混凝土强度发展变化趋势分析

混凝土强度发展变化趋势分析混凝土在其服役年限内强度如何发展变化是一个不可忽视的结构安全问题。通常情况下，混凝土浇筑成型28d后强度仍在增长，这一结论往往会导致人们在潜意识中认为，除特殊环境条件外，对混凝土强度的持续保持不必过分担忧。但是，依据相关的长期试验研究数据表明，混凝土强度并不是完全随着龄期不断增长的，而是依据所处的环境条件，在强度增长到某一龄期后，因有害介质的不断侵蚀，使强度的增长与微结构的劣化达到平衡状态而出现最高值，然后，强度随着龄期的继续增加而开始缓慢下降。因此，实际工程中必须依据现行的规范标准、结构所处的环境条件及强度发展变化趋势，综合分析强度经时变化对混凝土结构承载力的影响，并有针对性地提出防控措施和解决办法，确保混凝土结构在其使用年限内安全可靠的工作。为进一步研究工程中混凝土强度发展变化趋势，本文借鉴日本对混凝土长期强度发展相关试验研究数据，阐述水泥细度及混凝土结构所处环境对混凝土强度长期发展变化趋势的影响。同时针对我国现行多个规范和标准间的相互协调问题的分析，提出改进建议，以确保使用年限内混凝土强度满足设计要求。一、混凝土28d后强度发展变化趋势的分析当前的水泥标准、混凝土结构设计规范、施工验收规范、耐久性设计标准及强度检验评定标准均很少谈及混凝土28d后的强度发展变化趋势问题，对于使用单位而言，最担心的莫过于结构出现安全问题，因为那必将是灾难性的，一旦发生，基本没有多少挽回的余地。近年来发生的一些钢筋混凝土桥梁、高速公路高架桥的垮塌事故就是典型案例，而在技术层面的调查结果，往往都与混凝土强度不达标有直接的联系。出现了豆腐渣工程，给后人的警示多是因贪腐造成的偷工减料、使用劣质材料等等，而非纯技术问题。为什么有些工程项目竣工验收时强度是达标的，运行前十年结构也是安全的，而运行十年后强度却不达标，甚至发生垮塌事故？到底是什么原因与混凝土强度不能保持持续达标而存在因果关系？混凝土强度的长期发展变化趋势是一个值得我们认真分析与思考的重要问题。如果溯源的问题不能在技术层面上得到有效解决，类似的情况可能还会重复发生，技术进步也就无从谈起。随着时间的推移，混凝土强度是在不断增长的，即使后期强度会有所降低，也能保证混凝土有百年的使用寿命，这一认知最初来自于日本北海道小樽港持续百年的相关试验数据。这些数据是当今世界混凝土界绝无仅有的一笔巨大财富，至今仍无人能敌，因为没有哪一个国家、哪一个单位或哪一个部门，在百年前就开始实施混凝土长期强度发展变化趋势试验，并持续至今，获取上百年的对比试验数据。日本北海道小樽港在1899年建设初期，为了获取混凝土在自然环境中的强度长期发展变化趋势，他们制作了6万多个试件，并分别将其存放在淡水中、海水中和大气自然环境中进行时间跨度长达百年的强度发展对比试验。有关文献的试验数据表明，在淡水、海水和自然环境条件下，混凝土强度的长期发展变化趋势是基本一致的。其中，试件在露天自然大气环境中存放40年，强度达到最高值，较原来28d强度提高约100%，之后，强度从最高点开始逐年下降，存放至95年，强度从最高点下降约40%，但仍高于原来28d强度20%。由此可见，混凝土在自然环境中的使用寿命达百年以上已被小樽港的试验所证明，因此这一结论也就被大家所普遍接受和认同。但是，这一结论的成立有一个前提是不能被忽视的-受早期生产工艺和生产技术的限制，水泥颗粒粒径相对较粗，同时其水化反应速度相对缓慢，这与当今水泥工业生产的产品是存在明显差异的。当前，随着社会需求的不断增加和水泥生产工艺技术的不断完善提高，虽然水泥生产成本越来越低、产量越来越大、强度越来越高，但是，水泥颗粒粒径却是越来越小，这是不争的事实，也是为了满足高强度高效益水泥生产需求而必然选择的发展路径之一。正是因为这一细小化的差异，导致混凝土28d后的强度发展趋势，发生了根本性的变化。百年前试验使用的水泥颗粒粒径是200μm方孔筛筛余量小于10%，而目前我国水泥标准对水泥（矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥等）颗粒粒径的要求是80μm方孔筛筛余量小于10%，两者方孔筛孔径不是一个数量级，由此可见，后者的水泥颗粒平均粒径明显小于前者。为了与小樽港的数据进行对比，日本港湾与空港技术研究所也进行了相关试验。有关文献的试验数据表明，在模拟海洋气候环境条件下，用比表面积下限为250m2/kg的水泥制作的混凝土试件存放5年左右的抗压强度达到最高，比28d强度增长约40%，然后逐年下降，至10年甚至低于原来28d强度。另外，日本水泥株式会社从上世纪50年代开始也进行了相关试验，有关文献的试验数据表明，分别采用比表面积在350m2/kg左右的普通硅酸盐水泥和比表面积在440m2/kg左右的超早强水泥，按灰砂比1∶2、水灰比0.65制成砂浆试件，在温度（20±1）℃、pH值在9～10的循环水环境条件下进行长期水养护。强度对比试验结果表明，采用普通硅酸盐水泥制成的砂浆试件，强度最高值集中出现在1～3年之间，较原来28d强度增长约30%，而采用超早强水泥制成的砂浆试件，强度最高值集中出现在0.5～1年之间，较原来28d强度增长约10%，且两者强度均在最高值持续保持至资料提供的20年时长。通过对比分析上述三组试验数据及相对应的环境条件可知：（1）水泥颗粒粒径的大小对混凝土28d后的强度发展变化趋势起着决定性作用，水泥颗粒粒径越大，强度增长的幅度将越大，持续增长的时间也将越长，否则反之。（2）环境条件的持续稳定保持对混凝土强度长期发展有利，如恒温保湿、无有害介质侵蚀条件下，混凝土强度值将在高位长期保持不变，否则，强度值将会从到达最高值开始，逐年下降。另外，从对水泥遇水后发生水化反应速度分析可知：水泥四大矿物组成中占比最多且水化反应速度相对缓慢的硅酸三钙，28d的水化反应深度为10μm。据此可以判断，当球形颗粒粒径为30μm时，28d的水化反应已完成95%以上，28d后的水化反应已没有多少持续发展的空间。当颗粒粒径大于30μm时，颗粒粒径越大，28d未参与水化反应的部分占比将会越多，28d后继续进行水化反应的时间也将会越长，所以，强度增长的幅度也将越大，持续增长的时间也将会越长。我国现行GB175-2007《通用硅酸盐水泥》规定，普通硅酸盐水泥比表面积下限为300m2/kg，上限不封顶。目前水泥企业生产的水泥比表面积大多在360～400m2/kg之间，相应的水泥颗粒粒径大多数都在30μm以下，如对应日本水泥标准，已属早强水泥的范围。这些虽然有利于提高混凝土早期强度，但在自然环境中，混凝土强度的发展变化趋势，将会由短期的上升很快转为逐年下降。国内一些钢筋混凝土高架桥垮塌事故，大都发生在使用期满十年这一关键的时间节点之后,也就不足为奇，这与日本港湾与空港技术研究所得出的试验结论,在时间点上是基本吻合的。正是因为目前企业生产的水泥颗粒粒径过细，28d水化反应已基本完成，导致当今水泥与日本小樽港建设用水泥的最大差异，就是在满足28d强度要求的前提下，将早期水泥所隐含的巨大强度储备提前予以透支。而这部分被提前透支的强度储备，正是为了增强混凝土抵御各种有害介质侵蚀而导致强度不断降低的能力，并为混凝土自我修复和自我完善提供强有力支撑和保障的。这个强度储备一旦缺失，对结构耐久性是极为不利的。因此，水泥颗粒的细化是导致“混凝土百年寿命神话”破灭的主要原因，也是工程使用单位把通过提高细度来提高水泥强度的手段视为“伪劣技术”的根源所在。综上所述，混凝土强度长期发展变化趋势影响因素主要取决于水泥细度和环境条件两个方面，前者决定混凝土强度储备的大小，即28d后强度增长的幅度与高度，后者决定混凝土强度值在高位持续的时间与下降的速率。兼顾两者，才能有效保障混凝土长期强度得到持续发展。二、与混凝土强度相关规范标准间的协调关系与混凝土强度相关的规范标准有材料标准、设计规范、施工验收规范、评定标准和检测技术规程等，这些规范标准之间应相互协调一致。首先，规范对混凝土结构的使用年限是有明确界定的。除特殊环境外，规范对混凝土耐久性的通用要求是最低强度等级、最大水胶比、最小胶凝材料用量、保护层厚度等，因此确保混凝土强度在使用年限内不降低至其设计值以下是非常重要的。但目前规范里缺乏必备的相应条款，而现行水泥标准对混凝土长期强度的发展尚不能提供足够的信任和保障，这是规范标准间的盲区。对于那些没有采取任何防护措施的露天结构混凝土，强度的自然下降而引发质量问题，也就难以避免。其二，因施工条件和自然环境不同，标养试件强度、同条件试件强度和实际结构混凝土强度三者之间是存在明显差异的。GB50010-2010《混凝土结构设计规范》有关混凝土强度的计算取值就是建立在实际结构强度与标养试件强度之间存在0.88换算系数基础之上的，这一换算系数在丹麦取0.90、德国取0.85、美国取0.85、挪威取0.70。GB50204-2002《混凝土工程施工质量验收规范》规定，如采用同条件试件强度进行验收，其与标养试件强度之间按0.909进行换算。由此可见，3个强度之间的关系是：实际结构混凝土强度＜同条件试件强度＜标养试件强度。在使用时，注意需要进行换算，所不同的是换算系数的取值各国不一，相对于欧美国家的标准来说，我国规范换算系数取值还是偏高的。现行行业标准JGJ/T384-2016《钻芯法检测混凝土强度技术规程》认为不存在这一差异，不需进行换算，否定了GB50010-2010和GB50204-2002里明确过的换算关系，由此导致按JGJ/T384-2016评定标准比按GB50010-2010和GB50204-2002评定强度高13.6%，使同行业规范标准间的协调关系被打破，其检测数据的可信度不可避免受到质疑。另外，同样是钻心法行业技术规程，原JTJ/T272-99《港口工程混凝土非破损检测技术规程》，在明确实际结构强度与标养试件强度存在明显差异的前提下，依混凝土强度等级的不同，规定换算系数在0.82～0.90之间选取，这个条款在原则上与GB50010-2010和GB50204-2002的强度换算要求是相互协调的。但是，《港口工程混凝土非破损检测技术规程》的最新替代标准JTS239-2015《水运工程混凝土结构实体检测技术规程》却取消了该换算系数条款，使原本与国家标准相互协调的关系又被打破了。由上述情况分析可见，采用现行的钻芯法行业检测技术规程对实际结构强度进行检测而常常出现不合格的现象，也就不足为奇，大量的施工现场检测数据对比也充分证明了这一点。第三，鉴于当前水泥过细而影响混凝土长期强度的发展，特别是对于那些使用期超过10年，且对混凝土没有采取相应防护措施的露天结构，水泥混凝土长期强度会自然下降，一旦发生质量问题再采用JGJ/T384-2016《钻芯法检测混凝土强度技术规程》进行判定的话，使用单位承担不该承担的责任也就成为可能。更为严重的问题是，真正原因却被不协调的规范标准所掩盖，无法起到有效的警示作用，影响混凝土技术的科学发展。行业标准是国家标准的补充和完善，其技术要求通常是要严于国家标准的，适用于项目建设过程的质量管控，但若把JGJ/T384-2016行业标准作为质量事故处理最终评判的法律依据，其公平性是值得进一步商榷的。三、启示与建议上述谈及的两大问题是相互关联的，在混凝土强度问题上，不能机械地使用标准中的最低要求，在严格执行现行规范标准的同时，要特别注重水泥的差异化研究及规范标准间的协调应用。控制水泥细度，针对具体工程所处的环境特点采取相应应对措施，防止和避免混凝土在其使用年限内强度不能得到持续保障，导致工程质量事故的发生，带来安全风险。结合我国混凝土强度相关规范标准现状，建议各方共同努力解决规范标准间不协调问题：1.应加强混凝土技术相关规范标准间顶层设计的组织领导，确保相关规范标准在重大原则问题上相互统一、相互协调，防止和避免规范标准间各行其是而影响到混凝土技术的科学发展。2.可参照国外相对保守的水泥标准，将普通硅酸盐水泥的比表面积控制在250～330m2/kg之间，确保混凝土强度在28d后仍有30%以上的增长，增强混凝土自我修复的能力，提高混凝土耐久性，为结构设计和使用单位提供足够的长期安全保障。3.对于露天结构混凝土，应明确采取必要的防护措施来抵御雨水、CO2气体等环境有害介质对混凝土基体的侵蚀，并定期对防护措施进行检查和修缮，确保混凝土长期强度得到充分保障。4.建议JGJ/T384-2016和JTS239-2015行业检测技术规程将混凝土芯样强度推定值的计算方法和评定办法回归到现行国家混凝土结构设计规范、施工验收规范和强度检验评定标准上来，确保结构设计、施工验收、评定、检测四方标准之间相互协调。工程质量保证措施1、质量目标本工程质量目标为合格。为确保工程质量，从质量管理体系的各工序质量程度网络控制两大方面严格控制，并制定出相应的质量保证措施以确保工程的质量。质量保证体系的管理组织，从公司到项目部，配套管理，形成严格的统一管理体系，定员定岗责任到人。2、质量保证体系（1）建立健全质量保证体系，配备足够的专业质量检查人员，确保工程质量。（2）加强技术管理，认真贯彻国家规范、操作规程及各项管理制度，确确岗位责任制，组织学习图纸、施工组织设计和工艺卡，做好技术交底工作，并建立技术考核制度。（3）施工过程中，按部位检查操作方法和施工效果、及时纠正差错。按部位及时填写应检查项目的隐、预检记录单，接受建设单位和质量检查人员检查。督促班组执行自检、互检制和岗位责任制。工程变更应提前办理。如发生涉及结构的质量问题必须及时上报、不准擅自处理。（4）测量、定位、放线必须准确，严格按施工测量定位方案进行。定位控制