混凝土的耐久性和可持续发展问题述评

　　摘要：从提高混凝土耐久性和混凝土技术可持续发展方面概述现代混凝土技术的发展趋势和发展方向。混凝十技术发展的根本方向是坚持可持续发展战略，在与地球资源环境和谐共生的发展基础上，最大限度地改善混凝土的耐久性，提高其使用寿命。

　　关键词：混凝土；耐久性：可持续发展

　　混凝土技术发展的一个终极目标是最大限度地延长其使用寿命，也即耐用性(Serviceability)问题。这就对混凝土的长期性能特别是耐久性提出了更高的要求。另外一个很重要的问题是混凝土技术的可持续发展，其目标就是要使混凝土技术的发展与资源、环境等实现良性循环，尽量减少造成修补或拆除的浪费和建筑垃圾，大量利用优质的工业废弃物和矿石，尽量减少自然资源和能源的消耗，减少对环境的污染[1]。

　　1  混凝土的耐久性

　　混凝土的耐久性可定义为“在使用过程中经受气候变化、化学侵蚀、磨蚀等各种破坏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寿命要求在50年以上，很多国家对桥梁、水电站大坝、海底隧道、海上采油平台、核反应堆等重要结构的混凝土耐久性要求在100年以上。气候条件适中的陆上建筑物，应要求混凝土在200年内安全使用。我国GB50010--2002《混凝土结构设计规范》规定，混凝土的耐久性设计应按照环境类别和设计使用年限进行，分为50年和100年2个耐久性预期目标，对于重大、重要工程应按照100年寿命来设计混凝土。近几年来，我国已有不少工程的混凝土设计寿命达到100年，这些工程大都结合环境条件和特点，采取专门有效的措施，以充分保证混凝土工程的耐久性设计要求。比较著名的百年工程有三峡大坝、东海大桥、南京地铁1号线、崇明越江通道北港桥梁、重庆朝天门大桥空心桥墩、杭州湾大桥等[4]。

　　但是近几十年以来，混凝土构筑物因材质劣化造成失效以至破坏崩塌的事故在国内外也是屡见不鲜，并有愈演愈烈之势。

　　国际上混凝土的大量使用始于20世纪30年代，到五六十年代达到高峰[1]。许多发达国家每年用于建筑维修的费用都超过新建的费用。

　　过去，除了大型水利工程外，我国混凝土工程的耐久性问题长期不受重视，混凝土结构没有达到预期的使用寿命，受环境作用过早破坏的实例很多，由此造成的经济损失也很大。由于许多工程设计只满足荷载要求，而没有提出耐久性的要求，使已建成的混凝土构筑物存在耐久性隐患。我国在50年代兴建的水电站大坝有很多已经成为“病坝”，我国的混凝土工程量在改革开放30多年来突飞猛进，可以预见，耐久性不佳的混凝土工程的劣化问题将会日趋严重。因此，混凝土耐久性问题越来越受到人们的重视。

　　1.1  混凝土的耐久性破坏

　　混凝土耐久性涉及到混凝土性能的方方面面，是影响混凝土使用寿命的首要因素。造成混凝土耐久性不佳的原因多种多样，主要可分为：(1)物理破坏：由温度变化引起的收缩膨胀裂缝(这是由于混凝土内骨料和硬化水泥浆体不同的温度膨胀系数而引起)，如冻融循环、除冰盐分对混凝土的剥蚀等：(2)化学破坏：由混凝土内部材料引起的碱骨料反应以及外部侵蚀性离子(Gl-)引起的诸如钢筋锈蚀、硫酸盐侵蚀(SO42-)以及碳化(CO2)等；(3)机械破坏：冲击、磨损、流动淡水溶蚀作用、流动气体的磨蚀、冲蚀等(如道路、水利混凝土)。如何有效地预防和抵抗这些破坏因素的破坏力，是解决混凝土耐久性问题的关键。

　　1.2  混凝土耐久性破坏常见原因

　　我国已故混凝土权威吴中伟院士早在1991年就指出[1]，近年来混凝土耐久性破坏愈趋严重的原因很多，常见的和较重要的主要有：

　　(1)原材料因素：如水泥因为强度提高、细度增大、硬化速度加快等因素，加剧了混凝土结构的开裂问题；优质合格的骨料资源日趋枯竭，只有采用质次或有问题的集料(如海砂、风化砂石、碱活性骨料等)，对集料的质量也缺乏必要的重视；

　　(2)施工原因：过于追求施工进度，对混凝土工程的施工质量控制不严，也不注意对混凝土结构进行必要的养护；

　　(3)应用原因：现代混凝土的应用范围不断扩大，使大量混凝土工程所处的环境与使用条件日益严酷，但未认真采取相应的对策以提高其在严酷环境下的使用寿命；

　　(4)设计研究原因：对混凝土工程耐久性的研究试验工作大部分局限在试验室阶段，与实际使用环境脱节，更重要的是混凝土工程在设计过程中常常只考虑单一的破坏因素，忽视对实际中常发生的2个以上破坏因素引起的综合破坏作用，即对混凝土耐久性综合症缺少认识。

　　1.3  混凝土耐久性研究存在的问题

　　混凝土耐久性问题自20世纪50年代提出，受到世界各国的广泛重视，几十年来各国混凝土行业工作者进行了大量的基础试验研究工作，获得了一定的成果，有些成果对一些常见的耐久性问题的解决起到了显著作用：如引气剂对提高混凝土抗冻性的作用；限制水泥和混凝土中的碱含量对碱—集料反应的预防；活性矿物掺合料对提高抗渗性和对盐类侵蚀作用的抵抗以及对减轻碳化作用、保护钢筋以免锈蚀、抑制混凝土中的碱—集料反应以及防止淡水溶析作用和表面破坏等均提出了有效的措施。为了得到耐久性良好的混凝土，按耐久性设计混凝土和预测混凝土的使用寿命成为耐久性研究的主要内容和最终目标。但是我们也应该看到，由于研究内容的片面性和理论深入不够以及研究方法存在的局限性和缺陷性[5]，使得大量基础的耐久性研究成果对解决实际混凝土工程耐久性问题的成效不大，也使当前的混凝土耐久性问题呈现越来越严重的趋势。主要表现在：(1)针对单一破坏的因素研究较多，而忽略了常常在建筑物中出现的多因素共同作用的研究；(2)很多试验是在实验室加速试验条件下得到的，与混凝土实际使用环境相差甚远，使试验结果无法进行比对。典型的如骨料碱活性反应快速检测法(ASTMCl260，南非快速砂浆棒法等)，该方法是将试件浸泡在80℃1N的NaOH溶液中进行测试，试验条件十分严酷，与混凝土实际环境条件相差甚远；(3)材料因素研究得多，结构因素研究得少，基础理论的研究更少，缺乏定量研究，更缺少区分不同体系、不同结构的材料在耐久性能上差别的对比。

　　1.4  常见的耐久性综合症

　　实际混凝土工程中的耐久性问题相对比较复杂，常常不是单一出现的，而是多种因素共同作用的结果，因此，有必要充分了解混凝土中的耐久性综合作用因素。混凝土工程中出现的常见耐久性综合症如下：

　　(1)碳化与钢筋锈蚀：

　　(2)冻融循环(包括海水冻融)与钢筋锈蚀；

　　(3)盐类腐蚀与钢筋锈蚀；

　　(4)盐类腐蚀与冻融循环、机械力破坏；

　　(5)盐类腐蚀中SO42-、Mg2+、Cl-作用的综合叠加效应引起混凝土的快速破坏；

　　(6)缓慢延续的碱—集料反应与其它破坏作用的综合和叠加。

　　研究防治混凝土耐久性综合症，必须弄清楚破坏作用的主次和先后，并对几种因素的共同作用，尤其是叠加效应加以研究。叠加效应相对比较复杂，有时还会出现负叠加，即互相抵消的特殊现象。

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　　混凝土中以碱—集料反应为主因及导因的耐久性综合症现象十分普遍，具体表现在：

　　(1)碱—集料反应十钢筋锈蚀：前者是导因，碱—集料反应引起开裂导致钢筋锈蚀，造成严重破坏；

　　(2)碱—集料反应+冻融循环：我国北方有几处机场跑道因碱—集料反应而开裂，加速了冻融破坏；

　　(3)碱—集料反应+海水腐蚀：如日本冲绳岛海港的混凝土结构破坏：

　　(4)碱—集料反应+机械力(包括冲击、磨损、疲劳等)破坏：如日本阪神高速公路梁、柱、桥面等；

　　(5)碱—集料反应+除冰盐+钢筋锈蚀：如北京、天津等地的立交桥破坏等。

　　因此，在对混凝土按耐久性进行设计和寿命预测方面，应综合考虑各种不同的破坏因素，并根据经验、同类材料的性能、快速试验结果以及混凝土工程暴露的环境条件等，对所设计的混凝土工程的耐久性进行预测。

　　1.5  提高混凝土耐久性的途径

　　混凝土的耐久性是一个十分复杂的综合性问题，不仅与所使用的材料本身有关，还与混凝土结构所处的环境条件(包括温湿度、结构物周围的水和土壤中的侵蚀性离子、空气中的侵蚀性成分等)紧密相连，因此要系统提高混凝土的耐久性，必须先将环境条件调查清楚，再结合混凝土所采用的材料进行耐久性设计。

　　(1)修订现行的设计及施工规范，将对工程结构的耐久性要求纳入相应的标准及规程中。这方面的工作最近几年已经开展，已将一般混凝土结构的50年和100年的耐久性要求列入了相应的建筑设计及验收规范中，如GB／T50362--2005《住宅性能评定技术标准》、GB 50010—2002《混凝土结构设计规范》以及GB50003—2001《砌体结构设计规渤等。

　　(2)从设计阶段入手，混凝土工程结构除了按强度设计，保证受力安全外，还必须根据结构物使用环境按耐久性设计，以保证工程的使用寿命。这是混凝土耐久性研究的发展趋势，已经成为当前最活跃的混凝土技术研究方向之一。

　　日本是最早对混凝土耐久性设计和预测进行研究的国家，已有系统的设计纲目和预测参数。根据日本专家调查得出的各类混凝土的实际使用寿命为田：一般混凝土制品20年、桥梁工程寿命50年、混凝土坝寿命100年，并以此制定了钢筋混凝土建筑物的设计寿命。系统的耐久性设计纲目基本内容包括：(1)按照建筑物的劣化状态将耐久性设计目标分为100、65、30年3个等级；(2)劣化外力分为一般劣化外力和特殊劣化外力；(3)相应的设计施工标准方法。

　　英国在20世纪80年代修订的混凝土结构规范中增加了大量的耐久性条款，根据暴露环境条件的严酷程度对最小保护层厚度、混凝土强度、抗冻性、最大水灰比、水泥品种、最小水泥用量、最大胶结材料用量(水泥+矿物掺合料)、引气量、集料要求等等都作了具体规定，对按照耐久性要求设计混凝土结构工程起到了很好的指导作用。

　　我国的黄士元、刘崇熙等专家于20世纪90年代初就提出了“按耐久性设计混凝土”的思想，经过10多年的发展，越来越为建筑工程界和材料界所认识。但是总的说来，我国在按耐久性设计混凝土方面还有大量的工作和实际问题需要不断研究和解决。

　　(3)在政府的领导下，建立地方混凝土耐久性专家组，系统研究对本地区混凝土耐久性有重大影响的各种因素，并提出指导性意见，混凝土耐久性研究涉及因素繁多，既包括材料科学的基础研究，也涉及恶劣环境对混凝土的侵蚀作用，而且我国幅员辽阔，各地原材料性能差异很大，制定全国统一的指导性文件，各地在实施过程中难免会遇到种种困难。因此，有必要在地方政府的领导和扶持下，集中有限的人力、物力和财力，成立一个以混凝土耐久性专家小组为核心的地方科研基地，这个科研基地可以依托科研院所或高等院校，结合本地实际，对本地区的经济和社会发展影响较大的重要混凝土结构工程进行全面调查，并对原材料进行试验研究，为本地区混凝土工程的耐久性设计从材料筛选到工程施工提供指南。这方面英国有着十分成功的先例：英国混凝土协会依托BRE(土木工程研究机构)，组成各个专家小组，对混凝土技术的方方面面都做了详尽的调查研究和试验工作，发布了很多技术报告，如“TR30-碱骨料反应：如何降低其对混凝土的危害”，“TR40—粒化高炉矿渣和粉煤灰在混凝土中的应用”等。BRE对碱骨料反应也做了深入的研究，制作了50cmx50cmx50sm的大型混凝土试件放置在室外大气环境下，对潜在碱活性骨料和矿物掺合料对碱骨料反应的抑制作用进行长期的监测，已经历时20余年。这些长期试验的数据具有很高的实用价值，可与实验室快速法试验结果进行比对，进而科学预测混凝土结构的使用寿命。

　　2  混凝土技术的可持续发展

　　可持续发展的本质是努力应用科学的、技术的和经济的知识，去纠正由于无节制的技术激增所造成的负面后果。可持续发展的主要方面是通过保护和减少浪费来更有效地利用能源和材料的更大循环利用m，由此可见，混凝土技术可持续发展的出路就是利用现代混凝土科学技术增加混凝土的使用寿命，尽量减少造成修补或拆除的浪费和建筑垃圾，大量利用优质的工业废弃物和矿石，尽量减少自然资源和能源的消耗，减少对环境的污染。可持续发展的根本出路是混凝土的高性能化和绿色化。

　　2.1  高性能混凝土(HPC)

　　2.1.1  高性能混凝土概念

　　HPC是1990年由美国学者首先提出的，由于其具有良好的耐久性和优异的工作性和物理力学性能，一问世就广泛受到工程界的高度重视和关注，美、法、日、加拿大等发达国家都把HPC作为跨世纪的新材料而投入大量的人力、资金进行研究，西方学者更是将HPC称为21世纪的混凝土。

　　HPC与普通混凝土的不同之处是普通混凝土的设计是以强度作为主要控制指标，而HPC则是以耐久性作为主要控制指标，强度只起从属的作用。高强度不一定高性能，而高性能必须要求混凝土具有较高的密实度和抗渗能力，因此其强度也不会太低。国内外研究资料表明，HPC具有优良的抗渗、抗冻性，并能抑制碱—骨料反应，抗碳化能力、抗Cl·渗透性及耐蚀性均有大幅度提高，徐变和干缩性能也有较大改善。但是HPC也存在着自收缩问题，其对混凝土长期性能的影响，尚待进一步研究，而且HPC的强度越高，脆性越大也面临着掺入纤维改性的问题。

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　　在我国，HPC目前己在上海、北京、广东等经济发达地区的不少重要工程中被采用，并在高层建筑、大跨度桥梁、海上建筑、漂浮结构等工程中显示出其独特的优越性。在工程安全使用期、经济合理性、环境条件的适应性等方面具有明显的效益。2006年3月1日实施的GB／T50362—2005《住宅性能评定技术标准》[6]标准中的经济性能评定把高强高性能混凝土的使用列入了建筑设计施工新技术严节材”方面)的一项重要的评定内容。2006年6月1日实施的GB／T50378—2006((绿色建筑评价标准》中的节材与材料资源利用也要求建筑结构材料合理采用高性能混凝土。因此，研究开发及应用高性能混凝土对提升建筑技术的整体水平，确保混凝土工程的耐久性十分必要，且具有十分重要的现实意义。

　　2.1.2  混凝土高性能化的技术途径

　　HPC根据不同用途要求，应保证混凝土的耐久性、工作性、适用性、强度、体积稳定性以及经济合理性等”。要实现其所具有的多种性能，就必须严格控制混凝土生产过程的各环节，控制水胶比、选用优质原材料，并必须掺加一定数量的矿物细掺料和高效减水剂。

　　正确选择原材料：除选用优质的硅酸盐水泥和骨料外，还必须添加超细矿物质掺合料和新型高效减水剂，后两者的综合作用强化了混凝土中的水泥浆体与骨料之间的过度区，改善了水泥石的孔结构，提高了水泥石的密实度，从而赋予混凝土高性能。

　　合理的工艺参数：控制水灰比小于0．4；粗骨料体积分数0．4左右、最大粒径不大于25mm：砂率34％-39％；胶凝材料(水泥+矿物细掺料)用量不超过500-600kg／m3；掺加0．8％—1．4％的高效减水剂。

　　适宜的施工工艺及控制：采用强制式搅拌机、泵送施工、高频振动、控制塌落度损失，并对混凝土进行严格养护。

　　2.1.3  HPC实际工程应用情况及施工应注意的问题

　　(1)HPC的应用：10多年来HPC得到了广泛应用，其代表工程有：上海金茂大厦C60混凝土、深圳地王C60混凝土、上海东方明珠电视塔C60混凝土、首都机场新航站楼C50~C60混凝土、广州虎门大桥C50混凝土、美国西雅图双联广场C135混凝土以及美国芝加哥311瓦克大厦C85混凝土等。

　　(2)施工注意问题：HPC的施工质量控制比普通混凝土要严格得多，在施工过程中特别要严格控制混凝土中的用水量，因为HPC水灰比小、用水量少，用水量的微小变化会影响其强度及工作性。还有就是养护问题，HPC必须尽早进行潮湿养护，直至其抗拉强度足以抵抗开裂为止。养护过程中还必须从外界补充水分，当水化反应进行到一定的程度时，必须洒水养护，可采用湿麻袋或湿纺织袋覆盖混凝土表面，其上压塑料块，塑料板下铺设打孔软管，注入水以保持麻袋长期的湿润。

　　2.2  绿色混凝土

　　绿色混凝土概念是由吴中伟院士在1997年提出的，它具有比传统混凝土更高的强度和耐久性，可以实现非再生性资源的可循环利用和有害物质的最低排放，既能减少环境污染，又能与自然生态系统协调共生。绿色混凝土的环境协调性是指对资源和能源的消耗少、对环境污染小和循环再生利用率高。此外，绿色混凝土还具有自适应性，也即具有满意的使用性能，又能够改善环境，具有感知、调节和修复等机敏特性[8]。

　　绿色混凝土的主要特点有：(1)最大限度地降低水泥用量，大量利用工业废料；(2)与传统混凝土相比，具有更加良好的力学性能和耐久性；(3)具有与自然环境的协调性，减轻对环境的负荷，实现非再生资源的可循环使用，节省能源及还物质的“零排放”；(4)能够为人类提供温和、舒适、便捷和安全的生存环境。  
                   
　　2.2.1  绿色混凝土的发展方向

　　绿色混凝土作为绿色建材的一个分支，自20世纪90年代以来，国内外对此开展了广泛深入的研究，主要包括绿色高性能混凝土、再生骨料混凝土、环保型混凝土和机敏混凝土等。

　　(1)绿色高性能混凝土(Green High Performance Con-crete，GHPC)。其发展方向是研制推广中低强度(如C30~C50)的绿色高性能混凝土(HPC通常的强度下限为C50)，可以大量使用包括粉煤灰、矿渣等的矿物掺合料，既有效利用了固体废弃物，又大大减少水泥用量，符合改善和保护环境的需要。  
                     
　　(2)再生骨料混凝土。该类混凝土可综合利用各种固体废弃物生产混凝土用的集料，减少天然砂、石资源的大量消耗，作为骨料的固体废弃物包括建筑固体废弃物、回收的碎玻璃骨料、回收的废弃轮胎，还有各种炉渣、煤矸石、矿渣等，目前再生骨料专指解体混凝土块经破碎、清洗、分级而成的骨料。

　　(3)生态环保型混凝土是指能够改善、美化环境，对人类与自然的协调具有积极作用的混凝土材料，该类混凝土的研究和开发刚刚起步，目前所研制和开发的主要品种有透水混凝土、绿化植被混凝土和海洋生物适应性混凝土等。

　　2.2.2  绿色混凝土的掺合料

　　绿色混凝土中大量使用了矿物掺合料(大都为工业废渣)作辅助胶凝材料，一方面可利废、节材(减少水泥使用量)，同时还可以改善新拌混凝土的工作性、提高硬化混凝土的耐久性。

　　掺合料是混凝土中除水泥、水、砂、石及外加剂以外的第6组分，主要作用是改善新拌和混凝土的物理力学性能。常用的掺合料可分为活性和非活性2类，非活性掺合料在混凝土中一般不产生火山灰反应，或反应十分缓慢，如磨细石英砂、石灰石和硬矿渣等；活性矿物掺合料本身不硬化或硬化速度很慢，但能与水泥水化生成的氢氧化钙发生化学反应，生成具有水硬性的胶凝材料。绿色高性能混凝土所采用的掺合料通常选用活性矿物掺合料，且多为工业废料，如粉煤灰、粒化高炉矿渣、硅灰、偏高岭土或它们的复合物。

　　(1)粉煤灰

　　全国每年粉煤灰的排放量约为2亿t，不仅造成严重的环境污染，且占用大量土地进行堆放和填埋。对于粉煤灰在混凝土中的应用，国内外已进行了大量的试验研究，其应用技术己比较成熟，比较一致的在混凝土中粉煤灰的作用主要有：可控制大体积混凝土的温升；可广泛应用与隧道工程、对耐久性要求较高的地下及海洋环境以及水电工程中，掺量可达25％-40％；可抑制混凝土的碱骨料反应，但要注意其使用的适宜掺量和对其细度的要求。在水工混凝土生产中均大量使用粉煤灰抑制潜在的碱骨料反应，如三峡工程建设中普遍采用I级粉煤灰作为掺合料。

　　(2)粒化高炉矿渣

　　粒化高炉矿渣是以硅铝酸钙为主要成分的熔融物，经淬冷成粒后得到的副产品。粒化高炉矿渣具有潜在水硬性，是水泥和混凝土的优质掺合料，在水泥混凝土中的应用技术也比较成熟，其在混凝土中的掺量一般比粉煤灰大，既可用于混凝土中，也可以用来生产矿渣水泥。

　　英国生产的矿渣水泥中矿渣的掺量是0~65％，低热矿渣硅酸盐水泥中的矿渣用量为50％~90％191。在英国，矿渣在混凝土中的最大掺量已达到60％~70％，掺量为70％时可配制C30~C45标号的各种混凝土，且混凝土的工作性良好。目前掺矿渣的混凝土占全英预拌混凝土产量的20％。  
                     
　　国内自20世纪90年代开始对高炉矿渣及其配制的混凝土进行研究，并于2000年颁布了GB／T18046—2000《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》。磨细的粒化高炉矿渣性能优异，作为混凝土的矿物掺合料可等量替代水泥，并能显著改善混凝土的综合性能，如改善混凝土拌合物的和易性、降低混凝土中水泥的水化热温升、提高混凝土的抗腐蚀性能和耐久性、提高混凝土的后期强度等等。

　　(3)硅灰

　　硅灰是生产硅和硅合金时的副产品，色呈浅灰到深灰，颗粒平均粒径在0．1µm左右，是水泥平均粒径的1％-2％。由于其超细特征和高硅含量(90％以上)，因此，具有显著的火山灰活性材料特征，主要用于配置高强、高抗化学侵蚀性以及高抗冲磨性能的混凝土，掺量一般为水泥用量的5％-15％。由于硅灰的比表面积大，因此，其需水量较大，作为混凝土掺合料使用时，一般需同时使用高效减水剂，以保证混凝土的和易性。混凝土中掺入硅灰后，可以改善混凝土拌合物的粘聚性和保水性；显著提高混凝土强度，适宜配制高强、超高强度混凝土：改善混凝土中的孔结构，提高混凝土的抗渗、抗冻及抗腐蚀性；抑制混凝土的碱骨料反应。  
                    
　　(4)其它

　　上述常用的混凝土矿物掺合料不仅可以单独使用，还可以2种或多种复合使用，以获得早期和长期强度的增长以及良好的耐久性。此外，还有沸石粉、偏高岭土、城市垃圾焚烧炉底渣(灰)、磨细回收的废弃玻璃粉等也可作为掺合料使用于混凝土中。

　　3  结  语

　　作为用量最大、应用面很广的人造工程材料，混凝土不仅是资源和能源的消耗大户，还给地球环境和人类的居住空间带来了很大的负面影响。因此，在混凝土技术的发展进程中一定要坚持可持续发展原则，在不断提高混凝土使用寿命的同时，最大限度地提高混凝土的各种性能，并大量利用各种工业和城市废弃物，将混凝土技术绿色化，使其对环境的污染减少到最低，同时提高混凝土与人类环境相结合的水平。