摘要: 介绍了近年来的国际国内混凝土技术标准在提高混凝土性能上取得的进展, 认为要提高我国混凝土行业的整体水准, 关键在于完善混凝土结构的标准规范体系, 应该编制比较完整的混凝土性能与技术条件的国家标准, 指导混凝土能以具有工程所需的性能作为目标进行生产与施工, 推广应用目标混凝土( 或性能化混凝土) 。
关键词: 混凝土; 技术标准; 性能; 目标混凝土; 性能化混凝土
中图分类号: TU528.01 文献标志码: A 文章编号: 1002- 3550( 2008) 02- 0001- 08
1 混凝土的性能与《技术要求》
作为术语用的“性能”一词, 通常指某一材料或物件的性质或特性, 所对应的英语是properties, 如硬化混凝土的强度、渗透性, 新拌混凝土的工作性等。但“性能”一词还有功能的释义, 指的是材料或物件的性质能够满足设计要求或使用功能要求的程度与能力, 所对应的英语则是performance。近年来, 高性能混凝土( high-performance concrete) 、性能化设计( performance-baseddesign) 等词汇在工程领域盛行, 这里的“性能”均由performance翻译而来。
高性能混凝土, 意为这种混凝土的主要特性切合工程应用对象所需; 性能化设计, 意为这种设计是以工程的功能所需为基础, 是一种“量体裁衣”式的设计。“高性能混凝土”一词是继现代高强混凝土于20 世纪70 年代初开始推广应用于高层建筑以后才提出来的, 为满足现代基础设施工程向大跨、超高、重载方向发展和抵抗恶劣环境条件的需要, 混凝土的性能不仅需要高强,而且还需良好的耐久性和工作性, 所以法国最早提出高性能混凝土的概念时, 是将兼具这些优良性能的低水胶比混凝土称为高性能混凝土以区别于高强混凝土。20 世纪80 年代初, 日本东京大学岗村甫研究组为应对国内年轻一代不愿从事混凝土施工繁重体力劳动而导致劳工匮乏, 同时也为改善混凝土密实性和均匀性以提高其耐久性, 研究开发了免振的流态混凝土, 其特性确实适应日本社会和工程所需, 称之为高性能混凝土也是合适的。近年来随着可持续发展理念深入人心, 愈来愈多的人认识到混凝土的耐久性对工程来说要比强度更为重要, 因此到现在, 大家多认为高性能混凝土应是一种以耐久性为基本要求的匀质混凝土, 而且良好的耐久性通常都会伴随一定强度与良好工作性。在加拿大, 开发了一种用于回填废弃采矿巷井的混凝土, 虽然硬化后的强度仅1MPa, 不过已足以防止洞室塌陷, 其特点是具有管道输送的工作性, 解决了巷井回填技术上的主要困难, 他们称这种超低强的混凝土为高性能混凝土也并无不可。
总之, 凡性能切合工程所需的混凝土都可称为高性能混凝土;混凝土是人造材料, 所以高性能混凝土是以所需性能作为目标生产出来的。所有工程的混凝土并非都需高强, 因而高性能混凝土也不必都有很高的强度。所以高性能混凝土不可能成为混凝土的一个单独品种, 如果脱离它的应用对象需求去定义其强度、耐久性、工作性的量化指标, 就背离了高性能混凝土的基本理念。作为人造材料, 混凝土的生产供应, 理应服务于不同工程对象的不同需求, 只有这样才能做到物尽其用, 取得最大工程效益和社会、经济效益。在国际标准ISO 1568—1《建筑物和建筑部件使用寿命设计的一般原则》中, 对术语“性能( performance) ”的定义是“关键性质的质量水准( qualitative level of a critical property) ”,意为性能( performance) 就是以符合工程所需程度作为质量水准的关键特性( property) 。性能化设计、高性能混凝土这样的字眼现在似乎已成时髦用语, 大家都承认, 这些都是工程结构设计和混凝土的发展方向。推广应用高性能混凝土技术在我国也有多年,但什么是高性能的本质, 在工程界和建设行政主管部门内, 甚至包括新近颁布的CECS 207: 2006 《高性能混凝土应用技术规程》, 未必都有清晰的一致认识。
从总体看, 我国各地提供的预拌混凝土至今仍只按照强度和坍落度这两个性能指标生产, 在混凝土原材料选择、新拌混凝土施工和混凝土质量验收上多不考虑由于工程应用对象的用途不同和所处环境条件不同、混凝土结构的构造方法不同、施工的气候环境与工法不同, 还必须具有更多的技术性能要求, 才能切合工程具体需要, 才有资格称为高性能混凝土。这是我国混凝土行业的技术和管理水平在总体上远远落后于发达国家的最主要标志。不管国内各部门已经对高性能混凝土的研究与应用颁发了大量“国际先进”乃至“国际领先”奖状, 似乎也难以撼动这种落后的现实。
为改变这一现状, 我们要首先完善混凝土的技术标准。有人以为, 混凝土的生产和施工, 只要满足国家颁布的原材料标准、混凝土配合比规范、结构施工和结构设计规范, 就必然会是合格的结构混凝土; 往往我们的结构工程师也以为, 混凝土材料与混凝土结构的施工质量, 已经有了相应的标准规范, 所以在结构设计中可以放手不管。可是这些理解绝对有误。当然, 我们也不能反过来说, 认为国家的技术标准规范可以完全不加遵守。问题主要在于我们的规范标准还不够完善, 以及人们对于技术标准规范的作用与地位存在认识上的误区[1]。本来, 技术规范所规定的要求, 包括用黑体字印刷的所谓强制性条文, 主要是一般情况下的最低要求, 一个工程理应根据自身的特点来确定是否还需要采取更高要求和规范未能提及的其他要求。
事实上, 符合混凝土原材料国家标准的水泥、砂石和矿物掺和料, 不一定就是某一混凝土结构所需的合格原材料。比如含有较多粉煤灰混合料的普通硅酸盐水泥, 尽管混合料用量仍在国家现行标准规定的允许限值( 占水泥总重的20%) 以内可视为合格产品, 但如果用于水胶比偏大、钢筋的混凝土保护层厚度较薄而又处于潮湿大气环境中的混凝土构件时, 就有可能因这种水泥混凝土的快速碳化而引起钢筋过早锈蚀, 成为不合格的原材料, 如果在这种情况下还要在配制时再外掺较多粉煤灰, 更有可能铸成大错; 再如有的普通硅酸盐水泥含有较多石灰石粉混合料, 也就不能用于严重冻融或氯盐环境下可能受湿的混凝土构件。自从GB 50204—2001《混凝土结构工程施工质量验收规范》颁布并同时废止GB 50204—1994 《混凝土结构工程施工及验收规范》以来, 在工民建混凝土结构工程领域中, 已再无一本有效标准来规范混凝土粗骨料的最大公称粒径要求, 以致搅拌站能够供应的混凝土, 所采用的粗骨料最大粒径更加趋向于划一不变, 通常为25 mm 甚至更大, 远超过普通楼板和一般梁柱最外侧钢筋的保护层厚度, 成为混凝土构件早期开裂的主要诱因之一[2]。即使在过去的GB50204—1994 和适用于桥梁结构施工的交通部现行部标中,也只有粗骨料最大粒径不能超过钢筋间距的3/4 和构件厚度1/4的规定, 并没有与保护层厚度建立联系, 而且根本不考虑粗骨料的最大粒径还需要与结构所受环境作用的严重程度而变, 比如在严重的氯盐环境侵蚀下, 粗骨料最大粒径不能大于保护层厚度的1/2, 否则将严重损害结构的耐久性。
以上所举的都是当前混凝土质量问题中的通病, 类似案例不胜枚举。可是在工程界内, 由于这些问题多不违反现行规范标准的规定而习以为常, 更何况一些技术规范的某些规定本身就有缺陷, 甚至有误而又不及时更正。凡此种种, 凸现了我国混凝土技术规范落后与缺失的一面, 并已成为混凝土工程质量长期不能根本改善的重要原因之一。
每个工程设计对象都有其自身的特点, 而为之服务的结构材料和原材料标准以及结构的设计、施工标准, 所能考虑的主要是这些工程对象的共性和一般情况下的一般需求。所以在混凝土定货前, 作为工程业主或承建商代表的结构设计人, 必须结合工程具体要求并联合施工方, 必要时还需邀请材料工程师, 负责提出所需混凝土的性能和其他要求的书面文件, 即《混凝土技术要求》交给混凝土生产方和施工方。重要工程和并非一般工程的混凝土结构, 应该在工程招标文件中列入《混凝土技术要求》这样的项目文件, 不能一概引用或照搬国家与行业的现行标准。这样做在我国尤为必要, 因为现有的混凝土结构技术标准体系尚欠完善, 标准本身设置的最低质量水准也偏低, 除了一般环境下受轻微环境作用的普通房屋混凝土结构以外, 如果只是按照我国现行标准去设计施工, 是不可能达到我国《建筑法》规定的“必须确保”建筑物主体结构在其设计使用年限内的质量要求的[3], 会沦为次品甚至劣品。
本文主要介绍欧洲和北美近年颁布的混凝土技术标准为完善混凝土的性能和技术要求所取得的进展, 以及国内的混凝土工程界为弥补我国标准在这方面的缺失而开展的一些工作,期望能与业内人士共同探讨并恳请批评指正。
2 我国混凝土结构技术标准体系的主要问题
与混凝土有关的国内现行技术标准和规范已有数十种, 与一些发达国家相比虽然不能算多但也为数不少, 可是在混凝土的原材料标准、混凝土材料规范、结构施工规范和结构设计规范之间泾渭分明、各行其是、缺乏联系。在标准规范的管理中,原则上要求结构设计规范的条文里不能有施工技术和施工质量验收要求, 也不能有混凝土及其原材料在品种、质量和用量上的选择要求, 这种做法未免有本末倒置之嫌, 而且还造成了我国的混凝土结构设计、施工人员与混凝土材料及原材料人员之间相互割裂和互不了解的严重局面。在编制各自专业的标准和规范时, 很少邀请其他各方人员参与。在现行的混凝土原材料标准中, 过多着眼本行业的利益, 较少考虑它的终端应用对象混凝土和混凝土结构与制品所需。在混凝土材料的技术标准中, 所考虑的混凝土性能要求也远远不能满足工程所需。
国内的水泥生产一味简单地通过磨细和增加熟料中高强矿物组分追求高强, 以致国内的水泥几乎都变成早强水泥, 严重损伤一些混凝土结构或产品的耐久性并加剧其开裂倾向; 水泥标准允许普通硅酸盐水泥中加入大量混合料以提高水泥产量, 又不限制厂家以商业秘密为由向用户隐瞒这些混合料到底是煤矸石粉、石灰石粉或建筑垃圾, 而使用这样的水泥就很难配制出性能切合工程所需的混凝土。由于水泥标准中对于产品的均匀性缺乏足够重视, 已构成混凝土质量稳定性差的主要原因之一。据说现在的水泥产品中还有掺杂工业盐来提高水泥强度的, 但愿不是事实, 不过也从一个侧面反映出我们的质量检验标准不够严密, 在水泥与混凝土生产与交货的众多验收环节中, 缺乏氯离子含量的强制检测要求, 以致这种可能导致灾难性后果的重大问题难以确认其是否存在。至于骨料标准, 在服务于混凝土结构的需要方面也好不了多少; 值得一提的是修订后的现行骨料标准, 不顾我国本是公制计量的国家和混凝土工程界反对, 居然会将骨料的公称粒径从公制改成英制以利于出口, 不仅给结构设__计施工带来麻烦, 而且造成原有筛子大量浪费。
实际上, 从混凝土原材料到混凝土结构设计施工的标准体系中, 相互的条文内容是不可能绝然划分的, 有些必须相容, 这对混凝土结构的耐久性设计来说尤其需要。结构的耐久性, 从其定义来说就不同于材料的耐久性。混凝土结构的耐久性本身就与设计确定的使用寿命和设计规定的维修( maintenance) 要求有关; 所谓维修, 按照ISO 标准的定义包括日常维护、小修和大修( 含更换) ; 一般环境条件下的结构耐久性质量在其设计使用寿命内是规定不需要大修的, 但受到严重环境作用侵蚀的桥梁和工业厂房则不一定, 如果需要大修则应在设计文件中明确提出预计的大修期限。结构中的混凝土材料耐久性在极大程度上取决于施工养护制度, 在fib 的模式规范《混凝土结构使用寿命设计》中, 确定结构使用寿命( 结构达到耐久性极限状态的年限) 的函数表达式内就含有“施工养护系数”, 不同养护天数导致的寿命差别最大可相差4 倍。如果按照我们过去的框框, 在结构设计规范中不能提出施工、维修等要求, 就无法进行可靠的结构耐久性设计。其实, 现行结构设计规范中的混凝土材料强度和弹性模量等数据也没有放在混凝土材料规范内, 在其设计基本规定一章内的环境类别也并未移到荷载规范中去; 所以规范的编写还是应该从实际需要和有利于技术人员使用出发。
这些僵硬的框框多少显露了以往计划体制遗留的痕迹。唐明述先生就曾建议[4]将水泥和矿料等胶凝材料的技术标准过渡到混凝土技术标准, 他还引述著名混凝土专家Neville的建议, 用“Designed concrete”一词来替代易生歧义的“Highperformanceconcrete”, 并将前者贴切地译成“目标混凝土”。
在英国的混凝土结构设计规范BS 8100—1: 1997《混凝土的结构应用- 1, 混凝土结构设计与施工规范》中, 就将结构施工和对混凝土材料的技术要求都与结构设计合在一起作为一个整体编排, 这样做并不排斥针对混凝土材料的制造生产和混凝土结构施工另编相对独立的更加专业和详细的标准规范, 比如英国标准中就另有一套共4 部的标准BS 5328: 1997 与BS 8100 配合, 详细对混凝土技术要求的制定方法、混凝土原材料质量要求、混凝土生产运输以及混凝土的合格性验收作出规定。美国ACI 318 混凝土结构设计规范也包含了结构工程师在其设计中必须考虑的有关混凝土原材料和混凝土施工及质量验收的内容。这些都是著名的国际通用标准, 从效果看, 这种做法显然要比我们那样的截然分清好得多, 有利于设计人员了解本该具备的相关专业知识, 保证工程设计质量。
在我国混凝土结构的标准规范体系中, 缺失了一本非常重要的规范或标准, 那就是能够着眼于混凝土终端服务对象混凝土结构的需要, 以工程所需为出发点或目标, 用来指导: 1) 混凝土的使用者( 主要是工程设计人) 应该如何根据设计对象本身的需要来制定上面提到过的《混凝土技术要求》文件; 2) 混凝土供应商应该如何选择合格的原材料与工艺并生产供应合乎工程需要的新拌混凝土; 3) 施工企业应该如何对新拌混凝土来料进行合格性检验并采取适当的浇筑、养护等施工工艺, 以确保结构竣工后的混凝土能够最终切合结构工程所需。预拌混凝土的出现将传统的混凝土生产与施工的一体化分割成独立的双方, 这本规范的另一个作用, 就是要明确界定混凝土工程的设计、施工与生产各方在混凝土质量保证上的各自职责, 此外又能起到混凝土结构与混凝土原材料之间的桥梁作用。水泥等原材料标准的编制原本应在这一规范的指引下进行, 以达到原材料的质量要求能够紧密服务于工程需要的目的。
这份缺失的规范可名为“混凝土技术标准”( Specification for concrete materials) 或“ 结构混凝土的性能与技术要求”( Performance and specification of concrete for structural use) , 类似于欧盟混凝土结构标准体系( 图1) 中的EN 206—1: 2000《混凝土技术要求、性能、生产与合格性》( Specification, performance,production and conformity) , 或加拿大标准CSA A23.1—04《混凝土材料与混凝土施工方法》中有关混凝土材料的部分, 或英国标准BS 5328《混凝土》( 现已为BS 8500: 2002 替换》。
3 混凝土的性能要求与环境作用级别
我们应该根据混凝土结构的不同设计使用寿命、不同荷载作用与环境作用、不同施工条件以及用户提出的其他功能需要, 提出结构中的混凝土在荷载作用下鉴于承载力所需的强度等力学性能要求, 结构所处局部环境作用下引起结构性能逐渐退化的耐久性要求, 结构施工对新拌混凝土的均匀性与工作性要求以及其他诸如混凝土的体积稳定性、外观色泽等要求。在这些需要中, 荷载作用下的混凝土力学性能( 主要是强度) 最为简单, 已能通过定量计算准确给出所需的混凝土强度等级并已建立了有效的质量控制和验收制度。新拌混凝土的工作性也能简单地通过坍落度或扩展度的量化表达满足多数工程施工所需。最为复杂且难以准确表达的是混凝土材料的耐久性, 后者很难用一二个量化指标加以描述, 而且不同环境类别和不同环境条件下的混凝土耐久性往往需要选用不同的混凝土原材料。
迄今为止, 结构耐久性的定量计算尚未成熟到可以纳入正规的结构设计规范, 对于结构的耐久性设计还只能采用定性的经验设计方法, 通常用混凝土最低强度等级、混凝土最大水胶比并要求选用的混凝土原材料( 品种、用量和质量) 只能在限定的范围内, 来综合体现不同设计使用寿命和不同环境级别( 环境类别及其作用等级) 下的混凝土耐久性要求。
所以, 结构混凝土所需的强度等级一定要兼顾构件承载力和耐久性的双重需要, 而且必须了解, 现在的混凝土由于水泥的早强和颗粒更细以及施工养护过程越来越短, 其耐久性已远远不如过去几十年前同样强度的混凝土。现在, 除了高层建筑低层柱和预应力结构那样需要承受较高压应力的构件外, 结构混凝土的强度等级对于绝大多数的配筋构件而言, 应该都是耐久性需要决定的而并非取决于承载力的需要。所以, 除少数情况外, 设计人员在进行结构承载力设计计算时, 所取用的混凝土材料强度应是耐久性所需的更高强度, 并有可能因此而减少构件或钢筋的截面积。
一般来说, 水胶比越小, 混凝土密实性增加, 加强了抵抗环境作用因素( 水分、氧气、二氧化碳和氯盐、氯盐等) 的侵入能力, 提高了混凝土材料的耐久性。强度高的混凝土, 配制时通常需要较低水胶比, 而且抗冻、抗硫酸盐腐蚀能力与强度有直接关系。但是强度、水胶比与耐久性之间的相关性并不总是这样,比如同一低水胶比的纯硅酸盐水泥混凝土, 其强度等级要比大掺量粉煤灰混凝土高得多, 但抗氯盐侵蚀的能力却远不如后者。高压蒸养的低水胶比混凝土, 如果温控不当, 可使混凝土内部的微细孔隙连通, 这时的混凝土强度等级仍能达到90 MPa甚至更高, 抗水渗透能力也非常好, 可是抗冻融和抗氯离子的能力有可能降到与低强混凝土相近的程度。即使混凝土的强度、水胶比和原材料完全相同, 只是骨料的最大公称粒径有别,由于混凝土骨料与硬化浆体之间的界面往往形成有害物质侵入到钢筋表面的薄弱通道, 所以在严重环境作用下, 需要在混凝土的性能要求中对骨料最大粒径与保护层厚度的比值提出限制。因此, 混凝土的耐久性在结构的经验设计方法中, 需用强度等级、水胶比和限定范围的原材料这三者综合起来表达, 必须同时得到满足。
混凝土材料在特定类别环境作用下的耐久性, 在结构设计中有时也用某种单一的耐久性参数表示, 如氯盐环境下的氯离子在混凝土中的扩散系数, 冻融环境下的混凝土抗冻等级、抗冻耐久性指数DF 值或混凝土含气量及气泡间距系数, 大气环境中的混凝土碳化系数, 硫酸盐环境下的混凝土腐蚀系数等。但是这些按照混凝土材料标准试验方法得出的参数量化指标,由于采用的都是快速试验, 所模拟的环境作用程度往往过于严酷而脱离工程实际, 设计人员如果直接拿过来作为工程设计或工程判断的依据, 有时会被误导甚至得出错误结论。例如用标准养护的28 d 标准龄期混凝土试件进行快速的氯离子扩散系数或硫酸盐腐蚀试验, 得出的结论肯定是低水胶比大掺粉煤灰混凝土的耐久性要低于相同水胶比的纯硅酸盐水泥混凝土, 原因是大掺量矿料混凝土的水化速度很慢, 在28 d 标准龄期时远未成熟, 难以承受超高浓度的盐溶液侵蚀, 但在工程中的实际表现情况却相反。在混凝土结构设计规范和结构设计文件中,也必须提出所需的混凝土施工养护制度, 而且还需考虑混凝土构件施工后开始暴露于环境作用的时间, 需要对过早接触海水或者冰冻的混凝土龄期提出限制。混凝土构件硬化后立即接触大气中的二氧化碳很难避免, 所以用混凝土耐久性的标准试验方法所测得的碳化性能, 由于开始试验时的标准试件龄期已有28 d, 给出的结果就会过高估计粉煤灰含量较大且水胶比又偏高的混凝土护筋能力。
现行混凝土结构标准体系中的主要不足之一, 就是对环境作用下混凝土耐久性的漠视, 所关心的多是结构承载力所需的强度性能。环境作用现在还不能象荷载作用一样可以准确地用具体量值表示, 所以在结构耐久性设计的经验方法中, 通常都是定性地用若干等级来表示环境作用的严重程度。以往的国内外规范在环境作用等级中都没有区分不同种类的环境作用有着不同腐蚀机理,不能很好反映对原材料选用的不同需要。近10 年来, 在新的欧盟标准EN206—1 与加拿大标准CSAA23.1 中, 已分别将环境种类及其作用等级分成6 类共18 个级别和6 类15 个级别。
国内新编制的《混凝土结构耐久性设计规范( 报批稿) 》中,参考了欧盟标准EN 1992—1: 2004 即欧盟规范《Eurocode: 2 混凝土结构设计》内按照EN 206—1 规定的环境级别划分方法,在中国土木工程学会标准CCES 01—2004( 2005 年修订版)《混凝土结构设计与施工指南》的基础上, 提出了表1 所示的环境种类与表2 的环境作用等级。在每一级别下根据结构的不同设计使用寿命, 分别规定混凝土所需的最低强度等级、最大水胶比和原材料选择范围在品种、质量和用量上的限制以及对混凝土施工养护的不同要求。当结构处于多类环境同时作用时, 混凝土的耐久性应能满足其中每一环境单独作用下的要求。表3、
4 分别为一般环境下对应于不同环境环境条件时的环境作用级
别与相应的混凝土强度等级、最大水胶比和钢筋的保护层最小厚度要求。表5 为一般环境下对混凝土胶凝材料选用的的限定范围。同一结构中不同构件和同一构件中的不同部位, 由于可能处于不同的局部环境级别, 应分别考虑所需的不同保护层厚度; 即使是同一环境级别I- A, 处于干燥大气中和永久浸没与静水中的构件, 因为后者缺少氧气供给, 构件不宜锈蚀, 所以对混凝土胶凝材料的限制范围也不相同。
一般环境中的干湿交替环境条件最易引起钢筋的严重锈蚀,可是在我国现行标准GB 50010—2002《混凝土结构设计规范》所规定的环境类别中, 其环境等级仅列为”二a”, 与不宜锈蚀的水中缺氧环境同样对待, 给出梁柱主筋所需的保护层最小厚度为30 mm, 所以最先遭受锈蚀的外侧箍筋保护层最小厚度可能仅有15 mm, 甚至不到表3 规定的一半。这是干湿交替下的混凝土构件寿命之所以短促的主要原因。
不同环境类别对于胶凝材料需有不同的选择。例如严重冻融
注: 1、环境条件是指与混凝土表面接触的局部环境。
2、常年干燥、低湿度环境指年平均相对湿度低于60%, 中、高湿度环境指年平均相对湿度大于60%。
3、干湿交替指混凝土表面不断接触到液态水的环境条件, 如构件周围大气环境相对湿度长期维持在较高的水平, 其对配筋混凝土构件的作用程度可认为介于中度( I- C) 与轻度( I- B) 之间, 具体作用程度可根据当地既有工程的实际调查确定。
注: 1、I- A 环境中的使用年限低于100 年的板、墙, 如混凝土骨料最大公称粒径不大于15 mm, 保护层最小厚度可降为15 mm, 但最大水胶比不应大于0.55。
2、年平均气温大于20 ℃且年平均相对湿度大于75%的地区, 除I- A 环境等级的板、墙构件外, 混凝土最低强度应比表中规定提高一个强度等级( 5 N/mm2) , 或将保护层最小厚度增大5 mm。
3、直接接触土体浇筑的构件, 混凝土保护层厚度应不小于70 mm。
4、处于流动水中或同时受水中泥砂冲刷侵蚀的构件保护层厚度宜适当增加10~20 mm。
5、预制构件的保护层厚度可减少5 mm。
6、当胶凝材料中粉煤灰和矿渣等掺量小于20%时, 表中低于0.45 的水胶比可适当增加。
7、预应力筋的保护层厚度另行规定。
8、各类钢筋包括主筋、主筋、构造筋均应满足表中的保护层最小厚度。
9、大截面混凝土墩柱在加大钢筋保护层厚度的前提下, 其混凝土强度等级可低于表要求, 但降低幅度不应超过两个强度等级( 10 N/mm2) ,且对设计使用年限为100 年和50 年的构件, 强度等级应分别不低于C25 和C20。当采用的混凝土强度比表中规定的低一个等级时, 保护层厚度应增加5 mm; 低两个等级时, 保护层厚度应增加10 mm。
10、I- A、I- B 环境中的民用建筑室内混凝土构件, 可考虑建筑饰面对钢筋防锈的有利作用, 适当减小表中规定的保护层最小厚度, 但不应超过10 mm; 且任何情况下面形构件的最外侧钢筋保护层厚度不应小于10 mm; 条形构件最外侧钢筋的保护层厚度不应小于15 mm。I- C环境中频繁遭遇雨淋的室外构件, 可考虑防水饰面的保护作用, 适当减小表中规定的保护层最小厚度, 但不应小于I- B 等级的要求。环境作用下应限制粉煤灰掺量( 不大于20%) 与烧失量。严重氯盐环境作用下不应使用抗硫酸盐硅酸盐混凝土和纯硅酸盐水泥混凝土而应采用低水胶比的大掺量矿料混凝土。化学腐蚀环境作用下应使用低C3A 含量的水泥并掺加较大掺量的矿物掺和料。
4 合乎性能要求的混凝土生产途径
欧盟规范EN 206—1: 2000 规定了3 种不同的途径或方式, 供工程设计人或用户在制定《混凝土技术要求》时选择, 并据不同途径生产供货的新拌混凝土定名为:
( 1) 目标混凝土( Designed concrete) 。是由混凝土用户或买方根据工程特点和合法管理机构批准的“混凝土技术规范( 或标准) ”的规定, 负责提出工程所需的混凝土性能和其他技术条件, 混凝土的生产者或卖方则按用户提交的《混凝土技术要求》中载明的性能要求和规范标准中的相关规定, 负责选择所需的混凝土原材料、配合比与生产工艺, 提供合乎所需性能的混凝土。此时, 生产方应对提供的新拌混凝土性能承担责任, 但用户
注: 1、表中水泥品种符号: P·I—硅酸盐水泥, P·II—掺混合材料≯5%的硅酸盐水泥, P·O—掺混合材料不超过20%的普通硅酸盐水泥, P·S—矿渣硅酸盐水泥, P·F—粉煤灰硅酸盐水泥, P·P—火山灰质硅酸盐水泥, P·C—复合硅酸盐水泥, SR—抗硫酸盐硅酸盐水泥, HSR—高抗硫酸盐水泥。
2、矿物掺和料指配制混凝土时加入的具有胶凝作用的矿物掺和料( 粉煤灰、磨细矿渣、硅灰等) 与水泥生产时加入的具有胶凝作用的混合材料, 不包括石灰石粉等惰性矿物掺和料。但在计算混凝土配合比时, 要将惰性掺和料计入胶凝材料总量中。表中公式内的和分别表示粉煤灰和矿渣占胶凝材料总量的比值。当使用P·I、P·II 以外的掺有混合材料的硅酸盐类水泥时, 矿物掺和料中应计入水泥生产中已掺入的混和料, 在没有确切水泥组分的数据时不宜使用。也不能任意指定混凝土组成材料的选用、来源和配合比, 以明确各方责任。
( 2) 处方式混凝土( Prescribed concrete) 或称规定组成混凝土。是由混凝土用户根据工程特点和相关标准规范的规定, 直接在《混凝土技术要求》上向生产者提出混凝土原材料及其组成配合比, 混凝土的生产者则按用户提交的文件上所载明的原材料及其组成要求与相关标准规范的规定, 负责生产符合规定组成的混凝土。此时, 混凝土的性能应由用户自己单独承担责任, 在混凝土交货验收中不对性能指标进行合格性检验。
( 3) 标准处方混凝土( Standard prescribed concrete) 或称标准组成混凝土。是按混凝土工程所处地点的有效标准规范中列出的原材料标准处方进行生产, 混凝土用户仅需在提交生产者的《混凝土技术要求》文件上, 根据工程需要引用该有效标准上的标准处方混凝土的编号名称, 不过这类混凝土仅允许用于设计强度小于或等于C20 的普通素混凝土, 且混凝土所处环境应无腐蚀危险性或相当干燥或永久湿润。
英国在混凝土技术标准BS 5328 中, 除上述3 类混凝土外,还有定型混凝土( Designated concrete) 的途径可供选择。这种混凝土也可说以性能作为目标导向, 但由混凝土标准规范来规定,并按其不同用途赋以不同的标准型号; 这时,《混凝土技术要求》的制定者只需按照工程所处环境等级与工程用途, 就可从标准规范中选定所需混凝土的标准型号与相应的混凝土强度等级、坍落度级别、最大水胶比、最低水泥( 胶凝材料) 用量、可用的胶凝材料品种和骨料的碳酸盐含量等级以及骨料的抗冻级别等其他要求。标准型号混凝土的生产者必须具有被认可的生产控制与产品合格证书, 不需用户进行混凝土的同一性试验, 标准中规定的浇筑、捣固、养护等施工过程均建立在以往实践经验的基础上, 相对于目标混凝土《技术条件》的制定更为简单可靠, 在英国的一般房屋混凝土结构中被广泛选用。但是定型混凝土的标准型号不可能包含各种不同需要, 比如不适用氯盐环境下构件, 有特殊功能用途的工程、重要工程和大型工程, 采用新材料、新工艺的工程;标准型号所包含的混凝土强度等级不超过C50, 骨料的最大粒径固定为20 mm, 不像目标混凝土可以适应各种情况, 并有利于混凝土技术进步。英国作为欧盟成员, 为纳入欧盟规范的框架体系, 并按后者提出的环境作用分级方法, 已将原有的BS 5328 标准用现行标准BS 8500: 2002《混凝土- 对BS- EN 206—1 的英国补充标准》替代。在BS 8500 中除上述4 类途径的混凝土外, 又增添了专利混凝土( Proprietary concrete) 。BS 8500 规定的定型混凝土有配筋混凝土( RC) 用途、基础( FND) 用途、一般( GEN) 用途、道路( PAV) 用途共4 个系列; RC 系列有7 种编号, 强度从C25 到C50, 还给出了不同强度混凝土中钢筋所需的保护层最小厚度; FND 系列13 种, 用于基础, 强度等级均为C35, 可按基础遭受硫酸盐腐蚀所需的抗力等级选取; GEN 系列4 种, 用于房屋及类似工程中强度等级为C8 到C20 的素混凝土; PAV 系列2种。至于标准处方混凝土( ST 系列, 共5 种编号) , 形式上也属于定型混凝土一类, 只是混凝土原材料组分与配合比由标准规范来规定其处方并赋以不同编号, 所包含的强度等级仅C8 到C25, 只用于无化学腐蚀性土中的素混凝土基础与地面等有限场合, 适用小型工地现场自行配制, 如果由生产者供应不需具有合格认证, 标准处方混凝土中规定的配合比仍采用体积比, 不需复杂的计量, 适合简单用途。
在加拿大混凝土标准CSA A23.1 中, 从1994 年发布的第8 版起, 就引入了混凝土定货时以使用者提出混凝土所需“性能”来要求供应商生产的理念, 并称这类新拌混凝土为“性能化混凝土”( Performance concrete) , 相当于欧洲国家的目标混凝土。现行的混凝土标准第十版CSA A23.1—04 中, 为项目文件《混凝土技术要求》的制定者只规定了2 种不同途径供选择。鼓励采用性能混凝土的生产途径, 但考虑到混凝土的某些性能到现在还不能普遍用可测量的术语表达并能在适当时间内得到验证, 所以仍保留了由混凝土使用人根据工程的性能需求并规定混凝土原材料处方( 组成材料即配合比) 并提交供应商生产的处方式混凝土途径, 不过以往广为采用的传统处方途径( Common approach) , 即不管性能目标, 照搬规范规定的材料、数据、条条等处方途径, 在2004 年的新标准已被取消, 一个重要原因是按照传统处方途径, 混凝土设计方、施工方与生产方之间在混凝土质量问题上的责任一直模糊不清。
性能化混凝土的好处显而易见, 混凝土生产者和施工企业可以自主地充分利用他们的经验和资源设备来选用所需的混凝土原材料并进行新拌混凝土的生产与施工, 与混凝土质量有关的所有各方职责明确。这种混凝土的性能应该尽可能用可量测的术语表达, 并且在交货和工程竣工之时有具体的标准可对其性能进行测量与合格性验收。在性能混凝土的生产方式中, 作为业主代表的设计人的责任除确定混凝土性能指标与其他要求外, 还要落实质量保证制度, 审查混凝土供应商与混凝土施工企业提交的有关质量控制与质量保证的报告文件, 并确认性能指标及其他要求最终业已满足。施工企业的责任是参与并协助设计人确定新拌混凝土的性能指标与其他要求, 对混凝土原材料质量、组成及混凝土生产进行检查, 并对到货的新拌混凝土进行检验和合格验收, 采取适当的施工技术与组织管理, 保证硬化后的混凝土性能达到规定的性能要求。混凝土供应商的责任是选择混凝土原材料并负责实现混凝土在新拌塑性状态下的性能和硬化后的性能。上述有关各方在整个过程中要求紧密配合、相互合作、及时沟通。
从我国现状出发, 目前宜重点推广性能化混凝土和标准型号混凝土, 但后者宜由地方混凝土协会结合当地环境条件与原材料特点以及混凝土生产施工的地方经验, 在地方性规程中予以细化, 可用于一般环境下量大面广的普通民用房屋结构。混凝土是地方性很强的人造材料, 国家标准宜偏重原则性要求,必须有地方标准与之配合。
为弥补前面提到的我国混凝土结构标准体系中尚无《混凝土技术标准》或《混凝土技术性能与技术要求》规范的缺失, 中国混凝土与水泥制品协会等机构现已组织混凝土生产和混凝土材料与结构领域的专家, 草拟规范建议稿供行政管理部门审议。这份文件的主要内容包括: 混凝土使用环境级别, 混凝土性能要求与级别, 混凝土组成材料要求,《混凝土技术要求》文件的编写, 新拌混凝土交货与验收, 混凝土施工、混凝土合格性评定、混凝土使用和生产方的职责等。其中规定的混凝土使用环境类别与作用等级, 与《混凝土结构耐久性设计规范( 报批稿) 》中一致( 见本文表1、2) , 对混凝土原材料和混凝土性能的基本要求也拟在后者规定的基础上补充; 为使用方便, 并对混凝土的一些主要性能及有关要求如混凝土工作性、氯离子含量、碱含量和施工养护要求等也分别划分了级别。可是技术规范所能包含的主要内容不可能照顾到每一工程的所有特点和需要, 因此混凝土的性能和生产除了应该满足标准规范中的最低要求外, 还必须符合用户提出的针对工程项目本身需要的《混凝土技术要求》。这样的混凝土才是性能化混凝土, 也构成了它与只照规范条条框框生产的传统混凝土的重要差别。
从实际需要出发的性能化混凝土, 在具有充分论证和依据的前提下, 不可避免地会突破现行规范规定的某些限制。如果一切都不许雷越技术规范, 也许就不会再有技术进步。我们应该现在就开始准备, 为工程规范从现有的传统处方模式, 逐步向兼容性能化模式过渡创造条件。
5 《混凝土技术要求》的制定
《混凝土技术要求》作为工程设计人提交混凝土供货方与施工方生产所需混凝土的主要依据, 其中必须明确与混凝土性能相关的所有要求, 包括新拌混凝土交货后在施工现场输送、浇筑、振捣、养护或后续处理所需要的性能要求。在编制这一文件时, 应考虑: 混凝土长期使用的暴露环境条件; 混凝土结构的用途和重要性; 结构的尺度( 考虑水化热过程) ; 与钢筋保护层最小厚度或截面最小宽度相关的一些要求; 混凝土原材料选择的限制或专门要求; 养护条件; 新拌混凝土的施工环境( 大气温湿度、风力、日晒等) ; 特殊的施工工艺要求( 如缓凝、早强) ; 构件混凝土表面的色泽与抹面、饰面要求等。
工程设计人在《混凝土技术要求》中宜尽可能选择性能( 化) 混凝土的生产途径, 这时应由混凝土生产方负责进行初始试验或根据以往长期经验的积累, 确认所采用的混凝土组分能__够达到所需混凝土的要求后正式生产。如果是处方式混凝土,初始试验的责任方是技术条件的制订者。至于标准型号混凝土, 则责任在技术规程或标准的制定机构。
对于性能化混凝土, 除满足法定的混凝土技术规范中的最低要求外, 在技术要求中应提出: 混凝土结构的环境作用类别与作用等级; 混凝土强度等级与最大水胶比; 混凝土工作性级别; 骨料最大公称粒径; 氯离子含量与碱含量级别; 新拌混凝土入模温度限值等。根据工程的具体特点, 还可规定其他与性能有关的技术要求, 如特殊的水泥类型如低热水泥, 特殊的骨料类型和骨料的抗冻、抗硫酸盐及抗碱骨料反应性能, 混凝土绝热温升或胶凝材料水化放热过程, 混凝土缓凝要求, 混凝土含气量, 混凝土抗渗性、氯离子扩散系数、抗冻等级等耐久性参数, 混凝土强度发展,混凝土劈拉或弯拉强度, 混凝土变形模量, 混凝土耐磨性等。
对于处方式混凝土, 除满足法定的混凝土技术规范中的最低要求外, 在技术要求中应提出: 胶凝材料品种、水泥强度等级和水泥与胶凝材料用量, 混凝土水胶比、最大浆骨比与最大用水量, 混凝土工作性等级, 骨料种类和以及骨料最大公称粒径和级配, 外加剂品种和掺量, 最大氯离子含量限制, 新拌混凝土卸料温度等。必要时也可提出混凝土组分的来源要求。
新拌混凝土现场验收的必测项目一般应包括工作度、温度、均匀性、含气量和氯离子含量的现场快速测定, 其中的均匀性等某些项目可以是批量混凝土中的抽样测定。加拿大混凝土标准规定的均匀性测定方法是在交货的一车混凝土中, 按出料先后选取3 组试样, 测定每组新拌混凝土试样的密度、含气量和坍落度, 要求3 组试样中的最高值与最低值之差, 按表6 中的要求确定接受或拒收; 如果测试值介于接受或拒收之间, 则重复测试, 如仍有一项不能接受则拒收。
对于新拌混凝土的卸料最高温度, 也应视构件截面的厚度、施工时的大气温度和混凝土的水胶比等因素而定。
6 施工养护
良好的养护是提高混凝土结构耐久性最为经济和有效的途径, 也是控制混凝土施工早期裂缝的重要保证。养护不良会严重削弱表层混凝土的密实性和阻止外部有害物质侵入的能力, 可给混凝土结构的耐久性带来致命伤害并可成倍降低结构的使用寿命。耐久性所依靠的正是保护层那样的表层混凝土质量。相对来说, 养护不良对构件承载能力的的损害要小得多。而依靠常规的立方试件强度测试, 并不能说明表层混凝土的质量。
混凝土养护包括湿度和温度两个方面, 防止混凝土水分很快蒸发和干燥, 避免在混凝土内部发生较大的温度梯度与温度的剧烈变化, 同时在养护过程中和养护结束后的一段时间内还需要对混凝土进行保护如遮蔽阳光直射、挡风、防止淋雨和流水、防震等。除了泌水较多的高水胶比混凝土( 这种混凝土一般不能作为高耐久性混凝土使用) 外, 混凝土的养护一般应在浇筑入模振捣后立即开始, 不能象以往施工规范中所说的那样搁置若干小时才覆盖或加湿。施工承包商、混凝土供应商、工程业主代表方应对混凝土养护进行讨论并明确各方责任。
养护方法和养护期限应视施工环境下新拌混凝土表面的水分蒸发速率和混凝土水化的快慢程度而定, 也与长期使用下的环境作用严重程度和耐久性要求有关。加拿大标准CSAA23.1—04对混凝土施工养护提出三种不同要求: 第一种适用于一般大气环境和轻度冻融或轻度化学腐蚀环境下的普通混凝土( 如硅酸盐水泥混凝土和矿物掺合料掺量不大的混凝土) , 要求在≥10 ℃下养护至强度达到28 d 强度标准值的40%, 但不少于3 d; 第二种适用于轻度氯离子环境下的普通混凝土和各种环境下的大掺量矿物掺合料( 单掺粉煤灰大于30%, 单掺磨细矿渣大于35%) 混凝土, 要求在≥10 ℃下养护至强度达到28 d 强度标准值的70%, 且不少于7 d; 第三种适用于有高耐久性要求( 严重的环境作用和很长的使用年限) 的大掺量矿物掺和料混凝土,要求在≥10 ℃下加湿养护至少7 d, 加湿养护方式为蓄水、连续喷淋( 雾) 、连续覆盖湿润的编织物等。为降低低水胶比混凝土的早期自收缩, 必须采用早期加湿养护, 而喷涂养护剂、覆盖塑料膜等养护方法只能保湿而不是加湿。低水胶比混凝土养护应从浇筑入模开始, 连续不断地对暴露于空气中的混凝土表面喷雾( 包括用塑料膜临时覆盖前的阶段, 和最终抹面操作阶段) ,喷雾也有利于降温和散热。低水胶比大掺量矿料混凝土在养护结束后, 仍应覆盖混凝土表面或喷涂养护剂, 防止水分蒸发过快、吹风或表面温度发生激烈变化。
欧盟的混凝土结构施工标准( 草案) [5]规定, 除了无锈蚀危险和处于长期干燥或永久湿润环境中的混凝土构件可以养护不少于12 h 外, 其他环境下的混凝土构件均应至少养护到混凝土的抗压强度达到28 d 强度标准值的50%, 并给出所需养护天数, 后者根据养护时混凝土表面的空气温度与混凝土强度发展( 用2 d 强度与28 d 强度的比值表示, 数据由混凝土生产者提供) 确定。英国的混凝土结构设计标准BS 8100—1: 1997 则规定混凝土结构的最少养护天数与施工现场的气候环境条件( 大气相对湿度、温度、有无风和阳光直射) 、不同的胶凝材料和混凝土表面温度有关。为控制混凝土硬化前的塑性裂缝, 在美国混凝土学会标准ACI 224R—01 中[6], 给出了已被各国沿用已久的估计新拌混凝土表面蒸发量的Menzel/NRMCA 诺模图, 可根据施工时离混凝土表面上方约1.5 m 处的大气湿度、温度和混凝土本身温度及离混凝土表面上方约0.5 m 处的风速查得蒸发量( 应无阳光直射) , 后者对于水灰比较大的普通混凝土应控制在0.5 kg/( m2hr) 内, 但对低水胶比的大掺量矿料混凝土, 有可能需要低于0.25 kg/( m2hr) 才成。
7 小结
完善混凝土结构的标准规范体系, 编制新的混凝土技术标准, 从而逐步推广使用性能化混凝土, 这是提高我国混凝土行业技术水准的主要一环。但要根本改善工程质量, 还得继续完善国家的有关管理法规并建立有效的管理制度。
通过提高技术标准中的混凝土性能要求, 不但有利于工程质量和节约资源, 同时也有利于提高从业者的准入门槛, 淘汰落后企业, 维护业内正常竞争秩序。期望各地的混凝土协会能在地方标准的编制中发挥积极作用。
提高混凝土质量水准, 也需要相关标准配合。比如国内的混凝土定额标准, 如果象以往那样主要考虑原材料成本, 以致高强高性能混凝土的价格和一般混凝土相差无几, 且不提性能化混凝土对原材料质量的挑剔和严格的质量控制要求, 仅就混凝土生产所需的拌料搅拌时间和混凝土养护天数, 就可能要比普通混凝土翻1~2 番。如果定额中不考虑这些费用支出, 高性能混凝土只能停留在试验室里。
如果“边规划、边设计、边施工”的三边建设仍被“正常”化,如果恶性的低价中标竞争和盲目的施工进度追求仍不能逐步根治, 恐怕就不能过高期望混凝土的质量问题会有大的转变。不过, 完善技术标准毕竟是提高混凝土质量水准需要迈出的第一步, 我们总得力所能及地做起。
我国现行的混凝土结构标准体系, 从混凝土原材料标准到结构设计施工规范, 基本上都是传统的处方模式。以结构设计规范为例, 强调的是材料、尺寸、构造、算法、做法, 与古代的营造法式相比, 虽然有很大进步, 引进了许多新材料、新技术, 特别是现代力学分析方法, 但基本上仍是处方式, 不是以功能与性能要求作为目标导向。工程人员在执行这种标准规范时, 知其然而不知其所以然[7]。这样的标准规范虽然用起来比较方便,也便于行政管理部门据以判定是非, 对使用标准的技术人员专业水准要求不高, 所以特别适用于过去经济发展极端缓慢、工程需求相当单一, 技术人员量少和总体水平不高, 社会相对集中而又封闭的年代; 如果要改变其中的一个处方, 一般需要出了重大事故才能推动。由于标准中的处方还被作为执法者处理事故的依据, 有时还会混淆和颠倒是非。
显然, 标准中的传统处方模式较难应对今天快速的社会经济发展, 以致难免给新技术新材料的采用造成阻力, 严重降低现代化大型工程的安全与耐久质量, 束缚工程人员的创造性。既然大家都已认为, 性能化设计和性能化材料是发展方向, 国际上的标准规范自上世纪末开始已纷纷向性能化模式或能与性能化兼容的模式过渡, 所以我国标准规范编制的指导思想看来不能不有所转变。我国规范语言中那种凌驾于人的高姿态与说一不二、不可商榷的法律式语言, 规范条文只能说应该怎么做而不许说为什么这样做, 条文里从来不提自身还有那些不足需要使用人注意以及在规范总则中至今仍要回避“规范要求是最低要求”的提法( 多年来不知已因此引导了多少工程人员在重大工程设计中照搬规范的最低要求而造成质量隐患) 等等,这些都不是以性能和功能为目标导向的性能化模式所能兼容。
技术规范决不是法律, 我国的工程技术规范似应从神龛中逐步走下来, 成为工程师的良师益友而不是信徒的教条。
参考资料:
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[2] 陈肇元.钢筋的混凝土保护层设计要求急待改善—混凝土结构技术规范的问题讨论之一[J].建筑结构, 2007, 37( 6) .
[3] 陈肇元.结构设计规范应确保工程合理使用寿命要求—混凝土结构技术规范的问题讨论之二[J].建筑结构, 2008, 38( 3) .
[4] 唐明述.中国水泥混凝土工业发展现状与展望[C]//第5 届混凝土结构耐久性科技论坛论文集.南京: 南京东南大学, 2006.
[5] DDENV13670- 1: 2000, Execution of concrete structures, pt.1 Common[S].
[6] ACI 308R- 01, Guide to Curing Concrete[S].
[7] 雷明达, 何明锦.台湾地区性能防火法规与设计之展望[C]//火灾工程与消防工程, 第四届消防性能化规范发展研讨会论文集.中国科学技术大学出版社, 2007.
