現代普通混凝土的高性能化

林力勛

（中國建筑第四工程局有限公司，廣州 510665）

現代普通混凝土的高性能化

林力勛

（中國建筑第四工程局有限公司，廣州 510665）

作者根據對高性能混凝土的理解，闡述了普通混凝土實現高性能化的意義、依據、方法和手段，也談到管理工作對維持普通混凝土耐久性所起的重要作用。

普通混凝土；高性能；耐久性；配合比；環境

1 問題的提出

現在人們談到高性能混凝土時首先要求高強度，混凝土強度等級至少要達到C60甚至C80，似乎只有高強混凝土才能成為高性能混凝土。誠然，混凝土強度是混凝土性能的綜合反映，一般在正常設計情況下，混凝土強度等級高其他性能也相對較好。然而，要獲得高強混凝土，我們必須付出相應代價：

（1）需選用高強度水泥，這會增加工業能耗和碳排放；

（2）需選用優質砂石骨料，并對其級配、粒徑和潔凈度等有較高要求，資源有限；

（3）為了減少水化熱，需選用優質的各種摻合料，資源有限，價格昂貴；

（4）要盡可能降低水膠比，同時為了要滿足混凝土拌和物的工作性，需用昂貴的高效外加劑，且摻量較大；

（5）拌制低水膠比混凝土，時間要延長，能耗要增加；

（6）泵送及施工低水膠比混凝土能耗相對較高；

（7）養護工作要求高，尤其是早期；

（8）高強混凝土對影響強度的因素較為敏感，故其質控體系的費用較高；

（9）結構設計人員對高強混凝土的脆性仍沒有成熟的解決方案；

（10）高強混凝土配合比配制的直接成本高。

由此可見，通過高強來實現高性能成本是很高的，如果實際工程設計上需要這種高強度，這樣做是值得的。但量大面廣的混凝土工程卻在使用中等強度等級的混凝土（C25～C50），如長江三峽大壩混凝土大多在C25～C30，南京地鐵工程大量應用的混凝土強度也是C25～C30，設計使用壽命卻要求100年；青藏鐵路線上的橋墩混凝土強度多為C30；英國黑山核電站全部使用C20～C40級混凝土等等。通常的工業與民用建筑工程混凝土設計強度多在中等，設計使用壽命要求在50～100年。此時，過高的強度是浪費，而如何保證混凝土的耐久性成則為問題的關鍵。

2 高性能混凝土的本質

我國開展高性能混凝土的研究已有20年，但高性能混凝土不像高強混凝土可以用單一的強度指標予以明確定義，因為不同的工程對象在不同的環境下對混凝土的性能有不同的要求，故混凝土的性能可隨使用條件而變。由于傳統混凝土在現階段暴露出來的問題集中反映在耐久性上，所以高性能混凝土的提出首先是基于耐久性的考慮。

中國工程建設標準化協會標準《高性能混凝土應用技術規程》CECS207:2006對高性能混凝土的定義為“采用常規材料和生產工藝，具有混凝土結構所要求的各項力學性能，且具有高耐久性、高工作性和高體積穩定性的混凝土。”定義中的前兩句是指普通混凝土，而工作性和早期的體積穩定性也是普通混凝土應該具備的，后期的體積穩定性則屬于耐久性的范疇。于是我們可以這樣理解當普通混凝土具有“高耐久性”時，就成為高性能混凝土。

高性能混凝土的核心是保證耐久性。耐久性對工程量浩大的混凝土工程來說意義非常重要，若耐久性不足，將會產生極嚴重的后果，甚至對未來社會造成極為沉重的負擔。據美國一項調查顯示，美國的混凝土基礎設施工程總價值約為6萬億美元，每年所需維修費或重建費約為3千億美元。美國50萬座公路橋梁中20萬座已有損壞，平均每年有150～200座橋梁部分或完全坍塌，壽命不足20年；美國共建有混凝土水壩3000座，平均壽命30年，其中32%的水壩年久失修；而對二戰前后興建的混凝土工程，在使用30～50年后進行加固維修所投入的費用，約占建設總投資的40%～50%。回看中國，我國50年代所建設的混凝土工程已使用40余年。如果平均壽命按30～50年計，那么在今后的10～30年間，為了維修這些建國以來所建的基礎設施，耗資必將是極其巨大的。而我國目前的基礎設施建設工程規模宏大，每年高達兩萬億元人民幣以上。照此來看，約30～50年后，這些工程也將進入維修期，所需的維修費用和重建費用將更為巨大。因此，發展高性能混凝土更要從提高混凝土耐久性入手，以降低巨額的維修和重建費用。

3 普通混凝土的耐久性概念

混凝土是一種人工材料，其性能可以事先設計。普通混凝土配合比設計要達到四個目標：一是滿足結構所需要的強度及其他力學性能，安全需要；二是混凝土拌合物有良好的工作性，施工需要；三是有足夠的耐久性，壽命需要；四是成本合理，經濟需要。對于中等強度等級的混凝土一、二和四目標并不難實現，值得考慮的只有第三個——耐久性，它是工程的使用壽命，是工程質量得以量化的集中表現。

混凝土的耐久性含義較廣，標準CECS207:2006對其定義為“混凝土在所處工作環境下，長期抵抗內、外部劣化因素的作用，仍能維持其應有結構性能的能力。”這些能力包括抗滲、抗凍、抗裂、抗碳化、抗化學腐蝕、抗疲勞、氯離子滲透、堿骨料反應、收縮徐變及后期強度等等。顯然，要使混凝土十全十美，具有上述所有性能是做不到的，也是不經濟的。因為一般而言混凝土所處的環境是相對穩定的，有些性能也是互相矛盾的。如混凝土不可能同時處于酸腐蝕和堿腐蝕的環境中，又如混凝土內的高堿環境對于鋼筋鈍化防銹和抗碳化是有利的，但對預防堿骨料反應卻不利。所以，根據普通混凝土所處的環境條件來有針對性的設計其耐久性才是科學合理的。正如美國混凝土協會（ACI）對高性能混凝土的解釋是：“當混凝土的某些特性是為某一特定的用途和環境而制定時，這就是高性能混凝土。”

4 普通混凝土的耐久性設計

《混凝土結構耐久性設計規范》GB/T50476-2008將混凝土所處的環境分為五類：一般環境（Ⅰ）、凍融環境（Ⅱ）、海洋氯化物環境（Ⅲ）、除冰鹽等其它氯化物環境（Ⅳ）和化學腐蝕環境（Ⅴ）。混凝土結構設計使用年限按《工程結構可靠性設計統一標準》 GB50135的規定分為不低于50年和不低于100年。針對不同的環境和年限要求，設計人員要關注混凝土的配合比設計（尤其要注意混凝土最低強度等級、最少膠凝材料用量和最大水膠比的控制）和鋼筋保護層厚度的選擇。

4.1 一般環境（Ⅰ）

該環境對混凝土的作用等級分為三種，第一種是輕微（Ⅰ—A）,指混凝土處于室內干燥或永久靜水浸沒的環境。這是對混凝土最為有利的環境，此時只有正常大氣作用下混凝土的自然碳化會影響混凝土對鋼筋的保護。雖然在干燥環境中混凝土會慢慢碳化，但由于缺水使鋼筋難于銹蝕；處于水中的混凝土由于缺乏氧氣不會碳化，鋼筋也不會銹蝕，而且水中混凝土處于永久養護狀態，后期性能還會逐漸改善。第二種是輕度（Ⅰ-B）, 指混凝土處于露天（但不接觸或偶爾接觸雨水）或室內潮濕環境，這種情況與 （Ⅰ—A）差別不大。第三種是中度（Ⅰ—C），指混凝土處于干濕交替環境。在干濕交替的反復作用下，混凝土碳化有條件進行，同時鋼筋銹蝕過程由于水分和氧氣的交替供給而顯著加強，這是對鋼筋混凝土不利的。

絕大部分工業與民用建筑結構混凝土屬于 （Ⅰ—A）和（Ⅰ—B）環境，此時依靠混凝土本身的耐久性質量、適當的保護層厚度就能達到所需的耐久性，不用考慮附加措施。如選擇強度等級不低于C25,保護層厚度不少于20～25mm, 就可滿足設計使用年限50年甚至100年的要求。而大部分市政設施、橋梁和隧道混凝土屬于（Ⅰ—C）環境，選擇強度等級不低于C40,保護層厚度不少于40mm并采取適當的防排水措施，在無凍融情況下， 也可滿足設計使用年限50年甚至100年的要求。

4.2 凍融環境（Ⅱ）

長期與水體直接接觸并會發生反復凍融的混凝土應考慮凍融環境的作用。混凝土之所以受凍破壞是因為在低溫下，混凝土中的水結冰產生膨脹。混凝土凍融破壞需要兩個條件：一是混凝土內要含水，且飽水率要達85%以上，否則混凝土是不怕凍的；二是要有足夠的長時間的低溫，最冷月平均氣溫-3～2.5℃為微凍，-8～-3℃為寒冷，-8℃以下為嚴寒，高于2.5℃的地區可不考慮凍融環境作用。凍融環境（Ⅱ）對混凝土的作用等級分為三種：

第一種是中度（Ⅱ—C），指混凝土在無鹽微凍高度飽水或寒冷、嚴寒中度飽水。這種情況混凝土基本上不會嚴重受凍，因為要么溫度不夠低，要么混凝土飽水率不夠。選用強度等級不低于C40，保護層厚度不低于30mm的混凝土即可。

第二種是嚴重（Ⅱ—D）, 指混凝土在有鹽微凍高度飽水或寒冷、嚴寒中度飽水或寒冷和嚴寒無鹽高度飽水。這時要按抗凍混凝土設計，設計要點如下：

（1）混凝土強度等級不低于C45，保護層厚度不低于35mm；

（2）選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，不宜使用其它品種水泥，水膠比不大于0.4；

（3）細骨料無堿活性，含泥量≤3.0%，泥塊含量≤1.0%，云母等雜質含量≤1.0%，堅固性試驗質量損失≤8%;

（4）粗骨料無堿活性，連續級配，含泥量≤1.0%，泥塊含量≤0.5%，堅固性試驗質量損失≤8%;

（5）可使用引氣型減水劑，使混凝土含氣量達4%～5%,此時混凝土強度可能會降低，但不要超過10%，也不能低于結構要求的強度等級；

（6）設計完成后，尚應增加抗凍融性能試驗。

第三種情況是非常嚴重（Ⅱ—E）, 指混凝土在寒冷、嚴寒地區的有鹽環境高飽水。混凝土設計要點如下：

（1）混凝土強度等級不低于C45，保護層厚度不低于40mm；

（2）水泥、砂石要求同上；

（3）可摻入高活性微細摻合料（如硅粉等），以提高混凝土的密實度和后期性能；

（4）使用高效減水劑，進一步降低水膠比以提高混凝土的密實度和強度；

表1 抗凍耐久性指數要求

（5）對重要及大型工程，應進行混凝土的抗凍耐久性指數DF試驗，即混凝土試件經300次快速凍融循環后其動彈性模量E1與初始值E0的比值 DF=E1/E0，如在達到300次循環之前E1已降至初始值的60%或試件重量損失已達到5%，以此時的循環次數N計算DF值，DF=0.6×N/300；DF（%）值應滿足表1要求。

4.3 氯化物環境

氯離子進入鋼筋混凝土后，引起鋼筋銹蝕并發生體積膨脹，使混凝土喪失對鋼筋的握裹力，產生順筋裂縫、剝落而破壞。這種破壞一旦發生將是很快的，后果也非常嚴重，往往無法修復，但它一定是針對鋼筋混凝土的，素混凝土則不必擔心。

4.3.1 海洋氯化物環境（Ⅲ）

海洋和近海地區接觸海水氯化物的配筋混凝土工程處于這種環境，該環境對混凝土的作用分為四種情況：第一種是中度（Ⅲ—C），指永久浸沒于海水中的混凝土，如橋墩、基礎。這時由于水中缺氧使銹蝕發展速度變得極慢甚至停止，故鋼筋銹蝕危險性不大。第二種是嚴重（Ⅲ—D），指混凝土處于海平面15m高度以上的海上大氣區和距海岸線100～300m區域(輕度鹽霧區)。第三種是非常嚴重（Ⅲ—E），指混凝土處于海平面15m高度以下的海上大氣區和距海岸線100m以內的區域 （重度鹽霧區)，以及在非炎熱條件下的潮汐區和浪濺區。第四種是極端嚴重（Ⅲ—F），指混凝土處于炎熱條件下的潮汐區和浪濺區。海洋上空和近海地區的大氣中都有氯離子，故稱鹽霧，離海越近濃度越高。鹽霧中的氯離子可隨風飄到海面上空和附近的混凝土上，如橋墩、橋梁及海岸附近的建筑等，據調查離岸100m內的戶外混凝土中的鋼筋均發生嚴重銹蝕；在潮汐區和浪濺區，不但氯離子濃度高，還有海浪拍打和干濕循環作用，使氯離子在混凝土中的滲透速度加快；如果前述情況再處于炎熱高溫時，電化學反應加速，鋼筋銹蝕加劇。

4.3.2 除冰鹽等其它氯化物環境（Ⅳ）

這是人為制造的氯化物環境，在冬季為了防止公路、橋梁上面結冰，保證行車安全，人們沿途撒下大量的工業鹽以降低水的冰點。除冰鹽對混凝土有雙重破壞：一方面除冰鹽直接接觸混凝土表面，融雪過程中的溫度驟降以及混凝土的含鹽雪水蒸發結晶都會導致混凝土表面開裂剝落，即鹽凍破壞；另一方面鹽中氯離子不斷向混凝土內部遷移，引起鋼筋銹蝕。氯離子還會隨著車輪被帶到更遠的地方，如隧道、室內停車場等；也會隨水流入不易被清洗的混凝土構件接縫處和地下土體，長期對這些部位的混凝土產生不利影響。除冰鹽對混凝土結構造成極其嚴重的腐蝕，不進行耐久性設計的橋梁在除冰鹽環境下只需幾年或十幾年就需要大修甚至被拆除。發達國家使用含氯除冰鹽融化道路積雪已有四十年的歷史，但迄今尚無更為經濟的替代方法。

上述兩種情況是露天配筋混凝土面臨的最多的也最為嚴重的腐蝕環境，除了氯化物腐蝕外，還存在大量的硫酸鹽腐蝕，是對混凝土耐久性的最大威脅，也是混凝土設計人員必須認真對待的問題。設計建議如下：

（1）混凝土強度等級不低于C45，保護層厚度不低于50mm；

（2）優先選用礦渣硅酸鹽水泥或火山灰質硅酸鹽水泥，如用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥時，可配合摻入大量（占膠凝材料總量的比例≥40%）礦粉、粉煤灰和硅粉，膠凝材料總量不少于400kg/m3,同時使用高效減水劑，水膠比不大于0.40；

（3） 砂石要求除前述外，砂中氯離子對鋼筋混凝土要≤0.06%，對預應力混凝土要≤0.02%；

（4） 有凍融時宜摻入引氣劑，使混凝土含氣量達到4%～5%；

（5） 對重要及大型工程，除了要做混凝土抗凍耐久性指數DF試驗外，還應做氯離子擴散系數試驗，且應滿足表2要求；

表2 氯離子擴散系數要求

（6） 混凝土的施工縫、連接縫不要設在水位變動區和浪濺區，伸縮縫處要采取防腐措施，混凝土表面要光滑、不積水；

（7） 當上述措施仍不能保證50～100年設計使用年限時，還應考慮其他附加措施：在混凝土中添加鋼筋阻銹劑，如亞硝酸鈉，對鋼筋涂刷有機或無機防銹涂料，混凝土表面涂刷防腐面層，實施對鋼筋的陰極保護等等；

（8） 對工程定期“體檢”，通過檢測及時發現問題采取補救措施。

4.4 化學腐蝕環境（ⅴ）

化學腐蝕主要指地下水、土壤中的硫酸鹽和酸類（如酸雨）等對混凝土的腐蝕。硫酸鹽溶液和水泥石中的氫氧化鈣及水化鋁酸鈣發生化學反應，生成石膏和硫鋁酸鈣，產生體積膨脹，使混凝土瓦解。其特征為混凝土表面發白，棱角處開始損害，接著裂縫開展并剝落，使混凝土成為一種易碎松散狀態；另外，酸類物質消耗氫氧化鈣使得混凝土迅速中性化，喪失對鋼筋的保護，從而鋼筋銹蝕引起混凝土開裂破壞。當水中的大于1000mg/L或pH值小于5.5時，要采取措施保護混凝土。設計建議與4.3節內容類似，只補充兩點：

（1） 優先選用抗硫酸鹽水泥配制混凝土，如用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥時，可配合摻入大量礦粉、粉煤灰和硅粉，使水泥中的C3A含量≤5.0%；

（2） 如有可能，使用高壓蒸汽養護的預制混凝土構件替代現澆混凝土。因為經過高壓蒸養，混凝土水化產物穩定得多，改善了混凝土的抗硫酸鹽性能。

4.5 堿—骨料反應的預防

4.5.1 堿—骨料反應的條件及分析

在混凝土中是否會產生堿-骨料反應（Alkali Aggregate Reaction簡寫AAR）是其耐久性的一個重要指標。它是指混凝土中的堿與骨料中的活性成分，在混凝土澆筑成型后逐漸發生化學反應，其反應生成物導致混凝土產生膨脹開裂的現象。AAR通常進行得很慢，由此引起的破壞往往經過若干年甚至數十年后才會出現，一旦出現則無法補救，故AAR被稱為混凝土的“癌癥”。

盡管AAR帶來的后果非常嚴重，但實際工程中出現這種破壞的案例卻并不多見，因為AAR需要有嚴格條件：一是骨料中存在堿活性物質，可按《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》JGJ52-2006進行檢驗鑒定，如果不存在堿活性物質，則認為是安全骨料；二是混凝土中含有過量的堿；三是需要水分，干燥狀態是不會發生AAR的；四是需要溫度，在常溫下反應進行得很慢。可見，混凝土要發生AAR必須同時具備四個條件，且還要達到條件規定的量值。由此我們可以分析得如下：

（1） 一般的工業與民用建筑工程不易發生AAR，因為這類結構混凝土強度等級不高，水泥用量相對較少，混凝土中堿含量一般不會超過3kg/m3；其二是此類工程大部分屬于室內結構，基本上處于干燥環境，即使骨料具有堿活性且含堿量超過規定指標時（如C50以上混凝土），也沒有發生反應的濕度條件。

（2）水利工程不易發生AAR，這時雖然濕度條件是達到的，但一般大壩工程屬于大體積混凝土，出于對水化熱的考慮，大壩混凝土水泥用量較低，且摻合料較多，強度驗收往往也用60d甚至90d的齡期，混凝土中的堿含量比上述工程低得多，更不可能超標。當然，水利工程往往是非常重要的結構工程，選擇無堿活性的集料也是必然的。

（3）最易發生AAR是公路、橋梁和鐵路軌枕等工程，這種工程混凝土強度等級高，水泥用量大，混凝土中堿含量大，又處于露天環境之中，干濕交替頻繁，具備AAR的反應條件，從國內外報道的AAR工程實例來看，也主要是公路和橋梁。

4.5.2 活性骨料的使用

制造混凝土之所以十分方便是因為大量的原材料可以就地取材，如果發現當地砂石骨料有活性就棄之不用往往給工程施工帶來難以想象的困難，工程造價和工期都會叫人無法接受。如何安全合理的使用這些可能有活性的骨料并避免AAR的發生是混凝土工程師需要考慮的問題。混凝土設計建議如下：

（1）宜采用巖相法和砂漿長度法綜合評價骨料的堿活性，如用快速法檢驗應有多組試驗的一致性，試驗所用水泥與工程所用水泥一樣。當確認骨料存在堿活性而又必須使用時，應采取下面的措施；

（2）使用這種骨料的混凝土強度等級選擇≤C35；

（3）根據《通用硅酸鹽水泥》GB175-2007標準規定，所用水泥中堿含量按Na2O+0.658K2O計算不得大于0.6%；

（4）根據《混凝土堿含量限值標準》CECS53︰93規定，在骨料具有AAR活性時，按混凝土所處的環境條件對不同的工程結構分別取表3中堿含量限值；

表3 混凝土最大堿含量要求

（5）大量使用粉煤灰、硅粉等摻合料。

5 混凝土的施工、養護與維護

盡管混凝土的設計對于其強度、耐久性起決定性作用，但是如果在施工和養護等環節做不好，即使再好的設計也不能保證混凝土質量。簡言之，施工就是將符合設計要求的混凝土充分密實的澆筑成規定的形狀，為此要求對所用原材料要仔細管理；計量要準確；混合和攪拌要均勻；運輸和澆筑（泵送）時不讓混凝土拌合物發生離析；根據其和易性選擇合理的振搗方式，使混凝土填充至模板的各個角落和鋼筋周圍并排除其空隙中和引入的空氣。

施工完成后的混凝土必須立即得到養護，尤其是早期養護，這對于混凝土的強度和耐久性是至關重要的，也是防止混凝土開裂最簡單而有效的手段。一般情況下，剛澆筑的混凝土要覆蓋，避免風吹日曬、雨淋，冬天還要防凍； 終凝后養護的關鍵在于保濕，養護時間不少于14d且盡可能延長，特殊情況還應采取其他養護措施。

總之，混凝土是一種人造材料，不要人為留下“先天不足”。

雖然混凝土的耐久性與生俱來，但如果我們對在役混凝土結構（尤其是處于露天環境中的重要結構）像醫生對人體的健康和壽命給予關注、保養和維護，則結構的使用壽命會遠遠超過設計預期。首先是定期對混凝土結構進行外觀檢查：（1）有無因地基局部沉降、長時間震動等引起的破損、開裂；（2）干縮、收縮、溫度等引起的裂縫；（3）排水不良、滲漏情況；（4）碳化深度、鋼筋銹蝕；（5）凍融作用、磨損及化學腐蝕狀況；（6）使用情況評估，判斷與當初的設計條件是否相符；（7）輔以無損檢測手段進行密實度和強度檢測。其次根據外觀檢查結果提出需要詳細檢測的內容；之后對混凝土結構存在的問題提出處理方案并實施：如裂縫的修補封閉，疏松混凝土的置換，鋼筋的除銹防銹，結構的加固補強等等。定期檢查可以盡快發現問題并及時采取補救措施，使混凝土結構更“健康”、更耐久。

6 結語

可以預計，在今后很長一段時期內，中國基本建設高歌猛進現狀不會改變， 普通混凝土仍是建設工程結構材料的主角。以高強混凝土在我國應用得較多的廣州市為例，各商品混凝土攪拌站年出售混凝土大約4000萬m3,其中C60以上強度等級的混凝土不到0.5%；C30～C60混凝土售價為280～390元/m3，C80則為900～1000元/m3。所以，提高普通混凝土的各種性能尤其是耐久性不但大大節約工程建造的直接成本，而且將充分延長工程結構的使用壽命，從而給國家帶來巨大社會和經濟效益。

具備中等強度等級的普通鋼筋混凝土，根據其所處環境選擇原材料并進行有針對性的配合比設計，必要時適當提高保護層厚度，通過認真施工、養護和使用期間的定期檢查與維護，就能使普通混凝土很經濟地實現高性能化。

[1]混凝土結構耐久性設計規范[S].]GB/T50476-2008

[2]高性能混凝土應用技術規程[S].CECS207:2006

[3]普通混凝土配合比設計規程[S].JGJ55-2000

[4]洪定海.混凝土中鋼筋的腐蝕與保護[M].北京：中國鐵道出版社，1998.

[5]F.M.李〔英〕著.唐明述等譯.水泥和混凝土化學[M].北京中國建筑工業出版社，1980.

[6]姚燕.高性能混凝土技術研究十年一劍.2009.

[7]巖崎明訓〔日〕.混凝土的特性[M].北京：中國建筑工業出版社，1980.

[8]小林一輔〔日〕.混凝土工程[M].煤炭工業出版社，1981.

High performance of modern common concrete

Lin lixun
(China Construction Fourth Engineering Division CORP. LTD, Guangzhou 510665)

According to the understanding of high performance concrete by author, this paper interprets the signif cance,foundation ,methods,measures of common concrete which achieveing to high performance, and simultaneously, explains the important role of management work in preserving durability of common concrete.

common concrete; high performance; durability; mix propertion; environment

林力勛（1958-），男，教授級高級工程師。1982年畢業于重慶建筑工程學院材料學專業，長期從事材料研究、檢測及科研管理工作。

[單位地址]廣州天河區科韻路16號廣州信息港B棟5樓（510665）