论“高性能混凝土”及结构耐久性

杨绍林

（郑州郑东混凝土有限公司，河南 郑州 450046）

论“高性能混凝土”及结构耐久性

杨绍林

（郑州郑东混凝土有限公司，河南 郑州 450046）

高性能混凝土最主要的技术指标应是耐久性，应是具有 100 年不出现劣化现象，如果不能达到这一质量目标，它将失去意义。但要验证混凝土结构是否达到这一质量目标所需时间太长，因此它只能是人们在生产及施工过程中努力追求或期望达到的质量目标。影响混凝土性能的因素较多，将生产及施工期间不能确定结果如何的混凝土称为“高性能混凝土”，是不合适的。

混凝土；高性能；工作性；耐久性

0　引言

20 世纪 80 年代，一些发达国家针对混凝土工程劣化快、破坏严重、维修困难且费用巨大等问题，掀起了以改善混凝土耐久性为主要目标的开发研究和应用高潮，并提出了“高性能混凝土”的概念。

我国 20 世纪 90 年代开始对高性能混凝土进行研究和应用。由于高性能混凝土具有坍落度大、流动性好、便于施工的特点，受到了广大施工人员的欢迎，也基本解决了结构的蜂窝、麻面和孔洞等质量通病。但是，传统施工工艺（不泵送，坍落度普遍在 70mm 以下）极为少见的有害裂缝在现在却成了质量通病，工程质量并未因高性能混凝土的应用而得到提高，因此受到了许多业内人士的质疑。为何高性能混凝土常常令人失望，是什么原因造成的？笔者谈谈个人看法。

1　高性能混凝土是什么？

“高性能混凝土”的概念或定义有许多版本，具体内容有较大差异，由于过去有许多文章和著作都进行了详细介绍，本文不再重复。意思是采取一些技术措施，使这种混凝土能够达到具有优异的工作性能、体积稳定性能、力学性能和耐久性能等许多优良特性，被认为是目前性能最为全面的混凝土。其定义或含义，各个国家不同人群有不同的理解，甚至不同时期有不同的理解和认识，给出了高性能混凝土在性能方面的不同描述，迄今为止国际上尚没有一个统一的或者标准的定义。定义混乱和不同的理解，使高性能混凝土成为“变化多端”的混凝土，让许多施工人员一头雾水。

2　关于混凝土强度与耐久性

混凝土强度对耐久性有明显影响，如 C30 以下的混凝土，由于水胶比较大、胶凝材料用量少，混凝土密实性较差、耐久性能不良。高强混凝土水胶比较小、胶凝材料用量大、水泥用量多，水化热较大，混凝土内部自由水量不足、自干燥收缩大、体积稳定性及抗裂性能差，对混凝土耐久性能不利，这是业内专家普遍认为“高强不一定耐久”的主要原因。这样看来，对混凝土耐久性能有利的范围应是C30～C55 强度等级的混凝土，如将 C60～C100 的混凝土纳入到高性能混凝土范畴，与高性能混凝土应具有优异的耐久性能要求不符。

3　关于高性能混凝土与结构设计

在《高性能混凝土应用技术指南》中，对高性能混凝土的耐久性能要求是：“应根据结构的设计使用年限、结构所处的环境类别及作用等级确定”。并说明高性能混凝土不涉及 30 年设计使用年限的混凝土工程，而涉及 50 年和 100 年设计使用年限的混凝土工程。也就是说，满足设计使用年限或在设计使用年限内不出现劣化现象的混凝土就是高性能混凝土。

但是，在混凝土生产及施工过程中，如果混凝土设计强度等级相同，满足 50 年和 100 年设计使用年限的工程，混凝土质量到底该如何去分别控制？对于搅拌站来说，如设计无其他要求，生产时这两种设计使用年限的混凝土在原材料及配合比方面都是一样的。而且，在工程施工时，人们都希望混凝土越耐久越好，工程使用寿命越长越好，除了特殊结构外（如临时设施），没有什么混凝土结构不需要耐久，50 年的使用年限往往并不能满足人们对工程质量的要求。另外，50 年或 100 年不出现劣化现象的高性能混凝土，参与工程建设的相关人员基本不可能去验证，甚至是有生之年无法观测的质量目标。也就是说，所谓的高性能混凝土到底最终性能高不高，参与工程建设的相关人员在有生之年不一定知道，这种质量目标或要求实在是太遥远了。因此，它只能是人们在生产及施工过程中努力追求或期望达到的质量目标，在未达到这一质量目标之前称之为高性能混凝土，是不合适的。

混凝土结构最终性能高不高，在生产及施工过程中是无法确定的。不应忘记，混凝土是一种典型的非匀质材料，并具有较高的脆性，其自身就存在固有的缺陷（内部不连续，有诸多微小裂隙），而且影响混凝土性能的因素较多，十分复杂。不仅环境作用本身多变，带有很大的不确定与不确知性，其劣化机理也有诸多问题，有待进一步明确。因此，往往混凝土拌合物性能再好，达到所谓的高性能技术要求，也不可能完全保证浇筑成型后的结构就一定具有高耐久性能。譬如，同时生产的相同混凝土拌合物，在不同条件下成型和使用，其结构质量往往存在较大差异，相信每位深入接触混凝土的人士都有同感，这说明混凝土结构质量受施工、环境条件及工程设计的影响非常大。

4　关于混凝土工作性与体积稳定性

高性能混凝土不拒绝甚至提倡拌合物应具有高工作性，如拌合物坍落度≥220mm、扩展度≥630mm 的混凝土以及自密实混凝土都划归为高性能混凝土的范畴。但是，高工作性的混凝土拌合物很难保证其体积具有高稳定性和匀质性，甚至成为影响混凝土性能不具备“尤为优异”的主要因素。

混凝土的塑性收缩与混凝土的流态有关，中等流态混凝土的塑性收缩为 (6～10)×10-4，大流态混凝土的塑性收缩可达 20×10-4。可见，混凝土的流动性越大，则塑性收缩越大，体积稳定性和匀质性越差，更易产生浆骨分层现象和有害裂缝问题。对于易产生开裂的混凝土，更不能称为“高性能混凝土”。

由于混凝土中组成材料的密度和粒径存在较大的差异，使高工作性或大流态的混凝土在动态过程中易产生分离现象，很难达到优异的体积稳定性。关于这个问题，可在水下混凝土灌注桩和采用溜槽施工的现场得到证实：水下灌注桩混凝土的施工坍落度一般在 (210±20)mm 范围内，其坍落度及流动性与上部结构施工的混凝土差别不大，同强度等级的混凝土在原材料及配合比方面也无大的差别，在破桩时可以看到，每根桩上部的几十公分石子很少，这是明显的浆骨分层现象（如果采用振动棒振捣这种现象更加明显和严重）。当然，水下灌注桩混凝土是不适合分层浇筑的，必须连续地“一灌到顶”。另外，一些大体积结构浇筑混凝土时，施工单位为了节约成本和提高施工速度，部分混凝土采用溜槽浇筑施工。能够看到混凝土拌合物从溜槽口落下之处石子堆积较高，石子含量明显比流向四周的混凝土多，虽然浆骨分层现象有时不太明显，但是拌合物匀质性发生了较大的变化是不争的事实。

大量工程实践证明，拌合物易产生浆骨分层或匀质性变差现象是大流态混凝土的质量缺陷。当混凝土拌合物黏聚性越差、骨料级配不良、粒径越大、拌合物流动性越好、施工振捣时间越长、浇筑体高度越高时，这种缺陷越严重。因此，为确保混凝土工程质量，对一次性浇筑较长较高的竖向结构或厚度较厚的结构，混凝土采取分层浇筑的方法是非常有必要的。混凝土采取分层浇筑能够减少沉降收缩裂缝的产生；能够减少混凝土结构侧表面气泡多、密实性差的问题；能有效降低浆骨分层现象的发生，提高结构整体匀质性等。遗憾的是，现在的混凝土施工常常是由工人说了算（愿从事体力劳动的人在减少，平均年龄在逐渐递增，使管理难以落实到位），对流动性的要求只有更好没有最好；越省时省力的方法才是好方法。搅拌站为了配合或满足施工大流动性的要求，从保证强度角度出发只得付出成本代价，造成了资源的巨大浪费。

5　影响混凝土性能及耐久性的其他因素

二十年来，业内一些专家始终致力于高性能混凝土的研究，指导应用“高性能混凝土”的相关文献不断产生，但所发挥的作用并不理想，譬如尚存在收缩大、早期易开裂、脆性大等缺陷。原因何在？

5.1原材料

5.1.1建设用砂石

由于近二十年来我国基础设施建设规模巨大，建设用砂石资源消耗很快，并逐渐匮乏，导致质量越来越差。天然砂供不应求、颗粒变细、含泥量和石子含量大，而人工砂由于生产设备落后，石粉含量偏大、粒形差、级配不良（中间颗粒偏少）；石子级配普遍不良，空隙率一般在 45% 以上，有时接近 50%。砂石质量普遍不良使用户的选择余地很小，影响了混凝土性能。

5.1.2减水剂

研究表明，在混凝土配合比相同的情况下，掺减水剂的混凝土坍落度可增加 100mm 以上，但是与基准混凝土相比，其收缩值却增加 110%～130%，因而掺减水剂的混凝土更易开裂。

5.1.3水泥

目前，水泥主要存在细度过细（比表面积大都在 360～420m2/kg）、活性和水化热高等问题，使混凝土收缩比过去大。

5.1.4矿物掺合料

矿物掺合料的合理应用对提高混凝土耐久性有利，并成为现代混凝土不可缺少的组分。随着我国基础建设的大规模展开，传统的矿物掺合料（粉煤灰、矿渣粉等）供不应求，质量下降。

5.2施工机械与施工

随着建筑科学技术的发展，建筑工业化、机械化水平正迅速提高，以机械施工替代繁重的体力劳动日益增多，机械设备在施工中所起的作用越来越大。但是，并非机械化施工水平越高就对工程质量越有利，例如混凝土施工采用的泵送机械，可以说是影响混凝土性能的主要原因。

混凝土采用泵送工艺提高了施工进度、减少劳动力。但是混凝土要满足泵送性能要求就必须提高砂率或增加胶凝材料用量，增大拌合物坍落度和流动性，掺加足量的减水类外加剂等。拌合物性能和组成成分的巨大变化，造成混凝土体积稳定性下降，体积收缩率较过去施工工艺成倍增大，裂缝成为新的质量通病，导致了许多纠纷。

自从混凝土采用泵送施工工艺浇筑后，使生产时无论怎样优选原材料，怎样优化配合比和严格生产质量控制，混凝土拌合物浇筑成型后仍常常显得“弱不禁风”。在环境干燥的地区，如不及时用塑料薄膜覆盖楼板表面或采取其他保湿措施，裂缝问题就很难解决。主要原因是施工人员对混凝土拌合物坍落度和流动性越来越依赖，总希望自流平更好。为了提高施工速度和减少移动泵管所带来的麻烦，竖向结构很少采取分层方式浇筑，经常“一灌到顶、整体推进”，还有“宁愿过振，不可漏振”的思想。在平面结构的浇筑过程中，常常以振捣方式替代平仓（经常用振捣棒拉平替代人工用铁耙或铁锨铺摊），这就造成流动性越好的混凝土越容易产生明显的石子集聚区和砂浆集聚区，或产生混凝土结构实体下部石子多上部浆多，局部薄弱、整体匀质性差等问题，在砂浆富余的区域就容易发生开裂，降低了混凝土结构的整体质量。如果现浇楼板混凝土的浇筑采用泵送同时又采用移动式布料机施工时，由于布料机泵送管道弯管较多，对混凝土拌合物的和易性及流动性要求则更高，而且混凝土的泵送推动力是从无到强的交替循环过程，泵管的一伸一缩导致布料机在整个使用过程中不停地摇摆晃动，布料机的晃动带动了整个浇筑层都在颤动，当先浇筑的混凝土失去塑性时就容易产生裂纹。因此，泵送机械与布料机同时使用对混凝土结构的影响更大。

泵送施工机械的应用改变了施工方法，改变了混凝土配合比，使混凝土性能发生了巨大变化，并使被广泛认为对提高混凝土耐久性有利的矿物掺合料也未能消除存在的质量问题。但是，不能片面地认为现代混凝土就容易开裂，当采用相同的原材料生产预制构件时，裂缝就少，基本能够控制有害裂缝的出现。其主要原因是不泵送，混凝土拌合物坍落度小、砂率小，养护条件好，因此体积稳定性和匀质性好。

5.3养护

在混凝土浇筑时及早期，环境条件对浇筑体的质量影响很大，如温湿度、风力、日照、雨或雪等，可因养护条件不同造成结果的巨大差异。因此，为保证混凝土工程质量，使混凝土结构具有良好的耐久性能，必须采取有效的养护措施。

另外，由于矿物掺合料的活性效果反应较慢，当保湿养护条件较差时，其活性得不到正常发挥，因此掺有矿物掺合料的混凝土更需要充分的保湿养护，只有早期养护到位，混凝土的后期强度及耐久性能才有保证。养护一般应在混凝土浇筑抹平后立即进行，不能暴露于大气中若干小时后才覆盖或加湿养护，必须及时采取有效的养护措施，尽量使混凝土拌合水不发生损失，才能起到良好的养护作用。然而，许多工程混凝土浇筑后不按要求对结构进行养护，导致混凝土结构易出现裂缝或实体强度检测存在问题等。

5.4拆模

一些施工单位为了降低施工成本，模板配置严重不足，特别是采用钢模施工时，由于成本较高模板的配置更少，而工期却抓得非常紧，为不耽误工期常常不顾工程质量过早拆模。对于竖向结构，如柱和墙在混凝土浇筑后 6～15h 就开始拆模（冬期施工一般不超过 20h）。有的部位明明是过早拆模引起的麻面或缺棱掉角，需方却认为是预拌混凝土强度有问题。

模板拆除过早已是普遍现象，许多混凝土结构发生质量问题，就是模板过早拆模、养护不到位造成的。这种质量服从进度的做法，给工程质量埋下了隐患，如裂缝、强度不足、碳化较快且深、冬期施工混凝土受冻等。以强度为例，同时浇筑的同一等级混凝土，竖向结构回弹容易发生“不合格”问题，而梁和楼板极少出现这种情况。原因在于，竖向结构不仅拆模过早，而且多数不采取养护措施；而梁、板在混凝土浇筑后表面一般都会采取短时间的养护措施，并且一般 10d 以后才拆除模板，仅此差别却造成回弹推定结果较大的差异。

5.5配筋

裂缝是影响混凝土结构耐久性能的重要因素，合理的配筋率与设置间距对限制抗裂和耐久性非常重要，离开配筋限制谈抗裂毫无意义，细而密的配筋是抗裂最有效的方法。

5.6浇筑长度

合理控制结构浇筑长度很重要，混凝土会因浇筑体量越大、长度越长而增加裂缝产生的几率。在明挖隧道、地铁混凝土工程施工时，其混凝土的每次浇筑长度一般不超过20m，这些结构有害裂缝极少，证明浇筑长度的合理性起到了很大作用；另外配筋、厚度与强度设计也很合理，是其它有抗渗要求工程的样板。

5.7环境

混凝土是一种有生命的建筑材料。不仅具有环境依赖性，而且同时具有时间依赖性，包括初生期、生长期和衰落期。因此，混凝土的质量与环境因素密切相关。

混凝土结构所处的环境条件对耐久性影响很大，如混凝土的碳化速率，除与环境湿度有关外，还与空气中 CO2的浓度有关；当混凝土内部含水量比较充足且经历反复冻融循环时，混凝土内部遭受的损伤不断积累而发生开裂甚至剥落，导致骨料裸露；混凝土若遭受硫酸盐侵蚀使混凝土易碎，甚至松散解体；引起混凝土中钢筋锈蚀的主要环境因素是“盐害”，造成盐害的罪魁祸首当然是氯离子。氯离子侵入混凝土有两个途径：一是生产时使用了含氯离子的原材料，二是环境中（包括海水、大气、地下水、含有氯化物的土壤及降雪地区洒的除冰盐等）的氯离子通过混凝土的宏观、微观缺陷渗入到混凝土中。“盐害”对混凝土耐久性能的影响较轻，但可对混凝土中的钢筋造成极其严重的腐蚀，一旦发生难以控制，后果严重，将大大降低建筑物的使用寿命，世界各国为此付出了巨大代价。

当环境作用等级严重或极端严重时，按常规手段调整混凝土配合比和增加结构保护层的办法可能保证不了设计使用年限的要求，这时应采取其他防腐蚀附加措施。

6　结语

现代混凝土（特别是预拌混凝土）普遍应用矿物掺合料和高效减水剂，从理论上讲对提高混凝土性能有利。但是，有些结构并未因混凝土组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动性越来越大，导致了混凝土匀质性和体积稳定性的下降，不良施工方法和养护不到位，以及原材料质量和生产质量控制（包括交货检验）尚存在一些问题所致。

高性能混凝土最主要的技术指标应是耐久性。它应是具有 100 年不出现劣化现象的混凝土，如果不能达到这一质量目标，它将失去意义。但要验证混凝土最终性能是否达到这一质量目标所需时间太长，难以操作。如果达到高性能混凝土技术指标的拌合物，在施工过程中与普通混凝土一样，受到同样不利因素的影响就不能保证混凝土结构具有优异的性能，将这种与普通混凝土没有明显区别的混凝土称为高性能混凝土是欠妥的，没有实际意义。因此，在混凝土世界里，“高性能混凝土”这种称谓不应再延续了。那些围绕混凝土从各个方面提出更高要求是对工程质量负责任的态度，但没必要非要取一个漂亮的名字。

高性能混凝土更不能谈“应用”，如果在生产及施工过程中谈“应用”，很容易引起许多人的误解，好像施工时就已经具有高性能一样。如需方需要的是“高性能混凝土”，而混凝土公司为其供应的混凝土在浇筑前后仍然时不时出点问题（包括施工原因造成的），这必然增加混凝土公司的辩解难度，本来就是弱势方，现在又增加一个“紧箍咒”，将影响供需双方的和谐合作。

提高混凝土质量应当从源头抓起，否则就不可能发生根本性转变和取得成果。实际上，如果原材料产生、工程设计、混凝土生产、工程施工与监督等单位，都严格按照现行的相关标准规范认真执行，混凝土结构质量并不会存在过多的问题，正是许多环节没有严格按照相关标准规范认真执行，才导致了一些问题的发生。

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[8] 杨绍林，张彩霞编著．预拌混凝土生产企业管理实用手册（第二版）[M]．北京：中国建筑工业出版社，2012．

[9] 杨绍林主编，预拌混凝土生产企业试验员实用读本（第二版）[M]．北京：中国建筑工业出版社，2011．

［通讯地址］河南省郑州市郑东新区七里河北路 2 号（450046）

杨绍林（1968—），男，工程师，长期从事建材检测与预拌混凝土生产技术管理工作。