对半个世纪水泥质量发展道路的反思（二）：水泥质量与混凝土耐久性之间的矛盾

水泥和混凝土是两个紧密联系但却缺少沟通与交流的行业。水泥行业很少了解现代混凝土的特点、在耐久性方面存在的问题，以及混凝土耐久性问题与水泥质量变化的关系。在混凝土耐久性的研究中，也很少将水泥作为其中的一个影响因素。特别是缺乏从足够的历史跨度考察水泥质量变迁给混凝土耐久性带来的影响。

混凝土耐久性是其暴露在特定使用环境下抵抗各种物理和化学作用的能力。引起混凝土破坏的主要环境因素有冻融和盐冻破坏、钢筋锈蚀和碳化、碱集料反应、化学侵蚀和磨损等，混凝土耐久性破坏可分为由化学和物理两方面的作用引起的。化学作用包括内部化学作用(碱-硅反应、碱-碳酸盐反应等)和外部化学作用(硫酸盐、氯化物、以酸式碳酸盐形式存在的二氧化碳和阴极氧气等的侵蚀)。

物理作用包括反复的干湿、冻融循环及由此引起的盐结晶作用和温度效应。一般认为，除磨损外，其他破坏因素均与有害物质如H2O、CO2、SO42-、Cl-和H+等侵入混凝土密切相关，即只要这些有害物质不进入混凝土中，混凝土的损伤就非常小。因此，耐久的混凝土首先必须是密闭的，即混凝土应具有很好的抗渗性，同时，混凝土应该是近乎于不开裂的，即裂缝数量很少，裂缝尺寸特别是宽度很小。但近年来实际混凝土结构的开裂到了触目惊心的程度，成为混凝土不能耐久的首要和主要原因。半个世纪以来水泥质量的变迁是导致混凝土容易开裂的重要因素。

广义的混凝土渗透性是指气体、液体或者离子在压力梯度、浓度梯度或者电位梯度作用下，由高压力、高浓度或高电位，向低压力、低浓度或低电位方向渗透、迁移的性质或能力。除磨损以外的混凝土的诸多耐久性因素均与混凝土的渗透性有关。混凝土的抗渗性包括了抗水渗透性、抗气体渗透性和抗离子渗透性。三种渗透性之间可以具有一定的相关关系，也可能彼此相关性不强。

库马尔·梅塔曾经提出了一个混凝土在外界环境作用下劣化的整体模型，见图1。该模型认为，无论何种破坏形式，冻融破坏、钢筋锈蚀、碱集料反应，还是硫酸盐侵蚀，裂缝影响混凝土的膨胀、渗透性，进一步对混凝土耐久性起着决定性作用。

图1库马尔·梅塔的混凝土耐久性整体论模型

杨钱荣等认为混凝土渗透性与Cl-侵入、碳化和硫酸盐化学侵蚀有一定相关性，渗透性对一些膨胀引起的破坏如冻融破坏、硫酸盐结晶破坏和碱集料反应等影响较小，并基于这种认识修正了库马尔·梅塔提出的耐久性模型，见图2。

图2杨钱荣等提出的混凝土耐久性模型

比较图1和图2两个混凝土耐久性模型，图2较之图1单独表示出一些膨胀引起的破坏（冻融破坏、硫酸盐结晶破坏和碱集料反应）机理。

图1和图2都强调了裂缝对于混凝土耐久性的重要性，同时强调了裂缝对渗透性的影响。这与按照分解论的方法将抗氯离子渗透性能作为评价混凝土耐久性的综合指标[5]有很大不同。

基于对混凝土物理性能的危害程度可将混凝土的空隙划分为无害孔级(<20nm)、少害孔级（20～100nm）、有害孔级（100～200nm）和多害孔级（＞200nm）。不同水灰比的孔结构如图3所示。

图3显示，在混凝土水灰比为0.30～0.65区间，多害孔和有害孔所占比例很少，少害孔占多数比例。并且随着水灰比降低，多害孔和有害孔所占比例减少。

图3孔径分布及水灰比对孔体积的影响

因为混凝土渗透性与强度具有一定相关性[7]，强度越高，渗透性越低。因此非常严格的混凝土渗透性指标将导致混凝土强度的提高，而混凝土强度特别是早期强度的提高，会明显增加混凝土开裂风险[8]。混凝土的可见裂缝的最小宽度为20μm，比多害孔级（>200nm）的尺度高出2个数量级。显然，裂缝对混凝土耐久性的危害更大。基于菲克第二定律的混凝土耐久性指标，几乎全部是在试验室使用小试件进行试验，通常这种试验室的小试件不会开裂，由此得出的一系列结论也就完全忽视了混凝土开裂对耐久性的严重影响。这些试验结果不断强调降低渗透性，在混凝土工程中则引导了混凝土强调降低水胶比，增加强度，进而误导水泥不断增加水化活性，导致混凝土开裂风险增加。

理查德·W·伯罗斯[1]认为，半个多世纪以来美国混凝土结构严重劣化的主要原因在于混凝土开裂，混凝土开裂的原因在于：① 水泥强度提高；② 水泥使用量增加。国内学者也提出了近似观点[9-10]。在世界各国的土木结构规范中，对混凝土结构都有限制最大裂缝宽度的条文，其本意主要出于使结构在预定的服役期内满足耐久性和适用性的要求。在使用荷载下，只要裂缝宽度小于或等于规范规定的最大裂缝宽度，结构就具有要求的耐久性和适用性。

美国ACI 224R-90混凝土结构设计里所规定的裂缝的允许宽度如表1所示。

表1　ACI 224R-90混凝土结构设计规定的裂缝允许宽度

英国规范对暴露在特殊侵蚀环境条件下的允许裂缝宽度取为保护层厚度的0.4%，而在一般情况下取允许裂缝宽为0.13mm。

我国《混凝土结构耐久性设计与施工指南》所规定的在荷载作用下表面横向裂缝宽度如表2所示。

表2中国混凝土结构设计规定的裂缝允许宽度　mm

日本土木工程协会根据环境条件和混凝土覆盖物对钢筋混凝土的可容许表面裂缝宽度做了定义，具体如表3所示。

表3日本土木工程协会规定的钢筋混凝土的可容许表面裂缝宽度

注：变量“c”是钢筋保护层厚度，通常大约为20～30mm。

上述这些对于混凝土裂缝的规定，都是基于钢筋受力达到屈服强度时的变形，穿过保护层到达混凝土表面仍然是等宽度的假设，从而得出混凝土裂缝的允许宽度大致为0.2mm。但这一规定与混凝土耐久性并无直接关系。国内制定混凝土耐久性设计规范时，仍然沿用了这一指标。

国外这种做法也很普遍。库马尔·梅塔教授曾经批评美国ACI的裂缝委员会和耐久性委员会两者互相不通气，严重影响了混凝土结构耐久性这一重大问题。他认为混凝土内部裂缝延伸发展到达表面，环境中的侵蚀性介质，首先是水分就会通过裂缝向内传输，而其传输速度要比按照菲克定律通过混凝土孔传输的速度大几个数量级。

混凝土体内产生的钢筋锈蚀、碱集料反应、硫酸盐侵蚀或者冻融破坏，其共同点是反应产物都会吸水膨胀，从而使裂缝开口加大，导致更多侵蚀性介质进入，最终导致结构破坏。存在于侵蚀性介质的混凝土在裂缝宽度远小于0.2mm时，其耐久性就已经受到了严重的危害。GB 50476—2008《混凝土结构耐久性设计规范》中对于混凝土结构裂缝宽度的限定很容易让人误解，以为小于该规范规定宽度的裂缝就是对混凝土耐久性无害的。

事实上，所有可见裂缝甚至包括不可见裂纹对混凝土耐久性都是有害的。如今，在实际的建筑物中，可见裂缝已经到了触目惊心的地步。

黄士元[8]从混凝土最早期的力学性能分析了早期裂缝的成因。他认为，对受约束的混凝土，其开裂条件为：

式中：

ε——混凝土的应变；

Rp——混凝土的抗拉强度；

E——混凝土的弹性模量；

εL——混凝土的极限应变。

当混凝土所产生的应变大于它的极限应变时，混凝土就产生开裂。表征混凝土开裂的参数不仅是收缩值，更本质的是极限抗拉应变值。对上述公式不能错误地理解为提高混凝土（水泥）的抗拉强度可以减少开裂风险。混凝土拌合物成型的最初几个小时，还没有形成凝聚结构，此时主要表现为黏塑性。

随着水化进行，塑性减少，弹性模量增大，成型后4～8h弹性模量从10～100MPa迅速增长至104～105MPa，增加了3个数量级，而此期间抗压和抗拉强度只有很微弱增长。极限抗拉应变由2h时的4.0×10-3急剧下降至6～8h时的0.04×10-3左右，即极限应变减小2个数量级。因此成型后6～8h极限抗拉应变达到最低值。

可见，凝结阶段是新拌混凝土极限应变值最小、最容易开裂的阶段。水泥过高的早期水化速率，导致混凝土弹性模量过早增加，同时早期化学收缩增加，早期水化热增加，温度应力增加，最终导致混凝土开裂风险增加。

同理查德·W·伯罗斯一样，库马尔·梅塔[11]也将混凝土结构劣化的主导原因归结为混凝土的开裂：劣化现象，例如钢筋锈蚀和硫酸盐侵蚀，在水和离子渗入混凝土内部时就会发生。在相互隔离的微裂缝、可见裂缝与孔隙相通时，就产生了渗漏，因此，渗漏与开裂是紧密相关的。开裂的原因有很多，然而，最主要的一个使混凝土结构早期开裂的原因，是为满足现代高速施工所采用的高早强水泥与高早强混凝土拌合物。

3.1碱、C3A含量的影响

自1953年开始，美国国家标准协会的布莱恩（Blaine）使用圆环法对199种水泥进行了开裂影响因素的试验[1]，研究工作持续了18年之久。由于试验样品数量巨大，使得在处理数据的时候可以选择其他因素接近的一些样品考察单一因素的影响。图4～图6列出了布莱恩部分研究结果。

图4碱含量对水泥净浆自由收缩率的影响

图4中的样品是从布莱恩的199种试验中选取的具有相同干缩率的水泥（包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ型水泥），24h干缩率介于0.06%～0.07%之间，24h收缩率在0.036%～0.200%之间。图4显示，随着碱含量增加，水泥净浆自由收缩率近似呈幂函数下降。自由收缩率越高则表明水泥的延展性越好，越不容易开裂。

图5碱含量对水泥收缩环开裂时间的影响

图5显示，随着碱含量增加，水泥砂浆收缩环开裂时间近似呈幂函数下降。这个试验还有一个令人惊奇的发现，非常低的碱含量可以得到让人意外的延展性（抗裂性的近义词）。23号样品因其极低的碱含量，开裂时间比正常碱含量（K2O+0.5Na2O=0.5%）的水泥增加了9倍。

图6碱含量和C3A含量共同对水泥收缩环开裂时间的影响

图6的试验结果与图5得到近似的结论，同时表明C3A也对水泥开裂有明显不利影响。

20世纪80年代斯普林根施密德发明的一种混凝土约束开裂试验装置，并使用该装置进行了800多组试验[1]，得出的结论是：碱对温度收缩开裂有显著的影响。

清华大学使用碱含量不同的两个水泥厂的P·Ⅱ52.5R硅酸盐水泥进行了相同条件的混凝土圆环开裂试验。混凝土水胶比＝0.3，成型温度18℃；室内放置24h后拆模并在室外负温下放置，观察开裂时间和裂缝宽度，见图7。由图7可见，高碱水泥出现开裂的时间更早，裂缝的宽度更宽。

图7碱含量不同的水泥对混凝土收缩环开裂的影响

笔者在20世纪80年代也曾经在水泥厂的实际生产中发现水泥碱含量对早期化学收缩的巨大影响[12]。由于石灰石碱含量增加，使得熟料碱含量达到1.35%（Na2O+K2O）时，进行饼法安定性试验的试饼发生了开裂，但没有任何翘曲。裂缝是由于高碱导致水泥早期水化加剧，早期化学收缩加大造成的。

顺便指出，尽管高碱、高细增加水泥化学收缩这种说法被普遍使用，但却不够准确。高碱只是使水泥水化产生的化学收缩可以更早显现（可测量）出来，并非真正增大了化学收缩。换言之，相对于水泥漫长水化过程，高碱、高细只是使得十分短暂的测量期内的测量值增大了。

3.2细度的影响

依然是前述布莱恩的试验，水泥细度对开裂的影响见图8。由图8可见，随着水泥比表面积的增加，收缩环开裂的时间更短，即更加容易开裂。

图8水泥比表面积对收缩环开裂的影响

布莱恩在总结试验结果之后得出结论：在所有影响水泥开裂的因素中，碱含量是第一位的，其次是水泥细度。笔者认为，水泥细度对混凝土耐久性的影响不是本质性的，而是细水泥使得水泥早期水化速率、早期化学收缩增加，导致了混凝土耐久性劣化。

长期以来在混凝土耐久性的研究中采用分解论的方法，忽视了开裂对混凝土耐久性的巨大影响。因为在试验室进行耐久性试验的小试件是不会开裂的，但实际结构中的混凝土却几乎是全部开裂的。事实上，混凝土的普遍开裂是近几十年耐久性越来越差的根本原因。在导致结构中混凝土开裂的诸多因素之中，水泥是一个重要因素。半个世纪水泥质量的变迁，使得混凝土开裂风险加大。以混凝土耐久性角度而言，水泥质量正在沿着错误的方向渐行渐远。虽然有许多减少混凝土开裂的措施，比如使用膨胀剂、纤维等，但更应该从混凝土开裂的本源——水泥入手，变革水泥质量发展方向。对此将另文讨论。