素耦合作用下的混凝土性能測試裝置獲得國家專利。

　　中等強度等級高性能混凝土的研究和應用

　　在“十五”科技攻關中，中國建筑材料科學研究總院對C30~C50中等強度混凝土高性能化的關鍵技術進行了系統研究，提出了“壽命優先，強度適宜”混凝土配合比設計思路，更科學定義了高性能混凝土應具有良好的工作性、高的耐久性和工程所需要的強度。通過優化膠凝材料顆粒級配，實現混凝土結構缺陷最小化，達到強度和耐久性的合理匹配。該技術擴大了高性能混凝土的使用范圍，在我國具有重要的技術經濟和社會效益，也在理論和實踐上豐富了吳中偉院士上世紀90年代末，提出的“中等強度等級高性能混凝土”的概念。

　　高性能混凝土用化學外加劑快速發展

　　混凝土化學外加劑是配制高性能混凝土必不可少的原材料。我國自上個世紀50年代開始研制和少量使用混凝土化學外加劑。近10年來，在高性能混凝土快速發展的帶動下，合成減水劑也完成了升級換代，其中發展最突出的是聚羧酸系高性能減水劑，它具有較高的減水率、良好的坍落度保持性能和一定的引氣性，生產工藝比萘系簡單，2007年的產量達到41.43萬噸。國內科研單位開發了多種具有創新性和實用性的外加劑產品。中國建筑材料科學研究總院開發了高速鐵路無砟軌道板專用早強型聚羧酸系高性能減水劑和早強礦物摻合料；研發了煤礦建設凍結法施工專用的早強減水劑和防裂密實劑，支持了我國重點工程高性能混凝土的施工。這些外加劑對控制混凝土體積變形、促進早期強度發展、減少動態坍落度損失方面有特殊功能，成果在多家企業生產應用，獲得了很高的經濟效益。

　　高性能混凝土技術在大量工程中應用

　　在完成國家科技項目的基礎上，形成了一系列高性能混凝土實用新技術成果。目前，科研院所都密切關注國家重大工程的需求，大力推廣科研成果，為我國重點工程提供高技術和優質產品，推動了我國混凝土設計由強度設計走向耐久性設計。高性能混凝土技術已推廣應用到三峽工程、青藏鐵路、南水北調、田灣核電站、首都機場新航站樓、煤礦建井等多個國家重點工程中，并取得了顯著成績。

　　混凝土是當今世界使用量最大、使用面最廣的建筑材料之一，提高混凝土工程的安全性和耐久性，成為當前世界各國研究的熱點。隨著人們逐漸重視工程質量、強調安全和環境保護，高性能混凝土真正進入推廣應用時期。對業主或用戶來說，混凝土的耐久性好，安全使用期長，可減少維修費；對社會來說，高性能混凝土降低能耗、料耗，利用工業廢渣、減少噪聲污染，對環境有利；對施工者來說，高性能混凝土操作方便，改善勞動條件，加快進度，減少模板和勞力；對于設計者來說，高性能混凝土減小斷面，減輕自身重量，增加使用空間。讓混凝土表現出良好的工作性、很高的耐久性和符合工程要求的強度，使之成為滿足重大工程需求的高性能混凝土，是建材科技工作者的責任，也是國家建設千年大計的保障。