對半個(gè)世紀(jì)水泥質(zhì)量發(fā)展道路的反思：我們是否正在漸行漸遠(yuǎn)（一）

混凝土耐久性已經(jīng)成為一個(gè)幾乎是在全球范圍內(nèi)存在的具有普遍性的問題。在最近的半個(gè)世紀(jì)，對混凝土耐久性進(jìn)行了大量研究，至少是在試驗(yàn)研究方面給予了足夠的重視，但實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性卻越來越差。

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性由眾多因素決定，近年來人們已經(jīng)習(xí)慣于將混凝土結(jié)構(gòu)耐久性差的原因歸咎于快速且十分野蠻的施工。筆者認(rèn)為，除此之外，仍有其他一些不可忽視的因素?；炷聊途眯约礊榛炷两Y(jié)構(gòu)耐久性的一個(gè)重要方面。

半個(gè)多世紀(jì)以來，混凝土耐久性研究的文獻(xiàn)已經(jīng)多到讓閱讀者望而卻步的程度。這些研究工作，在認(rèn)識和控制導(dǎo)致混凝土劣化的各種物理與化學(xué)現(xiàn)象方面有了顯著的進(jìn)展。然而現(xiàn)實(shí)中的混凝土結(jié)構(gòu)卻更加趨于不耐久。原因之一是在試驗(yàn)室以分解論的方法獲得的耐久性試驗(yàn)的信息都是支離破碎的，不能綜合為一個(gè)對現(xiàn)場混凝土真實(shí)的長期作用的全面認(rèn)識。

作為一個(gè)例證是，試驗(yàn)室關(guān)于混凝土耐久性的研究很少將水泥作為一個(gè)影響因素考察，所用的試件也是不開裂的。但混凝土結(jié)構(gòu)的開裂現(xiàn)象普遍存在，到了令人觸目驚心的程度。而開裂是危害混凝土耐久性的重要原因。

導(dǎo)致混凝土開裂的一個(gè)不可忽視的因素是水泥質(zhì)量的變化。長期以來，我們總是假定已經(jīng)建立的通用硅酸鹽水泥的技術(shù)指標(biāo)體系，已經(jīng)完美到只需進(jìn)行小的修補(bǔ)的程度。今天，有必要十分審慎地對待這個(gè)假定，一旦它被證偽，我國近幾十年來已經(jīng)建造，和未來將要建造的價(jià)值幾十萬億的混凝土建筑物，將面臨巨額的維修和重建費(fèi)用。那將是一場災(zāi)難。

1曾經(jīng)耐久的建筑物

一些屹立了2000年之久的無筋混凝土結(jié)構(gòu)至今仍然完好；已經(jīng)使用了幾百年的建筑物至今仍在使用。

萬神殿（見圖1），建于公元前27～25年，距今約2000年。古羅馬斗獸場，建于公元72～82年，距今約1900年。加爾橋，位于法國加爾省，建于公元前20～19年，距今約2000年。

趙州橋，建于隋大業(yè)年間（公元605～618年），距今約1400年。萬里長城，建于明代（公元1500～1600年)，距今約400～500年。灤河鐵路大橋，詹天佑主持修建，1894年建成，分別于1924年、1928年和1933年幾經(jīng)戰(zhàn)爭破壞與修復(fù)，作為鐵路橋使用了50年，1944年新橋建成后改為公路橋繼續(xù)使用了30年。

倫敦塔橋（見圖2），1894年建成，距今120年。錢塘江大橋（見圖3），茅以升主持修建，1937年9月26日建成，距今78年。武漢長江大橋，1957年10月15日正式通車，距今57年。南京長江大橋，1968年9月30日鐵路橋通車，距今46年。

上海外灘建筑群，建于120年前。哈爾濱中央大街建筑群，建于100年前。北京故宮建筑群，始建于1420年，最久的建筑物距今600年。在歐洲有大量的已歷經(jīng)一二百年的建筑物仍在使用。廣州、青島、天津和武漢等城市都有大量使用了超過100年的建筑物，如今依然完好無損。

圖1建于公元前27～25年的萬神殿

圖2建于1894年的倫敦塔橋

圖3建于1937年的錢塘江大橋

2不再耐久的建筑物

圖4是在距離茅以升主持建造的錢塘江大橋不遠(yuǎn)處，1997年建造的杭州錢江三橋，2011年7月15日橋面塌落。該橋僅使用了14年。圖5是2011年建成的哈爾濱陽明灘大橋，使用一年后垮塌。圖6是2001年建成的河南義昌大橋，2013年一輛運(yùn)載鞭炮的貨車在橋上發(fā)生爆炸，橋面垮塌80m。

圖4杭州錢江三橋橋面塌落

圖5哈爾濱陽明灘大橋垮塌

圖6河南義昌大橋橋面垮塌

在全國范圍內(nèi)，對于既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性尚缺乏全面系統(tǒng)的調(diào)查與評價(jià)。局部的調(diào)查資料顯示了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性存在著嚴(yán)重問題。我國北方部分城市的調(diào)查表明[5]，在役混凝土橋梁鋼筋銹蝕、混凝土開裂現(xiàn)象較普遍，如北京、天津的眾多立交橋在運(yùn)行10余年后因鋼筋銹蝕和混凝土凍蝕陸續(xù)進(jìn)行過大修或部分更新，天津?yàn)I海的3座混凝土橋使用8～10年后橋墩鋼筋遭嚴(yán)重銹蝕，保護(hù)層普遍剝落。

近年一項(xiàng)全國性的橋梁狀況調(diào)查結(jié)果顯示，截至2010年，全國有危橋93525座。對浙江省橋梁的調(diào)查結(jié)果顯示，截至2003年底，浙江省有橋梁18520座，其中危橋247座。文獻(xiàn)對北京市混凝土結(jié)構(gòu)耐久性進(jìn)行了調(diào)查，北京市的自然環(huán)境對混凝土耐久性并不嚴(yán)酷，除冬季低溫以外無明顯混凝土耐久性劣化因素，調(diào)查結(jié)果顯示混凝土耐久性存在的問題相當(dāng)嚴(yán)重。

3美國混凝土的毀滅之路

1987年在美國亞特蘭大召開的第一屆混凝土耐久性國際會議上，英國的A·M·內(nèi)維爾（A.M.Neville）指出[10]：“這次研討會是涉及混凝土耐久性的，有幸提出一個(gè)問題：為何在這些年的研究工作后，仍然存在這么多混凝土耐久性的問題，甚至可能比50年前的問題還要多？”

此后混凝土耐久性的研究論文幾乎呈幾何級數(shù)增加。1991年在加拿大蒙特利爾召開的第二屆國際混凝土耐久性會議上，美國伯克利大學(xué)的庫馬爾·梅塔（KumarMehta）教授在題為“混凝土耐久性——進(jìn)展的五十年?”的發(fā)言中指出：“從提高耐久性的角度，盡管有一些似乎是重要的有價(jià)值的發(fā)現(xiàn)，然而與50年前相比，今天的混凝土結(jié)構(gòu)更加缺乏耐久性”。

美國墾務(wù)局理查德·W·伯羅斯為我們描繪了一條美國混凝土的毀滅之路，見圖7。2003年6月18日，他在ASTM CO1.99/CO9.99委員會上指出：我們肯定誤入了歧途。50年來，我們一絲不茍地遵照不斷細(xì)化和改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)制備混凝土，但是混凝土的開裂情況反而比50年前更加嚴(yán)重。

原因不外乎兩種：一是我們使用的水泥過量，二是波特蘭水泥變得更易開裂。盡管遭受除冰鹽環(huán)境，但是多倫多地區(qū)165座20世紀(jì)50年代建造的大橋，至今還沒有出現(xiàn)開裂，而最近建造的大橋在建成后3個(gè)月內(nèi)就出現(xiàn)了不同程度的裂縫。過分強(qiáng)調(diào)高早強(qiáng)與低滲透性導(dǎo)致了現(xiàn)代混凝土更容易開裂。

圖7　美國混凝土的毀滅之路

1955年，政府為了除去高速公路上的冰而加大了除冰鹽的使用。20世紀(jì)60年代，把裂縫的增加歸咎于除冰鹽引起的鋼筋銹蝕，然而理查德·W·伯羅斯認(rèn)為：裂縫的增加實(shí)際是與波特蘭水泥標(biāo)準(zhǔn)的改變以及較高的水泥用量相關(guān)。

1973年，美國國家公路與運(yùn)輸協(xié)會（AASHTO）把混凝土的最大水灰比從0.53降低到0.45，最低強(qiáng)度從3000psi提高到了4500psi，并開始使用環(huán)氧涂層鋼筋。環(huán)氧涂層鋼筋的黏結(jié)強(qiáng)度下降了35%，導(dǎo)致鋼筋滑移和混凝土開裂加劇。

1974年（為時(shí)已晚），弗吉尼亞州運(yùn)輸部發(fā)現(xiàn)：當(dāng)他們在1966年把混凝土的最低強(qiáng)度從3000psi（21MPa）提高到4000psi（28MPa）時(shí)，橋面的開裂概率從11%升高到29%。后來美國交通運(yùn)輸研究委員會（TRB）第380號報(bào)告指出，開裂概率為52%。

1983年，大衛(wèi)·懷?。―avid Whiting）的快速氯離子侵入試驗(yàn)方法被確認(rèn)為美國國家公路與運(yùn)輸協(xié)會（AASHTO）T277標(biāo)準(zhǔn)。高抗離子侵入混凝土的電通量值建議為1000C。如此低的電通量要求，不得不使用硅灰和非常低的水灰比，這又增加了混凝土的開裂幾率。

1990年左右，美國聯(lián)邦公路管理局（FHWA）高級研究所主任湯姆·巴斯柯（Tom Pasko），提出了“高性能混凝土”（HPC）的概念。美國公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃（SHRP）定義高性能混凝土為：4h齡期強(qiáng)度3000psi（21MPa）或28d齡期強(qiáng)度10000psi(70MPa)的混凝土。這簡直就是一場災(zāi)難。這種混凝土是非常容易開裂的。

美國混凝土協(xié)會（ACI）試圖糾正這個(gè)問題，即定義高性能混凝土為提高某些性能以滿足特定用途和環(huán)境的要求。然而，他們的努力是徒勞的，因?yàn)榛炷列阅艿奶岣咄岣叩氖腔炷恋脑缙趶?qiáng)度。庫馬爾·梅塔定義抗裂性能為“延展性”，盡管1998年在亞特蘭大波特蘭水泥研究所（PCI）會議上，德克薩斯州運(yùn)輸局的瑪麗·路·羅爾斯（Mary Lou Ralls）建議抗裂性能應(yīng)該納入高性能的范疇，但在混凝土性能提高的清單上仍沒有看到。

1996年，一篇美國聯(lián)邦公路管理局（FHWA）資助的學(xué)術(shù)論文把高性能混凝土分為4個(gè)“性能等級”。對于科羅拉多地區(qū)，由于每年有超過50次的凍融循環(huán)，建議使用性能等級2、強(qiáng)度要求為8000psi(56MPa)到10000psi(70MPa)的混凝土。而波特蘭水泥協(xié)會(PCA）多年研究發(fā)現(xiàn)，水灰比為0.79的引氣混凝土暴露在芝加哥(斯科基)的氣候環(huán)境中，25年未受破壞。可見，這個(gè)建議是多么的荒謬。

據(jù)克勞斯（Krauss）和羅格洛（Rogalla）研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)度為8000psi(56MPa)的混凝土是非常容易開裂的。1996年他們在調(diào)查全國的橋面（交通運(yùn)輸研究委員會380號報(bào)告/TRB Report380）之后，建議應(yīng)盡可能地降低水泥用量。不久之后，德克薩斯州圣安格魯和盧埃特間的第一座高性能混凝土大橋的開裂，以及科羅拉多州第一座高性能混凝土大橋1～25段和耶魯大道的開裂，都有力地支持了這一觀點(diǎn)。

在丹佛老城區(qū)，一段數(shù)英里長的采用非引氣混凝土修建的排水溝及其邊緣部分，長年被水浸泡而沒有出現(xiàn)剝落?；谶@一點(diǎn)，理查德·W·伯羅斯認(rèn)為在自然條件下，只有嚴(yán)重開裂的混凝土才會遭受凍融循環(huán)而破壞。其他研究者，如庫馬爾·梅塔博士也持有相同的觀點(diǎn)。

紐倫在1974年發(fā)現(xiàn)，1966年混凝土強(qiáng)度從3000psi（21MPa）提升到4000psi（28MPa）時(shí)，弗吉尼亞橋面混凝土的橫向裂縫增多了。1961年一項(xiàng)調(diào)查表明，10%的混凝土有橫向裂縫，1972年增加到25%。調(diào)查的混凝土包括566個(gè)剛建不到5年的橋跨板。1996年克勞斯和羅格拉發(fā)現(xiàn)美國52%的橋有早期橫向開裂現(xiàn)象。在科羅拉多地區(qū)并沒有因鋼筋銹蝕而引起混凝土膨脹破壞的現(xiàn)象。所發(fā)現(xiàn)的鋼筋銹蝕也是由于混凝土的預(yù)先開裂而造成的。在科羅拉多地區(qū)，沒有氯離子滲透問題，但是有混凝土開裂問題。溫度收縮和干燥收縮會導(dǎo)致混凝土開裂，從而使混凝土遭受凍融破壞。

美國聯(lián)邦公路局的高性能混凝土計(jì)劃過于強(qiáng)調(diào)高強(qiáng)，使得混凝土的開裂問題加劇，他們在科羅拉多的示范橋梁工程就開裂了；過于強(qiáng)調(diào)低滲透性的重要，使制備的混凝土更密實(shí)、強(qiáng)度更高，但同時(shí)也增大了混凝土的脆性和易開裂性。目前過多依賴粉煤灰和礦渣粉的摻入來解決混凝土的耐久性問題。最近的研究表明，這些材料對混凝土耐久性的改善沒有人們預(yù)想的有效。這提示我們必須更加重視水泥的性能。

在1940年，美國Ⅱ型水泥中的C3A和C3S含量分別限制在8%和50%。但是在1960年，這種規(guī)定已經(jīng)改變了。根源在于工程承包商意識到：如果提高水泥早期強(qiáng)度，他們就能獲得更多的利潤。由于對水泥細(xì)度和C3S含量沒有限制，美國Ⅱ型水泥已正變得越來越容易開裂。這都是為了獲得更高的早期強(qiáng)度以滿足更快的施工。在德國、挪威和瑞典，仍然繼續(xù)生產(chǎn)和使用水化速率較慢﹑更抗裂的水泥。1987年A·M·內(nèi)維爾指出：混凝土的性能劣化，是由于沒有對水泥細(xì)度、C3S含量和早期強(qiáng)度限制的結(jié)果[。有超過66項(xiàng)研究都表明，任何提高水泥水化速度的因素，都會降低混凝土耐久性。

1925年，美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(ASTM) C150的創(chuàng)始人P·H·貝茨（P.H.Bates)試圖在他的粗顆粒水泥混凝土中誘導(dǎo)塑性收縮開裂，但是失敗了。1940年，P·H·貝茨就關(guān)注普通水泥（Ⅰ型）的開裂趨勢，當(dāng)時(shí)，水泥的7d立方體抗壓強(qiáng)度大約在3000psi（21MPa）。因此，他提出了7d立方體抗壓強(qiáng)度在2500psi（17MPa）的低強(qiáng)Ⅱ型水泥。貝茨為了減少因溫度應(yīng)力而產(chǎn)生的開裂，限制了水泥中C3S和C3A的含量。在一段時(shí)間內(nèi)，Ⅱ型水泥表現(xiàn)出良好的性能。但后來這種水泥卻逐漸在減少，以致在今天已經(jīng)接近消亡。

盡管水泥越來越細(xì)，但承包商依然給水泥廠施壓，使其要求美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(ASTM)水泥委員會取消對C3S含量不大于50%的規(guī)定。作為一個(gè)折中的辦法，水泥委員會提出了中熱水泥標(biāo)準(zhǔn)，其中C3A和C3S的總含量限制在58%以內(nèi)。然而，幾乎沒有廠家執(zhí)行這項(xiàng)規(guī)定。水泥廠爭相提高早期強(qiáng)度，不斷提高熟料C3S含量和使水泥細(xì)度變細(xì)。1965年，美國混凝土專家布萊恩特·馬瑟(Bryant Mather)訪問歐洲時(shí)發(fā)現(xiàn)，歐洲在幾年前就對水泥早期強(qiáng)度最大值作出了限制。當(dāng)他向美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(ASTM)水泥委員會提議這件事時(shí)，卻被嘲笑了。

后來，水泥的早期強(qiáng)度仍然在不斷提高，但是，就像運(yùn)動(dòng)員為提高其競技成績服用類固醇一樣，副作用也是在所難免的。美國從20世紀(jì)30年代開始，把水泥中的C3S含量由30%提高到50%，把細(xì)度由允許大于75μm的顆粒含量為22%，改為基本為零。70年后的今天，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，1930年前修建的橋梁有67%保持完好，而1930年后修建的橋梁只有27%保持完好。

隨著混凝土強(qiáng)度的增加，混凝土的自收縮、溫度收縮和干燥收縮產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力加劇。同時(shí)高強(qiáng)混凝土沒有足夠的早期徐變能力來釋放這些應(yīng)力。較高的彈性模量也會導(dǎo)致混凝土開裂。

高強(qiáng)混凝土易于開裂的原因有水泥用量太高和水化速率太快，或二者共同作用的結(jié)果。水泥組成（影響水泥水化速率）和細(xì)度的影響比水泥用量更加顯著[13]。本茨（Bentz）等人（1999）指出，水泥細(xì)度對自收縮的影響非常大。因此，人們建議高性能混凝土使用粗磨水泥。

庫馬爾·梅塔和理查德·W·伯羅斯總結(jié)了近百年美國混凝土發(fā)展道路，從20世紀(jì)混凝土施工的實(shí)踐中，得出下述結(jié)論：

1）在20世紀(jì)進(jìn)行大量的現(xiàn)場調(diào)查表明：自20世紀(jì)30年代以來，無論是水泥還是混凝土的強(qiáng)度，都提高了，而與此相伴隨的，則是劣化問題相應(yīng)地加劇。

2）通用水泥C3S含量逐漸增大與細(xì)度逐漸變細(xì)，使這些水泥的早期強(qiáng)度非常高，而現(xiàn)今又趨向生產(chǎn)水泥用量大、早期強(qiáng)度高的混凝土拌合物。與早期的普通混凝土相比，現(xiàn)今混凝土由于徐變小，而溫度收縮、自身收縮與彈模大，更易于開裂?；炷恋母邚?qiáng)度與早期開裂之間存在著密切的、逆反的關(guān)系。

3）開裂與暴露于侵蝕性環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)的劣化之間，存在著密切的關(guān)系。

4）即使施工規(guī)范，混凝土結(jié)構(gòu)過早地劣化仍會發(fā)生，說明在現(xiàn)行規(guī)范中對混凝土耐久性的要求存在某些誤區(qū)（后面將進(jìn)一步討論這個(gè)問題）。

5）在考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)的服務(wù)壽命時(shí)，要慎用試驗(yàn)室所做的混凝土耐久性試驗(yàn)結(jié)果，因?yàn)榛炷灵_裂在很大程度上取決于試件尺寸、養(yǎng)護(hù)經(jīng)過和環(huán)境條件。試驗(yàn)室的試件小，且體積變化通常不受約束。以用量大、水化快的富水泥拌合物進(jìn)行的試驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果，滲透性可以很低，但這種拌合物用于處在干濕、冷熱和凍融反復(fù)循環(huán)環(huán)境中的結(jié)構(gòu)就未必耐久。在這種環(huán)境里，養(yǎng)護(hù)不足的大摻量粉煤灰或礦渣混凝土在現(xiàn)場也會開裂和劣化，同時(shí)養(yǎng)護(hù)良好的試件在試驗(yàn)室里呈現(xiàn)出優(yōu)異的抗?jié)B透性能。

4我國半個(gè)世紀(jì)水泥質(zhì)量的變遷

以準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)全面回顧半個(gè)世紀(jì)水泥質(zhì)量變遷，將是一項(xiàng)繁復(fù)浩大的工程。限于時(shí)間和精力，本文只進(jìn)行了有限的工作。這些工作包括：

①請啟新水泥廠、華新水泥廠、牡丹江水泥廠、琉璃河水泥廠前輩質(zhì)量管理人員回憶當(dāng)年的數(shù)據(jù)。資深水泥專家張大同先生于此給予了很大幫助。

②查閱筆者三十余年積累的技術(shù)資料。

③查閱已有技術(shù)文獻(xiàn)。

④對水泥廠進(jìn)行調(diào)查，取得近年和當(dāng)前的情況。

綜合上述調(diào)查工作，總結(jié)出的我國水泥強(qiáng)度、細(xì)度變化數(shù)據(jù)列于表1，示于圖8。

表1我國水泥強(qiáng)度和細(xì)度變化

注：

①強(qiáng)度數(shù)據(jù)并非完全依據(jù)參考文獻(xiàn)，個(gè)別數(shù)據(jù)綜合其它方面的結(jié)果進(jìn)行了修正。

②1977年以前的日本軟練法強(qiáng)度數(shù)據(jù)，蘇聯(lián)硬練法強(qiáng)度數(shù)據(jù)均根據(jù)文獻(xiàn)[15]中的換算公式，先換算為中國軟練法數(shù)據(jù)，再依據(jù)RISO=0.906RGB-5.08（張大同提供）換算為ISO法數(shù)據(jù)。

③1977～1999年的中國軟練法數(shù)據(jù)，依據(jù)RISO=0.906RGB-5.08換算為ISO法數(shù)據(jù)。

 ④由于目前我國立窯水泥占比已經(jīng)很小，并且過去立窯水泥也很少用于結(jié)構(gòu)部位，表中數(shù)據(jù)未包含立窯水泥。

圖8顯示，半個(gè)世紀(jì)以來，我國水泥強(qiáng)度逐步升高，細(xì)度逐步變細(xì)。

圖8半個(gè)世紀(jì)以來我國水泥強(qiáng)度、細(xì)度變化

如今新型干法水泥產(chǎn)量在全部通用硅酸鹽水泥中的占比已幾近100%。新型干法生產(chǎn)給水泥質(zhì)量帶來巨大變化。由于預(yù)分解窯的煅燒強(qiáng)度提高使得KH控制值提高，意味著鮑格公式計(jì)算的C3S含量提高，同時(shí)預(yù)分解窯采用的急燒快冷熱工制度，使得C3S實(shí)際含量比鮑格公式計(jì)算值高出許多。因此，熟料的C3S實(shí)際含量由50年前的50%，提高到了65%～68%。由于預(yù)分解窯揮發(fā)性組分循環(huán)的存在，使得熟料中包括堿在內(nèi)的揮發(fā)性組分含量較過去也有顯著提高。這兩個(gè)因素都導(dǎo)致水泥早期水化速率在增加，強(qiáng)度增加。熟料C3A含量在幾十年間沒有顯著增加，但由于堿含量的增加，導(dǎo)致熟料中高活性的斜方晶系C3A含量有所增加，C3A的總體水化速率增加。

5結(jié)束語

回望中外半個(gè)世紀(jì)水泥、混凝土質(zhì)量發(fā)展的歷史，可以看到一個(gè)不容忽視的基本事實(shí)，那就是盡管在混凝土、水泥的技術(shù)方面取得了一系列令人矚目的進(jìn)步，盡管在混凝土耐久性的各個(gè)具體方面有了更加深入的了解，但實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性卻變得越來越差了。一個(gè)重要原因是半個(gè)多世紀(jì)以來水泥質(zhì)量的變遷。這些變遷主要包括：熟料C3S含量增加，水泥強(qiáng)度增加，細(xì)度變細(xì)，堿含量增加。這些因素是否與混凝土開裂和耐久性有關(guān)，或者它們就是導(dǎo)致混凝土耐久性劣化的根本原因？對此筆者將另文討論。