論“高性能混凝土”及結構耐久性

楊紹林

（鄭州鄭東混凝土有限公司，河南 鄭州 450046）

論“高性能混凝土”及結構耐久性

楊紹林

（鄭州鄭東混凝土有限公司，河南 鄭州 450046）

高性能混凝土最主要的技術指標應是耐久性，應是具有 100 年不出現劣化現象，如果不能達到這一質量目標，它將失去意義。但要驗證混凝土結構是否達到這一質量目標所需時間太長，因此它只能是人們在生產及施工過程中努力追求或期望達到的質量目標。影響混凝土性能的因素較多，將生產及施工期間不能確定結果如何的混凝土稱為“高性能混凝土”，是不合適的。

混凝土；高性能；工作性；耐久性

0　引言

20 世紀 80 年代，一些發達國家針對混凝土工程劣化快、破壞嚴重、維修困難且費用巨大等問題，掀起了以改善混凝土耐久性為主要目標的開發研究和應用高潮，并提出了“高性能混凝土”的概念。

我國 20 世紀 90 年代開始對高性能混凝土進行研究和應用。由于高性能混凝土具有坍落度大、流動性好、便于施工的特點，受到了廣大施工人員的歡迎，也基本解決了結構的蜂窩、麻面和孔洞等質量通病。但是，傳統施工工藝（不泵送，坍落度普遍在 70mm 以下）極為少見的有害裂縫在現在卻成了質量通病，工程質量并未因高性能混凝土的應用而得到提高，因此受到了許多業內人士的質疑。為何高性能混凝土常常令人失望，是什么原因造成的？筆者談談個人看法。

1　高性能混凝土是什么？

“高性能混凝土”的概念或定義有許多版本，具體內容有較大差異，由于過去有許多文章和著作都進行了詳細介紹，本文不再重復。意思是采取一些技術措施，使這種混凝土能夠達到具有優異的工作性能、體積穩定性能、力學性能和耐久性能等許多優良特性，被認為是目前性能最為全面的混凝土。其定義或含義，各個國家不同人群有不同的理解，甚至不同時期有不同的理解和認識，給出了高性能混凝土在性能方面的不同描述，迄今為止國際上尚沒有一個統一的或者標準的定義。定義混亂和不同的理解，使高性能混凝土成為“變化多端”的混凝土，讓許多施工人員一頭霧水。

2　關于混凝土強度與耐久性

混凝土強度對耐久性有明顯影響，如 C30 以下的混凝土，由于水膠比較大、膠凝材料用量少，混凝土密實性較差、耐久性能不良。高強混凝土水膠比較小、膠凝材料用量大、水泥用量多，水化熱較大，混凝土內部自由水量不足、自干燥收縮大、體積穩定性及抗裂性能差，對混凝土耐久性能不利，這是業內專家普遍認為“高強不一定耐久”的主要原因。這樣看來，對混凝土耐久性能有利的范圍應是C30～C55 強度等級的混凝土，如將 C60～C100 的混凝土納入到高性能混凝土范疇，與高性能混凝土應具有優異的耐久性能要求不符。

3　關于高性能混凝土與結構設計

在《高性能混凝土應用技術指南》中，對高性能混凝土的耐久性能要求是：“應根據結構的設計使用年限、結構所處的環境類別及作用等級確定”。并說明高性能混凝土不涉及 30 年設計使用年限的混凝土工程，而涉及 50 年和 100 年設計使用年限的混凝土工程。也就是說，滿足設計使用年限或在設計使用年限內不出現劣化現象的混凝土就是高性能混凝土。

但是，在混凝土生產及施工過程中，如果混凝土設計強度等級相同，滿足 50 年和 100 年設計使用年限的工程，混凝土質量到底該如何去分別控制？對于攪拌站來說，如設計無其他要求，生產時這兩種設計使用年限的混凝土在原材料及配合比方面都是一樣的。而且，在工程施工時，人們都希望混凝土越耐久越好，工程使用壽命越長越好，除了特殊結構外（如臨時設施），沒有什么混凝土結構不需要耐久，50 年的使用年限往往并不能滿足人們對工程質量的要求。另外，50 年或 100 年不出現劣化現象的高性能混凝土，參與工程建設的相關人員基本不可能去驗證，甚至是有生之年無法觀測的質量目標。也就是說，所謂的高性能混凝土到底最終性能高不高，參與工程建設的相關人員在有生之年不一定知道，這種質量目標或要求實在是太遙遠了。因此，它只能是人們在生產及施工過程中努力追求或期望達到的質量目標，在未達到這一質量目標之前稱之為高性能混凝土，是不合適的。

混凝土結構最終性能高不高，在生產及施工過程中是無法確定的。不應忘記，混凝土是一種典型的非勻質材料，并具有較高的脆性，其自身就存在固有的缺陷（內部不連續，有諸多微小裂隙），而且影響混凝土性能的因素較多，十分復雜。不僅環境作用本身多變，帶有很大的不確定與不確知性，其劣化機理也有諸多問題，有待進一步明確。因此，往往混凝土拌合物性能再好，達到所謂的高性能技術要求，也不可能完全保證澆筑成型后的結構就一定具有高耐久性能。譬如，同時生產的相同混凝土拌合物，在不同條件下成型和使用，其結構質量往往存在較大差異，相信每位深入接觸混凝土的人士都有同感，這說明混凝土結構質量受施工、環境條件及工程設計的影響非常大。

4　關于混凝土工作性與體積穩定性

高性能混凝土不拒絕甚至提倡拌合物應具有高工作性，如拌合物坍落度≥220mm、擴展度≥630mm 的混凝土以及自密實混凝土都劃歸為高性能混凝土的范疇。但是，高工作性的混凝土拌合物很難保證其體積具有高穩定性和勻質性，甚至成為影響混凝土性能不具備“尤為優異”的主要因素。

混凝土的塑性收縮與混凝土的流態有關，中等流態混凝土的塑性收縮為 (6～10)×10-4，大流態混凝土的塑性收縮可達 20×10-4。可見，混凝土的流動性越大，則塑性收縮越大，體積穩定性和勻質性越差，更易產生漿骨分層現象和有害裂縫問題。對于易產生開裂的混凝土，更不能稱為“高性能混凝土”。

由于混凝土中組成材料的密度和粒徑存在較大的差異，使高工作性或大流態的混凝土在動態過程中易產生分離現象，很難達到優異的體積穩定性。關于這個問題，可在水下混凝土灌注樁和采用溜槽施工的現場得到證實：水下灌注樁混凝土的施工坍落度一般在 (210±20)mm 范圍內，其坍落度及流動性與上部結構施工的混凝土差別不大，同強度等級的混凝土在原材料及配合比方面也無大的差別，在破樁時可以看到，每根樁上部的幾十公分石子很少，這是明顯的漿骨分層現象（如果采用振動棒振搗這種現象更加明顯和嚴重）。當然，水下灌注樁混凝土是不適合分層澆筑的，必須連續地“一灌到頂”。另外，一些大體積結構澆筑混凝土時，施工單位為了節約成本和提高施工速度，部分混凝土采用溜槽澆筑施工。能夠看到混凝土拌合物從溜槽口落下之處石子堆積較高，石子含量明顯比流向四周的混凝土多，雖然漿骨分層現象有時不太明顯，但是拌合物勻質性發生了較大的變化是不爭的事實。

大量工程實踐證明，拌合物易產生漿骨分層或勻質性變差現象是大流態混凝土的質量缺陷。當混凝土拌合物黏聚性越差、骨料級配不良、粒徑越大、拌合物流動性越好、施工振搗時間越長、澆筑體高度越高時，這種缺陷越嚴重。因此，為確保混凝土工程質量，對一次性澆筑較長較高的豎向結構或厚度較厚的結構，混凝土采取分層澆筑的方法是非常有必要的。混凝土采取分層澆筑能夠減少沉降收縮裂縫的產生；能夠減少混凝土結構側表面氣泡多、密實性差的問題；能有效降低漿骨分層現象的發生，提高結構整體勻質性等。遺憾的是，現在的混凝土施工常常是由工人說了算（愿從事體力勞動的人在減少，平均年齡在逐漸遞增，使管理難以落實到位），對流動性的要求只有更好沒有最好；越省時省力的方法才是好方法。攪拌站為了配合或滿足施工大流動性的要求，從保證強度角度出發只得付出成本代價，造成了資源的巨大浪費。

5　影響混凝土性能及耐久性的其他因素

二十年來，業內一些專家始終致力于高性能混凝土的研究，指導應用“高性能混凝土”的相關文獻不斷產生，但所發揮的作用并不理想，譬如尚存在收縮大、早期易開裂、脆性大等缺陷。原因何在？

5.1原材料

5.1.1建設用砂石

由于近二十年來我國基礎設施建設規模巨大，建設用砂石資源消耗很快，并逐漸匱乏，導致質量越來越差。天然砂供不應求、顆粒變細、含泥量和石子含量大，而人工砂由于生產設備落后，石粉含量偏大、粒形差、級配不良（中間顆粒偏少）；石子級配普遍不良，空隙率一般在 45% 以上，有時接近 50%。砂石質量普遍不良使用戶的選擇余地很小，影響了混凝土性能。

5.1.2減水劑

研究表明，在混凝土配合比相同的情況下，摻減水劑的混凝土坍落度可增加 100mm 以上，但是與基準混凝土相比，其收縮值卻增加 110%～130%，因而摻減水劑的混凝土更易開裂。

5.1.3水泥

目前，水泥主要存在細度過細（比表面積大都在 360～420m2/kg）、活性和水化熱高等問題，使混凝土收縮比過去大。

5.1.4礦物摻合料

礦物摻合料的合理應用對提高混凝土耐久性有利，并成為現代混凝土不可缺少的組分。隨著我國基礎建設的大規模展開，傳統的礦物摻合料（粉煤灰、礦渣粉等）供不應求，質量下降。

5.2施工機械與施工

隨著建筑科學技術的發展，建筑工業化、機械化水平正迅速提高，以機械施工替代繁重的體力勞動日益增多，機械設備在施工中所起的作用越來越大。但是，并非機械化施工水平越高就對工程質量越有利，例如混凝土施工采用的泵送機械，可以說是影響混凝土性能的主要原因。

混凝土采用泵送工藝提高了施工進度、減少勞動力。但是混凝土要滿足泵送性能要求就必須提高砂率或增加膠凝材料用量，增大拌合物坍落度和流動性，摻加足量的減水類外加劑等。拌合物性能和組成成分的巨大變化，造成混凝土體積穩定性下降，體積收縮率較過去施工工藝成倍增大，裂縫成為新的質量通病，導致了許多糾紛。

自從混凝土采用泵送施工工藝澆筑后，使生產時無論怎樣優選原材料，怎樣優化配合比和嚴格生產質量控制，混凝土拌合物澆筑成型后仍常常顯得“弱不禁風”。在環境干燥的地區，如不及時用塑料薄膜覆蓋樓板表面或采取其他保濕措施，裂縫問題就很難解決。主要原因是施工人員對混凝土拌合物坍落度和流動性越來越依賴，總希望自流平更好。為了提高施工速度和減少移動泵管所帶來的麻煩，豎向結構很少采取分層方式澆筑，經常“一灌到頂、整體推進”，還有“寧愿過振，不可漏振”的思想。在平面結構的澆筑過程中，常常以振搗方式替代平倉（經常用振搗棒拉平替代人工用鐵耙或鐵锨鋪攤），這就造成流動性越好的混凝土越容易產生明顯的石子集聚區和砂漿集聚區，或產生混凝土結構實體下部石子多上部漿多，局部薄弱、整體勻質性差等問題，在砂漿富余的區域就容易發生開裂，降低了混凝土結構的整體質量。如果現澆樓板混凝土的澆筑采用泵送同時又采用移動式布料機施工時，由于布料機泵送管道彎管較多，對混凝土拌合物的和易性及流動性要求則更高，而且混凝土的泵送推動力是從無到強的交替循環過程，泵管的一伸一縮導致布料機在整個使用過程中不停地搖擺晃動，布料機的晃動帶動了整個澆筑層都在顫動，當先澆筑的混凝土失去塑性時就容易產生裂紋。因此，泵送機械與布料機同時使用對混凝土結構的影響更大。

泵送施工機械的應用改變了施工方法，改變了混凝土配合比，使混凝土性能發生了巨大變化，并使被廣泛認為對提高混凝土耐久性有利的礦物摻合料也未能消除存在的質量問題。但是，不能片面地認為現代混凝土就容易開裂，當采用相同的原材料生產預制構件時，裂縫就少，基本能夠控制有害裂縫的出現。其主要原因是不泵送，混凝土拌合物坍落度小、砂率小，養護條件好，因此體積穩定性和勻質性好。

5.3養護

在混凝土澆筑時及早期，環境條件對澆筑體的質量影響很大，如溫濕度、風力、日照、雨或雪等，可因養護條件不同造成結果的巨大差異。因此，為保證混凝土工程質量，使混凝土結構具有良好的耐久性能，必須采取有效的養護措施。

另外，由于礦物摻合料的活性效果反應較慢，當保濕養護條件較差時，其活性得不到正常發揮，因此摻有礦物摻合料的混凝土更需要充分的保濕養護，只有早期養護到位，混凝土的后期強度及耐久性能才有保證。養護一般應在混凝土澆筑抹平后立即進行，不能暴露于大氣中若干小時后才覆蓋或加濕養護，必須及時采取有效的養護措施，盡量使混凝土拌合水不發生損失，才能起到良好的養護作用。然而，許多工程混凝土澆筑后不按要求對結構進行養護，導致混凝土結構易出現裂縫或實體強度檢測存在問題等。

5.4拆模

一些施工單位為了降低施工成本，模板配置嚴重不足，特別是采用鋼模施工時，由于成本較高模板的配置更少，而工期卻抓得非常緊，為不耽誤工期常常不顧工程質量過早拆模。對于豎向結構，如柱和墻在混凝土澆筑后 6～15h 就開始拆模（冬期施工一般不超過 20h）。有的部位明明是過早拆模引起的麻面或缺棱掉角，需方卻認為是預拌混凝土強度有問題。

模板拆除過早已是普遍現象，許多混凝土結構發生質量問題，就是模板過早拆模、養護不到位造成的。這種質量服從進度的做法，給工程質量埋下了隱患，如裂縫、強度不足、碳化較快且深、冬期施工混凝土受凍等。以強度為例，同時澆筑的同一等級混凝土，豎向結構回彈容易發生“不合格”問題，而梁和樓板極少出現這種情況。原因在于，豎向結構不僅拆模過早，而且多數不采取養護措施；而梁、板在混凝土澆筑后表面一般都會采取短時間的養護措施，并且一般 10d 以后才拆除模板，僅此差別卻造成回彈推定結果較大的差異。

5.5配筋

裂縫是影響混凝土結構耐久性能的重要因素，合理的配筋率與設置間距對限制抗裂和耐久性非常重要，離開配筋限制談抗裂毫無意義，細而密的配筋是抗裂最有效的方法。

5.6澆筑長度

合理控制結構澆筑長度很重要，混凝土會因澆筑體量越大、長度越長而增加裂縫產生的幾率。在明挖隧道、地鐵混凝土工程施工時，其混凝土的每次澆筑長度一般不超過20m，這些結構有害裂縫極少，證明澆筑長度的合理性起到了很大作用；另外配筋、厚度與強度設計也很合理，是其它有抗滲要求工程的樣板。

5.7環境

混凝土是一種有生命的建筑材料。不僅具有環境依賴性，而且同時具有時間依賴性，包括初生期、生長期和衰落期。因此，混凝土的質量與環境因素密切相關。

混凝土結構所處的環境條件對耐久性影響很大，如混凝土的碳化速率，除與環境濕度有關外，還與空氣中 CO2的濃度有關；當混凝土內部含水量比較充足且經歷反復凍融循環時，混凝土內部遭受的損傷不斷積累而發生開裂甚至剝落，導致骨料裸露；混凝土若遭受硫酸鹽侵蝕使混凝土易碎，甚至松散解體；引起混凝土中鋼筋銹蝕的主要環境因素是“鹽害”，造成鹽害的罪魁禍首當然是氯離子。氯離子侵入混凝土有兩個途徑：一是生產時使用了含氯離子的原材料，二是環境中（包括海水、大氣、地下水、含有氯化物的土壤及降雪地區灑的除冰鹽等）的氯離子通過混凝土的宏觀、微觀缺陷滲入到混凝土中。“鹽害”對混凝土耐久性能的影響較輕，但可對混凝土中的鋼筋造成極其嚴重的腐蝕，一旦發生難以控制，后果嚴重，將大大降低建筑物的使用壽命，世界各國為此付出了巨大代價。

當環境作用等級嚴重或極端嚴重時，按常規手段調整混凝土配合比和增加結構保護層的辦法可能保證不了設計使用年限的要求，這時應采取其他防腐蝕附加措施。

6　結語

現代混凝土（特別是預拌混凝土）普遍應用礦物摻合料和高效減水劑，從理論上講對提高混凝土性能有利。但是，有些結構并未因混凝土組成材料的增多而性能得到提高，其主要原因是采用泵送施工后，混凝土拌合物坍落度和流動性越來越大，導致了混凝土勻質性和體積穩定性的下降，不良施工方法和養護不到位，以及原材料質量和生產質量控制（包括交貨檢驗）尚存在一些問題所致。

高性能混凝土最主要的技術指標應是耐久性。它應是具有 100 年不出現劣化現象的混凝土，如果不能達到這一質量目標，它將失去意義。但要驗證混凝土最終性能是否達到這一質量目標所需時間太長，難以操作。如果達到高性能混凝土技術指標的拌合物，在施工過程中與普通混凝土一樣，受到同樣不利因素的影響就不能保證混凝土結構具有優異的性能，將這種與普通混凝土沒有明顯區別的混凝土稱為高性能混凝土是欠妥的，沒有實際意義。因此，在混凝土世界里，“高性能混凝土”這種稱謂不應再延續了。那些圍繞混凝土從各個方面提出更高要求是對工程質量負責任的態度，但沒必要非要取一個漂亮的名字。

高性能混凝土更不能談“應用”，如果在生產及施工過程中談“應用”，很容易引起許多人的誤解，好像施工時就已經具有高性能一樣。如需方需要的是“高性能混凝土”，而混凝土公司為其供應的混凝土在澆筑前后仍然時不時出點問題（包括施工原因造成的），這必然增加混凝土公司的辯解難度，本來就是弱勢方，現在又增加一個“緊箍咒”，將影響供需雙方的和諧合作。

提高混凝土質量應當從源頭抓起，否則就不可能發生根本性轉變和取得成果。實際上，如果原材料產生、工程設計、混凝土生產、工程施工與監督等單位，都嚴格按照現行的相關標準規范認真執行，混凝土結構質量并不會存在過多的問題，正是許多環節沒有嚴格按照相關標準規范認真執行，才導致了一些問題的發生。

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[7] 楊紹林．關于混凝土企業質量風險—外部因素若干問題探討[J]．商品混凝土，2013(9): 8-11．

[8] 楊紹林，張彩霞編著．預拌混凝土生產企業管理實用手冊（第二版）[M]．北京：中國建筑工業出版社，2012．

[9] 楊紹林主編，預拌混凝土生產企業試驗員實用讀本（第二版）[M]．北京：中國建筑工業出版社，2011．

［通訊地址］河南省鄭州市鄭東新區七里河北路 2 號（450046）

楊紹林（1968—），男，工程師，長期從事建材檢測與預拌混凝土生產技術管理工作。