混凝土強(qiáng)度發(fā)展變化趨勢分析

1、混凝土強(qiáng)度發(fā)展變化趨勢分析混凝土在其服役年限內(nèi)強(qiáng)度如何發(fā)展變化是一個不可忽視的結(jié)構(gòu)安全問題。通常情況下，混凝土澆筑成型28d后強(qiáng)度仍在增長，這一結(jié)論往往會導(dǎo)致人們在潛意識中認(rèn)為，除特殊環(huán)境條件外，對混凝土強(qiáng)度的持續(xù)保持不必過分擔(dān)憂。但是，依據(jù)相關(guān)的長期試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)表明，混凝土強(qiáng)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(qiáng)度增長到某一齡期后，因有害介質(zhì)的不斷侵蝕，使強(qiáng)度的增長與微結(jié)構(gòu)的劣化達(dá)到平衡狀態(tài)而出現(xiàn)最高值，然后，強(qiáng)度隨著齡期的繼續(xù)增加而開始緩慢下降。因此，實(shí)際工程中必須依據(jù)現(xiàn)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件及強(qiáng)度發(fā)展變化趨勢，綜合分析強(qiáng)度經(jīng)時變化對混凝土結(jié)構(gòu)承載力的影響，

2、并有針對性地提出防控措施和解決辦法，確保混凝土結(jié)構(gòu)在其使用年限內(nèi)安全可靠的工作。為進(jìn)一步研究工程中混凝土強(qiáng)度發(fā)展變化趨勢，本文借鑒日本對混凝土長期強(qiáng)度發(fā)展相關(guān)試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，闡述水泥細(xì)度及混凝土結(jié)構(gòu)所處環(huán)境對混凝土強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)間的相互協(xié)調(diào)問題的分析，提出改進(jìn)建議，以確保使用年限內(nèi)混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。一、混凝土28d后強(qiáng)度發(fā)展變化趨勢的分析當(dāng)前的水泥標(biāo)準(zhǔn)、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范、施工驗(yàn)收規(guī)范、耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及強(qiáng)度檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)均很少談及混凝土28d后的強(qiáng)度發(fā)展變化趨勢問題，對于使用單位而言，最擔(dān)心的莫過于結(jié)構(gòu)出現(xiàn)安全問題，因?yàn)槟潜貙⑹菫?zāi)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(shù)層面的調(diào)查結(jié)果，往往都與混凝土強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)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(zhì)材料等等，而非純技術(shù)問題。為什么有些工程項(xiàng)目竣工驗(yàn)收時強(qiáng)度是達(dá)標(biāo)的，運(yùn)行前十年結(jié)構(gòu)也是安全的，而運(yùn)行十年后強(qiáng)度卻不達(dá)標(biāo)，甚至發(fā)生垮塌事故？到底是什么原因與混凝土強(qiáng)度不能保持持續(xù)達(dá)標(biāo)而存在因果關(guān)系？混凝土強(qiáng)度的長期發(fā)展變化趨勢是一個值得我們認(rèn)真分析與思考的重要問題。如果溯源的問題不能在技術(shù)層面上得到有效解決，類似的情況可能還會重復(fù)發(fā)生，技術(shù)進(jìn)步也就無從談起。隨著時間的推移，混凝土

4、強(qiáng)度是在不斷增長的，即使后期強(qiáng)度會有所降低，也能保證混凝土有百年的使用壽命，這一認(rèn)知最初來自于日本北海道小樽港持續(xù)百年的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是當(dāng)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?yàn)闆]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(shí)施混凝土長期強(qiáng)度發(fā)展變化趨勢試驗(yàn)，并持續(xù)至今，獲取上百年的對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)。日本北海道小樽港在1899年建設(shè)初期，為了獲取混凝土在自然環(huán)境中的強(qiáng)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(jìn)行時間跨度長達(dá)百年的強(qiáng)度發(fā)展對比試驗(yàn)。有關(guān)文獻(xiàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在淡水、海水和自然環(huán)境條件下，混凝土強(qiáng)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(qiáng)度達(dá)到最高值，較原來28d強(qiáng)度提高約100%，之后，強(qiáng)度從最高點(diǎn)開始逐年下降，存放至95年，強(qiáng)度從最高點(diǎn)下降約40%，但仍高于原來28d強(qiáng)度20%。由此可見，混凝土在自然環(huán)境中的使用壽命達(dá)百年以上已被小樽港的試驗(yàn)所證明，因此這一結(jié)論也就被大家所普遍接受和認(rèn)同。但是，這一結(jié)論的成立有一個前提是不能被忽視的-受早期生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)技術(shù)的限制，水泥顆粒粒徑相對較粗，同時其水化反應(yīng)速度相對緩慢，這與當(dāng)今水泥工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品是存在明顯差異的。當(dāng)前，隨著社會需求的不斷增加和水泥生產(chǎn)工藝技術(shù)的不斷完善提高，雖然水泥生產(chǎn)成本越來越低、產(chǎn)量越來越

6、大、強(qiáng)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(shí)，也是為了滿足高強(qiáng)度高效益水泥生產(chǎn)需求而必然選擇的發(fā)展路徑之一。正是因?yàn)檫@一細(xì)小化的差異，導(dǎo)致混凝土28d后的強(qiáng)度發(fā)展趨勢，發(fā)生了根本性的變化。百年前試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)對水泥（礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)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(jìn)行對比，日本港灣與空港技術(shù)研究所也進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。有關(guān)文獻(xiàn)的試驗(yàn)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(qiáng)度達(dá)到最高，比28d強(qiáng)度增長約40%，然后逐年下降，至10年甚至低于原來28d強(qiáng)度。另外，日本水泥株式會社從上世紀(jì)50年代開始也進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，有關(guān)文獻(xiàn)的試驗(yàn)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(qiáng)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(jìn)行長期水養(yǎng)護(hù)。強(qiáng)度對比試驗(yàn)結(jié)果表明，采用普通硅酸鹽水泥制成的砂漿試件，強(qiáng)度最高值集中出現(xiàn)在13年之間，較原來28d強(qiáng)度增長約30%，而采用超早強(qiáng)水泥制成的砂漿試件，強(qiáng)度最高值集中出現(xiàn)在0.

8、51年之間，較原來28d強(qiáng)度增長約10%，且兩者強(qiáng)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(yàn)數(shù)據(jù)及相對應(yīng)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(qiáng)度發(fā)展變化趨勢起著決定性作用，水泥顆粒粒徑越大，強(qiáng)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(qiáng)度長期發(fā)展有利，如恒溫保濕、無有害介質(zhì)侵蝕條件下，混凝土強(qiáng)度值將在高位長期保持不變，否則，強(qiáng)度值將會從到達(dá)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(yīng)速度分析可知：水泥四大礦物組成中占比最多且水化反應(yīng)速度相對緩慢的硅酸三鈣，28d的水化反應(yīng)深度為10m。據(jù)此

9、可以判斷，當(dāng)球形顆粒粒徑為30m時，28d的水化反應(yīng)已完成95%以上，28d后的水化反應(yīng)已沒有多少持續(xù)發(fā)展的空間。當(dāng)顆粒粒徑大于30m時，顆粒粒徑越大，28d未參與水化反應(yīng)的部分占比將會越多，28d后繼續(xù)進(jìn)行水化反應(yīng)的時間也將會越長，所以，強(qiáng)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(chǎn)的水泥比表面積大多在360400m2/kg之間，相應(yīng)的水泥顆粒粒徑大多數(shù)都在30m以下，如對應(yīng)日本水泥標(biāo)準(zhǔn)，已屬早強(qiáng)水泥的范圍。這些雖然有利于提高混凝土早期強(qiáng)度，但在自然環(huán)境中，混凝土強(qiáng)度

10、的發(fā)展變化趨勢，將會由短期的上升很快轉(zhuǎn)為逐年下降。國內(nèi)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(guān)鍵的時間節(jié)點(diǎn)之后,也就不足為奇，這與日本港灣與空港技術(shù)研究所得出的試驗(yàn)結(jié)論,在時間點(diǎn)上是基本吻合的。正是因?yàn)槟壳捌髽I(yè)生產(chǎn)的水泥顆粒粒徑過細(xì)，28d水化反應(yīng)已基本完成，導(dǎo)致當(dāng)今水泥與日本小樽港建設(shè)用水泥的最大差異，就是在滿足28d強(qiáng)度要求的前提下，將早期水泥所隱含的巨大強(qiáng)度儲備提前予以透支。而這部分被提前透支的強(qiáng)度儲備，正是為了增強(qiáng)混凝土抵御各種有害介質(zhì)侵蝕而導(dǎo)致強(qiáng)度不斷降低的能力，并為混凝土自我修復(fù)和自我完善提供強(qiáng)有力支撐和保障的。這個強(qiáng)度儲備一旦缺失，對結(jié)構(gòu)耐久性是極為不利的。因此

11、，水泥顆粒的細(xì)化是導(dǎo)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(xì)度來提高水泥強(qiáng)度的手段視為“偽劣技術(shù)”的根源所在。綜上所述，混凝土強(qiáng)度長期發(fā)展變化趨勢影響因素主要取決于水泥細(xì)度和環(huán)境條件兩個方面，前者決定混凝土強(qiáng)度儲備的大小，即28d后強(qiáng)度增長的幅度與高度，后者決定混凝土強(qiáng)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(qiáng)度得到持續(xù)發(fā)展。二、與混凝土強(qiáng)度相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)間的協(xié)調(diào)關(guān)系與混凝土強(qiáng)度相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)有材料標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)規(guī)范、施工驗(yàn)收規(guī)范、評定標(biāo)準(zhǔn)和檢測技術(shù)規(guī)程等，這些規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)之間應(yīng)相互協(xié)調(diào)一致。首先，規(guī)范對混凝土結(jié)構(gòu)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(qiáng)度等級、最大水膠比、最小膠凝材料用量、保護(hù)層厚度等，因此確保混凝土強(qiáng)度在使用年限內(nèi)不降低至其設(shè)計(jì)值以下是非常重要的。但目前規(guī)范里缺乏必備的相應(yīng)條款，而現(xiàn)行水泥標(biāo)準(zhǔn)對混凝土長期強(qiáng)度的發(fā)展尚不能提供足夠的信任和保障，這是規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)間的盲區(qū)。對于那些沒有采取任何防護(hù)措施的露天結(jié)構(gòu)混凝土，強(qiáng)度的自然下降而引發(fā)質(zhì)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(biāo)養(yǎng)試件強(qiáng)度、同條件試件強(qiáng)度和實(shí)際結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度三者之間是存在明顯差異的。GB50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范有關(guān)混凝土強(qiáng)度的計(jì)算取值就是建立在實(shí)際結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與標(biāo)養(yǎng)試件強(qiáng)度之間存在0.88換算系數(shù)基礎(chǔ)

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(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范規(guī)定，如采用同條件試件強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)收，其與標(biāo)養(yǎng)試件強(qiáng)度之間按0.909進(jìn)行換算。由此可見，3個強(qiáng)度之間的關(guān)系是：實(shí)際結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度同條件試件強(qiáng)度標(biāo)養(yǎng)試件強(qiáng)度。在使用時，注意需要進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)JGJ/T384-2016鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程認(rèn)為不存在這一差異，不需進(jìn)行換算，否定了GB50010-2010和GB50204-2002里明確過的換算關(guān)系，由此導(dǎo)致按J

14、GJ/T384-2016評定標(biāo)準(zhǔn)比按GB50010-2010和GB50204-2002評定強(qiáng)度高13.6%，使同行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)間的協(xié)調(diào)關(guān)系被打破，其檢測數(shù)據(jù)的可信度不可避免受到質(zhì)疑。另外，同樣是鉆心法行業(yè)技術(shù)規(guī)程，原JTJ/T272-99港口工程混凝土非破損檢測技術(shù)規(guī)程，在明確實(shí)際結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與標(biāo)養(yǎng)試件強(qiáng)度存在明顯差異的前提下，依混凝土強(qiáng)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(qiáng)度換算要求是相互協(xié)調(diào)的。但是，港口工程混凝土非破損檢測技術(shù)規(guī)程的最新替代標(biāo)準(zhǔn)JTS239-2015水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)體檢測技術(shù)規(guī)程卻取消了

15、該換算系數(shù)條款，使原本與國家標(biāo)準(zhǔn)相互協(xié)調(diào)的關(guān)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(shù)規(guī)程對實(shí)際結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)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(diǎn)。第三，鑒于當(dāng)前水泥過細(xì)而影響混凝土長期強(qiáng)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(yīng)防護(hù)措施的露天結(jié)構(gòu)，水泥混凝土長期強(qiáng)度會自然下降，一旦發(fā)生質(zhì)量問題再采用JGJ/T384-2016鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程進(jìn)行判定的話，使用單位承擔(dān)不該承擔(dān)的責(zé)任也就成為可能。更為嚴(yán)重的問題是，真正原因卻被不協(xié)調(diào)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)所掩蓋，無法起到有效的警示作用，影響混凝土技術(shù)的科學(xué)發(fā)

16、展。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是國家標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充和完善，其技術(shù)要求通常是要嚴(yán)于國家標(biāo)準(zhǔn)的，適用于項(xiàng)目建設(shè)過程的質(zhì)量管控，但若把JGJ/T384-2016行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作為質(zhì)量事故處理最終評判的法律依據(jù)，其公平性是值得進(jìn)一步商榷的。三、啟示與建議上述談及的兩大問題是相互關(guān)聯(lián)的，在混凝土強(qiáng)度問題上，不能機(jī)械地使用標(biāo)準(zhǔn)中的最低要求，在嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的同時，要特別注重水泥的差異化研究及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)間的協(xié)調(diào)應(yīng)用。控制水泥細(xì)度，針對具體工程所處的環(huán)境特點(diǎn)采取相應(yīng)應(yīng)對措施，防止和避免混凝土在其使用年限內(nèi)強(qiáng)度不能得到持續(xù)保障，導(dǎo)致工程質(zhì)量事故的發(fā)生，帶來安全風(fēng)險。結(jié)合我國混凝土強(qiáng)度相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀，建議各方共同努力解決規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)間不協(xié)調(diào)問題：1.應(yīng)加強(qiáng)混凝土技術(shù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)間頂層設(shè)計(jì)的組織領(lǐng)導(dǎo)，確保相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)在重大原則問題上相互統(tǒng)一、相互協(xié)調(diào)，防止和避免規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)間各行其是而影響到混凝土技術(shù)的科學(xué)發(fā)展。2.可參照國外相對保守的水泥標(biāo)準(zhǔn)，將普通硅酸鹽水泥的比表面積控制在250330m2/kg之間，確?；炷翉?qiáng)度在28d后