混凝土強度發(fā)展變化趨勢分析

1、混凝土強度發(fā)展變化趨勢分析混凝土在其服役年限內強度如何發(fā)展變化是一個不可忽視的結構安全問題。通常情況下，混凝土澆筑成型28d后強度仍在增長，這一結論往往會導致人們在潛意識中認為，除特殊環(huán)境條件外，對混凝土強度的持續(xù)保持不必過分擔憂。但是，依據(jù)相關的長期試驗研究數(shù)據(jù)表明，混凝土強度并不是完全隨著齡期不斷增長的，而是依據(jù)所處的環(huán)境條件，在強度增長到某一齡期后，因有害介質的不斷侵蝕，使強度的增長與微結構的劣化達到平衡狀態(tài)而出現(xiàn)最高值，然后，強度隨著齡期的繼續(xù)增加而開始緩慢下降。因此，實際工程中必須依據(jù)現(xiàn)行的規(guī)范標準、結構所處的環(huán)境條件及強度發(fā)展變化趨勢，綜合分析強度經(jīng)時變化對混凝土結構承載力的影響，

2、并有針對性地提出防控措施和解決辦法，確?；炷两Y構在其使用年限內安全可靠的工作。為進一步研究工程中混凝土強度發(fā)展變化趨勢，本文借鑒日本對混凝土長期強度發(fā)展相關試驗研究數(shù)據(jù)，闡述水泥細度及混凝土結構所處環(huán)境對混凝土強度長期發(fā)展變化趨勢的影響。同時針對我國現(xiàn)行多個規(guī)范和標準間的相互協(xié)調問題的分析，提出改進建議，以確保使用年限內混凝土強度滿足設計要求。一、混凝土28d后強度發(fā)展變化趨勢的分析當前的水泥標準、混凝土結構設計規(guī)范、施工驗收規(guī)范、耐久性設計標準及強度檢驗評定標準均很少談及混凝土28d后的強度發(fā)展變化趨勢問題，對于使用單位而言，最擔心的莫過于結構出現(xiàn)安全問題，因為那必將是災難性的，一旦發(fā)生，

3、基本沒有多少挽回的余地。近年來發(fā)生的一些鋼筋混凝土橋梁、高速公路高架橋的垮塌事故就是典型案例，而在技術層面的調查結果，往往都與混凝土強度不達標有直接的聯(lián)系。出現(xiàn)了豆腐渣工程，給后人的警示多是因貪腐造成的偷工減料、使用劣質材料等等，而非純技術問題。為什么有些工程項目竣工驗收時強度是達標的，運行前十年結構也是安全的，而運行十年后強度卻不達標，甚至發(fā)生垮塌事故？到底是什么原因與混凝土強度不能保持持續(xù)達標而存在因果關系？混凝土強度的長期發(fā)展變化趨勢是一個值得我們認真分析與思考的重要問題。如果溯源的問題不能在技術層面上得到有效解決，類似的情況可能還會重復發(fā)生，技術進步也就無從談起。隨著時間的推移，混凝土

4、強度是在不斷增長的，即使后期強度會有所降低，也能保證混凝土有百年的使用壽命，這一認知最初來自于日本北海道小樽港持續(xù)百年的相關試驗數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是當今世界混凝土界絕無僅有的一筆巨大財富，至今仍無人能敵，因為沒有哪一個國家、哪一個單位或哪一個部門，在百年前就開始實施混凝土長期強度發(fā)展變化趨勢試驗，并持續(xù)至今，獲取上百年的對比試驗數(shù)據(jù)。日本北海道小樽港在1899年建設初期，為了獲取混凝土在自然環(huán)境中的強度長期發(fā)展變化趨勢，他們制作了6萬多個試件，并分別將其存放在淡水中、海水中和大氣自然環(huán)境中進行時間跨度長達百年的強度發(fā)展對比試驗。有關文獻的試驗數(shù)據(jù)表明，在淡水、海水和自然環(huán)境條件下，混凝土強度的長期

5、發(fā)展變化趨勢是基本一致的。其中，試件在露天自然大氣環(huán)境中存放40年，強度達到最高值，較原來28d強度提高約100%，之后，強度從最高點開始逐年下降，存放至95年，強度從最高點下降約40%，但仍高于原來28d強度20%。由此可見，混凝土在自然環(huán)境中的使用壽命達百年以上已被小樽港的試驗所證明，因此這一結論也就被大家所普遍接受和認同。但是，這一結論的成立有一個前提是不能被忽視的-受早期生產工藝和生產技術的限制，水泥顆粒粒徑相對較粗，同時其水化反應速度相對緩慢，這與當今水泥工業(yè)生產的產品是存在明顯差異的。當前，隨著社會需求的不斷增加和水泥生產工藝技術的不斷完善提高，雖然水泥生產成本越來越低、產量越來越

6、大、強度越來越高，但是，水泥顆粒粒徑卻是越來越小，這是不爭的事實，也是為了滿足高強度高效益水泥生產需求而必然選擇的發(fā)展路徑之一。正是因為這一細小化的差異，導致混凝土28d后的強度發(fā)展趨勢，發(fā)生了根本性的變化。百年前試驗使用的水泥顆粒粒徑是200m方孔篩篩余量小于10%，而目前我國水泥標準對水泥（礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥等）顆粒粒徑的要求是80m方孔篩篩余量小于10%，兩者方孔篩孔徑不是一個數(shù)量級，由此可見，后者的水泥顆粒平均粒徑明顯小于前者。為了與小樽港的數(shù)據(jù)進行對比，日本港灣與空港技術研究所也進行了相關試驗。有關文獻的試驗數(shù)據(jù)表明，在模擬海洋氣候環(huán)境條件下，用比表面積下限為250m

7、2/kg的水泥制作的混凝土試件存放5年左右的抗壓強度達到最高，比28d強度增長約40%，然后逐年下降，至10年甚至低于原來28d強度。另外，日本水泥株式會社從上世紀50年代開始也進行了相關試驗，有關文獻的試驗數(shù)據(jù)表明，分別采用比表面積在350m2/kg左右的普通硅酸鹽水泥和比表面積在440m2/kg左右的超早強水泥，按灰砂比12、水灰比0.65制成砂漿試件，在溫度（201）、pH值在910的循環(huán)水環(huán)境條件下進行長期水養(yǎng)護。強度對比試驗結果表明，采用普通硅酸鹽水泥制成的砂漿試件，強度最高值集中出現(xiàn)在13年之間，較原來28d強度增長約30%，而采用超早強水泥制成的砂漿試件，強度最高值集中出現(xiàn)在0.

8、51年之間，較原來28d強度增長約10%，且兩者強度均在最高值持續(xù)保持至資料提供的20年時長。通過對比分析上述三組試驗數(shù)據(jù)及相對應的環(huán)境條件可知：（1）水泥顆粒粒徑的大小對混凝土28d后的強度發(fā)展變化趨勢起著決定性作用，水泥顆粒粒徑越大，強度增長的幅度將越大，持續(xù)增長的時間也將越長，否則反之。（2）環(huán)境條件的持續(xù)穩(wěn)定保持對混凝土強度長期發(fā)展有利，如恒溫保濕、無有害介質侵蝕條件下，混凝土強度值將在高位長期保持不變，否則，強度值將會從到達最高值開始，逐年下降。另外，從對水泥遇水后發(fā)生水化反應速度分析可知：水泥四大礦物組成中占比最多且水化反應速度相對緩慢的硅酸三鈣，28d的水化反應深度為10m。據(jù)此

9、可以判斷，當球形顆粒粒徑為30m時，28d的水化反應已完成95%以上，28d后的水化反應已沒有多少持續(xù)發(fā)展的空間。當顆粒粒徑大于30m時，顆粒粒徑越大，28d未參與水化反應的部分占比將會越多，28d后繼續(xù)進行水化反應的時間也將會越長，所以，強度增長的幅度也將越大，持續(xù)增長的時間也將會越長。我國現(xiàn)行GB175-2007通用硅酸鹽水泥規(guī)定，普通硅酸鹽水泥比表面積下限為300m2/kg，上限不封頂。目前水泥企業(yè)生產的水泥比表面積大多在360400m2/kg之間，相應的水泥顆粒粒徑大多數(shù)都在30m以下，如對應日本水泥標準，已屬早強水泥的范圍。這些雖然有利于提高混凝土早期強度，但在自然環(huán)境中，混凝土強度

10、的發(fā)展變化趨勢，將會由短期的上升很快轉為逐年下降。國內一些鋼筋混凝土高架橋垮塌事故，大都發(fā)生在使用期滿十年這一關鍵的時間節(jié)點之后,也就不足為奇，這與日本港灣與空港技術研究所得出的試驗結論,在時間點上是基本吻合的。正是因為目前企業(yè)生產的水泥顆粒粒徑過細，28d水化反應已基本完成，導致當今水泥與日本小樽港建設用水泥的最大差異，就是在滿足28d強度要求的前提下，將早期水泥所隱含的巨大強度儲備提前予以透支。而這部分被提前透支的強度儲備，正是為了增強混凝土抵御各種有害介質侵蝕而導致強度不斷降低的能力，并為混凝土自我修復和自我完善提供強有力支撐和保障的。這個強度儲備一旦缺失，對結構耐久性是極為不利的。因此

11、，水泥顆粒的細化是導致“混凝土百年壽命神話”破滅的主要原因，也是工程使用單位把通過提高細度來提高水泥強度的手段視為“偽劣技術”的根源所在。綜上所述，混凝土強度長期發(fā)展變化趨勢影響因素主要取決于水泥細度和環(huán)境條件兩個方面，前者決定混凝土強度儲備的大小，即28d后強度增長的幅度與高度，后者決定混凝土強度值在高位持續(xù)的時間與下降的速率。兼顧兩者，才能有效保障混凝土長期強度得到持續(xù)發(fā)展。二、與混凝土強度相關規(guī)范標準間的協(xié)調關系與混凝土強度相關的規(guī)范標準有材料標準、設計規(guī)范、施工驗收規(guī)范、評定標準和檢測技術規(guī)程等，這些規(guī)范標準之間應相互協(xié)調一致。首先，規(guī)范對混凝土結構的使用年限是有明確界定的。除特殊環(huán)境

12、外，規(guī)范對混凝土耐久性的通用要求是最低強度等級、最大水膠比、最小膠凝材料用量、保護層厚度等，因此確保混凝土強度在使用年限內不降低至其設計值以下是非常重要的。但目前規(guī)范里缺乏必備的相應條款，而現(xiàn)行水泥標準對混凝土長期強度的發(fā)展尚不能提供足夠的信任和保障，這是規(guī)范標準間的盲區(qū)。對于那些沒有采取任何防護措施的露天結構混凝土，強度的自然下降而引發(fā)質量問題，也就難以避免。其二，因施工條件和自然環(huán)境不同，標養(yǎng)試件強度、同條件試件強度和實際結構混凝土強度三者之間是存在明顯差異的。GB50010-2010混凝土結構設計規(guī)范有關混凝土強度的計算取值就是建立在實際結構強度與標養(yǎng)試件強度之間存在0.88換算系數(shù)基礎

13、之上的，這一換算系數(shù)在丹麥取0.90、德國取0.85、美國取0.85、挪威取0.70。GB50204-2002混凝土工程施工質量驗收規(guī)范規(guī)定，如采用同條件試件強度進行驗收，其與標養(yǎng)試件強度之間按0.909進行換算。由此可見，3個強度之間的關系是：實際結構混凝土強度同條件試件強度標養(yǎng)試件強度。在使用時，注意需要進行換算，所不同的是換算系數(shù)的取值各國不一，相對于歐美國家的標準來說，我國規(guī)范換算系數(shù)取值還是偏高的。現(xiàn)行行業(yè)標準JGJ/T384-2016鉆芯法檢測混凝土強度技術規(guī)程認為不存在這一差異，不需進行換算，否定了GB50010-2010和GB50204-2002里明確過的換算關系，由此導致按J

14、GJ/T384-2016評定標準比按GB50010-2010和GB50204-2002評定強度高13.6%，使同行業(yè)規(guī)范標準間的協(xié)調關系被打破，其檢測數(shù)據(jù)的可信度不可避免受到質疑。另外，同樣是鉆心法行業(yè)技術規(guī)程，原JTJ/T272-99港口工程混凝土非破損檢測技術規(guī)程，在明確實際結構強度與標養(yǎng)試件強度存在明顯差異的前提下，依混凝土強度等級的不同，規(guī)定換算系數(shù)在0.820.90之間選取，這個條款在原則上與GB50010-2010和GB50204-2002的強度換算要求是相互協(xié)調的。但是，港口工程混凝土非破損檢測技術規(guī)程的最新替代標準JTS239-2015水運工程混凝土結構實體檢測技術規(guī)程卻取消了

15、該換算系數(shù)條款，使原本與國家標準相互協(xié)調的關系又被打破了。由上述情況分析可見，采用現(xiàn)行的鉆芯法行業(yè)檢測技術規(guī)程對實際結構強度進行檢測而常常出現(xiàn)不合格的現(xiàn)象，也就不足為奇，大量的施工現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)對比也充分證明了這一點。第三，鑒于當前水泥過細而影響混凝土長期強度的發(fā)展，特別是對于那些使用期超過10年，且對混凝土沒有采取相應防護措施的露天結構，水泥混凝土長期強度會自然下降，一旦發(fā)生質量問題再采用JGJ/T384-2016鉆芯法檢測混凝土強度技術規(guī)程進行判定的話，使用單位承擔不該承擔的責任也就成為可能。更為嚴重的問題是，真正原因卻被不協(xié)調的規(guī)范標準所掩蓋，無法起到有效的警示作用，影響混凝土技術的科學發(fā)

16、展。行業(yè)標準是國家標準的補充和完善，其技術要求通常是要嚴于國家標準的，適用于項目建設過程的質量管控，但若把JGJ/T384-2016行業(yè)標準作為質量事故處理最終評判的法律依據(jù)，其公平性是值得進一步商榷的。三、啟示與建議上述談及的兩大問題是相互關聯(lián)的，在混凝土強度問題上，不能機械地使用標準中的最低要求，在嚴格執(zhí)行現(xiàn)行規(guī)范標準的同時，要特別注重水泥的差異化研究及規(guī)范標準間的協(xié)調應用?？刂扑嗉毝龋槍唧w工程所處的環(huán)境特點采取相應應對措施，防止和避免混凝土在其使用年限內強度不能得到持續(xù)保障，導致工程質量事故的發(fā)生，帶來安全風險。結合我國混凝土強度相關規(guī)范標準現(xiàn)狀，建議各方共同努力解決規(guī)范標準間不協(xié)調問題：1.應加強混凝土技術相關規(guī)范標準間頂層設計的組織領導，確保相關規(guī)范標準在重大原則問題上相互統(tǒng)一、相互協(xié)調，防止和避免規(guī)范標準間各行其是而影響到混凝土技術的科學發(fā)展。2.可參照國外相對保守的水泥標準，將普通硅酸鹽水泥的比表面積控制在250330m2/kg之間，確保混凝土強度在28d后