耐久性:混凝土永恒的话题
混凝土耐久性问题最早在欧美国家受到重视。各类钢筋混凝土建筑与基础设施在20世纪70年代开始广泛出现各种混凝土耐久性问题,最突出的是海洋环境、冻融环境、碳化环境以及化工腐蚀环境中的混凝土建(构)筑物。笔者在20世纪80年代末承担了原国家建材局基金项目,即“八五”期间海洋混凝土研究指南。那时的情况表明,我国海洋混凝土工程的耐久性问题非常突出,港工部门为此开展了大量调查研究和科研开发工作。之后,混凝土耐久性问题受到国家科技主管部门高度重视。进入21世纪后,除一批国家重点科研项目外,国家还在水泥和混凝土领域先后设立了4个“973”课题,都与混凝土耐久性相关,取得了一批科研成果。交通、铁路、建筑主管部门在技术进步的基础上制定了有关混凝土工程耐久性的设计标准。时至今日,两代科技人员,数亿元科研开发经费的投入,我国混凝土耐久性水平怎么样了?我想,回答这个问题应该是《混凝土的耐久性谁来守护》这本书编者的初衷。
编者精心组织了在混凝土材料与工程各个领域研究耐久性的技术专家撰写综述报告,这本书可以说是一部有关耐久性的全景式综述性报告。这些内容或深或浅地表述了不同领域的混凝土耐久性问题及其科技创新前沿,内容从混凝土用水泥胶凝材料到骨料,从外加剂到功能矿物材料,从普通混凝土到超高性能混凝土,从材料设计到施工养护,从材料防裂抗裂到结构防护、修补、增强,从预拌到预制混凝土,涵盖了混凝土从原材料到结构工程全生命周期。
就笔者所知,尽管国内有不少关于混凝土耐久性的书籍,专题性多,但全景式的少。因此,这本书为我们提供了当下混凝土材料与工程中仍然存在的耐久性问题,以及为解决这些问题所开展的科研工作和取得的相关科研成果。不同作者在文中表述的方式和深度不同。例如,有的以文字表述为主,更多的是以试验数据、图表、照片证实观点、提供依据。这些内容的集成,比较全面地为读者呈现了混凝土工程耐久性问题的方方面面。大部分内容对其所论述的耐久性问题都做了历史性回溯。因此,这本书对未能全面了解混凝土耐久性问题的年轻读者来说,还具有“科普”的功能。
在现代混凝土的设计理论中,工作性、安全性(强度)和耐久性是3个互相关联的重要性能。工作性要求新拌混凝土满足施工要求,以实现所设计的混凝土强度和耐久性。强度是指定龄期(例如28天或60天)的混凝土材料强度,而耐久性要求则是混凝土结构在设计的服役期内,在环境作用下的性能劣化情况。因此,可以说,工作性和强度设计反映的都是早期能确定的混凝土性能,但进入服役期的混凝土结构,其所有性能都将在复杂外部环境作用下随时间演变。由于实验室不可能完全模拟实际服役环境和荷载情况,因此,尽管满足混凝土耐久性设计要求,仍不能代替对实际耐久性的观测和评价。从这个意义上讲,工程实践经验是宝贵的,具有确定性。中华人民共和国成立后,我国建设的一批混凝土工程的服役期已达70年以上,改革开放以来的建设工程服役期长的也已达40年以上,我们应该对各类混凝土工程的实际耐久性表现进行深入调查研究,系统性归纳总结,希望在下一本讲述混凝土耐久性的书中能看到更多的工程耐久性调查研究报告,这对提高我国混凝土工程耐久性具有重要意义。
当前,混凝土耐久性问题仍然是指所设计建造的混凝土建(构)筑物在达到设计的服役寿命之前就出现的劣化问题。如果说现在仍然是问题,那是因为我们还未能掌握混凝土材料在不同服役环境与荷载条件下性能演变的规律。但是,随着我们对耐久性问题的深入研究,这些在服役生命周期内不该出现的耐久性问题会越来越少。笔者认为,混凝土材料科技工作者的使命是不断创新发展性能更高、服役周期更长,而且在全生命周期意义上更绿色低碳的混凝土材料。随着混凝土材料性能的不断提高,我们能为混凝土工程耐久性提供的确定性指标会更高,因而可以设计更长服役生命周期的混凝土材料。所以,如果说耐久性是一个永恒的问题,那是因为我们对混凝土材料性能的提升没有止境,所谓耐久性问题是相对于不断提高的设计服役寿命来说的,比如说从当前的70年、100年上升到200年、500年甚至更长,这是将来关于混凝土耐久性研究的新目标。
除此以外,我们还应跳出混凝土看混凝土工程的耐久性问题。可以看到,世界上钢结构桥梁的服役期在100年以上的已不少,但这不是依靠钢材本身的耐久性,而是依靠钢材表面的防腐涂层实现的。试验表明,如果我们对混凝土表面也附加防护层,混凝土工程耐久性会直接提升。实际上,这已不存在技术问题。从这本书中可以看到,混凝土表面防护在我国已是常用的工程技术。当然,本书中也有作者指出,这些保护混凝土的涂装材料自身也存在耐久性问题。对于它们保护的混凝土而言,它们的功能相当于钢结构电化学防腐中的“牺牲阳极”。事实上,没有一种材料能够“包打天下”。我们不仅要让混凝土“强身健体”,也要考虑混凝土全生命周期的表面防护技术问题。这意味着我们必须承认,对于耐久性,混凝土工程界需要的是最佳技术经济途径。混凝土材料创新无止境,混凝土工程耐久性问题将与时俱进。是为序。
——此文为 荣誉会长徐永模为中国教材报记者吴跃主编的《混凝土的耐久性谁来守护》一书所作的序。
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