摘要：由于對土木工程結構耐久性的要求，近年出現(xiàn)了高性能混凝土。高性能混凝土是采用現(xiàn)代混凝土技術制作，以耐久性作為設計的主要指標，而非片面追求高強度。為提高混凝土質量還應注意提高砂石料質量，要求石子粒徑小、粒形好，砂子粗、級配恰當。研究現(xiàn)代混凝土技術還需樹立大系統(tǒng)的觀念，需要各學科的相互協(xié)作、相互交叉和相互滲透。

  關鍵詞：混凝土 高性能混凝土 耐久性 砂石料 可持續(xù)發(fā)展

  我國解放前水泥產(chǎn)量僅幾十萬噸，混凝土技術十分落后，因沒有規(guī)范而全憑經(jīng)驗。1947年，吳中偉教授提出了“混凝土科學技術”的概念，并在實踐中引進國外經(jīng)驗，聯(lián)系我國的實際，寫出了《怎樣做好混凝土工程》^[1]一書，書中提出的混凝土配合比設計的簡易方法后被編入中央重工業(yè)部基建司的《混凝土配合比設計》中，自此將我國的混凝土逐步納入科學化的軌道。50年來，我國水泥和混凝土工業(yè)發(fā)展迅速，水泥產(chǎn)量從1949年的66萬t到1997年已達5.1億t。50年代我國混凝土設計強度平均為15MPa；70年代平均強度為20MPa，預應力混凝土僅使用40~45MPa;80年代平均強度提高到25~30MPa；近年來北京地區(qū)大量使用的混凝土設計強度已達30~40MPa；C50以上高強度混凝土已在大城市建設中大量用于預制構件、高層建筑和大跨度橋梁中。高效減水劑的使用，不僅使高強混凝土得以實現(xiàn)，而且大大改善了混凝土的施工性能，推進了預拌混凝土的發(fā)展，減少了混凝土澆筑的缺陷。這是混凝土技術進步的重要標志。

  由于對土木工程結構耐久性的要求，隨著科學技術的發(fā)展，近10年來出現(xiàn)了高性能混凝土這種新型的混凝土技術。高性能混凝土應用現(xiàn)代混凝土科學技術，可提高混凝土結構安全使用壽命，盡量減少造成修補或拆除的浪費和建筑垃圾;高性能混凝土可大量利用工業(yè)副產(chǎn)品和廢棄物，盡量減少自然資源和能源的消耗，減少對環(huán)境的污染;高性能混凝土具有優(yōu)異的施工性能，便于施工，可節(jié)省勞力，減少振搗用電，降低環(huán)境噪聲等，因此高性能混凝土是混凝土可持續(xù)發(fā)展的出路，下一個世紀將進入高性能混凝土的時代。但從我國整體來看，目前高性能混凝土尚為“陽春白雪”，預拌混凝土也只在少數(shù)大城市中占據(jù)主導地位。高性能混凝土的健康發(fā)展，不僅是科技人員和施工人員的事，而且需要房地產(chǎn)開發(fā)者、設計人員、工程監(jiān)理人員和政策法規(guī)制定者的共同努力。 高性能混凝土技術包含了混凝土制作全過程的優(yōu)化，并不僅僅是配合比的選擇，它還包含對原材料的要求和施工技術。就當前我國這方面的現(xiàn)狀而言，還存在若干影響混凝土技術發(fā)展的問題。本文就其中一些問題提出粗淺看法，希望引起討論從而對我國混凝土進步起一些促進作用。

  1混凝土高強不一定耐久

  同世界范圍的發(fā)展趨勢一樣，近百年來我國水泥與混凝土的發(fā)展趨勢也是不斷提高強度。一方面是由于生產(chǎn)水平的提高，另一方面也是由于使用者的要求。提高混凝土的強度，可以減小構件斷面尺寸而增加建筑物的使用空間，降低配筋率、減輕結構自重而提高抗震性能，降低工程總體造價。

  例如，據(jù)美國芝加哥地區(qū)結構工程師WillianSchmidt和EdwardSHoffman計算，為了支撐445kN的使用荷載，每層樓所需的單位比價:當使用強度為42MPa的混凝土時為5.2美元，混凝土強度為52MPa時為4.21美元，而混凝土強度為62MPa時則降至3.65美元^[2]。費城一高層辦公樓底層鋼筋混凝土柱，保持用鋼量不變，混凝土強度從41MPa提高到55MPa時，柱子斷面尺寸從915mm×1170mm減小到760mm×760mm，減小了46%^[2]。提高混凝土強度的方法是采用高標號水泥、降低水灰比和增加單方水泥用量，片面提高強度而忽視其他性能的傾向，會造成水泥生產(chǎn)向大幅度提高比表面積和增加硅酸三鈣、鋁酸三鈣的含量發(fā)展，增加了水泥中水化熱大、收縮傾向大、抗化學侵蝕性差的組分?；炷林袉畏剿嘤昧吭黾樱苍斐闪嘶炷潦湛s增大和由于內(nèi)部溫升增大、產(chǎn)生溫差應力而增加開裂的傾向。因此，混凝土的強度和耐久性雖有一定聯(lián)系，但高強不一定耐久;反之，高性能混凝土按耐久性進行設計，高性能也不一定高強，任何強度的混凝土都可實現(xiàn)高性能(考慮適用性和經(jīng)濟性，最好是C30以上)。然而，有不少人仍然認為高強度才是高性能。為了競相顯示自己的技術力量，不少工程技術人員紛紛配制出C80、C100的超高強混凝土。這種以高強度來標志混凝土科技進步的觀念，即從低強度混凝土到中等強度，再到高強度以至超高強度混凝土，長期以來已被公認。這種過分重視強度以致忽視甚至無視耐久性等重要性能的錯誤觀念，卻為水泥基材料的進步和土木工程帶來了極大的損失。

  混凝土的最大缺點是破壞時呈脆性。這種脆性破壞的傾向隨強度的提高而增加，如圖1、2的實例所示。

  由圖1可見，混凝土的強度越高，在荷載作用下破壞之前的塑性變形階段越短。圖2為只在受拉區(qū)配筋的梁，延性比為梁在破壞荷載下的撓度和使鋼筋屈服荷載下梁的撓度之比，ρ'/ρ⁰為配筋率與極限配筋率之比。由圖2可見，混凝土強度從26MPa提高到63MPa時，盡管受拉鋼筋配筋率隨之增加。而梁的撓度延性比也隨之下降。同樣，柱子的抗震延性比亦隨混凝土強度的提高而下降^[3]。 近年來，由于擔心施工單位偷工減料，有些設計人員將混凝土設計強度提高一個等級;試驗技術人員在試配時擔心一線施工質量不能保證，又取較大的標準差值，使配制強度又幾乎提高一等。對于高強混凝土更是如此，這等于又提高了混凝土強度等級，進一步增加了脆性。對地震區(qū)的結構而言，則是增加了不安全的因素。

  對結構而言，構件斷面不僅與強度有關，還有剛度的要求。無論強度多高，也要保證最小的斷面尺寸，因此對強度的要求也是有限的。像追求體育運動成績那樣追求混凝土的高強度是沒有意義的。希望將有限的力量轉到提高高強混凝土韌性的研究上，這是高強混凝土研究的難題——表現(xiàn)為其抗拉強度和抗壓強度比、斷裂能和結構構件的延性比。

  2 什么是高性能混凝土

  混凝土高強就是高性能的觀點已被高強不一定耐久所否定，但仍有人認為高性能混凝土必須是高強混凝土。從目前已取得的效果以及從工程安全性與安全使用期等要求來講，高強混凝土必須是高性能混凝土。因此高強混凝土應當包括在高性能混凝土之中，而不是相反。如果強調高性能混凝土必須高強，則必然大大限制高性能混凝土的應用范圍。大量使用的鋼筋混凝土建筑物和構筑物對強度要求并不高，但應當是耐久的。因此高性能混凝土應不只是高強度，而應包括各強度等級，這樣才有廣闊的應用范圍。提高混凝土的技術水平和質量，才能成為混凝土的發(fā)展方向。

  還有人認為，摻用礦物細摻料的混凝土就是高性能混凝土。吳中偉教授對高性能混凝土的定義為:高性能混凝土是一種新型的高技術混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎上采用現(xiàn)代混凝土技術制作的混凝土，是以耐久性作為設計的主要指標的。針對不同用途要求，對下列性能應有重點地予以保證，即耐久性、施工性、適用性、強度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。為此，高性能混凝土配制的特點是低水膠比，選用優(yōu)質材料，除水泥、水、集料外，必須摻加足夠數(shù)量的礦物細摻料和高效外加劑 ^[4] 。圖3顯示了配制混凝土 所采取的措施對達到高性能的影響。其中采用低水膠比的目的是降低混凝土溫升、增強硬化前后混凝土的體積穩(wěn)定性，同時也是摻用礦物細摻料的要求^[5] ;摻用優(yōu)質礦物細摻料的目的是為了提高施工性、體積穩(wěn)定性、密實性和抗化學侵蝕性，同時因降低水膠比和混凝土溫升而提高耐久性;使用高效減水劑的目的是保證混凝土拌合物的施工性;優(yōu)異的施工性又保證了混凝土的密實成型而提高了耐久性。

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  因此，摻用礦物細摻料只是提高混凝土性能的一個措施，而且，礦物細摻料不是簡單的摻用，必須根據(jù)工程具體要求選用合適品質的細摻料，有時還需恰當?shù)貜秃蠐接?，更不是水泥的簡單取代?

  還有人希望高性能混凝土是“傻瓜混凝土”“什么人都能做”。這種想法源于對現(xiàn)場一線施工人員素質下降而影響混凝土施工質量的無奈。實際上，任何高技術都是在解放一線工人勞動力的同時，卻對技術人員的素質提出了更高的要求。高性能混凝土由于其優(yōu)異的施工性能，給施工帶來方便，可消除由于振搗不勻而造成的缺陷，因此降低了對現(xiàn)場一線工人的要求。但是高性能混凝土的性能對原材料和配合比的變動更加敏感。低水膠比、多細摻料和高效減水劑使拌合物具有不同于普通混凝土的流變特性，要求技術人員和管理人員熟悉這種特性和質量控制的技術。因此高性能混凝土對工人要求低了，而對技術人員和管理人員卻要求高了，僅有合理的配合比是達不到高性能的。

  3 現(xiàn)行標準、規(guī)程與高性能混凝土的關系

  沒有規(guī)矩不成方圓，任何科學技術在工程上應用都必須依據(jù)標準、規(guī)范和規(guī)程，但科學技術又總是先行的，即標準、規(guī)范和規(guī)程總是滯后的。如果只是嚴格執(zhí)行標準、規(guī)范而不考慮科學技術的進步，則勢必阻礙科學技術的發(fā)展。在高性能混凝土技術的研究和推廣應用中，也必然遇到這個問題。例如由于高性能混凝土摻用高效減水劑，使用很低的水膠比，對水泥流變性能的要求高于對強度的要求，按照現(xiàn)行ISO標準在水灰比為0.5的條件下進行檢驗的水泥流變性能，就不能反映水泥在高性能混凝土中的行為^[6] 。

  事物都具有兩面性。在一定時期、一定的條件下，優(yōu)點突出的事物，其缺點往往會被忽視。在注意到一種傾向時，必須注意被掩蓋的另一種傾向，以免走彎路。例如目前我國修訂水泥標準的主要目的是“與國際接軌”，這是WTO的要求。通過推行修訂后的水泥標準，可望提高優(yōu)質水泥熟料的產(chǎn)量，優(yōu)化我國水泥生產(chǎn)的結構。按照新標準52.5號水泥必須達到舊標準的625號的強度，也就是說，實行新標準后，現(xiàn)有水泥強度必須提高一個等級。如前所述，目前提高水泥強度的路線主要是提高C3A和C3S的含量及水泥的比表面積。其結果是，在強度(尤其是早期強度)提高的同時，卻降低了后期強度增長率、儲存的性能和抗化學腐蝕的能力，提高了水化熱，增加了收縮，流變性能變差。在高性能混凝土的推廣應用中，高效減水劑與水泥相容性的問題也因此而更加突出。因此修改后的水泥標準實施后，是否可以在現(xiàn)行有關標準中增加如下相應的附加規(guī)定。

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  (1)按摻用高效減水劑的低水膠比混凝土流變性能優(yōu)化石膏的摻量^[7]，則水泥中的SO3含量比現(xiàn)有按水灰比0.5優(yōu)化的SO3含量提高約0.5個百分點。

  (2)按綠色混凝土^[8]的思路，高性能混凝土中礦物細摻料摻量將超過50%。大量試驗數(shù)據(jù)表明，應按不同用途突破現(xiàn)行規(guī)定的限量，以緩解水泥強度提高帶來的負面影響。

  (3)在水泥強度提高的情況下，也應相應提高混凝土強度。我國水泥標準修訂前，很多地區(qū)仍然大量使用425號以上的水泥配制C20混凝土，由于有最小水泥用量限制，不得不采用0.6甚至0.7的水灰比，致使混凝土的耐久性很差，這無疑是很大的浪費。

  (4)除非特殊的用途(如冬期施工、搶修工程)，建議盡量不用早強水泥，以免影響混凝土的耐久性。

  4 混凝土的可持續(xù)發(fā)展與砂石的危機

  可持續(xù)發(fā)展是以保護資源和環(huán)境以及節(jié)省能源為前提的。從少用水泥、摻用以工業(yè)廢料為主的礦物細摻料以及本身的耐久性等方面考慮，高性能混凝土是符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的。但混凝土中的砂石料占總量的70%以上，砂石的生產(chǎn)和質量也影響到混凝土能否可持續(xù)發(fā)展的問題。

  由于砂石原料來源廣泛易得，生產(chǎn)工藝簡單，價格低廉而長期不受重視，被一些人認為是取之不盡的材料而隨意浪費。近年來由于混凝土用量的猛增，對砂石產(chǎn)量的需求大大增加，原有較大規(guī)模的砂石生產(chǎn)廠家的產(chǎn)量不能滿足要求而出現(xiàn)了大量不具規(guī)模的作坊式私人采石場。有的一座山有幾十個采石場，多采用安全措施很差的炸藥爆破和落后的破碎機破碎。采用這種工藝，強度越高的巖石，針、片狀顆粒越多;粒徑越小，針、片狀顆粒越多。為保證針、片狀顆?？偭坎怀瑯?，幾乎都將10mm以下的顆粒篩除。加工后產(chǎn)生的石粉量也很大，因此石子的生產(chǎn)過程中資源的浪費嚴重，而且質量越來越差。例如對石子的要求偏重于強度，而對石子的級配則只有在標準中規(guī)定，實際上似乎越來越令人無可奈何。90年代初之前北京的石子空隙率一直為40%~43%，而目前已達46%以上，甚至達到48%以上。廣東一帶石子空隙率甚至達50%。按國家標準，建筑工程使用的石子為連續(xù)級配，最小粒徑為5mm;而目前實際混凝土用碎石一般做不到5mm以上連續(xù)級配。廣東一帶的石子則全部以??一、三??或??二、四??出售，即粒徑10~30mm或20~40mm。北京的石子實際上也沒有10mm以下的顆粒。石子中針、片狀顆粒含量居高不下。砂子的開采更是無序，有的采砂場方圓不過幾十米，設備只有一條船、一輛拖拉機、一個篩子、一臺磅秤。濫采濫用的結果，使一些大城市已經(jīng)越來越買不到高性能混凝土所需級配良好的粗砂。用現(xiàn)有的砂石必須增加漿骨比和高效減水劑摻量來滿足拌合物流動性的要求，不僅不經(jīng)濟，而且使混凝土彈性模量降低，收縮增大，從而影響耐久性。

  在混凝土的原材料中，人們長期以來只注重水泥的質量而忽視砂石的質量。盡管有砂石的國家標準，卻難以按標準控制砂石的生產(chǎn)。高性能混凝土要求石子粒徑小、粒形好，砂子粗，級配恰當，這在目前的砂石生產(chǎn)狀況下很難滿足。

  只有使砂石的生產(chǎn)集約化，達到一定的規(guī)模，才有力量改造目前落后的生產(chǎn)工藝、進行科學的質量控制和管理以及下腳料的綜合利用。否則，任憑市場盲目競爭，不僅子孫后代沒有砂石用，眼前即將出現(xiàn)砂石的危機，混凝土將無法持續(xù)發(fā)展。

  節(jié)約資源一方面需要科學開采，另一方面還需要科學使用，這就需要我們糾正一些觀念。例如對石子，如果控制了風化(軟弱)顆粒、含泥(細粉)量，對強度不必要求太高，則破碎后的粒形好，等徑狀顆粒多，針片狀顆粒少，對混凝土強度影響很小。因為相對于混凝土的強度來說，天然巖石的強度是足夠的。即使是強烈風化的低強度花崗巖，其巖石抗壓強度也達80~100MPa。石子對混凝土強度的影響主要是界面。當石子和混凝土彈性模量差別很大時(例如低強度混凝土使用高強度石子)，在水泥水化減縮和溫度、濕度變化時，二者變形不一致，會導致界面產(chǎn)生微裂縫，成為混凝土的薄弱環(huán)節(jié)；如果二者彈性模量差別縮小，則界面結合可得到加強。輕骨料混凝土的強度可以大大高于輕骨料的強度，主要是由于界面的作用。由表1的實例可見，所用石子中深康風化粗?；◢弾r強度低，但粒形好，混凝土的水膠比為0.31時，拌合物施工性能好，28d抗壓強度達71.3MPa;烏石谷致密石灰?guī)r的強度很高，但不僅針、片狀顆粒多，多數(shù)是不夠針、片狀標準的長條狀和扁狀顆粒，水膠比為0.33時拌合物坍落度也只有148mm，此時混凝土28d強度為68.8MPa。這說明混凝土性能對水膠比要比對石子強度敏感，而石子的粒形對混凝土施工性的影響則更重要。

  放寬對石子強度的要求，可擴大石子的可用資源、減少加工過程中的浪費，同時可提高石子的總體質量。

  另一個例子是，近年出于預防混凝土中堿-骨料反應的考慮，對石子的堿活性進行了控制。這是對混凝土耐久性重視的表現(xiàn)，值得慶幸。但另一方面卻限制了大量資源的利用。據(jù)調查，北京地區(qū)石子十之八九具有潛在堿活性。眾所周知，混凝土中堿-骨料反應的發(fā)生條件除骨料具有堿活性外，必須是使用高堿的水泥，必要條件則是有水。在相同條件下影響堿-骨料反應的因素還有混凝土的水膠比、骨料粒徑、溫度以及環(huán)境(如干濕交替會加速反應)等。在混凝土中摻入足夠量含有活性SiO2的礦物細摻料能使堿-骨料反應完全得到抑制。圖4、5為在水泥中摻入礦渣或粉煤灰時的抑制情況。可見抑制堿-骨料反應的礦物細摻料礦渣摻量為40%，粉煤灰摻量為30%。

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  降低混凝土的水膠比，對堿-骨料反應也有緩解作用，尤其是室內(nèi)不接觸水的構件，更沒有發(fā)生堿-骨料反應的環(huán)境條件。因此在推行高性能混凝土后，具有堿活性的骨料也可利用。然而對骨料的粒形、粒徑和級配等影響高性能混凝土性能的品質應當給予更大的重視。

  5 現(xiàn)代混凝土技術的進步和大系統(tǒng)的觀念

  人類進入現(xiàn)代文明時期以后，任何重大發(fā)明創(chuàng)造和技術進步都不可能是個人的行為，社會越發(fā)展，越需要各學科的互相協(xié)作、互相交叉和互相滲透。

  長期以來，水泥、混凝土、鋼筋混凝土構件和工程結構被劃分屬于不同學科，在不同領域的不同層次(level)上或對不同尺度(scale)的對象進行研究，在工程上也分屬不同行業(yè)。例如，一般水泥的研究屬于微觀和亞微觀(或稱細觀)層次，主要用化學和物理化學的方法研究熟料燒成和水泥的水化;混凝土的研究主要在宏觀(粗觀)層次上用物理和力學方法進行;鋼筋混凝土構件的研究則完全在宏觀層次上用力學方法進行，其間的關系是上一層次只要了解下一層次的結果。實際上，水泥，特別是混凝土，是一種復雜的、非均質的多相體，水泥漿體、混凝土，以至鋼筋混凝土結構的行為都不能用其中各組分單個行為的簡單疊加來表征。即不同層次上研究的結果均不能簡單地外推。在相同水灰比(水膠比)和外界條件下，有些細摻料在砂漿和混凝土中的行為是不同的。例如頁巖灰是一種很好的細摻料，其最佳摻量在水泥中是30%，而在混凝土中則是20%;在混凝土中摻入硅灰時，混凝土強度隨硅灰的摻量而提高;但在水泥中，水泥強度并不隨硅灰的摻量而變化，說明混凝土的行為并不取決于水泥單獨的性質和行為。這是由于眾所周知的界面的存在所引起的，如果把不同層次各自研究的結論簡單地放在一起，就會發(fā)生各性質及各因素之間的相互制約或矛盾。應當是將水泥放在混凝土中、混凝土放在鋼筋混凝土構件中、鋼筋混凝土構件放在工程中、工程放在環(huán)境(自然的和社會的)中進行研究，才能使各層次間的關系達到對立的統(tǒng)一。

  過去，在各層次研究分離的情況下，本應是整體的水泥-混凝土-工程結構，由于分屬不同領域，造成其工程技術人員"隔行"。在當前進入高性能混凝土時代之際，會出現(xiàn)矛盾而影響工程質量和混凝土科技的進步。例如，隨著建設的發(fā)展，工程結構設計人員要求提高混凝土強度，提高混凝土強度則要求水泥提高標號(為了工程的進度和經(jīng)濟的緣故還要求提高水泥早期強度);而不懂混凝土的結構設計人員并不知道 混凝土的強度是怎樣提高的;混凝土的生產(chǎn)者也不了解水泥標號(或早期強度)的提高是采取了什么措施，而這種措施反過來會對混凝土的其他性能和工程有什么影響。水泥的生產(chǎn)者并不了解混凝土技術的進展，不知道水泥的性質如何與混凝土技術相適應，結果導致發(fā)生使用外加劑的混凝土流變性能的問題、大體積混凝土的溫度應力問題、收縮開裂的問題、混凝土的長期性能問題等。水泥最終要體現(xiàn)到工程上去，向工程滲透，才能符合工程實際?；炷量茖W技術人員不僅要了解水泥除強度以外的各種物理力學性能，而且要增加一些水泥組成和工藝的知識，還應了解施工的知識和結構、構造的知識;反之，結構工程設計和施工技術人員必須深化水泥、混凝土的知識，才能知道如何對水泥提出全面而正確的要求，并正確地使用混凝土?，F(xiàn)在許多房地產(chǎn)開發(fā)者規(guī)定由甲方采購和供應主要原材料，因而需要房地產(chǎn)開發(fā)者、工程監(jiān)理人員也懂得水泥、砂石、外加劑等原材料的何種組分和性質對混凝土有何種影響;懂得結構和施工的知識，而且知識要不斷更新，否則不僅會阻礙技術進步，而且還會影響工程質量。即社會越進步，就越需要基礎知識扎實和知識面寬的技術人員，在任何領域中，若只憑經(jīng)驗，固執(zhí)己見，不能接受新事物，只會成為新技術的絆腳石。

  參考文獻

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