对半个世纪水泥质量发展道路的反思：我们是否正在渐行渐远（一）

混凝土耐久性已经成为一个几乎是在全球范围内存在的具有普遍性的问题。在最近的半个世纪，对混凝土耐久性进行了大量研究，至少是在试验研究方面给予了足够的重视，但实际混凝土结构的耐久性却越来越差。

混凝土结构的耐久性由众多因素决定，近年来人们已经习惯于将混凝土结构耐久性差的原因归咎于快速且十分野蛮的施工。笔者认为，除此之外，仍有其他一些不可忽视的因素。混凝土耐久性即为混凝土结构耐久性的一个重要方面。

半个多世纪以来，混凝土耐久性研究的文献已经多到让阅读者望而却步的程度。这些研究工作，在认识和控制导致混凝土劣化的各种物理与化学现象方面有了显著的进展。然而现实中的混凝土结构却更加趋于不耐久。原因之一是在试验室以分解论的方法获得的耐久性试验的信息都是支离破碎的，不能综合为一个对现场混凝土真实的长期作用的全面认识。

作为一个例证是，试验室关于混凝土耐久性的研究很少将水泥作为一个影响因素考察，所用的试件也是不开裂的。但混凝土结构的开裂现象普遍存在，到了令人触目惊心的程度。而开裂是危害混凝土耐久性的重要原因。

导致混凝土开裂的一个不可忽视的因素是水泥质量的变化。长期以来，我们总是假定已经建立的通用硅酸盐水泥的技术指标体系，已经完美到只需进行小的修补的程度。今天，有必要十分审慎地对待这个假定，一旦它被证伪，我国近几十年来已经建造，和未来将要建造的价值几十万亿的混凝土建筑物，将面临巨额的维修和重建费用。那将是一场灾难。

1曾经耐久的建筑物

一些屹立了2000年之久的无筋混凝土结构至今仍然完好；已经使用了几百年的建筑物至今仍在使用。

万神殿（见图1），建于公元前27～25年，距今约2000年。古罗马斗兽场，建于公元72～82年，距今约1900年。加尔桥，位于法国加尔省，建于公元前20～19年，距今约2000年。

赵州桥，建于隋大业年间（公元605～618年），距今约1400年。万里长城，建于明代（公元1500～1600年)，距今约400～500年。滦河铁路大桥，詹天佑主持修建，1894年建成，分别于1924年、1928年和1933年几经战争破坏与修复，作为铁路桥使用了50年，1944年新桥建成后改为公路桥继续使用了30年。

伦敦塔桥（见图2），1894年建成，距今120年。钱塘江大桥（见图3），茅以升主持修建，1937年9月26日建成，距今78年。武汉长江大桥，1957年10月15日正式通车，距今57年。南京长江大桥，1968年9月30日铁路桥通车，距今46年。

上海外滩建筑群，建于120年前。哈尔滨中央大街建筑群，建于100年前。北京故宫建筑群，始建于1420年，最久的建筑物距今600年。在欧洲有大量的已历经一二百年的建筑物仍在使用。广州、青岛、天津和武汉等城市都有大量使用了超过100年的建筑物，如今依然完好无损。

图1建于公元前27～25年的万神殿

图2建于1894年的伦敦塔桥

图3建于1937年的钱塘江大桥

2不再耐久的建筑物

图4是在距离茅以升主持建造的钱塘江大桥不远处，1997年建造的杭州钱江三桥，2011年7月15日桥面塌落。该桥仅使用了14年。图5是2011年建成的哈尔滨阳明滩大桥，使用一年后垮塌。图6是2001年建成的河南义昌大桥，2013年一辆运载鞭炮的货车在桥上发生爆炸，桥面垮塌80m。

图4杭州钱江三桥桥面塌落

图5哈尔滨阳明滩大桥垮塌

图6河南义昌大桥桥面垮塌

在全国范围内，对于既有混凝土结构耐久性尚缺乏全面系统的调查与评价。局部的调查资料显示了混凝土结构耐久性存在着严重问题。我国北方部分城市的调查表明[5]，在役混凝土桥梁钢筋锈蚀、混凝土开裂现象较普遍，如北京、天津的众多立交桥在运行10余年后因钢筋锈蚀和混凝土冻蚀陆续进行过大修或部分更新，天津滨海的3座混凝土桥使用8～10年后桥墩钢筋遭严重锈蚀，保护层普遍剥落。

近年一项全国性的桥梁状况调查结果显示，截至2010年，全国有危桥93525座。对浙江省桥梁的调查结果显示，截至2003年底，浙江省有桥梁18520座，其中危桥247座。文献对北京市混凝土结构耐久性进行了调查，北京市的自然环境对混凝土耐久性并不严酷，除冬季低温以外无明显混凝土耐久性劣化因素，调查结果显示混凝土耐久性存在的问题相当严重。

3美国混凝土的毁灭之路

1987年在美国亚特兰大召开的第一届混凝土耐久性国际会议上，英国的A·M·内维尔（A.M.Neville）指出[10]：“这次研讨会是涉及混凝土耐久性的，有幸提出一个问题：为何在这些年的研究工作后，仍然存在这么多混凝土耐久性的问题，甚至可能比50年前的问题还要多？”

此后混凝土耐久性的研究论文几乎呈几何级数增加。1991年在加拿大蒙特利尔召开的第二届国际混凝土耐久性会议上，美国伯克利大学的库马尔·梅塔（KumarMehta）教授在题为“混凝土耐久性——进展的五十年?”的发言中指出：“从提高耐久性的角度，尽管有一些似乎是重要的有价值的发现，然而与50年前相比，今天的混凝土结构更加缺乏耐久性”。

美国垦务局理查德·W·伯罗斯为我们描绘了一条美国混凝土的毁灭之路，见图7。2003年6月18日，他在ASTM CO1.99/CO9.99委员会上指出：我们肯定误入了歧途。50年来，我们一丝不苟地遵照不断细化和改进的标准制备混凝土，但是混凝土的开裂情况反而比50年前更加严重。

原因不外乎两种：一是我们使用的水泥过量，二是波特兰水泥变得更易开裂。尽管遭受除冰盐环境，但是多伦多地区165座20世纪50年代建造的大桥，至今还没有出现开裂，而最近建造的大桥在建成后3个月内就出现了不同程度的裂缝。过分强调高早强与低渗透性导致了现代混凝土更容易开裂。

图7　美国混凝土的毁灭之路

1955年，政府为了除去高速公路上的冰而加大了除冰盐的使用。20世纪60年代，把裂缝的增加归咎于除冰盐引起的钢筋锈蚀，然而理查德·W·伯罗斯认为：裂缝的增加实际是与波特兰水泥标准的改变以及较高的水泥用量相关。

1973年，美国国家公路与运输协会（AASHTO）把混凝土的最大水灰比从0.53降低到0.45，最低强度从3000psi提高到了4500psi，并开始使用环氧涂层钢筋。环氧涂层钢筋的黏结强度下降了35%，导致钢筋滑移和混凝土开裂加剧。

1974年（为时已晚），弗吉尼亚州运输部发现：当他们在1966年把混凝土的最低强度从3000psi（21MPa）提高到4000psi（28MPa）时，桥面的开裂概率从11%升高到29%。后来美国交通运输研究委员会（TRB）第380号报告指出，开裂概率为52%。

1983年，大卫·怀汀（David Whiting）的快速氯离子侵入试验方法被确认为美国国家公路与运输协会（AASHTO）T277标准。高抗离子侵入混凝土的电通量值建议为1000C。如此低的电通量要求，不得不使用硅灰和非常低的水灰比，这又增加了混凝土的开裂几率。

1990年左右，美国联邦公路管理局（FHWA）高级研究所主任汤姆·巴斯柯（Tom Pasko），提出了“高性能混凝土”（HPC）的概念。美国公路战略研究计划（SHRP）定义高性能混凝土为：4h龄期强度3000psi（21MPa）或28d龄期强度10000psi(70MPa)的混凝土。这简直就是一场灾难。这种混凝土是非常容易开裂的。

美国混凝土协会（ACI）试图纠正这个问题，即定义高性能混凝土为提高某些性能以满足特定用途和环境的要求。然而，他们的努力是徒劳的，因为混凝土性能的提高往往提高的是混凝土的早期强度。库马尔·梅塔定义抗裂性能为“延展性”，尽管1998年在亚特兰大波特兰水泥研究所（PCI）会议上，德克萨斯州运输局的玛丽·路·罗尔斯（Mary Lou Ralls）建议抗裂性能应该纳入高性能的范畴，但在混凝土性能提高的清单上仍没有看到。

1996年，一篇美国联邦公路管理局（FHWA）资助的学术论文把高性能混凝土分为4个“性能等级”。对于科罗拉多地区，由于每年有超过50次的冻融循环，建议使用性能等级2、强度要求为8000psi(56MPa)到10000psi(70MPa)的混凝土。而波特兰水泥协会(PCA）多年研究发现，水灰比为0.79的引气混凝土暴露在芝加哥(斯科基)的气候环境中，25年未受破坏。可见，这个建议是多么的荒谬。

据克劳斯（Krauss）和罗格洛（Rogalla）研究发现，强度为8000psi(56MPa)的混凝土是非常容易开裂的。1996年他们在调查全国的桥面（交通运输研究委员会380号报告/TRB Report380）之后，建议应尽可能地降低水泥用量。不久之后，德克萨斯州圣安格鲁和卢埃特间的第一座高性能混凝土大桥的开裂，以及科罗拉多州第一座高性能混凝土大桥1～25段和耶鲁大道的开裂，都有力地支持了这一观点。

在丹佛老城区，一段数英里长的采用非引气混凝土修建的排水沟及其边缘部分，长年被水浸泡而没有出现剥落。基于这一点，理查德·W·伯罗斯认为在自然条件下，只有严重开裂的混凝土才会遭受冻融循环而破坏。其他研究者，如库马尔·梅塔博士也持有相同的观点。

纽伦在1974年发现，1966年混凝土强度从3000psi（21MPa）提升到4000psi（28MPa）时，弗吉尼亚桥面混凝土的横向裂缝增多了。1961年一项调查表明，10%的混凝土有横向裂缝，1972年增加到25%。调查的混凝土包括566个刚建不到5年的桥跨板。1996年克劳斯和罗格拉发现美国52%的桥有早期横向开裂现象。在科罗拉多地区并没有因钢筋锈蚀而引起混凝土膨胀破坏的现象。所发现的钢筋锈蚀也是由于混凝土的预先开裂而造成的。在科罗拉多地区，没有氯离子渗透问题，但是有混凝土开裂问题。温度收缩和干燥收缩会导致混凝土开裂，从而使混凝土遭受冻融破坏。

美国联邦公路局的高性能混凝土计划过于强调高强，使得混凝土的开裂问题加剧，他们在科罗拉多的示范桥梁工程就开裂了；过于强调低渗透性的重要，使制备的混凝土更密实、强度更高，但同时也增大了混凝土的脆性和易开裂性。目前过多依赖粉煤灰和矿渣粉的掺入来解决混凝土的耐久性问题。最近的研究表明，这些材料对混凝土耐久性的改善没有人们预想的有效。这提示我们必须更加重视水泥的性能。

在1940年，美国Ⅱ型水泥中的C3A和C3S含量分别限制在8%和50%。但是在1960年，这种规定已经改变了。根源在于工程承包商意识到：如果提高水泥早期强度，他们就能获得更多的利润。由于对水泥细度和C3S含量没有限制，美国Ⅱ型水泥已正变得越来越容易开裂。这都是为了获得更高的早期强度以满足更快的施工。在德国、挪威和瑞典，仍然继续生产和使用水化速率较慢﹑更抗裂的水泥。1987年A·M·内维尔指出：混凝土的性能劣化，是由于没有对水泥细度、C3S含量和早期强度限制的结果[。有超过66项研究都表明，任何提高水泥水化速度的因素，都会降低混凝土耐久性。

1925年，美国材料与试验协会(ASTM) C150的创始人P·H·贝茨（P.H.Bates)试图在他的粗颗粒水泥混凝土中诱导塑性收缩开裂，但是失败了。1940年，P·H·贝茨就关注普通水泥（Ⅰ型）的开裂趋势，当时，水泥的7d立方体抗压强度大约在3000psi（21MPa）。因此，他提出了7d立方体抗压强度在2500psi（17MPa）的低强Ⅱ型水泥。贝茨为了减少因温度应力而产生的开裂，限制了水泥中C3S和C3A的含量。在一段时间内，Ⅱ型水泥表现出良好的性能。但后来这种水泥却逐渐在减少，以致在今天已经接近消亡。

尽管水泥越来越细，但承包商依然给水泥厂施压，使其要求美国材料与试验协会(ASTM)水泥委员会取消对C3S含量不大于50%的规定。作为一个折中的办法，水泥委员会提出了中热水泥标准，其中C3A和C3S的总含量限制在58%以内。然而，几乎没有厂家执行这项规定。水泥厂争相提高早期强度，不断提高熟料C3S含量和使水泥细度变细。1965年，美国混凝土专家布莱恩特·马瑟(Bryant Mather)访问欧洲时发现，欧洲在几年前就对水泥早期强度最大值作出了限制。当他向美国材料与试验协会(ASTM)水泥委员会提议这件事时，却被嘲笑了。

后来，水泥的早期强度仍然在不断提高，但是，就像运动员为提高其竞技成绩服用类固醇一样，副作用也是在所难免的。美国从20世纪30年代开始，把水泥中的C3S含量由30%提高到50%，把细度由允许大于75μm的颗粒含量为22%，改为基本为零。70年后的今天，经调查发现，1930年前修建的桥梁有67%保持完好，而1930年后修建的桥梁只有27%保持完好。

随着混凝土强度的增加，混凝土的自收缩、温度收缩和干燥收缩产生的内应力加剧。同时高强混凝土没有足够的早期徐变能力来释放这些应力。较高的弹性模量也会导致混凝土开裂。

高强混凝土易于开裂的原因有水泥用量太高和水化速率太快，或二者共同作用的结果。水泥组成（影响水泥水化速率）和细度的影响比水泥用量更加显著[13]。本茨（Bentz）等人（1999）指出，水泥细度对自收缩的影响非常大。因此，人们建议高性能混凝土使用粗磨水泥。

库马尔·梅塔和理查德·W·伯罗斯总结了近百年美国混凝土发展道路，从20世纪混凝土施工的实践中，得出下述结论：

1）在20世纪进行大量的现场调查表明：自20世纪30年代以来，无论是水泥还是混凝土的强度，都提高了，而与此相伴随的，则是劣化问题相应地加剧。

2）通用水泥C3S含量逐渐增大与细度逐渐变细，使这些水泥的早期强度非常高，而现今又趋向生产水泥用量大、早期强度高的混凝土拌合物。与早期的普通混凝土相比，现今混凝土由于徐变小，而温度收缩、自身收缩与弹模大，更易于开裂。混凝土的高强度与早期开裂之间存在着密切的、逆反的关系。

3）开裂与暴露于侵蚀性环境混凝土结构的劣化之间，存在着密切的关系。

4）即使施工规范，混凝土结构过早地劣化仍会发生，说明在现行规范中对混凝土耐久性的要求存在某些误区（后面将进一步讨论这个问题）。

5）在考虑实际结构的服务寿命时，要慎用试验室所做的混凝土耐久性试验结果，因为混凝土开裂在很大程度上取决于试件尺寸、养护经过和环境条件。试验室的试件小，且体积变化通常不受约束。以用量大、水化快的富水泥拌合物进行的试验室试验结果，渗透性可以很低，但这种拌合物用于处在干湿、冷热和冻融反复循环环境中的结构就未必耐久。在这种环境里，养护不足的大掺量粉煤灰或矿渣混凝土在现场也会开裂和劣化，同时养护良好的试件在试验室里呈现出优异的抗渗透性能。

4我国半个世纪水泥质量的变迁

以准确的数据全面回顾半个世纪水泥质量变迁，将是一项繁复浩大的工程。限于时间和精力，本文只进行了有限的工作。这些工作包括：

①请启新水泥厂、华新水泥厂、牡丹江水泥厂、琉璃河水泥厂前辈质量管理人员回忆当年的数据。资深水泥专家张大同先生于此给予了很大帮助。

②查阅笔者三十余年积累的技术资料。

③查阅已有技术文献。

④对水泥厂进行调查，取得近年和当前的情况。

综合上述调查工作，总结出的我国水泥强度、细度变化数据列于表1，示于图8。

表1我国水泥强度和细度变化

注：

①强度数据并非完全依据参考文献，个别数据综合其它方面的结果进行了修正。

②1977年以前的日本软练法强度数据，苏联硬练法强度数据均根据文献[15]中的换算公式，先换算为中国软练法数据，再依据RISO=0.906RGB-5.08（张大同提供）换算为ISO法数据。

③1977～1999年的中国软练法数据，依据RISO=0.906RGB-5.08换算为ISO法数据。

 ④由于目前我国立窑水泥占比已经很小，并且过去立窑水泥也很少用于结构部位，表中数据未包含立窑水泥。

图8显示，半个世纪以来，我国水泥强度逐步升高，细度逐步变细。

图8半个世纪以来我国水泥强度、细度变化

如今新型干法水泥产量在全部通用硅酸盐水泥中的占比已几近100%。新型干法生产给水泥质量带来巨大变化。由于预分解窑的煅烧强度提高使得KH控制值提高，意味着鲍格公式计算的C3S含量提高，同时预分解窑采用的急烧快冷热工制度，使得C3S实际含量比鲍格公式计算值高出许多。因此，熟料的C3S实际含量由50年前的50%，提高到了65%～68%。由于预分解窑挥发性组分循环的存在，使得熟料中包括碱在内的挥发性组分含量较过去也有显著提高。这两个因素都导致水泥早期水化速率在增加，强度增加。熟料C3A含量在几十年间没有显著增加，但由于碱含量的增加，导致熟料中高活性的斜方晶系C3A含量有所增加，C3A的总体水化速率增加。

5结束语

回望中外半个世纪水泥、混凝土质量发展的历史，可以看到一个不容忽视的基本事实，那就是尽管在混凝土、水泥的技术方面取得了一系列令人瞩目的进步，尽管在混凝土耐久性的各个具体方面有了更加深入的了解，但实际混凝土结构的耐久性却变得越来越差了。一个重要原因是半个多世纪以来水泥质量的变迁。这些变迁主要包括：熟料C3S含量增加，水泥强度增加，细度变细，碱含量增加。这些因素是否与混凝土开裂和耐久性有关，或者它们就是导致混凝土耐久性劣化的根本原因？对此笔者将另文讨论。