摘要:
從提高混凝土耐久性和混凝土技術(shù)可持續(xù)發(fā)展方面概述現(xiàn)代混凝土技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和發(fā)展方向。混凝十技術(shù)發(fā)展的根本方向是堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，在與地球資源環(huán)境和諧共生的發(fā)展基礎(chǔ)上，最大限度地改善混凝土的耐久性，提高其使用壽命。
混凝土技術(shù)發(fā)展的一個(gè)終極目標(biāo)是最大限度地延長(zhǎng)其使用壽命，也即耐用性(Serviceability)問(wèn)題。這就對(duì)混凝土的長(zhǎng)期性能特別是耐久性提出了更高的要求。另外一個(gè)很重要的問(wèn)題是混凝土技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展，其目標(biāo)就是要使混凝土技術(shù)的發(fā)展與資源、環(huán)境等實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)，盡量減少造成修補(bǔ)或拆除的浪費(fèi)和建筑垃圾，大量利用優(yōu)質(zhì)的工業(yè)廢棄物和礦石，盡量減少自然資源和能源的消耗，減少對(duì)環(huán)境的污染。
1 混凝土的耐久性混凝土的耐久性可定義為“在使用過(guò)程中經(jīng)受氣候變化、化學(xué)侵蝕、磨蝕等各種破壞因素的作用而能保持其使用功能的能力”。
一般混凝土建筑物的使用壽命要求在50年以上，很多國(guó)家對(duì)橋梁、水電站大壩、海底隧道、海上采油平臺(tái)、核反應(yīng)堆等重要結(jié)構(gòu)的混凝土耐久性要求在100年以上。氣候條件適中的陸上建筑物，應(yīng)要求混凝土在200年內(nèi)安全使用。我國(guó)GB 50010——2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，混凝土的耐久性設(shè)計(jì)應(yīng)按照環(huán)境類(lèi)別和設(shè)計(jì)使用年限進(jìn)行，分為50年和100年2個(gè)耐久性預(yù)期目標(biāo)，對(duì)于重大、重要工程應(yīng)按照100年壽命來(lái)設(shè)計(jì)混凝土。近幾年來(lái)，我國(guó)已有不少工程的混凝土設(shè)計(jì)壽命達(dá)到100年，這些工程大都結(jié)合環(huán)境條件和特點(diǎn)，采取專(zhuān)門(mén)有效的措施，以充分保證混凝土工程的耐久性設(shè)計(jì)要求。比較著名的百年工程有三峽大壩、東海大橋、南京地鐵1號(hào)線、崇明越江通道北港橋梁、重慶朝天門(mén)大橋空心橋墩、杭州灣大橋等。
但是近幾十年以來(lái)，混凝土構(gòu)筑物因材質(zhì)劣化造成失效以至破壞崩塌的事故在國(guó)內(nèi)外也是屢見(jiàn)不鮮，并有愈演愈烈之勢(shì)。
國(guó)際上混凝土的大量使用始于20世紀(jì)30年代，到五六十年代達(dá)到高峰。許多發(fā)達(dá)國(guó)家每年用于建筑維修的費(fèi)用都超過(guò)新建的費(fèi)用。
過(guò)去，除了大型水利工程外，我國(guó)混凝土工程的耐久性問(wèn)題長(zhǎng)期不受重視，混凝土結(jié)構(gòu)沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的使用壽命，受環(huán)境作用過(guò)早破壞的實(shí)例很多，由此造成的經(jīng)濟(jì)損失也很大。由于許多工程設(shè)計(jì)只滿足荷載要求，而沒(méi)有提出耐久性的要求，使已建成的混凝土構(gòu)筑物存在耐久性隱患。我國(guó)在50年代興建的水電站大壩有很多已經(jīng)成為“病壩”，我國(guó)的混凝土工程量在改革開(kāi)放30多年來(lái)突飛猛進(jìn)，可以預(yù)見(jiàn)，耐久性不佳的混凝土工程的劣化問(wèn)題將會(huì)日趨嚴(yán)重。因此，混凝土耐久性問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視。
1.1 混凝土的耐久性破壞
混凝土耐久性涉及到混凝土性能的方方面面，是影響混凝土使用壽命的首要因素。造成混凝土耐久性不佳的原因多種多樣，主要可分為：(1)物理破壞：由溫度變化引起的收縮膨脹裂縫(這是由于混凝土內(nèi)骨料和硬化水泥漿體不同的溫度膨脹系數(shù)而引起)，如凍融循環(huán)、除冰鹽分對(duì)混凝土的剝蝕等：(2)化學(xué)破壞：由混凝土內(nèi)部材料引起的堿骨料反應(yīng)以及外部侵蝕性離子(Gl-)引起的諸如鋼筋銹蝕、硫酸鹽侵蝕以及碳化(CO2)等；(3)機(jī)械破壞：沖擊、磨損、流動(dòng)淡水溶蝕作用、流動(dòng)氣體的磨蝕、沖蝕等(如道路、水利混凝土)。如何有效地預(yù)防和抵抗這些破壞因素的破壞力，是解決混凝土耐久性問(wèn)題的關(guān)鍵。
1.2 混凝土耐久性破壞常見(jiàn)原因
我國(guó)已故混凝土權(quán)威吳中偉院士早在1991年就指出，近年來(lái)混凝土耐久性破壞愈趨嚴(yán)重的原因很多，常見(jiàn)的較重要的主要有：
(1)原材料因素：如水泥因?yàn)閺?qiáng)度提高、細(xì)度增大、硬化速度加快等因素，加劇了混凝土結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂問(wèn)題；優(yōu)質(zhì)合格的骨料資源日趨枯竭，只有采用質(zhì)次或有問(wèn)題的集料(如海砂、風(fēng)化砂石、堿活性骨料等)，對(duì)集料的質(zhì)量也缺乏必要的重視；
(2)施工原因：過(guò)于追求施工進(jìn)度，對(duì)混凝土工程的施工質(zhì)量控制不嚴(yán)，也不注意對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的養(yǎng)護(hù)；
(3)應(yīng)用原因：現(xiàn)代混凝土的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，使大量混凝土工程所處的環(huán)境與使用條件日益嚴(yán)酷，但未認(rèn)真采取相應(yīng)的對(duì)策以提高其在嚴(yán)酷環(huán)境下的使用壽命；
(4)設(shè)計(jì)研究原因：對(duì)混凝土工程耐久性的研究試驗(yàn)工作大部分局限在試驗(yàn)室階段，與實(shí)際使用環(huán)境脫節(jié)，更重要的是混凝土工程在設(shè)計(jì)過(guò)程中常常只考慮單一的破壞因素，忽視對(duì)實(shí)際中常發(fā)生的2個(gè)以上破壞因素引起的綜合破壞作用，即對(duì)混凝土耐久性綜合癥缺少認(rèn)識(shí)。
1.3? 混凝土耐久性研究存在的問(wèn)題
混凝土耐久性問(wèn)題自20世紀(jì)50年代提出，受到世界各國(guó)的廣泛重視，幾十年來(lái)各國(guó)混凝土行業(yè)工作者進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)試驗(yàn)研究工作，獲得了一定的成果，有些成果對(duì)一些常見(jiàn)的耐久性問(wèn)題的解決起到了顯著作用：如引氣劑對(duì)提高混凝土抗凍性的作用；限制水泥和混凝土中的堿含量對(duì)堿—集料反應(yīng)的預(yù)防；活性礦物摻合料對(duì)提高抗?jié)B性和對(duì)鹽類(lèi)侵蝕作用的抵抗以及對(duì)減輕碳化作用、保護(hù)鋼筋以免銹蝕、抑制混凝土中的堿—集料反應(yīng)以及防止淡水溶析作用和表面破壞等均提出了有效的措施。為了得到耐久性良好的混凝土，按耐久性設(shè)計(jì)混凝土和預(yù)測(cè)混凝土的使用壽命成為耐久性研究的主要內(nèi)容和最終目標(biāo)。但是我們也應(yīng)該看到，由于研究?jī)?nèi)容的片面性和理論深入不夠以及研究方法存在的局限性和缺陷性，使得大量基礎(chǔ)的耐久性研究成果對(duì)解決實(shí)際混凝土工程耐久性問(wèn)題的成效不大，也使當(dāng)前的混凝土耐久性問(wèn)題呈現(xiàn)越來(lái)越嚴(yán)重的趨勢(shì)。主要表現(xiàn)在：(1)針對(duì)單一破壞的因素研究較多，而忽略了常常在建筑物中出現(xiàn)的多因素共同作用的研究；(2)很多試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)條件下得到的，與混凝土實(shí)際使用環(huán)境相差甚遠(yuǎn)，使試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法進(jìn)行比對(duì)。典型的如骨料堿活性反應(yīng)快速檢測(cè)法(ASTMCl260，南非快速砂漿棒法等)，該方法是將試件浸泡在80℃1N的NaOH溶液中進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)條件十分嚴(yán)酷，與混凝土實(shí)際環(huán)境條件相差甚遠(yuǎn)；(3)材料因素研究得多，結(jié)構(gòu)因素研究得少，基礎(chǔ)理論的研究更少，缺乏定量研究，更缺少區(qū)分不同體系、不同結(jié)構(gòu)的材料在耐久性能上差別的對(duì)比。
1.4 常見(jiàn)的耐久性綜合癥
實(shí)際混凝土工程中的耐久性問(wèn)題相對(duì)比較復(fù)雜，常常不是單一出現(xiàn)的，而是多種因素共同作用的結(jié)果，因此，有必要充分了解混凝土中的耐久性綜合作用因素?；炷凉こ讨谐霈F(xiàn)的常見(jiàn)耐久性綜合癥如下：
(1)碳化與鋼筋銹蝕：
(2)凍融循環(huán)(包括海水凍融)與鋼筋銹蝕；
(3)鹽類(lèi)腐蝕與鋼筋銹蝕；
(4)鹽類(lèi)腐蝕與凍融循環(huán)、機(jī)械力破壞；
(5)鹽類(lèi)腐蝕中SO42-、Mg2+、Cl-作用的綜合疊加效應(yīng)引起混凝土的快速破壞；
(6)緩慢延續(xù)的堿—集料反應(yīng)與其它破壞作用的綜合和疊加。
研究防治混凝土耐久性綜合癥，必須弄清楚破壞作用的主次和先后，并對(duì)幾種因素的共同作用，尤其是疊加效應(yīng)加以研究。疊加效應(yīng)相對(duì)比較復(fù)雜，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)負(fù)疊加，即互相抵消的特殊現(xiàn)象。
混凝土中以堿—集料反應(yīng)為主因及導(dǎo)因的耐久性綜合癥現(xiàn)象十分普遍，具體表現(xiàn)在：
(1)堿—集料反應(yīng)十鋼筋銹蝕：前者是導(dǎo)因，堿—集料反應(yīng)引起開(kāi)裂導(dǎo)致鋼筋銹蝕，造成嚴(yán)重破壞；
(2)堿—集料反應(yīng)+凍融循環(huán)：我國(guó)北方有幾處機(jī)場(chǎng)跑道因堿—集料反應(yīng)而開(kāi)裂，加速了凍融破壞；
(3)堿—集料反應(yīng)+海水腐蝕：如日本沖繩島海港的混凝土結(jié)構(gòu)破壞：
(4)堿—集料反應(yīng)+機(jī)械力(包括沖擊、磨損、疲勞等)破壞：如日本阪神高速公路梁、柱、橋面等；
(5)堿—集料反應(yīng)+除冰鹽+鋼筋銹蝕：如北京、天津等地的立交橋破壞等。
因此，在對(duì)混凝土按耐久性進(jìn)行設(shè)計(jì)和壽命預(yù)測(cè)方面，應(yīng)綜合考慮各種不同的破壞因素，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、同類(lèi)材料的性能、快速試驗(yàn)結(jié)果以及混凝土工程暴露的環(huán)境條件等，對(duì)所設(shè)計(jì)的混凝土工程的耐久性進(jìn)行預(yù)測(cè)。