英国商品混凝土领域研究四十年回顾

　　英国混凝土学会成立的四十年，几乎涵盖了我的研究生涯。四十年来，混凝土行业发生的重大变化，对研究工作的类型和数量，影响颇大，归纳起来有两大方面。

　　前言

　　就混凝土行业而言，上世纪六十年代是一个充满乐观和进取的时期。虽然在二战前，钢筋混凝土就得到应用，但是，真正起飞的年代是在上世纪的五十年代末和六十年代。原因一是钢材短缺，二是需对城市中心进行重大的再开发。这是一个住宅和商业建筑的黄金时期，更不必说公路项目的建设规划。当时，由于财政方面的紧缩，施工行业的建设能力及其对建设速度的追求，促使许多试验性的解决途径，都向混凝土结构的方向转移，其中最值得回忆的，或许就是开发出多种用于多层楼宇的积木式建筑体系。

　　高潮和低谷

　　混凝土

　　上世纪七十年代中期，一些在六十年代黄金时期建造的结构出现了问题。1968年Ronan Point大厦的部分倒塌，标志着对高层建筑的幻想开始破灭。虽然许多问题并非结构问题，而是建筑、社会、或许还有维修保养不充分等问题所致。混凝土领域中，随之的研究课题就是耐久性问题。混凝土结构中产生的多种问题, 以及当时日益大量供应的廉价结构钢材，导致混凝土结构进入不景气和令人怀疑的时期。直到九十年代中期，即近十年来，混凝土建筑才逐步恢复其往日的自信，让我们再次见到了更多具有探索精神的混凝土建筑设计和应用。

　　钢筋

　　第二个主要变化是在钢筋和混凝土性能方面。虽然早已允许使用高强钢筋，但是，二战前和五十年代末期建造的钢筋混凝土结构，大都采用屈服强度约为250Mpa的低碳园钢筋。到英国混凝土学会成立之际，情况发生了迅速变化，屈服强度为410或460Mpa的钢材，已成为常规材料。但是，使用经验仍停留在低碳钢。多年来，钢材的强度一直稳步提高，目前，一般的钢材强度都能达到500Mpa，而且还能降低安全系数。因此，我们当前常用的钢筋应力值等级，都要比在初期，我们凭长期经验为依据的值高出两倍。由于钢材的弹性模量并不是随其强度而变化，因此，在一定尺寸构件中产生的裂缝和变形，将是其初期的两倍。

　　水泥

　　水泥也发生了显著的变化。当前，波特兰水泥的强度，也比初期的高得多。此外，在六十年代，混凝土一般都采用普通波特兰水泥、骨料和水配制而成。但是，当今的混凝土中，会另加各种掺合料，诸如：粉状粉煤灰（pfa）、微硅灰或高岭土，以及外加剂，诸如：超塑化剂。混凝土已成为一种与过去完全不同的材料，已成为一种更具“高科技”含量的材料。六十年代早期，常规的混凝土结构强度等级为21-28Mpa，当今, 已很少见到强度低于30Mpa的结构混凝土了。通常，混凝土的强度要高得多。预拌混凝土供应商已能配制出强度超过100Mpa的混凝土，与早期使用的混凝土相比，这已是一种完全不同的材料了。

　　研究工作

　　结构研究

　　五十年代末和六十年代，对结构混凝土的研究相当普遍。在这一时期，研究工作的特色是：重点解决材料的行为特性，其中进行了许多规模非常大的试验性研究计划，现仅举两项研究计划为例，略加说明。

　　其中最雄心勃勃的研究计划，可能就是由英国皇家学院Baker教授组织，欧洲混凝土委员会赞助的，对钢筋混凝土断面韧性的研究。该项研究试图对钢筋混凝土建立再分布规则，几乎要开发出可对结构钢材进行塑性设计的方法。16家实验室通力协作，进行了此项研究。研究结果来自约170榀钢筋混凝土梁。这项研究工作的实用性成果，已包含在CP110规程和BS8110规范的再分布规则条款中。

　　第二项研究计划是，水泥与混凝土协会针对裂缝控制的调查研究。涉及到105榀钢筋混凝土梁的本项研究工作，于1966年公布了第一份研究报告。接着，又陆续公布了若干份研究报告。参与调研的钢筋混凝土梁超过200榀，并进行了张拉试验。这项研究计划的成果是：得出了在英国相继出版的规范中列出的裂缝控制公式。这项研究工作的一个副产品是挠度计算法和有效跨高比。这项英国研究计划，仅是这一时期，对英、美和欧洲的一系列大型工程，进行大量裂缝研究的一个缩影而已。

　　在七十年代，采用这种途径所进行的混凝土研究，其资料会被规范起草委员会所用的数据库大量采纳，从而推导出有效的设计方法。在这一时期起草的规程，都是以大量来自试验所获得的数据资料为其坚实的依据。

　　到了七十年代末期和八十年代，对结构混凝土进行大规模研究的途径基本上都停止了。其原因很多，但最主要的因素是：

　　大学和其他研究机构的经费日益紧缩；

　　混凝土行业界认为，所有他们所需的混凝土结构行为特性，都已研究清楚；

　　研究基金的投入方向，已从结构研究，转移到更应优先考虑的耐久性研究。

　　这并不是说结构混凝土研究已完全停止，比如对剪力的研究，仍是一个持续不断的热门研究课题。从历史的角度看，一个有趣的现象是，韧性又将重新成为令人感兴趣的课题。早期由Baker教授组织的研究证明，混凝土结构的最终破坏，常常是由于混凝土结构受到冲击，而其中由于钢筋断裂引起的结构破坏可以忽略不计。但是，最近德国斯图加特的Eligehausen教授及其合作人共同开展了一项研究，主要依据是，对塑性铰接区所进行的非线性计算机分析。研究结果认为，上述结论不再正确。有些现代化加工工艺生产出的钢材更脆，从而导致由于钢材断裂引起的混凝土结构破坏。此外，与Baker教授研究时代的混凝土相比，当前强度更高的混凝土往往更脆。因此，由于混凝土生产和钢材生产工艺的变化，Baker教授主要研究计划时期所收集的数据资料已过时。如果要更新设计规则，就需重复进行类似的研究工作。

　　在现代情况下，再象Baker教授那样，组织一项国际性的合作研究项目，是不现实的。但是，可以在若干国家范围内（包括英国）进行这类研究。一项由欧洲混凝土委员会组建的，由Eligehausen教授领衔的专题小组，已提供了一个学术交流论坛，专门讨论这项研究成果，并在1997年公布了一份具有先进技术水平的研究报告。该报告导致了欧洲规范中，在涉及混凝土脆性时，需考虑钢材断裂和日益增长的更高强度进行韧性和再分布极限设计规则的修订。

　　近期，另一个成功开发的主要研究领域是：纤维增强复合材料的设计和更为独特的维修工作。

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　　耐久性

　　过去四十年中，研究方向的主要转变是，日益重视混凝土的耐久性研究，其原因已众所周知。从五十年代末到七十年代初，在这段建设黄金时期，耐久性问题一直没有被习惯势力认可。直到七十年代中期，那段时期所建造的一些建筑结构出现了问题，一系列的明显问题才暴露出来，它们是：

　　高铝水泥（HAC）的转化反应，导致了强度的大幅下降。虽然，这种反应已广为人知，但是，在英国环境条件下会产生这种反应，一直没被认识到。根据坍塌的Camden学院屋面梁的研究显示，这可能导致所有含高铝水泥混凝土构件的建筑，都需进行所受影响程度的重大评估。

　　采用含氯化钙的早强剂，会引起钢筋腐蚀。

　　在公路上使用去冰盐会导致钢筋腐蚀。氯化物的腐蚀作用早已为人所知，但是，公路上大量撒盐，实际上是后六十年代的一个普遍现象，原因是大量运输从铁路转向公路。此外，由于政治的原因，一年四季都必须保持主要公路的畅通。这项政策的后果，一时并没被认识到。于是就出现了一段约长达十年的时期，即开始在公路上增加使用去冰盐，直到出现大量钢筋腐蚀问题。

　　在中东出现大量钢筋腐蚀问题，而那里正是英国设计人员和承包商非常活跃的地区；

　　碱-硅反应—这是一种水泥中的强碱与某些品种的硅酸盐骨料之间的反应。过去，人们不相信英国骨料会产生这样的问题。但是，在七十年代后期，在英国的若干地区也出现这样的反应案例。

　　针对这些问题的种种尝试，反映出对混凝土耐久性的认识是多么肤浅。而且，正是存在那些缺少理性基础的设计公式和施工程序，特别是对被认定为最严重的实际问题，即钢筋腐蚀的研究，导致了研究基金向与耐久性有关课题的重大转移。过去25年来，耐久性问题可能是最活跃的混凝土研究课题。

　　探讨

　　我已对四十年来混凝土的某些研究领域进行了简要的回顾。从这段历史，我们可以得到什么经验教训呢？

　　研究工作对某些具体问题，能提供各种各样的答案。但是，问题的存在是最为重要的。它对专家是一种训练，使专家获得排除问题的能力，并且提出新的开发研究方向。这种专业知识的集成，是需要消耗相当长的时间才能开发成功的，但是，也会被迅速摧毁。转向耐久性课题的研究基金，会导致把过去非常活跃的用于结构混凝土的研究基金挤干榨尽。几乎没有结构混凝土专家会成功地改变其学科专业，变为耐久性混凝土专家。大多数专家也没有进行这样的学科转业。他们认识到其研究经费已用尽，他们的专业生涯也就结束了。他们要么离开研究工作，要么退休。但是，可以肯定的是，目前几乎没有新的研究人员进入这一领域。虽然他们没有被完全摧毁，但是，有关结构混凝土行为特性的专业知识队伍当今已很小，而且越来越小。可能还需要十年或十年以上的时间，才能集聚起有关混凝土耐久性的专业知识，而那时，七十年代后期前存在的耐久性问题几乎已不复存在。因此，还需很长时间才能获得对当前紧迫的，又切合实际情况的耐久性问题，作出具有权威性的答复。如果又有某一新领域变得需优先考虑，那么耐久性课题的经费也会被转移掉，那时，历史又会重演，化大量经费获得的耐久性专业知识，会再次被摧毁掉。

　　这个完整的发展过程似乎相当消耗财力和人力。但是，可以肯定的是，总会存在一种专业知识的平衡载体，能涵盖混凝土的研究工作，并且能对现实的需求作出更有效的反应。

　　结论

　　虽然，在英国和欧洲，混凝土研究工作不景气已有数年之久，但是，这种现象并非全球性的。来自远东（特别是新加坡、中国、日本和韩国）要求发表的对混凝土研究的论文比例大幅增加。或许在混凝土研究方面，应引起我们（英国）的重视了。