Mehta:混凝土耐久性问题出在水泥细度上

理论探讨 1个月前 (09-16) 9 人围观 0

我想,当看到这张古罗马斗兽场的照片时,应该很多人多会思考一个问题,为什么这些古代建筑可以千年屹立不倒,而我们今天却常见建筑、桥梁结构开裂、倒塌,竟然如此不堪一击呢?

当然,这可以用概率来解释,毕竟古代建筑中绝大多数是无法存留到今天被我们瞻仰的,留下来的精品建筑(包括普通民用建筑,也包括桥梁这样的公共建筑)只是极少数,这个数量应该比今天建造的优秀建筑小很多,只是我们都无法见证它们一千年后是否还会保持老样子。

然而,这个理由显然不够。

那如果让“荷载”来背这个锅呢,似乎更合理一些。尤其是我国,桥梁建设如此高歌猛进却依然赶不上物流大货车的需要,导致公路桥梁服役二三十年就满目疮痍。然而这也有点问题,毕竟还有为数不少的建筑物并非经常处于超载状态,还不是一样出现了各种各样的耐久性问题。

美国加州大学伯克利分校的P.K.Mehta教授,享誉世界的混凝土材料专家给我们指出了另一条思路:问题出在水泥上。

中国工程人的一个伟大创造,就是这个“砼”字,完美地给出了混凝土的解释:人工石,即用以水泥为核心的胶凝材料,把一些碎石“粘接”起来,形成在外观上满足工程的各种需要,在受力上就像一块完整的大石头那样坚挺。按照这样的思路,那些经典的古建筑同样是由石材+胶凝材料建成的。其中,作为骨料的碎石,任何一块都具有上亿的年龄,千年的跨度对其来说不足以形成物理性能方面的巨大差异,而波特兰水泥的发明至今还不到两百年的时间,因此胶凝材料的差异可能就是造成上述问题的原因之一。

美国加州大学伯克利分校的P.K.Mehta教授,享誉世界的混凝土材料专家,他在《Building durable structures in the 21st century》一文的开头就提出在21世纪我们面临的一个大问题:how to build concrete structures that are environmentally more sustainable?

他的这篇综述,以时间为线,以纵观一个世纪的视角来看待混凝土耐久性问题,并发现了一个意想不到的现象:

1930年前并不存在混凝土耐久性问题,这是近年来才有的事儿。

他提到,1944年,美国公路局对加州等地的混凝土结构展开大调查,目的是要查明为什么西部州混凝土桥梁这样迅速破坏。调查涉及200座桥梁,服役时间3~30年不等。结果显示:1930年之前建造的桥梁67%完好,而1930年后的完好桥梁只有27%完好。

由于检测的桥梁虽然时间跨度大,但在这几十年中,施工技术并没有变化。因此认为造成这个现象的原因,应该出在材料,也就是水泥上。1930年前,波特兰水泥采用的是粗磨工艺,这有许多缺点,如强度非常低、比表面积小,约为1100 cm2/g,C3S的含量不超过30%。用这样的水泥制成的混凝土,其结构退化主要体现在破碎(如强度不够,或冻融循环导致的破碎)、结构漏水(混凝土密实度不够造成的抗渗性不高)等,没有与裂缝相关的退化被报道。而1930年以后,水泥生产工艺得以改善,水泥的细度变得更细——调查认为恰恰是细度出的问题,并建议并提出细度超过1800cm2/g范围则会影响耐久性。

1950年后,混凝土施工有了大进展,包括预制混凝土、泵送施工、以及插入式振捣器对混凝土工作性的要求提高——对流动性的要求在1970年出现减水剂之前是通过提高用水量来实现的。

有了更先进的施工工艺,人们就希望可以更快地完成工程项目,因此渐渐提高了对工期的要求,这也就随之导致要求混凝土具有越来越高的早期强度。为了实现早期强度,用水量不能太高,因此只能将水泥做得更细。1970年美国的ASTM Type I 波特兰水泥中C3S含量提升到50%,使得细度达到了300m2/kg,这对混凝土的性能影响巨大,1945年,0.47水灰比已经可以达到28d强度31MPa。

由于混凝土桥面板具有所处环境恶劣的特点,经常受到融雪剂、干湿循环、冻融循环、冷热循环等作用的共同影响,因此可视为对混凝土的加速试验,在耐久性方面具有一定的代表性。1987年,美国 U.S. National Materials Advisory Board开展了一项调查,关注建于1940年后的桥面板。结果为,253000座桥面板正在劣化过程中,一些寿命不到20年,且以35000座每年的速度增长。

负责调研的Krauss 和 Rogalla根据调查结果,得出了一个令人意外的结论:由于美国1970年中期后集中发生的桥面破坏案例,与1974年AASHTO 规范修改有着时间上的重合,因此认为规范的修改错误,是导致这些破坏的主要原因。

在1931~1973这40多年里,AASHTO规范规定桥面板混凝土28天平均强度达到20.7MPa,最大水灰比0.53。这种混凝土被指出是低弹性模量,高早期徐变,容易发生温度和干缩裂缝。考虑到桥面板的特殊性,AASHTO希望加强抗渗透性。因此1974年规定最大水灰比0.445,最小水泥用量362kg/m3,28d强度达到30MPa。这似乎是倡导使用更小的水灰比,但这样反倒使得混凝土耐久性反而差。

Krauss 和 Rogalla还提到,混凝土强度的提高,除了配合比的因素以外,就是水泥的影响,对于强度不同的水泥,除了细度和C3S含量,其他几乎没有区别。

1980后,减水剂蓬勃发展,可以使混凝土有更低的水灰比和更好的工作性能。特征为28d强度达到50~80MPa、低渗透性的高性能混凝土随之出现。然而,1996年Krauss 和Rogalla再次进行了调研,结果显示:美国和加拿大的200000新建桥梁,超过100000混凝土桥面板建设不久后就发现裂缝。Krauss 和 Rogalla指出,高性能混凝土可以在早期达到很高的强度和弹性模量,但这样一来就减少了其徐变潜力,使混凝土变得更脆,因而容易产生裂缝。

Virginia, Kansas,Texas, and Colorado的现场勘察结果也证明了Krauss和Rogalla的结论。1974年,弗吉尼亚大量报道桥面裂缝时,也是对强度要求从3000增长到4000 lb/in2的时候。相似地,1995年堪萨斯州29座桥梁出现裂缝,也是对强度要求在44MPa的时候,在丹佛,高强混凝土还没施工完成就裂了。裂缝的原因是因为采用了较高的水泥用量(水灰比=0.31)以及快速水化反应的Type II 水泥,导致了热收缩+自收缩,细度391m2/kg, C3A-plus-C3S含量占到72%。

面对问题如何解决

P.K.Mehta教授总结了过去近一个世纪的经验,指出了水泥细度的变化给混凝土性能带来的巨大影响。如今的高性能混凝土(HPC)具有水泥用量大,早期强度高的特点。这样由于更高的热收缩、干缩、弹性模量,导致裂缝容易产生。规范中对于强度的要求过高,容易导致耐久性问题。

实验室得到的混凝土耐久性试验数据,由于存在试件尺寸、边界以及受力条件与实际结构相差较大,导致其可靠性不是很高。

因此,P.K.Mehta教授建议首先在规范方面,应该强调若结构有耐久性要求,混凝土配合比需要以耐久性要求为准。且水泥用量不宜过大,单位用水量不宜过大,还可以添加矿粉、粉煤灰等矿物添加剂,来降低水化热、强度、早期弹性模量。这是为什么当掺入矿物外加剂(如50%粉煤灰)的混凝土在控制裂缝和保持较好抗渗性上做的较好。

需要注意的是,在现有材料和施工方法条件下,建造质量好,强度高,耐久性也好的建筑简直是神话——因为现代工业要求施工进度,快速施工下注定对耐久性的考量无法周全。我们目前使用的建筑材料、快速施工方法,都是20世纪之后才有的,这些都是新问题,也都是有待解决的重要问题。提高混凝土结构的耐久性,必须从材料选择、混凝土配合比,以及施工方法等多方面一同努力才可能最终解决。

说点自己的体会吧:

P.K.Mehta教授的这篇文章,发表于十几年前,但今天读起来依然不过时,依然有很高的借鉴价值:

  1. 咱们做工程,得把结构看成一个体系,这里面不只是内力分布、应力分布,还应该包括实际结构材料属性、结构暴露的自然环境等诸多方面,用系统地方法论,才能看得出一些现象背后的本质;
  2. 就水泥细度这个问题,这两年由于课题组项目的原因,和施工单位实验室、水泥厂有过一些接触,给我的感觉就是对这个问题缺乏认识和关注。而且现在有些水泥厂单纯为了达到早期强度,将夏季配方的水泥细度设置到令人惊讶的程度,导致水泥颗粒非常细、比表面积非常大,直观体现就是胶凝材料需水量猛增,混凝土流动性下降。最关键的是过细的水泥,导致绝大部分水化反应都在混凝土浇筑早期完成,导致混凝土后期强度增长缓慢——有的甚至7天以后强度就不增长了!要知道,优秀的混凝土应该是随着时间增长强度始终缓慢增加的。长期强度上不去,就会给未来的性能退化埋下了伏笔;
  3. 不要迷信规范,因为规范是在不断完善的过程中,也有错误的时候!比如P.K.Mehta教授文中指出的美国规范修订失误,造成大量工程问题的案例。我就遇到过捧着规范逐条比较,连一些明显不合时宜的规定也深信不疑的实验室主任,真是本本主义耽误了有热情的年轻人啊!

参考资料:

  • 罗马斗兽场图片:http://www.xiazaizhijia.com/bizhi/73664.html
  • Mehta P K, Burrows R W. Building durable structures in the 21st century[J]. Indian Concrete Journal, 2001, 75(7):437-443.