高强与高性能混凝土09桥面板开裂

解决混凝土桥面板开裂的办法Khossrow Babaei and Amir M. Fouladgar近年来，有关新建混凝土公路桥面板出现开裂的报道增多，这个问题受到关注，是因为裂缝会导致钢筋锈蚀和混凝土劣化，从而缩短它们的使用寿命。因此，防止或延缓混凝土桥面板开裂是个十分重要的问题。桥面板混凝土的开裂，是由设计与施工不同阶段的许多因素所引起，本文概括了已有的了解，并提供最大限度地减少开裂实用的设计与施工方法。所讨论的裂缝类型包括：塑性收缩、沉降、温度收缩、干燥收缩和弯折引起的裂缝。图1 美国混凝土协会(ACI)的蒸发速率图表塑性收缩混凝土温度（F）刚浇注完并且尚未开始养护的混凝土表面，会由于表面水分的蒸发引起的收缩及混凝土体的约束而出现开裂。这种类型的裂缝形状不规则且比较浅。气温（F）塑性收缩裂缝是当混凝土表面的蒸发率超过了泌水上升到表面的速率时出现的。混凝土表面的蒸发率高可能是由于：1）混凝土温度高；2）气温高：3）空气湿度小；4）风速大。 蒸发率与泌水率的测定美国混凝土学会305委员会提交的“热天混凝土浇注”报告里有一个图（见图1），可用于根据环境条件确定表面蒸发率。通常，泌水上升到混凝土表面的速率大约在0.98 Kg/m2 /hr。当混凝土浇注时，如果预计蒸发率要达到这个值，就或者延期施工，或者采取措施降低表面蒸发率，以尽量减少塑性收缩开裂。表面蒸发率最大允许值0.98 Kg/m2 /hr只适用于具有典型泌水率的普通混凝土。低水灰比（W/C 0.4）混凝土的这个值要减小，因为这种混凝土的泌水量就少些。例如，为了避免掺有硅粉，水灰比小于0.4的混凝土发生塑性收缩裂缝，就应该在气温、相对湿度、风速和塑性状态混凝土的温度达到表面蒸发率在0.49 Kg/m2 /hr或更低的情况下浇注。 注意为了降低表面蒸发率，更需要注意： 1. 在低温时，例如夜间浇注混凝土； 2. 遮蔽骨料，使其温度较低； 3. 用冷水拌合，可能的情况下加冰； 4. 竖起风障挡风； 5. 喷雾（而不是浇水）使混凝土在浇注后与养护前维持映射水纹的光泽； 6. 浇注后适时地养护。 图2 塑性沉降造成的裂缝塑性混凝土的沉降新拌混凝土抹面后当泌出水往表面上升时会产生沉降。桥面板里的水平配筋阻碍这种沉降，使钢筋上方出现与其走向平行的裂缝（图2）。这种性质的裂缝，在纵向大梁支承的桥面板上呈横向；在混凝土板桥上呈纵向，取决顶部钢筋的走向。影响因素出现沉降裂缝的可能性随以下原因而增大：1）保护层厚度减小；2）混凝土坍落度增大；3）钢筋直径加大。以上沉降裂缝相关因素影响程度大小如表1所列，可供设计时参考。表1 沉降裂缝产生概率开 裂 概 率 （%）坍落度50mm坍落度75mm坍落度100mm钢筋尺寸#4#5#6#4#5#6#4#5#620mm保护层808893929910010010010025mm保护层607178738390859510038mm保护层19354631485944617250mm保护层02145132652539表1适用于普通混凝土，其泌水与坍落度相关；但不适用于坍落度受外加剂，例如高效减水剂影响的混凝土。这种混凝土的坍落度较大时，不一定意味着泌水率就大，出现沉降裂缝的概率就大。薄弱面的形成近来将桥面板设计为保护层比较厚，混凝土坍落度中等（即保护层厚度64mm；最大坍落度102 mm），虽然在这种情况下不容易出现沉降开裂，但顶筋正上方的塑性混凝土由于开始的沉降变形，仍然要形成竖直的薄弱面。以后就会由于其他原因（例如干缩、温度收缩、弯折）使钢筋正上方的混凝土薄弱区出现裂缝，这可以解释在现场检查时经常看到的，近来所设计的桥面板在横向顶筋（与交通流向垂直）上方开裂的现象。为了尽量减少薄弱面的形成和横向顶筋的上方开裂，应该注意：在与交通流向垂直顶部配筋的桥面板里，应让板顶和板底的横向配筋错开。再有，在施工这种类型的桥面板时，不要用粗筋作为顶部的横筋；顶部和底部的横筋可以交错且顶部的横筋可以限定直径在16mm以内。硬化混凝土的温度收缩混凝土在养护期间由于水化放热产生温升，这种初始的温升和膨胀不会在混凝土中留下压应力，因为在从塑性状态到硬化状态期间，其弹性模量还非常低，而当混凝土完全硬化时，它也达到温峰了。接着，硬化混凝土冷却下来，温度逐渐与环境相当。在这一过程中，纵梁约束了由于冷却产生收缩的桥面板。这个现象又引起桥面板产生拉应力，出现横向裂缝。这种裂缝通常在顶部横筋的上方（薄弱面部位）出现并且是贯穿的。温度收缩开裂的程度与其受约束的大小有关。桥面板受约束温度收缩的大小取决于在温峰时的混凝土和支承梁之间的温差，那时支承梁的温度通常和周围环境的温度一样。 温度收缩的量化桥面板与梁的温差产生受约束的温度收缩，收缩率为6.8到11.9个微应变/，由骨料类型所决定（平均为9.9个微应变/）。温度收缩只在短期间里影响混凝土（几天以内），因此混凝土的徐变性质不能完全使混凝土松弛，延缓开裂。所以，产生开裂的温度收缩值要比干缩小，分析表明：大约230个微应变的温度收缩值就会出现初裂。对于普通混凝土桥面板，在一般气候条件下，受约束的温度收缩值大约在170个微应变或更小一些，这是相应于桥面板/梁温差为17或更小的情况。它不足以使桥面板产生初裂。但是，温度收缩还要与后来的干缩相叠加的。 温度收缩开裂的控制温度收缩应该限制在150个微应变以内，这可以通过混凝土浇注后至少24小时里，维持混凝土/桥面板之间的温差在12以内来达到。控制温度收缩的方法包括： 1水泥用量尽可能低水泥越少，产生的水化热就越小； 2用低热水泥而不用普通水泥； 3检验所用水泥的品牌，由于同类型水泥化学与物理性质的差异，有的品牌水泥会产生大得多的水化热； 4使用缓凝剂，以延缓水化过程，降低放热速率； 5用粉煤灰和矿渣代替部分水泥。 冷天养护的特殊情况冷天浇注混凝土（4以下）时，梁的温度与气温一样都很低，另一方面，混凝土在养护期通常是隔热的。隔热可能使混凝土温度升高，桥面板/梁之间的温差可能会很大，这也会使温度收缩裂缝出现。为了控制冷天养护时的温度收缩，混凝土表面在没有加热并升高桥面板下面空气的温度时，不用隔热。隔热会促使桥面板温度上升，而支承梁的温度与寒冷的空气温度是相同的。加热桥面板下面的空气就会提高梁的温度，减小梁与桥面板之间的温差。养护期间，表面隔热应维持混凝土表面温度在13到24之间。封围桥面板并加热它下面的区域，使周围的温度尽可能与混凝土的温度接近（1324）。冷养护完成后，混凝土温度应逐渐降低到环境温度范围。硬化混凝土的干燥收缩混凝土桥面板经养护后暴露在大气中要失去其部分拌合水并产生收缩。在此过程，纵梁约束着收缩，引起桥面板横向开裂。与温度收缩类似，贯穿的干缩裂缝也常在顶部横筋的上方出现（薄弱面区域）。混凝土的干缩通常是一个逐渐的过程并可能要延续一年以上，混凝土的徐变可以使其松弛并延缓开裂。所以，引起开裂的收缩值要比只在几天里就完成的温度收缩来得大。分析表明：400个微应变受约束的干缩才会引起初裂。 干缩量化对实验室制备的试件测定表明：桥面板混凝土的干缩在4001400个微应变之间，但它在很大程度上取决混凝土的体积与表面积之比。试件(76x76x254mm)的体积与表面积之比要远小于桥面板的，且干缩随体积与表面积之比减小而增大。为近似地估计桥面板的收缩值，实验室试件的收缩值要除以2.5。考虑了体积与表面积之比，桥面板的约束干缩值可大到550个微应变，超过了会引起混凝土长期开裂的400个微应变。 温度收缩与干缩叠加注意在这一阶段混凝土中残余的约束温度收缩还要叠加约束干缩。如前所述，在控制条件下，温度收缩可以限制在150个微应变以内。因此，长期的约束收缩总值最大为700个微应变（550 +150 = 700），其中400个微应变为残余约束应变，其余300个微应变将导致开裂。这么大的收缩足以引起桥面板间隔为1米、平均宽度0.25mm的横向裂缝。这和从桥面板上看到的最大横向裂缝是一致的。 控制温度收缩与干缩叠加的开裂根据前面的讨论，为了避免出现超出规定的横向收缩裂缝（即裂缝间隔小于9米），提出下列两点要求： 1. 如前所述，约束温度收缩应限定在150个微应变。这可以通过控制混凝土浇注后至24h以内，维持混凝土与桥面板间的温差在12以内来达到。参见“硬化混凝土温度收缩”中控制温度收缩的方法。 2. 长期试件（4个月）的干缩应在700个微应变以内（相当于28d收缩值400个微应变），注意ASTM C157所用试件是无约束的7676254mm棱柱体。 减小混凝土干缩的方法影响干缩的因素与减小干缩的方法为： 拌合水拌合物里的水越少，养护后的蒸发量也越小；因此干缩值也越小。大约每减少5.9Kg/m3拌合水，可减小30个微应变。 水泥由于化学组成的差异，有些品牌的水泥引起的干缩要明显大于另一些水泥。 骨料从下列两方面影响干缩值：首先，某些骨料在配制一定工作度拌合物时的需水量较大，因此引起较大的干缩；某些骨料屈服于浆体的收缩压，对浆体的收缩不会构成足够的约束。 需水多的骨料配制相同工作度的拌合物时，需要拌合水较多的骨料，是因其粗颗粒少、表面纹理粗糙和/或针片状颗粒多。然而，由于混凝土的用水量通常由最大允许W/C来控制，采用这种特性的骨料拌制混凝土并不会意外地增大干缩值。 屈服于收缩压的骨料混凝土的干缩在很大程度上受骨料与其组成矿物有关的特性所影响， 实验室的试验表明：仅因为改变骨料来源，干缩值可能会相差一倍以上。由于浆体收缩压而屈服的骨料是“软”的，刚度小且可压缩度大。骨料（粗、细）的吸水性反映其孔隙率，而吸水性影响其刚度和可压缩度。通常，高吸水率骨料制备的混凝土比较易受压缩，且产生较大的收缩。同时，高吸水的骨料本身也有相当的收缩量，取决其干燥程度。在不了解所用骨料的性质时，用前应对骨料影响干缩的程度进行检验。 外加剂虽然外加剂可以降低拌合物的用水量和干缩，但有些外加剂也可能由于其化学性质影响混凝土的干缩，因此用前也需检验。弯折连续型混凝土桥面板的负弯矩区由于死载和活载产生的弯拉应力而产生开裂，这种裂缝是横向的，并且发生在内支承的上方。在无支撑施工时，支承梁上方出现的横向弯拉裂缝可以通过先浇注相邻跨中部的混凝土，然后再浇注支承梁上方的混凝土来减少。这种混凝土桥面板浇注方法最大程度地减小了死载对桥面板副弯矩的影响；减小了支承处上方出现横向裂缝的概率。控制裂缝宽度裂缝宽度像裂缝出现频率一样重要。根据美国混凝土224委员会报告“混凝土结构裂缝控制”中，当裂缝宽度小于0.18mm时，裂缝中侵蚀性物质的扩散尚不显著；如果混凝土开裂，其宽度可以通过配筋加以控制。一般来说：达到一定配筋量时，配筋越细比配筋粗而少的情况有利于控制裂缝宽度。此外，保护层厚度越小，裂缝越细；但保护层厚度又要足够厚，以避免沉降裂缝（如表1所列）和钢筋锈蚀。保护层厚度应根据使钢筋锈蚀的环境和渗透性来选择（参考文献1中列有选择保护层厚度的方法。覃维祖译自Solutions to Concrete Bridge Deck Cracking. Concrete International. July 1997.混凝土业进入可持续发展的新时代P. K. Mehta摘要 二十世纪末混凝土业所面临的主要问题，包括迅速城市化的世界需要大量基础设施，混凝土结构物过早地破坏，需要有效地改善混凝土耐久性，以及提高公众探索用生态学方法解决安全处置成百万吨工业副产品的兴趣。这些副产品正适合于作为辅助胶凝材料掺入混凝土。文章表明：上述这些问题相互关联，可以用整体论方法去解决。1 引言作者早先的一篇文章1：“混凝土技术处于十字路口”，发表于1994年Malhotra研讨会上，详细讨论了混凝土业所面临的挑战。主要强调以下三个问题：1 迅速城市化的世界需要大量基础设施；2 工业化的发展和环境保护之间需要平衡；3 混凝土耐久性方面的危机。自大约发生在400年前的工业革命以来，一直没有注意环境和社会为技术发展的付出，现在这种情况正在发生变化。再有不到三年，随着二十一世纪的开始，我们就要进入一个可持续发展的时代。这意味着：不把保护地球的生态平衡放在和公众利益同等重要的位置，就不可能达到技术追求的目标。现在都知道：我们生活的星球太小，容纳不了工业化产生的废料。在这些认识中，只有混凝土技术的整体论方法，可以有助于我们满足日益城市化的世界对于材料的需求。本文的内容之一就是要表明：一些看似无关的问题，在运用整体论观点时，发现它们实际是紧密相关联的。2世界对基础设施的需求在二十世纪里，人口以前所未有的速度增长，而后七十五年里，人口从二十亿猛增到六十亿。到2025年，预计将增长到90亿。因此世界的工业化，首先要为人口增加寻找足够的能源、矿物和食物来源。历史上第一次有如此众多的人口生活在城市及其周边的乡村地带。根据联合国的报告，除了众多人口在百万以上的城市外，还有二十个人口超过1100万的超级大城市。建设工业与城市化区域的基础设施，例如建筑物、大型运输系统和给排水系统需要大量建筑材料。对于大量的结构工程来说，由于混凝土廉价、易得、多用性和良好的工程性质，无疑已成为其首选材料。近一百年来，硅酸盐水泥已成为混凝土拌合物主要的水硬性胶凝材料，1994年全世界耗用13亿吨水泥，基本都是硅酸盐水泥。与石灰-火山灰水泥不同，它凝结与硬化迅速，符合现代施工速度的需求。世界各国在19942005年期间水泥消耗量约增长5亿吨，其中3.7亿吨（即世界总增长量的75%）来自亚洲、南美与中美。由于水泥厂的建设投资巨大（每吨水泥的装机容量约需200美元），许多穷国为建设新水泥厂筹集投资将产生沉重负担。3工业可持续地增长制备水泥的基本原材料，即石灰石和粘土，全世界十分丰富。到2005年产量增长5 亿吨的瓶颈问题，是高能耗与大量CO2排放。生产1吨水泥，大约要排放1吨CO2。增加地球环境中的CO2量涉及各国政府所重视的气候变化等一系列问题。最近的100年里，温室作用已导致全球温度上升4。到21世纪中期，碳氢燃料燃烧和其他原因排放的CO2如果不加限制，预计要增加100%，这将导致大气温度上升到无法承受的危险水平。如果中国、印度和中南美国家象西方国家发展工业化时那样，消耗能源和材料（例如硅酸盐水泥），一场环境灾难将不可避免地要爆发。如前所述，到2005年，近3.7亿吨水泥，即水泥年消耗总量增长的75%，将来自亚洲和中南美国家。由于发展中国家的工业化进程不可能停滞，我们必须找到一种方式，引导进入对环境友好的轨道。1992年在巴西里约热内卢对可持续发展所下的定义是：“与地球的生态系统和谐的行为”。 因此，水泥与混凝土业可持续发展的目标非常重要。如果我们付出一系列努力，如下所述，充分利用从热电厂和冶金工业排放的，具有胶凝性质或火山灰性质的材料，这个目标是可以达到的。Manz2于1989年报道：5.62亿吨排放的燃煤灰渣里，只有0.25亿吨用于生产混合水泥，或作为混凝土掺合料，仅占可利用率的5%。现今年排放燃煤灰渣估计已达6.5亿吨，其中70%，即4.5亿吨是粉煤灰，或是细煤灰，可用作胶凝材料中的火山灰3，另一可用于生产水泥的工业副产品是高炉矿渣。虽然全世界年产矿渣大约在1亿吨左右，但作为胶凝材料的利用率很低，许多国家里只有一小部分矿渣水淬成粒状或可做胶凝材料。作者饶有兴趣地注意到：很大比例的燃煤灰渣和矿渣正来自那些需要大量水泥的国家。例如，中国和印度每年总共产燃煤灰渣1.5亿吨；欧洲国家，主要是俄罗斯、波兰、前捷克斯洛伐克、罗马尼亚、德国、西班牙和英国每年约产2.5亿吨；此外，年产1亿吨的矿渣中，至少5千万吨来自中国、印度和欧洲。同时，预计至2005年世界水泥年消耗量的增加约有4.4亿吨来自这些国家。很显然，如果我们可以找到全部或大部分利用可以利用的燃煤灰渣和矿渣，或作为混合硅酸盐水泥，或作为混凝土的辅助胶凝材料，到2005年就可以不增加现有水泥熟料的生产能力，而满足工程对水泥需求的增长。一个可持续发展的水泥与混凝土业，如前面所定义的，可以保证得到实现。如果考虑到下面要说到的，对生态带来的益处，很难设想还有什么其他更好的解决办法。接近90%当今生产的燃煤灰渣和冶金矿渣，或者作为低值利用，如回填和道路基层；或者简单地堆存在大坑里与填筑灰池。这种存放方式不仅是浪费，还有害于人身健康。因为它会污染土地、空气和地下水，这些副产品通常含有毒金属，而混凝土为处置它们提供了很好的去处，因为大多数有害金属可以被安全地固化在其水化产物中。事实上，由于巨大的用量，混凝土业是成百万吨副产品安全而且经济的理想去处。根据Schiessl和Hohberg的研究4，用水泥-粉煤灰混合制备的砂浆，具有非常好的环境相容性。根据一次实际的渗漏试验（桶型试验）结果，他们报道：仅有0.09mg/kg的锌和0.15mg/kg的铬从水泥砂浆中渗漏，而该砂浆里原有183mg/kg的锌和53mg/kg的铬。4混凝土耐久性在世界上大多数国家里，翻修和更换基础设施的巨额花费已经引起严重的关注，因为太多的混凝土结构物在远未达到预计的使用寿命之前就出现劣化的问题。同时，社会生态的利益要求地球的自然资源要尽可能地通过提高制成品的耐久性得到保护。因此，随着新世纪的临近，很有必要审视今天的混凝土技术，探索可以改善混凝土，使其真正成为高性能材料的途径。此外，由于许多提高混凝土结构耐久性的材料和方法正在涌现，需要慎重地评价它们的投资效益，因为大多数结构工程建设中材料费用仍占重要的比例。众所周知，钢筋混凝土结构劣化的主要原因是钢筋锈蚀、冻融循环作用、碱-骨料反应和硫酸盐侵蚀。根据对混凝土蜕化例证的考察，作者提出过一种概括混凝土劣化主导原因的整体论方法1，这种方法是根据现场经验，即上述劣化原因中的任何一种，先决条件都是高度的水饱和，这是导致混凝土膨胀和开裂的机理。因此混凝土的水密性抵抗恶劣环境的第一道防线，在材料出现严重损伤之前一定程度上已被突破。这说明：与其他性能相比较，混凝土的坚固性，即没有裂缝，和混凝土耐久性的关系更为密切。看来现代混凝土施工中，没有对引起混凝土早期开裂的两个主要原因，即温度收缩与干燥收缩给予足够的重视。因此有必要在这里简短地叙述这两个引起混凝土开裂原因的基本原理。当新拌或硬化混凝土暴露到一定的温湿度环境中时，要产生温度收缩和干燥收缩两种变形。收缩应变的类型和大小，取决环境的温湿度、混凝土构件的尺寸、混凝土温度、制备混凝土原材料的特性以及配合比等。在约束条件下，硬化混凝土的收缩引起弹性拉应力，近似等于其应变与弹性模量的乘积。当拉应力超过其抗拉强度时，混凝土就会开裂。然而，由于其粘弹性质，或称徐变，部分应力得到松弛，所以其残余应力决定混凝土是否会开裂。约束收缩产生拉应力和徐变对应力的松弛之间的相互作用，是混凝土结构早期开裂或形成微裂缝，以后导致其水密性破坏的核心。图2所示的基本原理清楚地表明：混凝土由于收缩受约束产生开裂的危险，可以通过下列因素减小：抗拉强度高、收缩应变小、弹性模量低和徐变应变大。（注：见“耐久性未来的关键问题”译文中的图1）。受快速施工所驱使，现今混凝土拌合物趋向加大普通水泥，甚至高早强水泥的用量。显然混凝土的可延伸性或抗裂性较差，一方面由于干缩和温度收缩增大，另一方面弹性模量增大，而徐变系数减小。这正是高早强混凝土拌合物比中低强度的更易于开裂的原因。传统上，结构开裂是利用足够的配筋来控制的，但正如下面所解释，少量宽裂缝代之以大量不可见的微裂缝，不是解决混凝土耐久性问题的好办法。前面的理论性解释，从下面实际例子得到验证：1995年，美国国家公路合作研究项目（NHCRP）对新建混凝土桥面板进行了一次调查。注意到大约10多万块桥面板在混凝土浇注后不到一个月时间，就出现横向裂缝。Rogalla等人得出下列结论5：1 温度收缩和干缩的共同作用是引起大多数裂缝的原因，而并非交通荷载或混凝土硬化时受震动所造成。2 通常，桥面板采用的是高强混凝土，这些混凝土早期的弹模大，因此在温度变化或者干缩一定时，产生较大的应力。更重要的是：混凝土没有什么徐变来松弛这些应力。3 高强混凝土通常水泥用量大，因此水化时收缩更大，产生更高的温度，现今的水泥易于引起开裂，是由于它们更细，硫酸盐和碱含量高。根据整体方法论对混凝土劣化得出的结论，即组成适宜与捣固、养护得当的混凝土基本上可以维持水密性，内部存在的孔隙与裂缝不会相互连通，形成至表面的网状通道。结构受荷载及侵蚀作用，例如暴露在冷热和干湿循环中，使原先存在于混凝土骨料和水泥砂浆之间过渡区里的微裂缝扩展，这发生在结构-环境相互作用的第一阶段；一旦混凝土的水密性丧失，就会被水饱和，有害离子侵入混凝土体内，这标志着混凝土-环境的相互作用第二阶段开始，混凝土的劣化表现为周期性的膨胀、开裂、失重与渗透性增大。根据对混凝土劣化分析的整体方法论，可以建立损伤过程的两阶段模型，如图4所示（注：见“耐久性未来的关键问题”译文中的图2）。它不能用于准确地预测结构的服务寿命，但正如下面所讨论：它有助于确定为延长在侵蚀性环境中使用的混凝土服务寿命的投资成效战略。Gerwick6列出过为尽量减小混凝土由于钢筋锈蚀产生的劣化，通常采用的一系列措施所需要花费的代价（作为混凝土结构物一次投资的百分比），这些费用是以1994年西方国家的价格为基准进行比较：1. 用粉煤灰和矿渣替代部分水泥（0%）； 2. 预冷混凝土拌合物（3%）；3. 用硅灰和高效减水剂（5%）；4. 增加保护层15mm（4%）；5. 加阻锈剂（8%）;6. 钢筋涂敷环氧（8%）；7. 外涂层（20%）；8. 阴极保护（30%）。显然，当温度收缩开裂和耐久性首先要考虑时，方法1，即采用粉煤灰或矿渣代替部分水泥，同时满足给定条件下工地对凝结和硬化的要求，是最有效的投资选择；方法2、3或者4对于特殊结构可能有必要采用。注意：前4种方法是通过延长混凝土水密性保持期，即影响混凝土损伤模型的1阶段来达到目的的。后4种选择，包括利用阻锈剂、环氧涂层钢筋、混凝土外涂层和阴极保护要昂贵得多，而且只延长损伤模型的第二阶段。选择这些昂贵的办法，在第一条防线，也就是水密性被突破后，延长服务寿命的效果相对较小。人类身体健康的经验表明：防治的方法总要比染上病以后补救的方法更有效。为了修建耐久的公路，美国许多州运输局看来都倾向采用方法1。根据Keek和Riggs的文章7，自1986年建设Sunshine Skyway桥，在该桥施工中使用了粉煤灰以后，包括暴露在中等侵蚀性环境里的预应力构件，都由佛罗里达运输局一直强制性地规定使用：最小水泥替代率为18%；P型水泥允许含15 40%火山灰；S型水泥含50 70%矿渣；浇注大体积混凝土时，粉煤灰替代水泥量可达50%。粉煤灰替代水泥率和7天水化热之间存在接近线性的关系，是热天和大体积混凝土浇注时掺用粉煤灰的原因。此外，根据他们的报告7，环氧涂层钢筋曾用于许多工程，但在暴露于含氯环境时，例如在佛罗里达的Seven Mile桥上，没有获得预期的效果。通过佛罗里达州运输局进行的氯离子渗透评价试验，为达到标准规定的指标，使得混凝土中掺用粉煤灰成为强制性的规定。碱-骨料反应（ASR）一直是北卡罗尼那的一个问题。如果水泥含碱量超过0.4%，规定必须掺用粉煤灰。冬天曾经不允许使用粉煤灰，但是现在因为ASR问题，已允许长年使用。ASR也一直是弗吉尼亚的问题，规定要求或者水泥含碱量低于0.4%，或者用低钙灰。为强调钢筋锈蚀问题，规定快速渗氯试验的上限为2000库仑。该规定可以经济地用掺低钙粉煤灰来满足。与此类似，南卡罗尼那运输局要求掺83kg/m3粉煤灰，以降低渗透性并减小钢筋锈蚀。在混凝土耐久性研究者中，更接近整体论方法或集约方法的代表作Swamy在那篇很好的、关于混凝土碱-骨料反应的文章里说到8：“要引起侵蚀和损伤，所有三个条件必须都存在，即混凝土中有足够的碱；活性骨料达到临界含量；以及足够的水分”。这个结论的经济与生态含义是明显的，例如，施工在干燥环境里运行的混凝土结构时，就没必要舍弃含碱高的水泥原材料，或者混凝土拌合物要用的有碱活性的骨料。为此，可以掺用粉煤灰或者其他火山灰材料，已经在前面讨论过。与此类似，在Collepardi论及今天混凝土技术中十分矛盾的一个问题，即由DEF现象（延迟生成钙矾石）引起的损伤时，他运用整体方法，得出结论9：只有下列三个条件都满足时，DEF才会带来很大的危害：后期硫酸盐释放；混凝土中微裂缝；暴露于水中。同样，这个结论充满经济和生态考虑的含义。例如，在煅烧水泥时，没必要停止使用辅助燃料，如通常含硫较高的旧汽车轮胎和渣油。从经济和生态的观点出发，较好的解决办法是在水泥含硫超标时，设法减少混凝土中的裂缝和微裂缝，并在其使用过程避免水渗透进去。5. 排除在混凝土中使用高掺量火山灰质和胶凝性副产品的障碍很显然，为了未来混凝土业获得可持续地发展，为在2005年以前大大加速火山灰质和胶凝性副产品在混凝土中的利用率，必须排除前进道路上的障碍。这不仅是亚洲、东欧和南美等发展中国家的任务，也是发达国家的任务，因为它的成败具有全球性生态的意义。为引起对这个问题的讨论，下面谈及一些众所周知有争议的，有碍于混凝土中掺粉煤灰和高炉矿渣，但已经在向前推进的问题。5.1 化学组成的变异从工业窑炉里排出的粉煤灰或矿渣的化学成分，由其原材料和加工条件所控制，这种变异不仅从一个厂到另一厂存在，就是在同一厂里也存在。因此，粉煤灰与矿渣化学组成的变异大是自然的。然而，现在已经认识到：它们的火山灰或胶凝性质更主要地是由矿物组成和粒径所控制，而只在较小程度上受化学组成所影响3。再有，工业粉煤灰和矿渣有时矿物组成和粒径变化都很大，当然要影响它们的活性。一定的应用环境要求材料的活性较高，而另一些时候可能对活性要求不高。因此，不是根据活性高低，决定抛弃那些副产品，为了安全和经济地处置这些材料，需要通过创新，为不同类型的粉煤灰和矿渣在混凝土建筑业找到相适应的、合理利用的途径。南印度群岛固体废料与生态平衡研究所的Bhanumathi Das和 Kalidas10开发出制备粉煤灰-石灰-石膏和粉煤灰-水泥砖和砌块产品。他们没有盲从标准对粉煤灰在水泥和混凝土中应用的物理与化学要求，发现即使是不符合标准的粉煤灰与石灰、石膏，或与水泥按一定比例混合的材料，在一般的养护条件下都可以生产出强度足够的产品。现在已经有上百套设备在生产，而且成百条更多的生产线在建设，显然这种方式在处理粉煤灰方面，同时保护能源和表层粘土制备黏土砖的基本材料方面，是十分重要的。有时粉煤灰或矿渣的活性需要改善，细磨和热养护是两种熟知的加速火山灰和胶凝性材料反应的方法。另一方面，当材料活性很高时，可能又需要在使用前延缓反应，可以用部分预水化来达到。例如，在希腊用碾压混凝土建造一座大坝时，使用的粉煤灰含钙达42%，活性非常高（15%游离钙、还有C3A和硫酸钙），需经粉磨和预水化后使用11。总之，并非不同来源粉煤灰的变异，是加速其在混凝土中应用的障碍。真正的瓶颈来自用户缺乏对同一来源粉煤灰质量均匀性的信心。当然，这还不是那种不可逾越的障碍。多年来，水泥与混凝土业已经在生产中将多种不同品质的材料混合，而获得质量均匀的最终产品。受一致的利益所驱动，这些副产品的生产者和用户可以协同克服这个问题。如果生产者会因为排放有毒副产品而受到重罚，那么使用过程增加的费用就很好解决了。5.2 规程和规范由于历史的原因，世界上大多数国家制定的硅酸盐水泥、矿渣、火山灰和混合水泥的标准都是“指令性”的，即对某些化学成分作了限定。对于混合硅酸盐水泥，指令性标准都规定允许混合材掺量。虽然一些国家正在制定以性能为基准的规程，但大多数工程师尚缺乏对这类规程的信任。这对大规模地、创新地在混凝土应用副产品是严重的障碍。经过详细地考察现行世界各国有关火山灰和胶凝材料标准，得出的结论是：对于这些材料分别制订标准没有必要，并且在这些独立的标准中，许多要求是过时的，因此可以去掉，留下几条足以达到保证质量的目的3。可以制定一个简单的、以性能导向的单一标准，面向所有的火山灰质和胶凝性材料。加拿大的标准CSA-A23.5就遵循了上述方式。根据Malhotra与CANMET同事的合作研究成果，在混合水泥里严格地限制副产品的最大允许掺量是说不通的12。他们通过掺超塑化剂配制混凝土拌合物的试验，发现即使高达60%的水泥用粉煤灰代替，其强度和耐久性仍可以满足优质结构混凝土的需要。而印度现行的火山灰硅酸盐水泥标准中，限制粉煤灰掺量为25%。显然，摆脱指令性规范的束缚，而代之以性能为基准的规范，将加速粉煤灰和矿渣在混凝土中的应用。它还将促使水泥掺加两种或更多辅助胶凝材料的三元和四元体系得到开发。5.3 对混凝土性能的影响粉煤灰与磨细高炉矿渣的减水性能已为众人所熟知。因此，它们的应用常可以起到改善新拌混凝土流变性能，例如泵送性能的作用。硬化混凝土中，由于掺有辅助胶凝材料，对两方面相关的性质耐久性和强度的影响，则需要详细地考察。有一种错误的概念，即掺有粉煤灰或矿渣的钢筋混凝土暴露于海水或除冰盐中的耐久性不如纯水泥混凝土。从理论和实际两方面压倒多数的证据说明：火山灰质和胶凝性材料在质量和用量适宜的条件下，对混凝土性能只会起到非常确定的正作用。使用火山灰质材料能降低渗透性和膨胀应，因此减小开裂趋势。混凝土在掺有适量辅助胶凝材料时，可获得保护，免于锈蚀和其他膨胀现象，包括碱-骨料反应和硫酸盐侵蚀的作用。至于粉煤灰和矿渣对抗压强度与抗拉强度的影响，在低气温条件下，通常最终强度得到改善，但早期的凝结和硬化显著延缓了。在强度发展速率需要与纯水泥混凝土相比拟的时候，可以采用下面一种或多种方法来获得：1）热养护；2）代替部分细骨料，而不是减少水泥；3）细磨粉煤灰与矿渣；4）借助高效减水剂降低水胶比；5）用高活性的火山灰（例如硅粉或稻壳灰）或磨得非常细的矿渣，而不用活性较低的粉煤灰或矿渣。然而，如下面所讨论的，用缓慢硬化的混凝土浇注的结构，比现代混凝土施工中通常采用的快硬混凝土显示出较高的后期性能。作者从回顾19301980年期间施工的混凝土得出结论13：混凝土结构过早出现劣化的许多问题，可以归因为施工速度加快、混凝土拌和用水量增大、硅酸盐水泥的早期强度高以及随之发生的水泥用量减少。当需要考虑耐久性时，特别是在侵蚀性环境条件下，应该增加混凝土里水泥的用量，因此水胶比非常小。正如前面所解释的，这种混凝土的徐变小、弹性模量高，即使在早期，因此易于因温度和干燥引起的应力导致开裂。当然，结构裂缝可以用配筋控制，但是这无助于混凝土耐久性，因为那些不可见微裂缝终将随着时间扩展，并互相连通起来。结论就是：当耐久性是首要考虑时，掺加粉煤灰、矿渣，因此混凝土的凝结和硬化缓慢是优点，而不是缺点。任何经济上的不利之处，例如拆模时间延迟，完全可以从结构物的寿命-循环费用较低，而且提高了混凝土耐久性，从获得安全、廉价地处理大量有毒工业废料的生态学方面的益处得到补偿。6高掺量粉煤灰应用实例由于建筑业量大面广，因此它是提高粉煤灰和矿渣利用率首先关注的焦点。实际上这些副产品是硅酸盐水泥混凝土中必要的辅助胶凝材料，没有它们，混凝土就不是低能耗的，对生态友好的，并且耐久的材料。虽然下面只列举了高掺量粉煤灰的实例，但大家都知道，磨细高炉矿渣通常可以更大比例地掺用。对于一般的工程应用，可以将粉煤灰分成两类：一类是满足标准的物理-化学以及性能指标的，另一类是不符合标准要求的。符合标准要求的粉煤灰，允许作为混凝土的辅助胶凝材料，或作为混合水泥生产中的混合材。这些应用中，现行施工规程通常限定粉煤灰的掺量在胶凝材料总重的20%。如前所说，Malhotra对超塑化拌合物的研究表明：当水胶比在0.3或者更低时，60%水泥可以用低钙或高钙粉煤灰代替，制备出强度和耐久性非常好的混凝土。例如，用150kg/m3普通型水泥，200 kg/m3低钙粉煤灰、用水量102 kg/m3、粗骨料1220kg/m3、细骨料810 kg/m3以及高效减水剂7L/m3，制成的混凝土1、28和182d强度分别为8、55与80 MPa。这种新型的、大掺量粉煤灰的应用，无疑是建筑业附加值最高的材料利用实例。如果完全利用所有的煤灰是我们的目标，那就还要看看另一部分建筑业，它们可以利用非标准的粉煤灰和炉底灰获得益处。这些煤灰不符合标准中的最低要求，但由于存在大量细颗粒，仍然可以被利用。下面举一些例子。碾压混凝土筑坝：自八十年代以来，碾压混凝土（RCC）筑坝技术在全世界被广泛接受，作为建设中等高度大坝最快也最经济的施工方法。根据Dunstan的报道11，到1992年底，全世界已有96座 RCCD在17个国家建成，其中82座的RCC中掺有火山灰质材料。浆体含量多的RCC，胶凝材料约为250 Kg/m3，其中7080%是火山灰质材料，主要是粉煤灰，占82座坝的90%。如美国上静水坝浇注了124万m3混凝土，水泥用量为79 Kg/m3、粉煤灰为173 Kg/m3，所用20万吨粉煤灰是从6个电厂运去的。可以想见：对日本需要浇注500万方混凝土的Zungeru和中国高达217米、混凝土量为750万m3的龙滩坝，要用去多大体积的火山灰质材料！据Dunstan的报道11，即使是不符合标准的粉煤灰，也成功地在RCC中得到应用。例如在瑞士一高度为95m的Platanovryssi坝所用碾压混凝土水泥用量仅35 Kg/m3，而粉煤灰（属高钙粉煤灰，总CaO达42%）为250 Kg/m3，是以褐煤为原料的热电厂所排放，使用前经预处理（预水化）。混凝土公路路面：在美国大约70%的低交通量公路与地方公路需要升级，考虑用大掺量粉煤灰代替水泥以降低造价，电力研究院(EPRI)出资搞了几个示范工程：在北达科他州，1988和1989年夏天，用20000m3混凝土铺筑厚为200 mm的路面，其水胶比为0.43，水泥用量100 Kg/m3、粉煤灰220 Kg/m3。德克萨斯州的路面示范工程在混凝土中成功地采用了低钙灰和高钙灰（掺量为混凝土重的1020%）。该工程的另一特色，是将老路面破碎的混凝土块作为骨料用于新路面。基层和路堤：高掺量粉煤灰或炉底灰在公路工程中的应用，包括稳定土、路面基层、路堤和路肩。根据Golden的报道14，在1989年，大约35万吨粉煤灰用于宾州路堤的施工；在佐治亚，二灰（水泥和粉煤灰）处理混合料一直在公路试验段用于基层；在密执安，高含碳粉煤灰用于施工基层和路肩，每年用量在30万吨。低强材料（CLSM）：是一种理想的回填材料，用于街道填方或修补和基础设施的翻修工程。为了便于以后好开挖，要求材料的无侧限抗压强度在2 MPa或更低。强度上限为8 MPa的CLSM，用于那些预计不会再开挖的情况，例如建筑物下面的结构填充。自密实、易流动的回填需要劳力少，因此比夯土回填费用低。大掺量不合格的粉煤灰，作为细骨料的替代品，可用于CLSM料浆。面对波士顿严重的交通阻塞问题，新中心干线隧道工程开创了一个利用CLSM很好的例子。根据Suillivan15，该工程在开挖与暗挖隧道施工时，开挖好的深沟在箱形隧洞和支撑壁之间的空间用CLSM进行回填。28天强度为0.4MPa的CLSM里，水泥用量为23kg/m3、高碳粉煤灰970 kg/m3、用水量330 kg/m3。CLSM料浆里，水泥占胶结材总重的5%、10%或15%，强度分别为0.7MPa、1.4MPa与2.1MPa。根据Goldbaum的报道16，科罗拉多运输局自1990年以来用CLSM回填现有非标准桥梁的管道和箱形涵洞周边，使道路上等级。工程中采用的CLSM，典型配比为水泥60 kg/m3、粉煤灰240 kg/m3、细骨料1440 kg/m3和水300 kg/m3。7结论材料科学技术在二十世纪巨大的进展，将永远为人类牢记。这些进展是基于这样的认识：如果我们可以认识并控制微结构，材料的性能就可以满足工程的需要。虽然混凝土是简单技术的产物，但它具有复杂的微结构，不仅对组成材料的质量和配合比很敏感，而且对施工工艺和操作也很敏感。当我们接近本世纪末时，这种认识有助于我们利用特殊的外加剂和加工技术去开发强度非常高的水泥基材料。近年的建设中，当结构物暴露在侵蚀性环境时，与高强混凝土通常联系在一起的低渗透性显示出优越性，因此许多大工程中复杂的结构物都采用这种高强度的拌合物。然而，高昂的材料和施工费用使这种技术难以在普通结构中运用。人类进入二十一世纪，到了一个可持续发展的新时代。混凝土业将面临社会对两方面的需求：保护环境和世界工业化与城市化对基础设施建设的需求。由于混凝土业量大面广，它无疑是安全而且经济地消纳成百万吨工业副产品，例如粉煤灰和矿渣的良好去处。由于粉煤灰和矿渣具有良好的火山灰和胶凝性质，它们可以大量地取代水泥。掺有6070%粉煤灰或矿渣的超塑化混凝土，在较短龄期就能达到高强度和耐久性。这种技术的开发，排除了对高掺量粉煤灰或矿渣混凝土应用的异议。显然，大量地用工业副产品来代替水泥，从混凝土的经济、能效、耐久性和生态利益看来，都有突出的优越性。工业副产品需要水泥来激发它们的活性，而水泥也需要与它们复合，以改善混凝土耐久性并降低其成本。在这个工业化的世界里，很难再找到这种极好的、一个体系两部分之间互补，其中一个还是工业废料的例子。以“互补性胶凝材料”形容水泥和工业副产品的关系，在今后利用副产品作为与水泥复合使用的互补胶凝材料，应成为强制性的规定。简而言之，如果在新世纪里，世界是由环境部门来掌握，那么水泥和混凝土业的未来，在很大程度上就取决我们能否使这些行业的成长与地球可持续地发展联系起来。如本文所述，一种整体论方法有助于我们达到增长对混凝土的需求、不增加成本提高混凝土耐久性，以及符合生态要求地处置大量其他工业废料的目标。覃维祖译自Bringing the Concrete Industry into A New Era of Sustainable Development. Mario Collepardi Symposium on Advances in Concrete Science and Technology. 硫酸盐对混凝土的侵蚀：去伪存真P.K.Mehta加州的许多房主最近花费了几百万美元诉讼费一事，引起了美国建筑业的高度重视。这些诉讼常常涉及混凝土表面由于盐类物理侵蚀造成的剥落，而这种侵蚀被混淆为硫酸盐化学侵蚀。盐侵蚀是一种纯物理现象，它在一定条件下，例如砖、石或质量不好的混凝土暴露在碱性盐溶液，包括硫酸盐（但不局限于硫酸盐）溶液环境时会发生。此外，诉讼还包括对热养护的混凝土制品（铁路轨枕），一直认为其膨胀和开裂是延迟生成钙矾石（DEF）这种体内产生的硫酸盐侵蚀所造成的。从解释DEF造成膨胀和开裂的机理看来，似乎这种现象与以往所说的硫酸盐侵蚀存在基本的差别。许多已发表或没发表的，关于硫酸盐侵蚀的文献存在着矛盾和混淆的观点，已经引起公众的忧虑。硫酸盐侵蚀造成混凝土损伤的问题到底有多严重？它会导致结构破坏吗？由于DEF所造成损伤的机理是否就与那些外来硫酸盐侵蚀不一样？为了讨论这些问题，有必要仔细回顾一下现状和新的研究成果。为了提供一些背景，本文在对选择的文献进行评述，试图解答上述问题之前，先简短地回顾一些历来在这方面的观点。以往的一种观点早在1915年美国标准局Wig 和Williams发表的一篇技术文章中1，谈到自1900年以来，美国西部贫瘠地区暴露于表面盐碱土和水环境里混凝土瓦解的原因，一直是工程师们和用户探讨的对象。作者们观察到：“在这些地区，许多混凝土结构物并没有受到盐类影响的迹象，但有些就出现受侵蚀的表征，用户们倾向于把所有的破坏现象归因为周围可见的碱所造成。于是，这种在美国东部是由于所用材质不良或加工制备不当而产生的破坏现象，常常在西部被盐碱作用所替代。”为了说明观点，Wig 和Williams在文章中引用了几个工程实例2。他们注意到：一条坐落在富硫酸钠土质上的灌溉工程经过7年运行，一部分混凝土结构仍然完好，而另一部分就完全瓦解了，用手就可以抠下来；而且，混凝土里的孔隙被盐所填满。通过对混凝土排水渠（水里含有从土中溶解的硫酸盐）取样，并浸泡在0.1%或更大浓度的碱性硫酸盐溶液里进行的现场试验，得出以下结论： 多孔的渠片，由于用的是比较干稠的贫混凝土拌合物，已经瓦解； 瓦解是由于孔隙里的盐结晶引起的膨胀，以及溶液对水泥组分产生的化学侵蚀引起混凝土劣化所导致。可见，早在20世纪初，研究者们就已经认识到暴露于碱性硫酸盐环境中的混凝土受侵蚀的基本特征；也已经知道：所有硅酸盐水泥混凝土并未受到侵蚀，而只有那些配合比和制备不良，因此抗渗透性很差的混凝土，在暴露于某种不利的环境时，易于受到硫酸盐侵蚀；已经知道：多孔混凝土的劣化可由于碱性硫酸盐在孔隙里结晶的纯物理现象所导致，也会因水泥浆被硫酸盐溶液的渗透而分解所导致。研究者们还知道：与盐结晶相关的物理侵蚀，不限于碱性硫酸盐溶液，例如，在碱性碳酸盐溶液条件下，或者其它多孔材料，如天然石材与圬工结构上也同样发生。至于硫酸盐引起的化学侵蚀，都知道可以追溯到1892年，硅酸盐水泥浆体中的钙和铝相形成钙矾石会引起膨胀和开裂。在水化良好的硅酸盐或普通水泥浆里，初始的含铝相是单硫型的硫铝酸钙和水化铝酸钙二者在硫酸盐溶液里都不稳定。一些研究者还报道：硫酸盐侵蚀主要的含钙相形成了石膏。提出过几种机理，认为是钙矾石和石膏的形成，引起了膨胀和开裂，以及混凝土强度和粘结力丧失。在1990年，Cohen和Mather证实了上述两个假定3。根据其中的一个假定，和钙矾石形成相关的结晶生长压是产生膨胀的原因；根据另一假定，暴露于高pH值环境的钙矾石微晶是膨胀和开裂的原因。1992年，Mehta发表一篇简短的评述4，回顾了过去60年来有关现场出现硫酸盐侵蚀的情况，从几个混凝土结构长期暴露于硫酸盐环境的实际例证可以得出结论：硫酸盐化学侵蚀的首要表征是与钙矾石和石膏（两者均由水泥水化的主要产物，即氢氧化钙和水化硅酸钙的化学分解所得）形成相关的粘结力和强度的丧失，然而通常只强调用实验室方法可以得到的与钙矾石有关的膨胀。近十年发表的文