1 混凝土的耐久性混凝土的耐久性可定義為“在使用過程中經受氣候變化、化學侵蝕、磨蝕等各種破壞因素的作用而能保持其使用功能的能力”。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、核反應堆等重要結構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，應要求混凝土在200年內安全使用。我國GB 50010——2002《混凝土結構設計規(guī)范》規(guī)定，混凝土的耐久性設計應按照環(huán)境類別和設計使用年限進行，分為50年和100年2個耐久性預期目標，對于重大、重要工程應按照100年壽命來設計混凝土。近幾年來，我國已有不少工程的混凝土設計壽命達到100年，這些工程大都結合環(huán)境條件和特點，采取專門有效的措施，以充分保證混凝土工程的耐久性設計要求。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。

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

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

　　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，混凝土結構沒有達到預期的使用壽命，受環(huán)境作用過早破壞的實例很多，由此造成的經濟損失也很大。由于許多工程設計只滿足荷載要求，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，可以預見，耐久性不佳的混凝土工程的劣化問題將會日趨嚴重。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(這是由于混凝土內骨料和硬化水泥漿體不同的溫度膨脹系數而引起)，如凍融循環(huán)、除冰鹽分對混凝土的剝蝕等：(2)化學破壞：由混凝土內部材料引起的堿骨料反應以及外部侵蝕性離子(Gl-)引起的諸如鋼筋銹蝕、硫酸鹽侵蝕以及碳化(CO2)等；(3)機械破壞：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鍵。

　　1.2 混凝土耐久性破壞常見原因
　　我國已故混凝土權威吳中偉院士早在1991年就指出，近年來混凝土耐久性破壞愈趨嚴重的原因很多，常見的較重要的主要有：

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

　　(2)施工原因：過于追求施工進度，對混凝土工程的施工質量控制不嚴，也不注意對混凝土結構進行必要的養(yǎng)護；

　　(3)應用原因：現代混凝土的應用范圍不斷擴大，使大量混凝土工程所處的環(huán)境與使用條件日益嚴酷，但未認真采取相應的對策以提高其在嚴酷環(huán)境下的使用壽命；

　　(4)設計研究原因：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)工作者進行了大量的基礎試驗研究工作，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—集料反應的預防；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、保護鋼筋以免銹蝕、抑制混凝土中的堿—集料反應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，按耐久性設計混凝土和預測混凝土的使用壽命成為耐久性研究的主要內容和最終目標。但是我們也應該看到，由于研究內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，使得大量基礎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，也使當前的混凝土耐久性問題呈現越來越嚴重的趨勢。主要表現在：(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，使試驗結果無法進行比對。典型的如骨料堿活性反應快速檢測法(ASTMCl260，南非快速砂漿棒法等)，該方法是將試件浸泡在80℃1N的NaOH溶液中進行測試，試驗條件十分嚴酷，與混凝土實際環(huán)境條件相差甚遠；(3)材料因素研究得多，結構因素研究得少，基礎理論的研究更少，缺乏定量研究，更缺少區(qū)分不同體系、不同結構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雜，常常不是單一出現的，而是多種因素共同作用的結果，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)、機械力破壞；
　　(5)鹽類腐蝕中SO42-、Mg2+、Cl-作用的綜合疊加效應引起混凝土的快速破壞；
　　(6)緩慢延續(xù)的堿—集料反應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，尤其是疊加效應加以研究。疊加效應相對比較復雜，有時還會出現負疊加，即互相抵消的特殊現象。

　　混凝土中以堿—集料反應為主因及導因的耐久性綜合癥現象十分普遍，具體表現在：

　　(1)堿—集料反應十鋼筋銹蝕：前者是導因，堿—集料反應引起開裂導致鋼筋銹蝕，造成嚴重破壞；
　　(2)堿—集料反應+凍融循環(huán)：我國北方有幾處機場跑道因堿—集料反應而開裂，加速了凍融破壞；
　　(3)堿—集料反應+海水腐蝕：如日本沖繩島海港的混凝土結構破壞：
　　(4)堿—集料反應+機械力(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+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行設計和壽命預測方面，應綜合考慮各種不同的破壞因素，并根據經驗、同類材料的性能、快速試驗結果以及混凝土工程暴露的環(huán)境條件等，對所設計的混凝土工程的耐久性進行預測。

　　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雜的綜合性問題，不僅與所使用的材料本身有關，還與混凝土結構所處的環(huán)境條件(包括溫濕度、結構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)境條件調查清楚，再結合混凝土所采用的材料進行耐久性設計。

　　(1)修訂現行的設計及施工規(guī)范，將對工程結構的耐久性要求納入相應的標準及規(guī)程中。這方面的工作最近幾年已經開展，已將一般混凝土結構的50年和100年的耐久性要求列入了相應的建筑設計及驗收規(guī)范中，如GB/T 50362——2005《住宅性能評定技術標準》、GB 50010——2002《混凝土結構設計規(guī)范》以及GB 50003——2001《砌體結構設計規(guī)范》等。

　　(2)從設計階段入手，混凝土工程結構除了按強度設計，保證受力安全外，還必須根據結構物使用環(huán)境按耐久性設計，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，已經成為當前最活躍的混凝土技術研究方向之一。

　　日本是最早對混凝土耐久性設計和預測進行研究的國家，已有系統(tǒng)的設計綱目和預測參數。根據日本專家調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計壽命。系統(tǒng)的耐久性設計綱目基本內容包括：(1)按照建筑物的劣化狀態(tài)將耐久性設計目標分為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)相應的設計施工標準方法。

　　英國在20世紀80年代修訂的混凝土結構規(guī)范中增加了大量的耐久性條款，根據暴露環(huán)境條件的嚴酷程度對最小保護層厚度、混凝土強度、抗凍性、最大水灰比、水泥品種、最小水泥用量、最大膠結材料用量(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計混凝土結構工程起到了很好的指導作用。

　　我國的黃士元、劉崇熙等專家于20世紀90年代初就提出了“按耐久性設計混凝土”的思想，經過10多年的發(fā)展，越來越為建筑工程界和材料界所認識。但是總的說來，我國在按耐久性設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)在政府的領導下，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，并提出指導性意見，混凝土耐久性研究涉及因素繁多，既包括材料科學的基礎研究，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導和扶持下，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，結合本地實際，對本地區(qū)的經濟和社會發(fā)展影響較大的重要混凝土結構工程進行全面調查，并對原材料進行試驗研究，為本地區(qū)混凝土工程的耐久性設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：英國混凝土協會依托BRE(土木工程研究機構)，組成各個專家小組，對混凝土技術的方方面面都做了詳盡的調查研究和試驗工作，發(fā)布了很多技術報告，如“TR30-堿骨料反應：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用”等。

　　BRE對堿骨料反應也做了深入的研究，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的抑制作用進行長期的監(jiān)測，已經歷時20余年。這些長期試驗的數據具有很高的實用價值，可與實驗室快速法試驗結果進行比對，進而科學預測混凝土結構的使用壽命。

　　2 混凝土技術的可持續(xù)發(fā)展
　　可持續(xù)發(fā)展的本質是努力應用科學的、技術的和經濟的知識，去糾正由于無節(jié)制的技術激增所造成的負面后果?？沙掷m(xù)發(fā)展的主要方面是通過保護和減少浪費來更有效地利用能源和材料的更大循環(huán)利用m，由此可見，混凝土技術可持續(xù)發(fā)展的出路就是利用現代混凝土科學技術增加混凝土的使用壽命，盡量減少造成修補或拆除的浪費和建筑垃圾，大量利用優(yōu)質的工業(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?？沙掷m(xù)發(fā)展的根本出路是混凝土的高性能化和綠色化。

　　2.1 高性能混凝土(HPC)
　　2.1.1 高性能混凝土概念
　　HPC是1990年由美國學者首先提出的，由于其具有良好的耐久性和優(yōu)異的工作性和物理力學性能，一問世就廣泛受到工程界的高度重視和關注，美、法、日、加拿大等發(fā)達國家都把HPC作為跨世紀的新材料而投入大量的人力、資金進行研究，西方學者更是將HPC稱為21世紀的混凝土。

　　HPC與普通混凝土的不同之處是普通混凝土的設計是以強度作為主要控制指標，而HPC則是以耐久性作為主要控制指標，強度只起從屬的作用。高強度不一定高性能，而高性能必須要求混凝土具有較高的密實度和抗?jié)B能力，因此其強度也不會太低。國內外研究資料表明，HPC具有優(yōu)良的抗?jié)B、抗凍性，并能抑制堿—骨料反應，抗碳化能力、抗Cl^-滲透性及耐蝕性均有大幅度提高，徐變和干縮性能也有較大改善。但是HPC也存在著自收縮問題，其對混凝土長期性能的影響，尚待進一步研究，而且HPC的強度越高，脆性越大也面臨著摻入纖維改性的問題。

　　在我國，HPC目前己在上海、北京、廣東等經濟發(fā)達地區(qū)的不少重要工程中被采用，并在高層建筑、大跨度橋梁、海上建筑、漂浮結構等工程中顯示出其獨特的優(yōu)越性。在工程安全使用期、經濟合理性、環(huán)境條件的適應性等方面具有明顯的效益。2006年3月1日實施的GB/T50362——2005《住宅性能評定技術標準》標準中的經濟性能評定把高強高性能混凝土的使用列入了建筑設計施工新技術嚴節(jié)材”方面)的一項重要的評定內容。2006年6月1日實施的GB/T50378——2006((綠色建筑評價標準》中的節(jié)材與材料資源利用也要求建筑結構材料合理采用高性能混凝土。因此，研究開發(fā)及應用高性能混凝土對提升建筑技術的整體水平，確?；炷凉こ痰哪途眯允直匾?，且具有十分重要的現實意義。

　　2.1.2 混凝土高性能化的技術途徑
　　HPC根據不同用途要求，應保證混凝土的耐久性、工作性、適用性、強度、體積穩(wěn)定性以及經濟合理性等”。要實現其所具有的多種性能，就必須嚴格控制混凝土生產過程的各環(huán)節(jié)，控制水膠比、選用優(yōu)質原材料，并必須摻加一定數量的礦物細摻料和高效減水劑。

　　正確選擇原材料：除選用優(yōu)質的硅酸鹽水泥和骨料外，還必須添加超細礦物質摻合料和新型高效減水劑，后兩者的綜合作用強化了混凝土中的水泥漿體與骨料之間的過度區(qū)，改善了水泥石的孔結構，提高了水泥石的密實度，從而賦予混凝土高性能。
合理的工藝參數：控制水灰比小于0.4；粗骨料體積分數0.4左右、最大粒徑不大于25mm：砂率34%—39%；膠凝材料(水泥+礦物細摻料)用量不超過500-600kg/m3；摻加0.8%—1.4%的高效減水劑。

　　適宜的施工工藝及控制：采用強制式攪拌機、泵送施工、高頻振動、控制塌落度損失，并對混凝土進行嚴格養(yǎng)護。

　　2.1.3 HPC實際工程應用情況及施工應注意的問題
　　(1)HPC的應用：10多年來HPC得到了廣泛應用，其代表工程有：上海金茂大廈C60混凝土、深圳地王C60混凝土、上海東方明珠電視塔C60混凝土、首都機場新航站樓C50-C60混凝土、廣州虎門大橋C50混凝土、美國西雅圖雙聯廣場C135混凝土以及美國芝加哥311瓦克大廈C85混凝土等。

　　(2)施工注意問題：HPC的施工質量控制比普通混凝土要嚴格得多，在施工過程中特別要嚴格控制混凝土中的用水量，因為HPC水灰比小、用水量少，用水量的微小變化會影響其強度及工作性。還有就是養(yǎng)護問題，HPC必須盡早進行潮濕養(yǎng)護，直至其抗拉強度足以抵抗開裂為止。養(yǎng)護過程中還必須從外界補充水分，當水化反應進行到一定的程度時，必須灑水養(yǎng)護，可采用濕麻袋或濕紡織袋覆蓋混凝土表面，其上壓塑料塊，塑料板下鋪設打孔軟管，注入水以保持麻袋長期的濕潤。

　　2.2 綠色混凝土
　　綠色混凝土概念是由吳中偉院士在1997年提出的，它具有比傳統(tǒng)混凝土更高的強度和耐久性，可以實現非再生性資源的可循環(huán)利用和有害物質的最低排放，既能減少環(huán)境污染，又能與自然生態(tài)系統(tǒng)協調共生。綠色混凝土的環(huán)境協調性是指對資源和能源的消耗少、對環(huán)境污染小和循環(huán)再生利用率高。此外，綠色混凝土還具有自適應性，也即具有滿意的使用性能，又能夠改善環(huán)境，具有感知、調節(jié)和修復等機敏特性。

　　綠色混凝土的主要特點有：(1)最大限度地降低水泥用量，大量利用工業(yè)廢料；(2)與傳統(tǒng)混凝土相比，具有更加良好的力學性能和耐久性；(3)具有與自然環(huán)境的協調性，減輕對環(huán)境的負荷，實現非再生資源的可循環(huán)使用，節(jié)省能源及還物質的“零排放”；(4)能夠為人類提供溫和、舒適、便捷和安全的生存環(huán)境。

　　2.2.1 綠色混凝土的發(fā)展方向
　　綠色混凝土作為綠色建材的一個分支，自20世紀90年代以來，國內外對此開展了廣泛深入的研究，主要包括綠色高性能混凝土、再生骨料混凝土、環(huán)保型混凝土和機敏混凝土等。

　　(1)綠色高性能混凝土(Green High Performance Con-crete，GHPC)。其發(fā)展方向是研制推廣中低強度(如C30~C50)的綠色高性能混凝土(HPC通常的強度下限為C50)，可以大量使用包括粉煤灰、礦渣等的礦物摻合料，既有效利用了固體廢棄物，又大大減少水泥用量，符合改善和保護環(huán)境的需要。

　　(2)再生骨料混凝土。該類混凝土可綜合利用各種固體廢棄物生產混凝土用的集料，減少天然砂、石資源的大量消耗，作為骨料的固體廢棄物包括建筑固體廢棄物、回收的碎玻璃骨料、回收的廢棄輪胎，還有各種爐渣、煤矸石、礦渣等，目前再生骨料專指解體混凝土塊經破碎、清洗、分級而成的骨料。

　　(3)生態(tài)環(huán)保型混凝土是指能夠改善、美化環(huán)境，對人類與自然的協調具有積極作用的混凝土材料，該類混凝土的研究和開發(fā)剛剛起步，目前所研制和開發(fā)的主要品種有透水混凝土、綠化植被混凝土和海洋生物適應性混凝土等。

　　2.2.2 綠色混凝土的摻合料
　　綠色混凝土中大量使用了礦物摻合料(大都為工業(yè)廢渣)作輔助膠凝材料，一方面可利廢、節(jié)材(減少水泥使用量)，同時還可以改善新拌混凝土的工作性、提高硬化混凝土的耐久性。

　　摻合料是混凝土中除水泥、水、砂、石及外加劑以外的第6組分，主要作用是改善新拌和混凝土的物理力學性能。常用的摻合料可分為活性和非活性2類，非活性摻合料在混凝土中一般不產生火山灰反應，或反應十分緩慢，如磨細石英砂、石灰石和硬礦渣等；活性礦物摻合料本身不硬化或硬化速度很慢，但能與水泥水化生成的氫氧化鈣發(fā)生化學反應，生成具有水硬性的膠凝材料。綠色高性能混凝土所采用的摻合料通常選用活性礦物摻合料，且多為工業(yè)廢料，如粉煤灰、?；郀t礦渣、硅灰、偏高嶺土或它們的復合物。

　　(1)粉煤灰
　　全國每年粉煤灰的排放量約為2億t，不僅造成嚴重的環(huán)境污染，且占用大量土地進行堆放和填埋。對于粉煤灰在混凝土中的應用，國內外已進行了大量的試驗研究，其應用技術己比較成熟，比較一致的在混凝土中粉煤灰的作用主要有：可控制大體積混凝土的溫升；可廣泛應用與隧道工程、對耐久性要求較高的地下及海洋環(huán)境以及水電工程中，摻量可達25％-40％；可抑制混凝土的堿骨料反應，但要注意其使用的適宜摻量和對其細度的要求。在水工混凝土生產中均大量使用粉煤灰抑制潛在的堿骨料反應，如三峽工程建設中普遍采用I級粉煤灰作為摻合料。

　　(2)?；郀t礦渣
　　?；郀t礦渣是以硅鋁酸鈣為主要成分的熔融物，經淬冷成粒后得到的副產品。?；郀t礦渣具有潛在水硬性，是水泥和混凝土的優(yōu)質摻合料，在水泥混凝土中的應用技術也比較成熟，其在混凝土中的摻量一般比粉煤灰大，既可用于混凝土中，也可以用來生產礦渣水泥。

　　英國生產的礦渣水泥中礦渣的摻量是0-65%，低熱礦渣硅酸鹽水泥中的礦渣用量為50%-90%。在英國，礦渣在混凝土中的最大摻量已達到60%-70%，摻量為70%時可配制C30-C45標號的各種混凝土，且混凝土的工作性良好。目前摻礦渣的混凝土占全英預拌混凝土產量的20%。

　　國內自20世紀90年代開始對高爐礦渣及其配制的混凝土進行研究，并于2000年頒布了GB/T18046—2000《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》。磨細的?；郀t礦渣性能優(yōu)異，作為混凝土的礦物摻合料可等量替代水泥，并能顯著改善混凝土的綜合性能，如改善混凝土拌合物的和易性、降低混凝土中水泥的水化熱溫升、提高混凝土的抗腐蝕性能和耐久性、提高混凝土的后期強度等等。

　　(3)硅灰
　　硅灰是生產硅和硅合金時的副產品，色呈淺灰到深灰，顆粒平均粒徑在0.1µm左右，是水泥平均粒徑的1%-2%。由于其超細特征和高硅含量(90%以上)，因此，具有顯著的火山灰活性材料特征，主要用于配置高強、高抗化學侵蝕性以及高抗沖磨性能的混凝土，摻量一般為水泥用量的5%-15%。由于硅灰的比表面積大，因此，其需水量較大，作為混凝土摻合料使用時，一般需同時使用高效減水劑，以保證混凝土的和易性?；炷林袚饺牍杌液?，可以改善混凝土拌合物的粘聚性和保水性；顯著提高混凝土強度，適宜配制高強、超高強度混凝土：改善混凝土中的孔結構，提高混凝土的抗?jié)B、抗凍及抗腐蝕性；抑制混凝土的堿骨料反應。

　　(4)其它
　　上述常用的混凝土礦物摻合料不僅可以單獨使用，還可以2種或多種復合使用，以獲得早期和長期強度的增長以及良好的耐久性。此外，還有沸石粉、偏高嶺土、城市垃圾焚燒爐底渣(灰)、磨細回收的廢棄玻璃粉等也可作為摻合料使用于混凝土中。