前言
自從1994年清華大學(xué)向國內(nèi)介紹和發(fā)起應(yīng)用高性能混凝土以來，高性能混凝土得到較多的應(yīng)用，對混凝土耐久性的重視有所加強了，粉煤灰、礦渣等礦物摻和料的使用增多了，預(yù)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，近年來在國內(nèi)外卻發(fā)生較多“高性能混凝土”結(jié)構(gòu)開裂，特別是早期開裂的問題。而混凝土的裂縫正是在實用階段環(huán)境侵蝕性介質(zhì)侵入的通道。盡管在工程進行過程中，這些裂縫得到了修補，仍然可成為混凝土提早劣化的隱患。于是不免產(chǎn)生一個問題：開裂了的混凝土還能是高性能的嗎？反過來，我們又產(chǎn)生一個問題：當(dāng)初提出“高性能混凝土”的概念，是強調(diào)混凝土的耐久性，那么，什么混凝土不需要耐久呢？究竟應(yīng)如何理解高性能混凝土？
實際上，近年來混凝土的開裂成為國內(nèi)外的熱門課題，并不是“高性能混凝土”所獨有的，只是“高性能混凝土”也沒有逃脫當(dāng)前較普遍存在的混凝土結(jié)構(gòu)開裂的命運罷了。也就是說，某些“高性能混凝土”的開裂帶有普遍意義上的原因。
對高性能混凝土的定義，或含義，至今沒有統(tǒng)一的理解。就我國的情況來看，十年來由于對高性能混凝土的理解存在若干誤區(qū)，造成“高性能混凝土”使用上的盲目和混亂。大多數(shù)對“高性能混凝土”的理解是“高強”、“高流動性”、“摻用礦物摻和料”，而用現(xiàn)行規(guī)范在實驗室制作的小試件、以簡化的條件和強制的過程進行的“耐久性”試驗結(jié)果，又同該混凝土在實際結(jié)構(gòu)中的表現(xiàn)不一致。存在這種現(xiàn)象并不是使用者的責(zé)任，其中包括我們在內(nèi)的許多科技工作者本身的認識也是在不斷發(fā)展的，對已有認識的不斷深化和修正是正常的、必需的。本文的目的是和大家共同探討幾個問題，以使我們的主觀世界更加符合客觀實際，不斷促進科技進步。
誤區(qū)之一：高性能混凝土必須高強度
高強混凝土技術(shù)的發(fā)展對建設(shè)事業(yè)起著重大作用，使得過去只能用鋼結(jié)構(gòu)建造的高層、大跨和惡劣環(huán)境中的結(jié)構(gòu)物可以使用鋼筋混凝土，不僅節(jié)省了能源的消耗（承受1000t死荷載、高1m的柱子用混凝土與用鋼相比，所消耗的能源可減少約57% [1]），而且相對于大氣對鋼的銹蝕來說，混凝土更耐久。因此，100年來，尤其是近50年，混凝土的強度不斷提高，是科學(xué)技術(shù)不斷進步的體現(xiàn)，并促進了建設(shè)事業(yè)的發(fā)展。然而，世界上不存在完美無缺的事物，有一利必有一弊，有所得必有一失；任何技術(shù)都有其適用的范圍。目前大多數(shù)人仍把高性能和高強聯(lián)系在一起。甚至有人盲目追求混凝土的高強、“超高強”以至“特超高強”，并以此為“水平”的標(biāo)準(zhǔn)。西方國家報道的許多開裂的“高性能混凝土”，其實都是高強度的混凝土。
由于混凝土是一種非均質(zhì)的“混相”體，其內(nèi)部各相之間的作用力主要是范德華力，抗拉強度遠低于抗壓強度。如圖1[2]所示，當(dāng)混凝土抗壓強度為10MPa時，抗拉強度和抗壓強度的比值(以下簡稱拉壓比)約為1∕10；抗壓強度為30MPa時，拉壓比約為1∕12；抗壓強度為60MPa時，拉壓比約為1∕14；抗壓強度為90MPa時，拉壓比則約只有1∕18。這樣，就使得混凝土的強度越高，其脆性越大，斷裂韌性越小（見圖2），抵抗突發(fā)荷載（如地震、爆炸)和疲勞（如高聳結(jié)構(gòu)承受的風(fēng)荷載,道路承受的動力荷載）的能力越差。 
由圖2可見，隨著混凝土強度的提高，破壞以前出現(xiàn)的塑性變形越不明顯；越會出現(xiàn)爆發(fā)性破壞。圖3[3]中梁的延性比隨混凝土強度的提高而下降速率提高，從26MPa提高到63MPa時，盡管箍筋率增加了約60%，梁的延性比卻下降了約80%。
此外，高強混凝土一般使用強度等級高的水泥，同時，為了滿足施工性的要求，水灰比很低的高強混凝土必須有較大的水泥用量，尤其是不摻用或摻量小的礦物摻和料時，會使混凝土中水化溫升很高，控制不好時會產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，再加上低水灰比造成的較大自收縮應(yīng)力，增加了混凝土的易裂性。
有鑒于高強混凝土的優(yōu)點和缺點，在土木工程學(xué)會高強與高性能混凝土委員會制定的《高強混凝土設(shè)計與施工指南》中關(guān)于高強混凝土的設(shè)計，最高考慮到C80，并建議使用鋼管混凝土來提高構(gòu)件延性比。問題是，由于人們以強度作為衡量混凝土水平和質(zhì)量的定勢，往往從設(shè)計到混凝土生產(chǎn)，再到施工，對混凝土的強度層層加碼，并非工程實際要求那么高的強度。大多數(shù)工程所要求的是C30、C40這樣中等強度等級的混凝土。正如吳中偉所論述：“如果強調(diào)高性能混凝土必須在C50以上，則必然大大限制高性能混凝土的應(yīng)用范圍。大量使用的鋼筋混凝土建筑物如低層和多層房屋以及高層房屋的上層構(gòu)件，又如海工、水工，尤其是在不利環(huán)境中的結(jié)構(gòu)物大體積混凝土等，對強度要求并不高，……但對耐久性要求卻很高，……高性能混凝土不只是高強度的，而是包括各強度等級的……。”[4]
誤區(qū)之二：高流動性就是高性能
混凝土拌和物的流動性從10年前普遍的70～90mm發(fā)展到現(xiàn)在大量預(yù)拌混凝土的180～200mm，甚至已經(jīng)有自密實的混凝土的澆筑，這也是混凝土技術(shù)的一種進步：減輕了震搗的勞動量，推動了預(yù)拌混凝土的發(fā)展，泵送高度已可達300m，并大大減少了“蜂窩”、“狗洞”等質(zhì)量事故，提高了混凝土的勻質(zhì)性。目前很多人以高流動性為“高性能混凝土”的特征。影響混凝土流動性的因素是用水量和高效減水劑，而影響相同流動性混凝土用水量的主要因素是骨料的質(zhì)量。我國目前骨料質(zhì)量非常差，如北京和深圳，自然狀態(tài)砂石的空隙率接近50%，則混凝土就要有較多的含漿量才能滿足流動性的要求。目前北京預(yù)拌混凝土的用水量許多都在175～180 kg∕m3。較大的用灰量和用水量組成了較大的漿骨比是混凝土收縮增加的又一個因素。如果能將混凝土用水量降低到150 kg∕m3以下，則抗裂性就會得到較大改善。國內(nèi)外的實踐表明，摻入大量的粉煤灰后，因其存在大量玻璃微珠而能減小混凝土的需水量，同時可增加拌和物內(nèi)部粘聚性而大大改善混凝土泌水、離析的性能，而卻可減小拌和物與泵管之間的粘附力而增加可泵性。P K Mehta在美國加州大學(xué)伯克利分校一項加固工程中，密配筋的基礎(chǔ)和剪力墻的C30和35 (約相當(dāng)于我國混凝土的C40)混凝土摻粉煤灰50%和60%，在施工中實測拌和物的坍落度為125mm時，與坍落度為180mm的普通混凝土的泵送性能相當(dāng)，不離析或泌水[5]。實際澆筑時坍落度僅為100mm。深圳港創(chuàng)公司生產(chǎn)的混凝土證明，摻入粉煤灰后，拌和物坍落度為100mm的拌和物泵送性能良好，而且這樣的混凝土澆筑的構(gòu)件均有很好的抗裂性。
因此，不能把流動性作為混凝土拌和物“高性能”的指標(biāo)，而應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同工程特點，注重拌和物的施工性能。坍落度的大小要服從于混凝土的勻質(zhì)性和體積穩(wěn)定性。
誤區(qū)之三：限制摻入粉煤灰
從排斥粉煤灰到如今“Ⅰ級”粉煤灰供不應(yīng)求，是我國混凝土技術(shù)的又一進步。許多人認為摻粉煤灰的混凝土就是“高性能混凝土”。但是大部分的摻量不超過20%，有的規(guī)范還規(guī)定摻量不大于15%。這種現(xiàn)狀實際上仍然是20年前對摻摻和料水泥的指導(dǎo)思想的延續(xù)。基于對礦物摻和料的認識不足和對水泥混凝土科學(xué)技術(shù)的分解論，建筑材料的教科書至今仍以“調(diào)節(jié)水泥標(biāo)號”作為礦物摻和料的一項作用：6～15%的礦物摻和料等量取代硅酸鹽水泥，則水泥標(biāo)號降一等。也就是說，認為摻入礦渣或粉煤灰必然影響強度。實踐證明，以簡單取代的方法在使用硅酸鹽水泥的混凝土中摻粉煤灰，在摻量不大于20%時，不僅對強度影響不大，對其他性能影響也不大，和普通硅酸鹽水泥差別不大。那么摻粉煤灰的意義何在呢？摻量不能增加，如何發(fā)揮粉煤灰的潛在優(yōu)勢?
盡管許多人接受粉煤灰對混凝土耐久性的作用、降低混凝土溫升、減小收縮和抗裂的作用等觀點，但潛意識里仍然是懷疑的。這也是不無根據(jù)的，但這種根據(jù)恰是從分解論的研究方法中得出的?，F(xiàn)在討論三個問題。
其一，關(guān)于強度。粉煤灰對混凝土的貢獻對水膠比特別敏感。如圖4[6]所示的粉煤灰摻量為40%的碾壓混凝土中，粉煤灰和水泥分別對混凝土強度的貢獻與水膠比和齡期的關(guān)系。在7天，當(dāng)水膠比.約為0.7（體積比約為1.7）以上時，水泥的貢獻大于粉煤灰的貢獻（粉煤灰的貢獻為0）；28天粉煤灰的貢獻雖然增加了，但當(dāng)水膠比約為0.7（體積比約2.2）時，粉煤灰的貢獻還是為0；而后期，則粉煤灰的貢獻超過了水泥的貢獻。重要的是，可見到無論哪個齡期，粉煤灰的貢獻隨水膠比的降低而增長的速率比水泥的快，也就是說粉煤灰對水膠比更加敏感。如果在較高水膠比下以粉煤灰等量取代水泥，所得到的強度，尤其早期強度當(dāng)然會下降很多。
英國Dunstan在Abrames1912年建立的強度-水灰比兩維關(guān)系圖上加了一根粉煤灰摻量的軸，成為強度-水膠比-粉煤灰摻量的三維關(guān)系圖(圖5）[6]，一定強度水平上的混凝土水膠比必須隨粉煤灰摻量而改變（如圖中的陰影區(qū)即水膠比-粉煤灰的等強度面）。因此，摻40% 粉煤灰和10%礦渣粉的混凝土抗壓強度28天的平均可達到52.7 MPa，3個月超過60 MPa[7]。所以從耐久性出發(fā)，粉煤灰摻量直到60%對強度都不會有影響。主要是使用方法的問題。同時，粉煤灰的摻量越大，對潮濕養(yǎng)護越敏感（見圖6）[8]。另外，粉煤灰對溫度也很敏感。跟蹤實際構(gòu)件中的溫度進行養(yǎng)護實驗的結(jié)果表明，實際構(gòu)件中的較高溫度對粉煤灰較有利而對硅酸鹽水泥較不利，實驗室標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護的試件強度,摻粉煤灰的低于構(gòu)件中實際強度,而不摻粉煤灰的則相反。因此用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)制作的試件強度不反映現(xiàn)場實際構(gòu)件混凝土的強度[9]。
其二，關(guān)于收縮和開裂
懷疑摻粉煤灰后混凝土的收縮和開裂性，所以不敢多摻。多數(shù)把摻量控制在20%左右，摻用的目的主要仍是經(jīng)濟效益。哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士研究生劉旭晨作了一項有意義的試驗，他分別摻30%和60%粉煤灰與純水泥配制同強度等級的混凝土各制作三塊3m×1.5 m×0.2 m的板, 各用三種不同養(yǎng)護制度進行養(yǎng)護：①澆筑1小時后覆蓋薄膜,②澆筑8 h后覆蓋薄膜,③始終不覆蓋。觀察混凝土板面開裂情況。其結(jié)果是，1小時后覆蓋的都沒有裂；8小時覆蓋摻60%粉煤灰的沒有裂,其余的都裂；始終未覆蓋的在16小時后全都開裂，而且摻60%粉煤灰的最大裂縫長度和寬度最大，但是卻還沒有凝固；裂縫寬度大于0.5mm裂縫的數(shù)量，無摻和料的占約37%，摻30%粉煤灰的約占55%,60%粉煤灰的約占64%。這些差別的原因應(yīng)當(dāng)是三種混凝土對水的敏感性的差別造成的?；炷恋拿軐嵍热Q于水膠比，密實度低的混凝土C在塑性階段，裸露的表面水分蒸發(fā)后，內(nèi)部的水分能及時向表面泌出作為補充，因此不易出現(xiàn)塑性收縮裂縫；很密實的混凝土內(nèi)部的水不易泌出，當(dāng)表面水分蒸發(fā)后，無水分補充的來源，就會產(chǎn)生塑性裂縫。水膠比越低，混凝土的密實度越大。這就是當(dāng)成型后不覆蓋的混凝土C在還沒有凝結(jié)時就出現(xiàn)裂縫的原因。但粉煤灰在28天以前基本上不參與水化反應(yīng)，摻入不同量的粉煤灰后，混凝土中的水灰比（水和水泥的比值）實際上不同程度地增大了。為了進行分析,分別計算三種混凝土中的水膠比和水灰比，見表1。
由表1可見，摻粉煤灰后盡管水膠比減小了，而水灰比則加大了，混凝土C中因其水灰比很大（0.85），在8小時覆蓋之前，仍有大量的水供其消耗，因此成型后8小時再覆蓋也可不開裂。而混凝土B的水灰比相對較低，水泥水化較快的混凝土也容易失水，所以8小時后再覆蓋已為時過晚?，F(xiàn)行規(guī)范中對混凝土收縮的測試是成型一天（注意：并無覆蓋）后拆模測初長，這對于需要加強保濕養(yǎng)護的粉煤灰來說是不公平的。凡是在工程中摻用了粉煤灰而開裂的混凝土都和養(yǎng)護有關(guān)。
其三，關(guān)于抗凍性。用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的方法檢測摻粉煤灰混凝土的抗凍性或抗路面鹽凍剝落性變差。M. D. A.THOMAS“對20多個現(xiàn)場（主要是公路工程結(jié)構(gòu)物）進行了調(diào)查，這些工程的粉煤灰混凝土一直是暴露在使用化冰鹽的凍融環(huán)境之中。有些工程已經(jīng)經(jīng)歷了20多個冬天，但調(diào)查混凝土都沒有出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，使用性能非常好，而有些從現(xiàn)場取得的一些粉煤灰混凝土樣品進行實驗室試驗的結(jié)果卻不好，這說明用現(xiàn)行對普通水泥混凝土進行的抗剝落性能試驗方法不適合用于評價粉煤灰混凝土?！@然粉煤灰混凝土的快速試驗和現(xiàn)場條件下的表現(xiàn)缺乏一致性。大量現(xiàn)場的粉煤灰混凝土在嚴(yán)酷條件下正繼續(xù)提供著良好的服務(wù)，而同一混凝土樣品在實驗室里試驗中卻表現(xiàn)不好?！盵10]
抗凍性也如此。粉煤灰對試件制備和養(yǎng)護條件更為敏感。制作試件條件沒有考慮摻粉煤灰前后混凝土中水化動力學(xué)的變化，因而相同齡期摻和不摻粉煤灰的試件的微結(jié)構(gòu)不同。摻粉煤灰的混凝土盡管水膠比低了，而水灰比卻增大了，在28天以前（一般在28天以前粉煤灰基本上不參與反應(yīng)）的密實度相對較低，只有經(jīng)過較長齡期，才能形成更加密實的微結(jié)構(gòu)；實驗證明，摻粉煤灰的混凝土的微結(jié)構(gòu)適合于在較高溫度下發(fā)展，20℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護溫度對摻粉煤灰的試件比對不摻粉煤灰的試件不利；另外，摻粉煤灰的混凝土凝結(jié)慢，泌水不明顯，如果抹面結(jié)束后泌水還在繼續(xù)，會對抗剝落性能帶來很不利的影響[10]。因此目前需要建立針對摻用礦物摻和料的混凝土的、更接近現(xiàn)場條件的實驗方法作為工程合格的評定。方法和標(biāo)準(zhǔn)很重要，具體問題要具體分析和對待。
怎樣理解高性能混凝土
自從20世紀(jì)80年代末美國和日本相繼提出高性能混凝土的概念以來，對高性能混凝土仍無被各國普遍接受的確切定義，各個國家不同人群有不同的理解[4,12]。大多數(shù)承認單純高強不一定耐久，而提出“高性能”則希望能既高強又耐久。1990年由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）和混凝土協(xié)會（ACI）主辦了第一屆高性能混凝土的討論會，定義高性能混凝土為：“靠傳統(tǒng)的組份和普通的拌和、澆筑、養(yǎng)護的方法不可能制備出的具有所要求的各種性質(zhì)和勻質(zhì)性的混凝土。作為實例，這些性質(zhì)可以包括：易于澆筑和振搗而不離析、增強的長期力學(xué)性質(zhì)、高的早期強度、高韌度、體積穩(wěn)定性和在嚴(yán)酷環(huán)境中的長壽命”[11]。1999年2月的“concrete international” 發(fā)表布了由美國ACI的技術(shù)活動委員會（TAC, Technical activities Committee）提出的作為ACI對高性能混凝土的定義：“高性能混凝土是符合特殊性能組合和勻質(zhì)性要求的混凝土，采用傳統(tǒng)的原材料和一般的拌和、澆筑與養(yǎng)護方法，未必總能生產(chǎn)出這種混凝土?！痹诖硕x下面的注釋為：“高能混凝土是某種特性適合于特殊工程應(yīng)用和環(huán)境的一種混凝土。對于一定的工程應(yīng)用可考慮的特性實例為：易于澆筑，振搗不離析，早強，長期力學(xué)性能，抗?jié)B性、密實性，水化溫升，韌性，體積穩(wěn)定性，嚴(yán)酷環(huán)境下的較長壽命”。并指出，由于高性能混凝土許多特性是相關(guān)的，改變其中之一，通常造成其他一個或多個特性的改變；因此，對預(yù)定的工程，配制混凝土中必須要考慮的一些特性，必須在合同中逐條明確規(guī)定[12]。1999年ACI的定義是1990年討論會定義的發(fā)展，強調(diào)混凝土的工程針對性以及勻質(zhì)性。定義中沒有提到如何達到高性能混凝土，因為有許多途徑達到定義中的最終目的[12]。
經(jīng)過反思，結(jié)合ACI的定義，由本文上述分析，應(yīng)當(dāng)理解為，高性能混凝土不是一個混凝土的品種而是強調(diào)混凝土的“性能”（performance）或者質(zhì)量、狀態(tài)、水平?；蛘哒f是一種質(zhì)量目標(biāo)。對不同的工程，高性能混凝土有不同的強調(diào)重點（即“特殊性能組合”）。吳中偉說：“高性能”顯然是針對過去不高或“中”、“低”的性能提出的。在不同時期，“高”和“低”的分界線是大不相同的。隨著科技的飛速進步與要求的不斷提高，今日的“高”必然會被新的“高”所代替而成為來日的“低”。用“高”、“低”來命名科技產(chǎn)品，尤其是命名象混凝土這樣的大宗材料，是不科學(xué)的與難以持久的?，F(xiàn)在“約定俗成”，待使用一段時期后，希望找到一個更科學(xué)、更合理的新名詞[5]。這段話就是這個意思。如果還用“高性能”的名詞的話，則應(yīng)當(dāng)認識，高性能混凝土是整個工程全部環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)、配合共同得到的耐久的可持續(xù)發(fā)展的混凝土，不是只要有配合比就能生產(chǎn)的，而是由包括原材料控制、拌和物生產(chǎn)制備與整個施工過程來實現(xiàn)的。由于要求混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，混凝土首先就必須是體積穩(wěn)定的、勻質(zhì)的；開裂了的當(dāng)然就不能稱之為“高性能”?？沙掷m(xù)發(fā)展的含義則是最大限度地節(jié)省能源、資源、保護環(huán)境，并且，耐久性本身也包含可持續(xù)發(fā)展的意義——減少修補和拆除的建筑垃圾和重建的能源、資源消耗?？梢詳喽?，除了個別臨時性結(jié)構(gòu)，所有混凝土結(jié)構(gòu)都應(yīng)當(dāng)符合這樣的質(zhì)量目標(biāo)。因此，為了避免誤導(dǎo)，針對各個不同工程特點和需要，對混凝土提出滿足具體要求的性能和耐久性的設(shè)計，是否比籠統(tǒng)強調(diào)“高性能混凝土”的名詞要更科學(xué)一些，更能促進我國混凝土技術(shù)廣泛的進步？
參考文獻
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