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Mehta教授的发言题名为“混凝土耐久性——进展的五十年?”［1］。为了准备这个发言，他翻阅了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论文集上100多篇达2000多页的文章，还阅读了大量20世纪40—90年代国际会议与组织的出版物，这还只是涉及化学方面的论文，他说：“如果再加上研究与冻融循环和钢筋锈蚀引起的混凝土耐久性方面的论文，那就简直数不过来了”。
在该论文的摘要中，他指出［1］：“从提高耐久性角度，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”。这与英国的Neville 在第一届国际混凝土耐久性会议上的发言如出一辙：“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，可能甚至比50年前的问题还要多?”［2］
Mehta教授还指出［1］：以重要性递减的顺序排列，现今混凝土劣化的主因是：钢筋锈蚀、冷天的结冻、侵蚀环境的物理-化学作用。人们已经形成一个共识：并非硅酸盐水泥组成的变异，而是混凝土的渗透性，才是其整个耐久性问题的关键；另一个共识是：20世纪40年代以后为建筑业的快速发展期，由于水泥组成的变化，混凝土的强度可以满足需要，但从钢筋锈蚀、抗冻融循环和化学侵蚀的角度来看，是无法令人满意的。
尽管在认识和控制使混凝土劣化的各种物理与化学现象方面有了显著的进展，然而混凝土结构却更加趋于不耐久。原因之一是从耐久性试验所获得的信息都支离破碎，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。由于实验室的快速试验与实际混凝土结构的性能相关性不好，因此过于相信涉及耐久性不同方面的试验方法与规程，也成为问题的一部分。
今天，我们国家的混凝土工程基础设施正在以前所未有的速度建设着、运行着，同样“认识和控制使混凝土劣化的各种物理与化学现象方面有了显著进展”，自20世纪50年代初至今的60年里，是否也正在重现“有更多的混凝土结构更加缺乏耐久性”呢? 原因又何在?
1 国内外混凝土工程劣化加速的典型案例及原因分析
Mehta和Burrows在2001年美国杂志上发表的一篇文章中［3］，列举了一些非常典型的混凝土工程劣化加速的典型案例。1944年，美国公共道路管理局对加利福尼亚州等4个州的桥梁进行了检测，检查的目的在于调查西部各州混凝土迅速瓦解的原因。总体上，大约200座结构，从小的、单跨桥梁，到大的、多跨桥梁，时间为3～30年进行了检测。Jackson认为已有足够的证据表明：在1930年以后建造的混凝土结构使用寿命不如在那以前的，例如67%的1930年前建造的桥梁检查时完好，而1930年后建造的仅27%完好。由于施工技术仍然保持一样，他的结论是水泥的细度发生了变化很可能是主要原因。美国垦务局进行了一系列现场与实验室研究的结果证实了Jackson的观点。
“自1950年起，混凝土建设实践发生了几个重大变化。例如预拌混凝土业、泵送混凝土浇筑，以及插入式振捣棒振捣迅速发展起来。它们需要用高工作度的拌合物，在20世纪70年代出现高效减水剂之前，就采用多加水的拌合物。通用水泥的细度和C3S含量进一步增大满足早期较高的强度水平，同时维持快速施工的时间表。至1970年，ASTM的Ⅰ型水泥C3S含量上升到50% ，细度达到300m2/kg”。“当混凝土用于桥面板时，相当于进行现场快速试验，因为桥面板混凝土通常要暴露在除冰盐和快速的干湿和冷热循环中。在1987年美国材料顾问委员会的一篇报告中，人们吃惊地发现1940年以后铺筑的混凝土桥面板大部分出现耐久性问题。估计253000座桥面板，其中部分使用不到20年，呈现不同程度的劣化，而且每年还要增加35000座”。“有理由相信，1974年以后混凝土桥面板加速出现耐久性问题，可以直接归因于采用了高早期强度的水泥和混凝土。Neville也认为混凝土耐久性问题的加剧，是由于水泥标准没有限定细度、C3S含量和早期强度。当今，ASTM中的Ⅰ型和Ⅱ型水泥C3S含量均超过60%，细度高于400m2/ kg”。
1996年，如Krauss和Rogalla所报道，对北美20万座新建造的桥梁进行调查的结果显示：其中10万座以上的混凝土桥面板在施工后很快出现横向裂缝。作者将其主要原因归于温度收缩。通常裂缝是贯穿的，沿桥走向的间隔为1～3m。作者的结论是：在不利条件下的裂缝发展降低了混凝土抗渗性，加速了钢筋锈蚀和混凝土劣化。看来混凝土桥面板劣化在20世纪70年代中期加剧的问题，很可能是由于AASHTO限定采用高强混凝土的缘故，而80年代后在公路建设中采用高早强的高性能混凝土并没有解决这些问题。
根据Krauss和Rogalla所述：在采用高水泥用量、高效减水剂和硅灰时，1d湿养护的抗压强度可达27.6～55.0MPa；这类混凝土1d的弹性模量可达28.8～35.8GPa。是1974年前所用普通混凝土的3～7倍。这类强度非常高的混凝土徐变显著减小。与徐变显著减小相关的脆性和早期可见裂缝与其他异常开裂现象，和工程师们从普通混凝土得到的经验不一致。
Burrows引用了弗吉尼亚、德克萨斯州等桥面板的经验证实Krauss和Rogalla的结论。1974年当弗吉尼亚的桥面板强度从21MPa提高到28MPa后，开裂加剧；与此类似，1995年对堪萨斯29座桥的调查显示：采用44MPa强度的混凝土开裂要比用31MPa强度混凝土时增加1倍；1997年德克萨斯州的高性能混凝土桥面板示范工程——Louetta Overpass 比采用普通混凝土的相邻车道开裂得更厉害；在丹佛，尚未施工完的高强混凝土第23街高架桥便出现开裂。开裂的原因是由于使用高水泥用量(W/C=0.31)和水化快的Ⅱ型水泥(该水泥的细度为391m2/kg；C3A+ C3S含量为72%，是北美大约200个Ⅱ型水泥中最高的)，使温度收缩和自身收缩非常大。掺用了使混凝土自身收缩显著增大的硅灰，是这种混凝土开裂进一步加剧的原因。普通混凝土中，50个微应变的自收缩可以忽略，而高强混凝土的自收缩可达几百个微应变，与干缩一样大。
国内以水泥混凝土为材料的公路建设发展较为迟缓，直到20世纪70年代末，笔者调进交通部公路科研所工作时，这种公路只在河北唐山与秦皇岛地区和浙江省等地较为多见。记得那时就曾听见唐山公路处反映：所用水泥强度等级越高，路面板就越容易断板。90年代初，国内不少省市受一场洪水影响，先前铺筑的渣油表处路面被水浸泡后很快损坏。往灾区运送物资时，例如从江苏到安徽的312国道水泥混凝土路，虽然长时间浸泡在水中已看不见，仍然可以安全行车，道路畅通，被老百姓称为“救命道”。于是，全国许多省市掀起一股修建水泥混凝土路面高等级公路的热潮。但是，好景不长，20世纪末21世纪初，大部分省市地区的高速公路建设又转而采用沥青路，一个重要原因当然是沥青材料可以不靠进口，且品质可以通过复合聚合物得到显著改善。但另一个原因是许多水泥混凝土路面的公路开裂与劣化迅速。如图1所示，位于安徽省内的合巣芜高速公路通车没几年就“千疮百孔”，行车困难。
2001年，笔者应邀到京珠高速公路上一个标段去了解路面板开裂与劣化迅速的原因。该路段的路面板采用进口双车道滑模摊铺机在2000年11—12月摊铺，仅过去半年左右时间，路面就出现多条顺着道路走向的裂缝，而且在不断扩展、延伸(见图2)。据该路段的主管工程师反映，本来很想把他们承担的这一标段修筑成样板工程，所以十分精心地施工了基层，以致在未铺筑路面板前，大量运料车辆来回行驶了两三个月毫发未损，受到来检查工作的省交通厅表扬。但令他万万没想到的是当路面板摊铺后，这一标段的开裂最早，也最严重。经过情况了解和具体分析，笔者列出了以下原因：①水泥稳定碎石基层过于坚固，对路面板混凝土早期收缩约束强烈；②路面板混凝土早期强度发展迅速、模量大，变形受基层约束产生高应力；③纵缝切得过浅(2～3cm)，未发展断开，从侧面形成进一步的约束；④受超载重负和填方段路基沉降影响。
该标段10多km长的混凝土路面板在通车后不到10年后全部挖开重建。
2 混凝土耐久性研究与工程劣化呈现相反趋势的主要原因
有关这个问题，Mehta教授在1997年发表的一篇文章［4］中叙述到:“在认识和控制混凝土劣化的主要原因，包括钢筋锈蚀、冰冻作用、碱-骨料膨胀和硫酸盐侵蚀方面，已经取得很大进展。然而基于现代知识基础上的材料规范以及试验方法，还是依据对于涉及耐久性问题的混凝土科学的简化。这个问题需要进一步考查，是因为根据规范、指南建造的许多结构物，在远未达到预计的使用寿命之前就已经破坏。如果我们的结构设计、材料标准和施工实践都符合要求，为何还面临如此众多的耐久性问题呢?”在这篇文章里［4］，Mehta将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”。
由此，他将1991年在第二届国际混凝土耐久性会议上“从耐久性试验所获得的信息分解，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”，转变到对混凝土开裂敏感性增大的认识上。Mehta总结为［4］:“适当的组分、浇筑和养护的混凝土基本上是不透水的，应该在大部分环境条件下具有足够长的使用寿命。然而，由于环境的作用出现开裂，结构物因此丧失了运行时的水密性，也就是对于上述劣化过程的抵抗力。现代混凝土结构开裂的事实说明：人们没有对混凝土技术上控制开裂的基本原理给予足够的重视”。
所以，他发出警告［3］:“以往，通常认为结构物的耐久性不足，既不是设计，也不是材料的原因所引起的。大多数情况下，都认为是施工操作不当的责任。混凝土捣实与养护不良、钢筋保护层不足以及接缝漏水是施工存在问题的一些例子。然而现今一个严重的问题是：许多新结构的施工操作和过去保持一致，而过早劣化的现象却在不断增多。这意味着除非我们深入地了解现今的建设实践，深刻地认识影响混凝土结构劣化的主因，否则混凝土结构过早劣化的现象还将以很高的速度不断延续”。
3 降低混凝土开裂敏感性以延长结构物的使用寿命
随着低水灰比(或水胶比)高早强混凝土的应用，结构物早期开裂的现象日益突出，引起人们的关注。实践证明：高强混凝土是对早期开裂非常敏感的材料，这不仅是水化热的结果，由于自干燥作用产生的自收缩和硫酸盐相的化学反应，可能也是重要起因。结构混凝土或大体积混凝土意外地出现开裂，不能总是归因于现场工程师缺乏经验，该领域里许多问题尚缺乏了解，激发全世界许多人去进一步研究［5］。
正确地检测与评价混凝土的收缩与开裂趋势，是采取措施有效减少或避免开裂的前提。在积累浇筑大坝这类大体积结构混凝土经验的基础上，建立的防止混凝土早期产生温度裂缝的检测与评价方法，是通过测定绝热温升、水泥水化热等参数以选择原材料、确定配合比，并采取预冷拌合物和埋设冷却水管等措施来控制内外允许温差，总之是局限于尽量降低最大温升的办法预防开裂。但实际上即使是水灰比不低的大坝混凝土，即主要由于温度收缩可能引起开裂的混凝土，也并不单纯是温度变化本身造成开裂，如上所述，开裂是由于应力超过材料的强度(断裂能)所致，因此除温度变化外，所有影响应力和强度发展的因素，尤其是材料的弹性模量、热膨胀系数以及松弛能力，包括它们在初期的变化都必须考虑在内。关于这个问题，Mehta在他的著作——《混凝土微结构，性能与材料》一书中有比较详尽的叙述。
“由于荷载及温湿度作用引起变形的重要性，首先在于他们的交互作用是否会引起开裂。收缩应变的大小只是诸多导致混凝土开裂因素的一方面，其他影响参数包括：①弹性模量越低，一定大小的收缩引起的弹性拉应力越小；②徐变越大，应力松弛越大，净拉应力越小；③抗拉强度越高，拉应力超过材料强度，使其开裂的风险越小。
综合上述减小混凝土开裂的诸因素，可以用一个简单的术语——延伸性表示。当混凝土能承受大的变形而不开裂时，混凝土具有较高的延伸度。显然，为了使开裂的风险最小，混凝土不仅应收缩小，而且应具有高延伸度(即低弹性模量、高徐变和高抗拉强度)。通常，高强混凝土由于热收缩较大和应力松弛较小而易于开裂；同时，低强混凝土由于热收缩较小和应力松弛较大而较少开裂……”
Mehta教授总结了20世纪建造的混凝土结构缺乏耐久性，得出以下几条重要结论［3］。
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，无论水泥还是混凝土强度都提高了，而这通常伴随着劣化问题相应加剧。
2) 通用水泥C3S含量与细度逐渐增大，使这些水泥的早期强度可以发展得非常高，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、自身收缩与弹性模量大，更易于开裂。混凝土的高强度与早期开裂之间存在密切的、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密切关系。
4) 即使遵循了良好的建设实践，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。
5) 在考虑实际结构的服务寿命时，要慎用实验室进行混凝土耐久性的试验结果，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。实验室的试件小，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实验室试验，结果渗透性可能很低，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实验室里呈现出优异的抗渗透性能。
为在21世纪建造耐久的结构物，Mehta提出了一些建造实践中必须变革的问题［3］。
1) 由于20世纪发生的巨大变化，仍然认为快速施工是有利于社会的概念是成问题的。从全球来看，劳动力不短缺，但是我们面临人为气候变化的严重问题，这使得一些建筑材料，例如钢材和混凝土给环境带来很大影响的产品生产更加引人注目。因此，保护材料的生产，而不是施工速度，应该成为21世纪混凝土业新的关注点。
2) 认为混凝土强度越高、结构就越耐久的概念没有被现场实际经验所支持。高早强的混凝土更易于开裂，在侵蚀性环境中劣化更迅速；规范应该修正，足够地强调这一点。
3) 为解决混凝土耐久性问题，已经试过许多分解论的，或者很狭窄的办法，都没有多大成效。必须认识到：没有一个整体论方法就达不到耐久的目的。美国混凝土学会耐久性委员会(ACI201)的报告不考虑开裂-耐久性关系，因为开裂不是这个委员会的使命；混凝土开裂是ACI224委员会负责的内容，而它又不想涉及耐久性问题。许多耐久性问题的根本原因可以追溯到这种分解论方法。ACI318正是忽略了开裂-耐久性关系，而又过分强调强度-耐久性关系，因此无助于建造耐用和环境中持久的混凝土结构。一个向整体论的转变，在结构设计者、材料工程师和施工人员之间构建起比现在紧密得多的工作关系，对于控制混凝土结构的开裂是非常必要的。
4) 认为混凝土耐久性可以用控制水胶比的办法来获取是错误的。因为不是水胶比，而是用水量对控制开裂更为重要。减小用水量，在保持强度相同的条件下，可随之相应降低水泥用量，从而减小混凝土的温度收缩、自身收缩和干缩。所以为获得耐久性，选择混凝土配合比的标准也必须进行一次重大的变革。注意在从强调水胶比-强度关系转变到强调用水量-耐久性关系的过程中，需要更密切地关注骨料级配。应用良好的骨料级配可以大幅降低用水量，进一步降低可以通过使用中效或高效减水剂、大掺量粉煤灰或矿渣胶凝材料、粗磨硅酸盐水泥实现。
5) 为取得保护材料的目的，标准需要从指令型向性能型转变。例如ASTMC1157—98规定：通用型(GU型)3d和7d最大抗压强度值分别为20MPa和30MPa；该标准还涉及一种中热型( MH型) ，限制其3d与7d最大抗压强度值分别为15MPa和20MPa。它们都不限制胶凝材料的组成和细度，然而，为符合最大强度的限制，就必须控制现今水泥的细度和C3S含量。这可以通过粗磨的、低C3S含量的硅酸盐水泥，也可以将普通硅酸盐水泥与大掺量粉煤灰或矿渣复合使用来达到。与符合ASTMC150的Ⅱ型水泥相比，采用ASTM C1157—98的GU型和MH型胶凝材料应该更不容易出现开裂。
参考文献:
［1 ］ Mehta P K．Durability of concrete——fifty years of progress?［C ］∥CANMET /ACI． 2nd International Conference on Durability． 1991．
［2 ］Neville A．“Why we have concrete durability problems”［J］ ACI SP-100，1987：21-30．
［3 ］ Mehta P K，Burrows R W． Building durable structures in the21st century［J］． Concrete International，2001．
［4 ］ Mehta P K． Durability-critical issues for the future［J］． Concrete International，1997．
［5 ］ Springenschmid R． Avoidance of thermal cracking in concrete at early ages［R］． RILEM． 1998．
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