水泥和混凝土是兩個(gè)緊密聯(lián)系但卻缺少溝通與交流的行業(yè)。水泥行業(yè)很少了解現(xiàn)代混凝土的特點(diǎn)、在耐久性方面存在的問(wèn)題，以及混凝土耐久性問(wèn)題與水泥質(zhì)量變化的關(guān)系。在混凝土耐久性的研究中，也很少將水泥作為其中的一個(gè)影響因素。特別是缺乏從足夠的歷史跨度考察水泥質(zhì)量變遷給混凝土耐久性帶來(lái)的影響。

混凝土耐久性是其暴露在特定使用環(huán)境下抵抗各種物理和化學(xué)作用的能力。引起混凝土破壞的主要環(huán)境因素有凍融和鹽凍破壞、鋼筋銹蝕和碳化、堿集料反應(yīng)、化學(xué)侵蝕和磨損等，混凝土耐久性破壞可分為由化學(xué)和物理兩方面的作用引起的?；瘜W(xué)作用包括內(nèi)部化學(xué)作用(堿-硅反應(yīng)、堿-碳酸鹽反應(yīng)等)和外部化學(xué)作用(硫酸鹽、氯化物、以酸式碳酸鹽形式存在的二氧化碳和陰極氧氣等的侵蝕)。

物理作用包括反復(fù)的干濕、凍融循環(huán)及由此引起的鹽結(jié)晶作用和溫度效應(yīng)。一般認(rèn)為，除磨損外，其他破壞因素均與有害物質(zhì)如H2O、CO2、SO42-、Cl-和H+等侵入混凝土密切相關(guān)，即只要這些有害物質(zhì)不進(jìn)入混凝土中，混凝土的損傷就非常小。因此，耐久的混凝土首先必須是密閉的，即混凝土應(yīng)具有很好的抗?jié)B性，同時(shí)，混凝土應(yīng)該是近乎于不開(kāi)裂的，即裂縫數(shù)量很少，裂縫尺寸特別是寬度很小。但近年來(lái)實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂到了觸目驚心的程度，成為混凝土不能耐久的首要和主要原因。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)水泥質(zhì)量的變遷是導(dǎo)致混凝土容易開(kāi)裂的重要因素。

廣義的混凝土滲透性是指氣體、液體或者離子在壓力梯度、濃度梯度或者電位梯度作用下，由高壓力、高濃度或高電位，向低壓力、低濃度或低電位方向滲透、遷移的性質(zhì)或能力。除磨損以外的混凝土的諸多耐久性因素均與混凝土的滲透性有關(guān)。混凝土的抗?jié)B性包括了抗水滲透性、抗氣體滲透性和抗離子滲透性。三種滲透性之間可以具有一定的相關(guān)關(guān)系，也可能彼此相關(guān)性不強(qiáng)。

庫(kù)馬爾·梅塔曾經(jīng)提出了一個(gè)混凝土在外界環(huán)境作用下劣化的整體模型，見(jiàn)圖1。該模型認(rèn)為，無(wú)論何種破壞形式，凍融破壞、鋼筋銹蝕、堿集料反應(yīng)，還是硫酸鹽侵蝕，裂縫影響混凝土的膨脹、滲透性，進(jìn)一步對(duì)混凝土耐久性起著決定性作用。

圖1庫(kù)馬爾·梅塔的混凝土耐久性整體論模型

楊錢榮等認(rèn)為混凝土滲透性與Cl-侵入、碳化和硫酸鹽化學(xué)侵蝕有一定相關(guān)性，滲透性對(duì)一些膨脹引起的破壞如凍融破壞、硫酸鹽結(jié)晶破壞和堿集料反應(yīng)等影響較小，并基于這種認(rèn)識(shí)修正了庫(kù)馬爾·梅塔提出的耐久性模型，見(jiàn)圖2。

圖2楊錢榮等提出的混凝土耐久性模型

比較圖1和圖2兩個(gè)混凝土耐久性模型，圖2較之圖1單獨(dú)表示出一些膨脹引起的破壞（凍融破壞、硫酸鹽結(jié)晶破壞和堿集料反應(yīng)）機(jī)理。

圖1和圖2都強(qiáng)調(diào)了裂縫對(duì)于混凝土耐久性的重要性，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了裂縫對(duì)滲透性的影響。這與按照分解論的方法將抗氯離子滲透性能作為評(píng)價(jià)混凝土耐久性的綜合指標(biāo)[5]有很大不同。

基于對(duì)混凝土物理性能的危害程度可將混凝土的空隙劃分為無(wú)害孔級(jí)(<20nm)、少害孔級(jí)（20～100nm）、有害孔級(jí)（100～200nm）和多害孔級(jí)（＞200nm）。不同水灰比的孔結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3顯示，在混凝土水灰比為0.30～0.65區(qū)間，多害孔和有害孔所占比例很少，少害孔占多數(shù)比例。并且隨著水灰比降低，多害孔和有害孔所占比例減少。

圖3孔徑分布及水灰比對(duì)孔體積的影響

因?yàn)榛炷翝B透性與強(qiáng)度具有一定相關(guān)性[7]，強(qiáng)度越高，滲透性越低。因此非常嚴(yán)格的混凝土滲透性指標(biāo)將導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度的提高，而混凝土強(qiáng)度特別是早期強(qiáng)度的提高，會(huì)明顯增加混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)[8]?；炷恋目梢?jiàn)裂縫的最小寬度為20μm，比多害孔級(jí)（>200nm）的尺度高出2個(gè)數(shù)量級(jí)。顯然，裂縫對(duì)混凝土耐久性的危害更大?；诜瓶说诙傻幕炷聊途眯灾笜?biāo)，幾乎全部是在試驗(yàn)室使用小試件進(jìn)行試驗(yàn)，通常這種試驗(yàn)室的小試件不會(huì)開(kāi)裂，由此得出的一系列結(jié)論也就完全忽視了混凝土開(kāi)裂對(duì)耐久性的嚴(yán)重影響。這些試驗(yàn)結(jié)果不斷強(qiáng)調(diào)降低滲透性，在混凝土工程中則引導(dǎo)了混凝土強(qiáng)調(diào)降低水膠比，增加強(qiáng)度，進(jìn)而誤導(dǎo)水泥不斷增加水化活性，導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)增加。

理查德·W·伯羅斯[1]認(rèn)為，半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)美國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)嚴(yán)重劣化的主要原因在于混凝土開(kāi)裂，混凝土開(kāi)裂的原因在于：① 水泥強(qiáng)度提高；② 水泥使用量增加。國(guó)內(nèi)學(xué)者也提出了近似觀點(diǎn)[9-10]。在世界各國(guó)的土木結(jié)構(gòu)規(guī)范中，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)都有限制最大裂縫寬度的條文，其本意主要出于使結(jié)構(gòu)在預(yù)定的服役期內(nèi)滿足耐久性和適用性的要求。在使用荷載下，只要裂縫寬度小于或等于規(guī)范規(guī)定的最大裂縫寬度，結(jié)構(gòu)就具有要求的耐久性和適用性。

美國(guó)ACI 224R-90混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)里所規(guī)定的裂縫的允許寬度如表1所示。

表1　ACI 224R-90混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定的裂縫允許寬度

英國(guó)規(guī)范對(duì)暴露在特殊侵蝕環(huán)境條件下的允許裂縫寬度取為保護(hù)層厚度的0.4%，而在一般情況下取允許裂縫寬為0.13mm。

我國(guó)《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》所規(guī)定的在荷載作用下表面橫向裂縫寬度如表2所示。

表2中國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定的裂縫允許寬度　mm

日本土木工程協(xié)會(huì)根據(jù)環(huán)境條件和混凝土覆蓋物對(duì)鋼筋混凝土的可容許表面裂縫寬度做了定義，具體如表3所示。

表3日本土木工程協(xié)會(huì)規(guī)定的鋼筋混凝土的可容許表面裂縫寬度

注：變量“c”是鋼筋保護(hù)層厚度，通常大約為20～30mm。

上述這些對(duì)于混凝土裂縫的規(guī)定，都是基于鋼筋受力達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)的變形，穿過(guò)保護(hù)層到達(dá)混凝土表面仍然是等寬度的假設(shè)，從而得出混凝土裂縫的允許寬度大致為0.2mm。但這一規(guī)定與混凝土耐久性并無(wú)直接關(guān)系。國(guó)內(nèi)制定混凝土耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范時(shí)，仍然沿用了這一指標(biāo)。

國(guó)外這種做法也很普遍。庫(kù)馬爾·梅塔教授曾經(jīng)批評(píng)美國(guó)ACI的裂縫委員會(huì)和耐久性委員會(huì)兩者互相不通氣，嚴(yán)重影響了混凝土結(jié)構(gòu)耐久性這一重大問(wèn)題。他認(rèn)為混凝土內(nèi)部裂縫延伸發(fā)展到達(dá)表面，環(huán)境中的侵蝕性介質(zhì)，首先是水分就會(huì)通過(guò)裂縫向內(nèi)傳輸，而其傳輸速度要比按照菲克定律通過(guò)混凝土孔傳輸?shù)乃俣却髱讉€(gè)數(shù)量級(jí)。

混凝土體內(nèi)產(chǎn)生的鋼筋銹蝕、堿集料反應(yīng)、硫酸鹽侵蝕或者凍融破壞，其共同點(diǎn)是反應(yīng)產(chǎn)物都會(huì)吸水膨脹，從而使裂縫開(kāi)口加大，導(dǎo)致更多侵蝕性介質(zhì)進(jìn)入，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。存在于侵蝕性介質(zhì)的混凝土在裂縫寬度遠(yuǎn)小于0.2mm時(shí)，其耐久性就已經(jīng)受到了嚴(yán)重的危害。GB 50476—2008《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)裂縫寬度的限定很容易讓人誤解，以為小于該規(guī)范規(guī)定寬度的裂縫就是對(duì)混凝土耐久性無(wú)害的。

事實(shí)上，所有可見(jiàn)裂縫甚至包括不可見(jiàn)裂紋對(duì)混凝土耐久性都是有害的。如今，在實(shí)際的建筑物中，可見(jiàn)裂縫已經(jīng)到了觸目驚心的地步。

黃士元[8]從混凝土最早期的力學(xué)性能分析了早期裂縫的成因。他認(rèn)為，對(duì)受約束的混凝土，其開(kāi)裂條件為：

式中：

ε——混凝土的應(yīng)變；

Rp——混凝土的抗拉強(qiáng)度；

E——混凝土的彈性模量；

εL——混凝土的極限應(yīng)變。

當(dāng)混凝土所產(chǎn)生的應(yīng)變大于它的極限應(yīng)變時(shí)，混凝土就產(chǎn)生開(kāi)裂。表征混凝土開(kāi)裂的參數(shù)不僅是收縮值，更本質(zhì)的是極限抗拉應(yīng)變值。對(duì)上述公式不能錯(cuò)誤地理解為提高混凝土（水泥）的抗拉強(qiáng)度可以減少開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)?；炷涟韬衔锍尚偷淖畛鯉讉€(gè)小時(shí)，還沒(méi)有形成凝聚結(jié)構(gòu)，此時(shí)主要表現(xiàn)為黏塑性。

隨著水化進(jìn)行，塑性減少，彈性模量增大，成型后4～8h彈性模量從10～100MPa迅速增長(zhǎng)至104～105MPa，增加了3個(gè)數(shù)量級(jí)，而此期間抗壓和抗拉強(qiáng)度只有很微弱增長(zhǎng)。極限抗拉應(yīng)變由2h時(shí)的4.0×10-3急劇下降至6～8h時(shí)的0.04×10-3左右，即極限應(yīng)變減小2個(gè)數(shù)量級(jí)。因此成型后6～8h極限抗拉應(yīng)變達(dá)到最低值。

可見(jiàn)，凝結(jié)階段是新拌混凝土極限應(yīng)變值最小、最容易開(kāi)裂的階段。水泥過(guò)高的早期水化速率，導(dǎo)致混凝土彈性模量過(guò)早增加，同時(shí)早期化學(xué)收縮增加，早期水化熱增加，溫度應(yīng)力增加，最終導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)增加。

同理查德·W·伯羅斯一樣，庫(kù)馬爾·梅塔[11]也將混凝土結(jié)構(gòu)劣化的主導(dǎo)原因歸結(jié)為混凝土的開(kāi)裂：劣化現(xiàn)象，例如鋼筋銹蝕和硫酸鹽侵蝕，在水和離子滲入混凝土內(nèi)部時(shí)就會(huì)發(fā)生。在相互隔離的微裂縫、可見(jiàn)裂縫與孔隙相通時(shí)，就產(chǎn)生了滲漏，因此，滲漏與開(kāi)裂是緊密相關(guān)的。開(kāi)裂的原因有很多，然而，最主要的一個(gè)使混凝土結(jié)構(gòu)早期開(kāi)裂的原因，是為滿足現(xiàn)代高速施工所采用的高早強(qiáng)水泥與高早強(qiáng)混凝土拌合物。

3.1堿、C3A含量的影響

自1953年開(kāi)始，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)的布萊恩（Blaine）使用圓環(huán)法對(duì)199種水泥進(jìn)行了開(kāi)裂影響因素的試驗(yàn)[1]，研究工作持續(xù)了18年之久。由于試驗(yàn)樣品數(shù)量巨大，使得在處理數(shù)據(jù)的時(shí)候可以選擇其他因素接近的一些樣品考察單一因素的影響。圖4～圖6列出了布萊恩部分研究結(jié)果。

圖4堿含量對(duì)水泥凈漿自由收縮率的影響

圖4中的樣品是從布萊恩的199種試驗(yàn)中選取的具有相同干縮率的水泥（包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ型水泥），24h干縮率介于0.06%～0.07%之間，24h收縮率在0.036%～0.200%之間。圖4顯示，隨著堿含量增加，水泥凈漿自由收縮率近似呈冪函數(shù)下降。自由收縮率越高則表明水泥的延展性越好，越不容易開(kāi)裂。

圖5堿含量對(duì)水泥收縮環(huán)開(kāi)裂時(shí)間的影響

圖5顯示，隨著堿含量增加，水泥砂漿收縮環(huán)開(kāi)裂時(shí)間近似呈冪函數(shù)下降。這個(gè)試驗(yàn)還有一個(gè)令人驚奇的發(fā)現(xiàn)，非常低的堿含量可以得到讓人意外的延展性（抗裂性的近義詞）。23號(hào)樣品因其極低的堿含量，開(kāi)裂時(shí)間比正常堿含量（K2O+0.5Na2O=0.5%）的水泥增加了9倍。

圖6堿含量和C3A含量共同對(duì)水泥收縮環(huán)開(kāi)裂時(shí)間的影響

圖6的試驗(yàn)結(jié)果與圖5得到近似的結(jié)論，同時(shí)表明C3A也對(duì)水泥開(kāi)裂有明顯不利影響。

20世紀(jì)80年代斯普林根施密德發(fā)明的一種混凝土約束開(kāi)裂試驗(yàn)裝置，并使用該裝置進(jìn)行了800多組試驗(yàn)[1]，得出的結(jié)論是：堿對(duì)溫度收縮開(kāi)裂有顯著的影響。

清華大學(xué)使用堿含量不同的兩個(gè)水泥廠的P·Ⅱ52.5R硅酸鹽水泥進(jìn)行了相同條件的混凝土圓環(huán)開(kāi)裂試驗(yàn)。混凝土水膠比＝0.3，成型溫度18℃；室內(nèi)放置24h后拆模并在室外負(fù)溫下放置，觀察開(kāi)裂時(shí)間和裂縫寬度，見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn)，高堿水泥出現(xiàn)開(kāi)裂的時(shí)間更早，裂縫的寬度更寬。

圖7堿含量不同的水泥對(duì)混凝土收縮環(huán)開(kāi)裂的影響

筆者在20世紀(jì)80年代也曾經(jīng)在水泥廠的實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)水泥堿含量對(duì)早期化學(xué)收縮的巨大影響[12]。由于石灰石堿含量增加，使得熟料堿含量達(dá)到1.35%（Na2O+K2O）時(shí)，進(jìn)行餅法安定性試驗(yàn)的試餅發(fā)生了開(kāi)裂，但沒(méi)有任何翹曲。裂縫是由于高堿導(dǎo)致水泥早期水化加劇，早期化學(xué)收縮加大造成的。

順便指出，盡管高堿、高細(xì)增加水泥化學(xué)收縮這種說(shuō)法被普遍使用，但卻不夠準(zhǔn)確。高堿只是使水泥水化產(chǎn)生的化學(xué)收縮可以更早顯現(xiàn)（可測(cè)量）出來(lái)，并非真正增大了化學(xué)收縮。換言之，相對(duì)于水泥漫長(zhǎng)水化過(guò)程，高堿、高細(xì)只是使得十分短暫的測(cè)量期內(nèi)的測(cè)量值增大了。

3.2細(xì)度的影響

依然是前述布萊恩的試驗(yàn)，水泥細(xì)度對(duì)開(kāi)裂的影響見(jiàn)圖8。由圖8可見(jiàn)，隨著水泥比表面積的增加，收縮環(huán)開(kāi)裂的時(shí)間更短，即更加容易開(kāi)裂。

圖8水泥比表面積對(duì)收縮環(huán)開(kāi)裂的影響

布萊恩在總結(jié)試驗(yàn)結(jié)果之后得出結(jié)論：在所有影響水泥開(kāi)裂的因素中，堿含量是第一位的，其次是水泥細(xì)度。筆者認(rèn)為，水泥細(xì)度對(duì)混凝土耐久性的影響不是本質(zhì)性的，而是細(xì)水泥使得水泥早期水化速率、早期化學(xué)收縮增加，導(dǎo)致了混凝土耐久性劣化。

長(zhǎng)期以來(lái)在混凝土耐久性的研究中采用分解論的方法，忽視了開(kāi)裂對(duì)混凝土耐久性的巨大影響。因?yàn)樵谠囼?yàn)室進(jìn)行耐久性試驗(yàn)的小試件是不會(huì)開(kāi)裂的，但實(shí)際結(jié)構(gòu)中的混凝土卻幾乎是全部開(kāi)裂的。事實(shí)上，混凝土的普遍開(kāi)裂是近幾十年耐久性越來(lái)越差的根本原因。在導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中混凝土開(kāi)裂的諸多因素之中，水泥是一個(gè)重要因素。半個(gè)世紀(jì)水泥質(zhì)量的變遷，使得混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)加大。以混凝土耐久性角度而言，水泥質(zhì)量正在沿著錯(cuò)誤的方向漸行漸遠(yuǎn)。雖然有許多減少混凝土開(kāi)裂的措施，比如使用膨脹劑、纖維等，但更應(yīng)該從混凝土開(kāi)裂的本源——水泥入手，變革水泥質(zhì)量發(fā)展方向。對(duì)此將另文討論。