现代普通混凝土的高性能化

林力勋

（中国建筑第四工程局有限公司，广州 510665）

现代普通混凝土的高性能化

林力勋

（中国建筑第四工程局有限公司，广州 510665）

作者根据对高性能混凝土的理解，阐述了普通混凝土实现高性能化的意义、依据、方法和手段，也谈到管理工作对维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；环境

1 问题的提出

现在人们谈到高性能混凝土时首先要求高强度，混凝土强度等级至少要达到C60甚至C80，似乎只有高强混凝土才能成为高性能混凝土。诚然，混凝土强度是混凝土性能的综合反映，一般在正常设计情况下，混凝土强度等级高其他性能也相对较好。然而，要获得高强混凝土，我们必须付出相应代价：

（1）需选用高强度水泥，这会增加工业能耗和碳排放；

（2）需选用优质砂石骨料，并对其级配、粒径和洁净度等有较高要求，资源有限；

（3）为了减少水化热，需选用优质的各种掺合料，资源有限，价格昂贵；

（4）要尽可能降低水胶比，同时为了要满足混凝土拌和物的工作性，需用昂贵的高效外加剂，且掺量较大；

（5）拌制低水胶比混凝土，时间要延长，能耗要增加；

（6）泵送及施工低水胶比混凝土能耗相对较高；

（7）养护工作要求高，尤其是早期；

（8）高强混凝土对影响强度的因素较为敏感，故其质控体系的费用较高；

（9）结构设计人员对高强混凝土的脆性仍没有成熟的解决方案；

（10）高强混凝土配合比配制的直接成本高。

由此可见，通过高强来实现高性能成本是很高的，如果实际工程设计上需要这种高强度，这样做是值得的。但量大面广的混凝土工程却在使用中等强度等级的混凝土（C25～C50），如长江三峡大坝混凝土大多在C25～C30，南京地铁工程大量应用的混凝土强度也是C25～C30，设计使用寿命却要求100年；青藏铁路线上的桥墩混凝土强度多为C30；英国黑山核电站全部使用C20～C40级混凝土等等。通常的工业与民用建筑工程混凝土设计强度多在中等，设计使用寿命要求在50～100年。此时，过高的强度是浪费，而如何保证混凝土的耐久性成则为问题的关键。

2 高性能混凝土的本质

我国开展高性能混凝土的研究已有20年，但高性能混凝土不像高强混凝土可以用单一的强度指标予以明确定义，因为不同的工程对象在不同的环境下对混凝土的性能有不同的要求，故混凝土的性能可随使用条件而变。由于传统混凝土在现阶段暴露出来的问题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虑。

中国工程建设标准化协会标准《高性能混凝土应用技术规程》CECS207:2006对高性能混凝土的定义为“采用常规材料和生产工艺，具有混凝土结构所要求的各项力学性能，且具有高耐久性、高工作性和高体积稳定性的混凝土。”定义中的前两句是指普通混凝土，而工作性和早期的体积稳定性也是普通混凝土应该具备的，后期的体积稳定性则属于耐久性的范畴。于是我们可以这样理解当普通混凝土具有“高耐久性”时，就成为高性能混凝土。

高性能混凝土的核心是保证耐久性。耐久性对工程量浩大的混凝土工程来说意义非常重要，若耐久性不足，将会产生极严重的后果，甚至对未来社会造成极为沉重的负担。据美国一项调查显示，美国的混凝土基础设施工程总价值约为6万亿美元，每年所需维修费或重建费约为3千亿美元。美国50万座公路桥梁中20万座已有损坏，平均每年有150～200座桥梁部分或完全坍塌，寿命不足20年；美国共建有混凝土水坝3000座，平均寿命30年，其中32%的水坝年久失修；而对二战前后兴建的混凝土工程，在使用30～50年后进行加固维修所投入的费用，约占建设总投资的40%～50%。回看中国，我国50年代所建设的混凝土工程已使用40余年。如果平均寿命按30～50年计，那么在今后的10～30年间，为了维修这些建国以来所建的基础设施，耗资必将是极其巨大的。而我国目前的基础设施建设工程规模宏大，每年高达两万亿元人民币以上。照此来看，约30～50年后，这些工程也将进入维修期，所需的维修费用和重建费用将更为巨大。因此，发展高性能混凝土更要从提高混凝土耐久性入手，以降低巨额的维修和重建费用。

3 普通混凝土的耐久性概念

混凝土是一种人工材料，其性能可以事先设计。普通混凝土配合比设计要达到四个目标：一是满足结构所需要的强度及其他力学性能，安全需要；二是混凝土拌合物有良好的工作性，施工需要；三是有足够的耐久性，寿命需要；四是成本合理，经济需要。对于中等强度等级的混凝土一、二和四目标并不难实现，值得考虑的只有第三个——耐久性，它是工程的使用寿命，是工程质量得以量化的集中表现。

混凝土的耐久性含义较广，标准CECS207:2006对其定义为“混凝土在所处工作环境下，长期抵抗内、外部劣化因素的作用，仍能维持其应有结构性能的能力。”这些能力包括抗渗、抗冻、抗裂、抗碳化、抗化学腐蚀、抗疲劳、氯离子渗透、碱骨料反应、收缩徐变及后期强度等等。显然，要使混凝土十全十美，具有上述所有性能是做不到的，也是不经济的。因为一般而言混凝土所处的环境是相对稳定的，有些性能也是互相矛盾的。如混凝土不可能同时处于酸腐蚀和碱腐蚀的环境中，又如混凝土内的高碱环境对于钢筋钝化防锈和抗碳化是有利的，但对预防碱骨料反应却不利。所以，根据普通混凝土所处的环境条件来有针对性的设计其耐久性才是科学合理的。正如美国混凝土协会（ACI）对高性能混凝土的解释是：“当混凝土的某些特性是为某一特定的用途和环境而制定时，这就是高性能混凝土。”

4 普通混凝土的耐久性设计

《混凝土结构耐久性设计规范》GB/T50476-2008将混凝土所处的环境分为五类：一般环境（Ⅰ）、冻融环境（Ⅱ）、海洋氯化物环境（Ⅲ）、除冰盐等其它氯化物环境（Ⅳ）和化学腐蚀环境（Ⅴ）。混凝土结构设计使用年限按《工程结构可靠性设计统一标准》 GB50135的规定分为不低于50年和不低于100年。针对不同的环境和年限要求，设计人员要关注混凝土的配合比设计（尤其要注意混凝土最低强度等级、最少胶凝材料用量和最大水胶比的控制）和钢筋保护层厚度的选择。

4.1 一般环境（Ⅰ）

该环境对混凝土的作用等级分为三种，第一种是轻微（Ⅰ—A）,指混凝土处于室内干燥或永久静水浸没的环境。这是对混凝土最为有利的环境，此时只有正常大气作用下混凝土的自然碳化会影响混凝土对钢筋的保护。虽然在干燥环境中混凝土会慢慢碳化，但由于缺水使钢筋难于锈蚀；处于水中的混凝土由于缺乏氧气不会碳化，钢筋也不会锈蚀，而且水中混凝土处于永久养护状态，后期性能还会逐渐改善。第二种是轻度（Ⅰ-B）, 指混凝土处于露天（但不接触或偶尔接触雨水）或室内潮湿环境，这种情况与 （Ⅰ—A）差别不大。第三种是中度（Ⅰ—C），指混凝土处于干湿交替环境。在干湿交替的反复作用下，混凝土碳化有条件进行，同时钢筋锈蚀过程由于水分和氧气的交替供给而显著加强，这是对钢筋混凝土不利的。

绝大部分工业与民用建筑结构混凝土属于 （Ⅰ—A）和（Ⅰ—B）环境，此时依靠混凝土本身的耐久性质量、适当的保护层厚度就能达到所需的耐久性，不用考虑附加措施。如选择强度等级不低于C25,保护层厚度不少于20～25mm, 就可满足设计使用年限50年甚至100年的要求。而大部分市政设施、桥梁和隧道混凝土属于（Ⅰ—C）环境，选择强度等级不低于C40,保护层厚度不少于40mm并采取适当的防排水措施，在无冻融情况下， 也可满足设计使用年限50年甚至100年的要求。

4.2 冻融环境（Ⅱ）

长期与水体直接接触并会发生反复冻融的混凝土应考虑冻融环境的作用。混凝土之所以受冻破坏是因为在低温下，混凝土中的水结冰产生膨胀。混凝土冻融破坏需要两个条件：一是混凝土内要含水，且饱水率要达85%以上，否则混凝土是不怕冻的；二是要有足够的长时间的低温，最冷月平均气温-3～2.5℃为微冻，-8～-3℃为寒冷，-8℃以下为严寒，高于2.5℃的地区可不考虑冻融环境作用。冻融环境（Ⅱ）对混凝土的作用等级分为三种：

第一种是中度（Ⅱ—C），指混凝土在无盐微冻高度饱水或寒冷、严寒中度饱水。这种情况混凝土基本上不会严重受冻，因为要么温度不够低，要么混凝土饱水率不够。选用强度等级不低于C40，保护层厚度不低于30mm的混凝土即可。

第二种是严重（Ⅱ—D）, 指混凝土在有盐微冻高度饱水或寒冷、严寒中度饱水或寒冷和严寒无盐高度饱水。这时要按抗冻混凝土设计，设计要点如下：

（1）混凝土强度等级不低于C45，保护层厚度不低于35mm；

（2）选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，不宜使用其它品种水泥，水胶比不大于0.4；

（3）细骨料无碱活性，含泥量≤3.0%，泥块含量≤1.0%，云母等杂质含量≤1.0%，坚固性试验质量损失≤8%;

（4）粗骨料无碱活性，连续级配，含泥量≤1.0%，泥块含量≤0.5%，坚固性试验质量损失≤8%;

（5）可使用引气型减水剂，使混凝土含气量达4%～5%,此时混凝土强度可能会降低，但不要超过10%，也不能低于结构要求的强度等级；

（6）设计完成后，尚应增加抗冻融性能试验。

第三种情况是非常严重（Ⅱ—E）, 指混凝土在寒冷、严寒地区的有盐环境高饱水。混凝土设计要点如下：

（1）混凝土强度等级不低于C45，保护层厚度不低于40mm；

（2）水泥、砂石要求同上；

（3）可掺入高活性微细掺合料（如硅粉等），以提高混凝土的密实度和后期性能；

（4）使用高效减水剂，进一步降低水胶比以提高混凝土的密实度和强度；

表1 抗冻耐久性指数要求

（5）对重要及大型工程，应进行混凝土的抗冻耐久性指数DF试验，即混凝土试件经300次快速冻融循环后其动弹性模量E1与初始值E0的比值 DF=E1/E0，如在达到300次循环之前E1已降至初始值的60%或试件重量损失已达到5%，以此时的循环次数N计算DF值，DF=0.6×N/300；DF（%）值应满足表1要求。

4.3 氯化物环境

氯离子进入钢筋混凝土后，引起钢筋锈蚀并发生体积膨胀，使混凝土丧失对钢筋的握裹力，产生顺筋裂缝、剥落而破坏。这种破坏一旦发生将是很快的，后果也非常严重，往往无法修复，但它一定是针对钢筋混凝土的，素混凝土则不必担心。

4.3.1 海洋氯化物环境（Ⅲ）

海洋和近海地区接触海水氯化物的配筋混凝土工程处于这种环境，该环境对混凝土的作用分为四种情况：第一种是中度（Ⅲ—C），指永久浸没于海水中的混凝土，如桥墩、基础。这时由于水中缺氧使锈蚀发展速度变得极慢甚至停止，故钢筋锈蚀危险性不大。第二种是严重（Ⅲ—D），指混凝土处于海平面15m高度以上的海上大气区和距海岸线100～300m区域(轻度盐雾区)。第三种是非常严重（Ⅲ—E），指混凝土处于海平面15m高度以下的海上大气区和距海岸线100m以内的区域 （重度盐雾区)，以及在非炎热条件下的潮汐区和浪溅区。第四种是极端严重（Ⅲ—F），指混凝土处于炎热条件下的潮汐区和浪溅区。海洋上空和近海地区的大气中都有氯离子，故称盐雾，离海越近浓度越高。盐雾中的氯离子可随风飘到海面上空和附近的混凝土上，如桥墩、桥梁及海岸附近的建筑等，据调查离岸100m内的户外混凝土中的钢筋均发生严重锈蚀；在潮汐区和浪溅区，不但氯离子浓度高，还有海浪拍打和干湿循环作用，使氯离子在混凝土中的渗透速度加快；如果前述情况再处于炎热高温时，电化学反应加速，钢筋锈蚀加剧。

4.3.2 除冰盐等其它氯化物环境（Ⅳ）

这是人为制造的氯化物环境，在冬季为了防止公路、桥梁上面结冰，保证行车安全，人们沿途撒下大量的工业盐以降低水的冰点。除冰盐对混凝土有双重破坏：一方面除冰盐直接接触混凝土表面，融雪过程中的温度骤降以及混凝土的含盐雪水蒸发结晶都会导致混凝土表面开裂剥落，即盐冻破坏；另一方面盐中氯离子不断向混凝土内部迁移，引起钢筋锈蚀。氯离子还会随着车轮被带到更远的地方，如隧道、室内停车场等；也会随水流入不易被清洗的混凝土构件接缝处和地下土体，长期对这些部位的混凝土产生不利影响。除冰盐对混凝土结构造成极其严重的腐蚀，不进行耐久性设计的桥梁在除冰盐环境下只需几年或十几年就需要大修甚至被拆除。发达国家使用含氯除冰盐融化道路积雪已有四十年的历史，但迄今尚无更为经济的替代方法。

上述两种情况是露天配筋混凝土面临的最多的也最为严重的腐蚀环境，除了氯化物腐蚀外，还存在大量的硫酸盐腐蚀，是对混凝土耐久性的最大威胁，也是混凝土设计人员必须认真对待的问题。设计建议如下：

（1）混凝土强度等级不低于C45，保护层厚度不低于50mm；

（2）优先选用矿渣硅酸盐水泥或火山灰质硅酸盐水泥，如用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥时，可配合掺入大量（占胶凝材料总量的比例≥40%）矿粉、粉煤灰和硅粉，胶凝材料总量不少于400kg/m3,同时使用高效减水剂，水胶比不大于0.40；

（3） 砂石要求除前述外，砂中氯离子对钢筋混凝土要≤0.06%，对预应力混凝土要≤0.02%；

（4） 有冻融时宜掺入引气剂，使混凝土含气量达到4%～5%；

（5） 对重要及大型工程，除了要做混凝土抗冻耐久性指数DF试验外，还应做氯离子扩散系数试验，且应满足表2要求；

表2 氯离子扩散系数要求

（6） 混凝土的施工缝、连接缝不要设在水位变动区和浪溅区，伸缩缝处要采取防腐措施，混凝土表面要光滑、不积水；

（7） 当上述措施仍不能保证50～100年设计使用年限时，还应考虑其他附加措施：在混凝土中添加钢筋阻锈剂，如亚硝酸钠，对钢筋涂刷有机或无机防锈涂料，混凝土表面涂刷防腐面层，实施对钢筋的阴极保护等等；

（8） 对工程定期“体检”，通过检测及时发现问题采取补救措施。

4.4 化学腐蚀环境（ⅴ）

化学腐蚀主要指地下水、土壤中的硫酸盐和酸类（如酸雨）等对混凝土的腐蚀。硫酸盐溶液和水泥石中的氢氧化钙及水化铝酸钙发生化学反应，生成石膏和硫铝酸钙，产生体积膨胀，使混凝土瓦解。其特征为混凝土表面发白，棱角处开始损害，接着裂缝开展并剥落，使混凝土成为一种易碎松散状态；另外，酸类物质消耗氢氧化钙使得混凝土迅速中性化，丧失对钢筋的保护，从而钢筋锈蚀引起混凝土开裂破坏。当水中的大于1000mg/L或pH值小于5.5时，要采取措施保护混凝土。设计建议与4.3节内容类似，只补充两点：

（1） 优先选用抗硫酸盐水泥配制混凝土，如用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥时，可配合掺入大量矿粉、粉煤灰和硅粉，使水泥中的C3A含量≤5.0%；

（2） 如有可能，使用高压蒸汽养护的预制混凝土构件替代现浇混凝土。因为经过高压蒸养，混凝土水化产物稳定得多，改善了混凝土的抗硫酸盐性能。

4.5 碱—骨料反应的预防

4.5.1 碱—骨料反应的条件及分析

在混凝土中是否会产生碱-骨料反应（Alkali Aggregate Reaction简写AAR）是其耐久性的一个重要指标。它是指混凝土中的碱与骨料中的活性成分，在混凝土浇筑成型后逐渐发生化学反应，其反应生成物导致混凝土产生膨胀开裂的现象。AAR通常进行得很慢，由此引起的破坏往往经过若干年甚至数十年后才会出现，一旦出现则无法补救，故AAR被称为混凝土的“癌症”。

尽管AAR带来的后果非常严重，但实际工程中出现这种破坏的案例却并不多见，因为AAR需要有严格条件：一是骨料中存在碱活性物质，可按《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ52-2006进行检验鉴定，如果不存在碱活性物质，则认为是安全骨料；二是混凝土中含有过量的碱；三是需要水分，干燥状态是不会发生AAR的；四是需要温度，在常温下反应进行得很慢。可见，混凝土要发生AAR必须同时具备四个条件，且还要达到条件规定的量值。由此我们可以分析得如下：

（1） 一般的工业与民用建筑工程不易发生AAR，因为这类结构混凝土强度等级不高，水泥用量相对较少，混凝土中碱含量一般不会超过3kg/m3；其二是此类工程大部分属于室内结构，基本上处于干燥环境，即使骨料具有碱活性且含碱量超过规定指标时（如C50以上混凝土），也没有发生反应的湿度条件。

（2）水利工程不易发生AAR，这时虽然湿度条件是达到的，但一般大坝工程属于大体积混凝土，出于对水化热的考虑，大坝混凝土水泥用量较低，且掺合料较多，强度验收往往也用60d甚至90d的龄期，混凝土中的碱含量比上述工程低得多，更不可能超标。当然，水利工程往往是非常重要的结构工程，选择无碱活性的集料也是必然的。

（3）最易发生AAR是公路、桥梁和铁路轨枕等工程，这种工程混凝土强度等级高，水泥用量大，混凝土中碱含量大，又处于露天环境之中，干湿交替频繁，具备AAR的反应条件，从国内外报道的AAR工程实例来看，也主要是公路和桥梁。

4.5.2 活性骨料的使用

制造混凝土之所以十分方便是因为大量的原材料可以就地取材，如果发现当地砂石骨料有活性就弃之不用往往给工程施工带来难以想象的困难，工程造价和工期都会叫人无法接受。如何安全合理的使用这些可能有活性的骨料并避免AAR的发生是混凝土工程师需要考虑的问题。混凝土设计建议如下：

（1）宜采用岩相法和砂浆长度法综合评价骨料的碱活性，如用快速法检验应有多组试验的一致性，试验所用水泥与工程所用水泥一样。当确认骨料存在碱活性而又必须使用时，应采取下面的措施；

（2）使用这种骨料的混凝土强度等级选择≤C35；

（3）根据《通用硅酸盐水泥》GB175-2007标准规定，所用水泥中碱含量按Na2O+0.658K2O计算不得大于0.6%；

（4）根据《混凝土碱含量限值标准》CECS53︰93规定，在骨料具有AAR活性时，按混凝土所处的环境条件对不同的工程结构分别取表3中碱含量限值；

表3 混凝土最大碱含量要求

（5）大量使用粉煤灰、硅粉等掺合料。

5 混凝土的施工、养护与维护

尽管混凝土的设计对于其强度、耐久性起决定性作用，但是如果在施工和养护等环节做不好，即使再好的设计也不能保证混凝土质量。简言之，施工就是将符合设计要求的混凝土充分密实的浇筑成规定的形状，为此要求对所用原材料要仔细管理；计量要准确；混合和搅拌要均匀；运输和浇筑（泵送）时不让混凝土拌合物发生离析；根据其和易性选择合理的振捣方式，使混凝土填充至模板的各个角落和钢筋周围并排除其空隙中和引入的空气。

施工完成后的混凝土必须立即得到养护，尤其是早期养护，这对于混凝土的强度和耐久性是至关重要的，也是防止混凝土开裂最简单而有效的手段。一般情况下，刚浇筑的混凝土要覆盖，避免风吹日晒、雨淋，冬天还要防冻； 终凝后养护的关键在于保湿，养护时间不少于14d且尽可能延长，特殊情况还应采取其他养护措施。

总之，混凝土是一种人造材料，不要人为留下“先天不足”。

虽然混凝土的耐久性与生俱来，但如果我们对在役混凝土结构（尤其是处于露天环境中的重要结构）像医生对人体的健康和寿命给予关注、保养和维护，则结构的使用寿命会远远超过设计预期。首先是定期对混凝土结构进行外观检查：（1）有无因地基局部沉降、长时间震动等引起的破损、开裂；（2）干缩、收缩、温度等引起的裂缝；（3）排水不良、渗漏情况；（4）碳化深度、钢筋锈蚀；（5）冻融作用、磨损及化学腐蚀状况；（6）使用情况评估，判断与当初的设计条件是否相符；（7）辅以无损检测手段进行密实度和强度检测。其次根据外观检查结果提出需要详细检测的内容；之后对混凝土结构存在的问题提出处理方案并实施：如裂缝的修补封闭，疏松混凝土的置换，钢筋的除锈防锈，结构的加固补强等等。定期检查可以尽快发现问题并及时采取补救措施，使混凝土结构更“健康”、更耐久。

6 结语

可以预计，在今后很长一段时期内，中国基本建设高歌猛进现状不会改变， 普通混凝土仍是建设工程结构材料的主角。以高强混凝土在我国应用得较多的广州市为例，各商品混凝土搅拌站年出售混凝土大约4000万m3,其中C60以上强度等级的混凝土不到0.5%；C30～C60混凝土售价为280～390元/m3，C80则为900～1000元/m3。所以，提高普通混凝土的各种性能尤其是耐久性不但大大节约工程建造的直接成本，而且将充分延长工程结构的使用寿命，从而给国家带来巨大社会和经济效益。

具备中等强度等级的普通钢筋混凝土，根据其所处环境选择原材料并进行有针对性的配合比设计，必要时适当提高保护层厚度，通过认真施工、养护和使用期间的定期检查与维护，就能使普通混凝土很经济地实现高性能化。

[1]混凝土结构耐久性设计规范[S].]GB/T50476-2008

[2]高性能混凝土应用技术规程[S].CECS207:2006

[3]普通混凝土配合比设计规程[S].JGJ55-2000

[4]洪定海.混凝土中钢筋的腐蚀与保护[M].北京：中国铁道出版社，1998.

[5]F.M.李〔英〕著.唐明述等译.水泥和混凝土化学[M].北京中国建筑工业出版社，1980.

[6]姚燕.高性能混凝土技术研究十年一剑.2009.

[7]岩崎明训〔日〕.混凝土的特性[M].北京：中国建筑工业出版社，1980.

[8]小林一辅〔日〕.混凝土工程[M].煤炭工业出版社，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

林力勋（1958-），男，教授级高级工程师。1982年毕业于重庆建筑工程学院材料学专业，长期从事材料研究、检测及科研管理工作。

[单位地址]广州天河区科韵路16号广州信息港B栋5楼（510665）