混凝土耐久性已經(jīng)成為一個幾乎是在全球范圍內(nèi)存在的具有普遍性的問題。在最近的半個世紀(jì)，對混凝土耐久性進(jìn)行了大量研究，至少是在試驗研究方面給予了足夠的重視，但實際混凝土結(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)耐久性的一個重要方面。

半個多世紀(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。原因之一是在試驗室以分解論的方法獲得的耐久性試驗的信息都是支離破碎的，不能綜合為一個對現(xiàn)場混凝土真實的長期作用的全面認(rèn)識。

作為一個例證是，試驗室關(guān)于混凝土耐久性的研究很少將水泥作為一個影響因素考察，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。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，天津濱海的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，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，因為混凝土性能的提高往往提高的是混凝土的早期強(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“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，弗吉尼亞橋面混凝土的橫向裂縫增多了。1961年一項調(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、強(qiáng)度更高，但同時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，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協(xié)會(ASTM)水泥委員會提議這件事時，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)一步討論這個問題）。

5）在考慮實際結(jié)構(gòu)的服務(wù)壽命時，要慎用試驗室所做的混凝土耐久性試驗結(jié)果，因為混凝土開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)行的試驗室試驗結(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，同時養(yǎng)護(hù)良好的試件在試驗室里呈現(xiàn)出優(yōu)異的抗?jié)B透性能。

4我國半個世紀(jì)水泥質(zhì)量的變遷

以準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)全面回顧半個世紀(jì)水泥質(zhì)量變遷，將是一項繁復(fù)浩大的工程。限于時間和精力，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，意味著鮑格公式計算的C3S含量提高，同時預(yù)分解窯采用的急燒快冷熱工制度，使得C3S實際含量比鮑格公式計算值高出許多。因此，熟料的C3S實際含量由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

回望中外半個世紀(jì)水泥、混凝土質(zhì)量發(fā)展的歷史，可以看到一個不容忽視的基本事實，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具體方面有了更加深入的了解，但實際混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性卻變得越來越差了。一個重要原因是半個多世紀(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。