處于交叉路口的混凝土技術(shù)——問題和機(jī)遇P.K.Mehta提要：基于當(dāng)今人口增長、工業(yè)化和城市化發(fā)展的趨勢，混凝土業(yè)的未來似乎是很光明的。但是，在樂觀的同時必須關(guān)注社會對生態(tài)問題態(tài)度的變化，如自然資源的保護(hù)、工程材料的耐久性和環(huán)境污染。出于公眾對作為建筑材料的混凝土耐久性的關(guān)住不斷增長，本文詳細(xì)討論了混凝土耐久性科學(xué)、質(zhì)量保證和服務(wù)壽命預(yù)測試驗(yàn)方法，以及混凝土技術(shù)教育中存在的不足之處。關(guān)鍵詞：大氣污染；混凝土技術(shù)；保護(hù)；劣化；耐久性；教育；模式；質(zhì)量保證；研究；服務(wù)壽命；城市發(fā)展；廢棄物管理。P.K.Mehta是美國加州大學(xué)伯克利分校土木工程系的榮譽(yù)教授。他是許多有關(guān)膠凝材料和混凝土性質(zhì)的文獻(xiàn)，包括關(guān)于這方面教科書的作者或合作者之一。作為一名美國陶瓷會和美國混凝土協(xié)會的會員，對于在材料方面的研究，他受到一些獎勵包括ACIWason獎?wù)?，CANMET/ACI獎表彰他在海洋環(huán)境中混凝土性能研究的杰出貢獻(xiàn)，以及MohanMalhotra獎表彰他在輔助膠凝材料方面的研究。在伯克利分校土木工程系，他擁有杰出教授職位，而且因在所研究的領(lǐng)域及對學(xué)校的杰出貢獻(xiàn)，被授予最高校園榮譽(yù)——伯克利獎。1．引言我們正處在十字路口。幾年后，新的世紀(jì)將要開始，二十世紀(jì)將成為歷史的一部分，留下許多成就和令人失望的事?，F(xiàn)在是一個研究未來的關(guān)鍵時刻，由于公眾對能源、資源和生態(tài)問題意識的提高，不能想當(dāng)然地認(rèn)為工業(yè)的增長還會不受到限制。預(yù)言未來并不容易，但是，如果我們對目前社會所面臨的機(jī)遇和問題有一個清醒的認(rèn)識，我們總能夠勾畫出一個行業(yè)的前景。換言之，我們能將混凝土業(yè)目標(biāo)納入滿足變化的社會需求的軌道上來，而保證其有一個光明的未來。因此，本文通過描述正在發(fā)生的影響未來世界的一些變化，介紹混凝土業(yè)和技術(shù)的現(xiàn)狀，以及對現(xiàn)代混凝土技術(shù)缺陷的討論，這些缺陷在混凝土業(yè)能有效滿足未來世界需求之前是必須解決的。這個問題并不是第一次被演講，最早的報告“2000年混凝土”于23年前發(fā)表。近年是Neville的一篇文章，及在蘇格蘭Dundee大學(xué)舉行的國際專題討論會的會議錄。如果這次研討會對面向21世紀(jì)的混凝土行業(yè)和技術(shù)做出了重大貢獻(xiàn)，那確實(shí)是一個合適獻(xiàn)給Malhotra的禮物。2．明天的世界與我們生活過的世紀(jì)初相比，20世紀(jì)末的世界已大不一樣。影響未來世界和可能對未來人們態(tài)度有重大影響的主導(dǎo)因素是人口增長與城市化、污染與廢棄物管理、技術(shù)革命與全球化，以及科學(xué)研究上的模式轉(zhuǎn)換。下面將簡要討論這些問題。2.1人口增長與城市化20世紀(jì)出現(xiàn)了前所未有的人口膨脹，主要是免疫和抗菌素的應(yīng)用而使兒童死亡率急劇下降的結(jié)果。例如，在1925～1975的50年間，人口從20億增長到40億。雖然有些國家的人口增長率顯著降低，總的增長率仍然很高，以致目前世界人口達(dá)到60億，在2025年前可達(dá)90億。為供養(yǎng)額外人口而尋求更多的食物、能源和其它資源，意味著給未來工業(yè)帶來持續(xù)壓力。由于海洋面積是陸地面積的兩倍之多，世界正面向海洋開發(fā)能源和礦產(chǎn)資源。超過25%的碳?xì)浠衔飶难睾＜敖３练e物取走。在過去的20年間，許多海洋結(jié)構(gòu)工程包括復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如近海石油平臺、海底隧道和超長大跨橋梁已成功地建成，還有許多其它工程在建設(shè)中，這次專題研討會上Gerwick和Hoff將對此進(jìn)行綜述。由于人口的增長和工業(yè)化進(jìn)程，到本世紀(jì)末，歷史上第一次城市人口超過農(nóng)村人口。根據(jù)美國的一次調(diào)查，如表1所示，在眾多人口超過百萬的大城市中，將可能出現(xiàn)至少20個擁有1100萬或更多居民的特大城市。支撐特大城市和大城市的基礎(chǔ)設(shè)施，包括新建和翻修的舊結(jié)構(gòu)物，如工業(yè)和民用建筑、運(yùn)送人和貨的大型交通設(shè)施以及水和污物處理的設(shè)施，將需要大量的建筑材料。表12000年大城市估計人口主要都市地區(qū)人口（百萬）主要都市地區(qū)人口（百萬）東京28.0斯庫13.0墨西哥城24.0里約熱內(nèi)盧12.2圣保羅22.6布韋那文圖拉12.8孟買18.1加爾各答12.7上海17.4馬尼拉12.6紐約16.6天津12.5北京14.4卡拉奇11.9雅加達(dá)13.4新德里11.7尼日利亞的首都13.5達(dá)卡11.5洛杉磯13.2開羅11.02.2污染與廢棄物管理在本世紀(jì)的后四分之一時間里，許多個人和組織致力于環(huán)境狀況的公眾教育。在這點(diǎn)上，聯(lián)合國于1992年在巴西里約熱內(nèi)盧舉辦的世界聯(lián)發(fā)會議是一個里程碑。在世界許多國家由于工業(yè)引發(fā)的空氣、土地和水質(zhì)的嚴(yán)重污染被審視和控制；大量關(guān)于安全處理核廢料與化學(xué)廢棄物的方法正在研究中。今后負(fù)責(zé)選擇材料的工程師，將被認(rèn)為是在履行社會職責(zé)，不僅要考慮材料的工程性能和造價，而且要重視其生態(tài)友好性。正在加劇的環(huán)境污染問題可能成為所有行業(yè)增長的真正威脅，這種前景正被各個領(lǐng)域的許多觀察家們所認(rèn)識。在人口統(tǒng)計學(xué)的壓力下，借助于技術(shù)進(jìn)展，認(rèn)識到問題在：近來地球的生態(tài)系統(tǒng)已處于層層重壓之下。為供養(yǎng)越來越多的人口和為更多的人提供較好的居住條件，將原材料變?yōu)橄M(fèi)品的工業(yè)機(jī)器必須運(yùn)轉(zhuǎn)得越來越快，即使技術(shù)可用于發(fā)現(xiàn)充足的原料或燃料以運(yùn)行工業(yè)機(jī)器。今天不存在，在不久的將來也不會找到一種有效的技術(shù)來排除這個瓶頸制約狀況，即對所有由工業(yè)行為排放的污物進(jìn)行生態(tài)處理。例如，由碳?xì)浠衔锶紵a(chǎn)生的CO2含量在21世紀(jì)中期增長了一倍，因此“溫室效應(yīng)”，將導(dǎo)致環(huán)境溫度升高到一個潛在的危險水平。由于美國消耗的碳?xì)浠衔锍^世界25%，根據(jù)聯(lián)合國的環(huán)境保護(hù)公約，其CO2排放量必須壓縮到50年代的水平，否則很難避免全球變暖。來自工業(yè)活動的環(huán)境污染不是一個新問題。然而，根據(jù)Kennedy的報告，我們現(xiàn)在面臨的環(huán)境危機(jī)在量和質(zhì)上不同于以往任何一次，因?yàn)橛心敲炊嗳丝谠诒臼兰o(jì)一直給世界生態(tài)系統(tǒng)強(qiáng)制性帶來破壞，以致于作為整體的系統(tǒng)——不僅僅是它的各個部分——可能處在危險中。他說：“與其它鄰近的行星不同，地球被一層稱作生命的物膜所覆蓋，……，在那一層物膜里，與植物、動物、昆蟲、谷物和其它有機(jī)體共存的是人類。遠(yuǎn)在地球生命圈內(nèi)其它物種出現(xiàn)之后大約50萬年后才出現(xiàn)人類，但是由于人口的增長及其經(jīng)濟(jì)活動，正殃及這個使該星球獨(dú)一無二的，精美的外殼?！?.3技術(shù)革新與全球化近來通訊和信息技術(shù)的革命正使我們的世界成為一個地球村，因此，技術(shù)革新的步伐以前所未有的速度快速越過地理和行業(yè)的界限。例如，挪威混凝土技術(shù)的發(fā)展幾乎立即可應(yīng)用于全世界的混凝土業(yè)。與其類似，聚合物技術(shù)的發(fā)展也被迅速應(yīng)用到各地的混凝土業(yè)中?？鐕鹃g互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是工業(yè)、技術(shù)和商貿(mào)快速全球化的原因?？偟恼f來，我們的社會經(jīng)濟(jì)世界正被跨國公司和國際組織所控制，如國際貨幣基金組織和世界銀行。最近一段時間，許多顯示負(fù)面影響的事件表明：跨國和國際公司的全球規(guī)模與他們的全球責(zé)任未必相稱。另外兩個技術(shù)革命，機(jī)器人和生物技術(shù)，具有比信息技術(shù)更重大的潛在世界后果，在Kennedy一本有爭議的書中有所論述。日本工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用正在發(fā)展，Kennedy舉了一個無線電盒式錄音機(jī)廠的例子，在那里850個工業(yè)機(jī)器人被安裝來完成整個產(chǎn)品生產(chǎn)，同時只需16個工人干的活相當(dāng)于自動化前340個工人的工作量。如果機(jī)器人在全世界發(fā)展，它將在工廠生產(chǎn)線、制造和建筑業(yè)解放成百萬個勞動力。與其類似，對于基本食品的生產(chǎn)，如果我們在農(nóng)業(yè)技術(shù)上用許多試驗(yàn)室開發(fā)的生物工藝方法取代現(xiàn)行的耕作方法，將在全世界的農(nóng)業(yè)部門引起嚴(yán)重的失業(yè)問題。Kennedy指出：在世界市場上，機(jī)器人和生物技術(shù)受同樣的利益動機(jī)所驅(qū)使，后工業(yè)革命已促進(jìn)了技術(shù)革新。我們似乎已到達(dá)該歷程中的一個階段，如果在這個方向進(jìn)一步發(fā)展可能帶來災(zāi)難性的后果。過去，人口增長由相應(yīng)的工業(yè)增長支撐，因?yàn)樗坪跤袩o窮的自然資源滿足工業(yè)需要，并且有充足的空間容納工業(yè)廢棄物?，F(xiàn)在地球似乎達(dá)到了支撐工業(yè)發(fā)展的極限，如果我們不采取緊急措施降低人口增長率和工業(yè)增長率，并且嚴(yán)格控制可能會帶來巨大經(jīng)濟(jì)和社會變動的技術(shù)革新的應(yīng)用，那將危及人類文明。下文將敘述：如果我們集中人類的智慧，以某種方式來干預(yù)，這種可能會摧毀人類文明的最壞情況將不會出現(xiàn)。2.4科學(xué)研究中的模式轉(zhuǎn)換毫無疑問，今天的社會正享受著科學(xué)和工業(yè)革新為它帶來的好處。原因分析法已成為現(xiàn)代科學(xué)思維的主要特征，并在科學(xué)理論的發(fā)展和許多引人注目的技術(shù)成果實(shí)施上證明很有用。但是，過分強(qiáng)調(diào)科學(xué)的還原論——相信一個復(fù)雜結(jié)構(gòu)的所有方面和一種復(fù)雜現(xiàn)象可以通過將整體分解為許多部分而充分認(rèn)識——導(dǎo)致了知識的破碎性和局限性。許多領(lǐng)域的專業(yè)人員正逐漸認(rèn)識到這個問題。關(guān)于還原論方法的缺陷，Capra論述道：“理性和直覺是人類思維功能兩種互補(bǔ)的模式。理性思維是線性的、集中的和解析的，屬于智力的范疇，其功能是辨別、測量和分類。因此，理性知識往往是原則性的。另一方面，直覺知識是基于直接的、非智力的真實(shí)經(jīng)驗(yàn)，來自所了解事物的延伸，往往是綜合的、整體的和非線性的?！闭w論一詞來自希臘詞匯“holos”，涉及根據(jù)一個整體其屬性不能由各組成部分屬性和推演出來理解一個現(xiàn)象或結(jié)構(gòu)。Capra預(yù)言此科學(xué)模型的變化將對所有科學(xué)學(xué)科領(lǐng)域未來的研究產(chǎn)生重大影響。3．對混凝土業(yè)和混凝土技術(shù)的回顧在變換的世界面前，如上所述，讓我們回顧一下混凝土業(yè)和混凝土技術(shù)的現(xiàn)狀，有助于辨別將要面臨的問題和機(jī)遇。3.1需求、供應(yīng)和材料由于眾所周知的原因，如低相對成本、易得性、通用性、適應(yīng)性并具有許多結(jié)構(gòu)應(yīng)用的的工程屬性，硅酸鹽水泥混凝土已成為全世界應(yīng)用最普遍的結(jié)構(gòu)材料。估計每年水泥和混凝土產(chǎn)量分別為12億和70億噸。由于制造混凝土的組成原料，即水泥、砂子、卵石或碎石，水和摻合料，幾乎到處都很豐富，根據(jù)目前趨勢推測，混凝土業(yè)將繼續(xù)以相應(yīng)世界人口增長和城市化需求的速率穩(wěn)步增長。今天，硅酸鹽水泥是制造混凝土主要的水硬性膠凝材料。生產(chǎn)硅酸鹽水泥的原料是豐富的，但是從保護(hù)能源和資源出發(fā)，混合硅酸鹽水泥的生產(chǎn)和使用中摻入達(dá)70%的高爐礦渣或30%的粉煤灰或其它火山灰。在這點(diǎn)上，Malhota關(guān)于大摻量粉煤灰作為礦物摻合料應(yīng)用的前沿研究值得關(guān)注：他們用粉煤灰替代50～60%的水泥，同時摻入高效減水劑，所獲得的產(chǎn)品不僅強(qiáng)度高而且抗?jié)B性優(yōu)異。如果未來硅酸鹽水泥要固定在現(xiàn)有生產(chǎn)量，阻止CO2排放量增加，該項(xiàng)目可產(chǎn)生非常重大的影響。至于混凝土的骨料，正以每年約50億噸的速度消耗，靠近城市和工業(yè)區(qū)高質(zhì)量骨料的來源要么已經(jīng)枯竭，要么即將枯竭。從經(jīng)濟(jì)和環(huán)境考慮，要求我們學(xué)會今后應(yīng)用那些質(zhì)次的骨料。例如，在混凝土中引起干縮大的骨料可以與膨脹水泥配合；會引起堿－硅有害膨脹反應(yīng)的骨料可與活性火山灰配合。此外，一個值得考慮的問題是將毀壞的混凝土作為再生骨料，或者用粉煤灰和礦渣制備骨料。最后，幾乎所有今天制備的混凝土都含一種或多種化學(xué)與礦物外加劑，它們易得并已用于獲得各種各樣得目的。關(guān)于混凝土外加劑和礦物摻合料發(fā)展趨勢的一些技術(shù)現(xiàn)狀報告在本研討會上將會發(fā)表。3.2混凝土耐久性普通混凝土，典型的具有20～40MPa抗壓強(qiáng)度，對大多數(shù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用是足夠的。由于抗拉和抗彎強(qiáng)度相對較低，因此這種材料受拉時很容易開裂。存在少數(shù)可見裂縫的混凝土結(jié)構(gòu)物在壓荷載下通常能繼續(xù)令人滿意地運(yùn)行；但是，如果這些裂縫與混凝土體內(nèi)的微裂縫連通，它易受水滲透的影響會顯著增加，因此，耐久性會受到不利的影響，取決周圍環(huán)境的條件。暴露在嚴(yán)酷環(huán)境，如極端的溫度與濕度，以及侵蝕性化學(xué)介質(zhì)中的混凝土結(jié)構(gòu)要比預(yù)期的服務(wù)壽命提前破壞。例如，美國國家材料咨詢委員會1987年提供的一篇報告說：大量混凝土橋面板，估計有25,3000塊，其中有些還不到20年，已受到不同程度的破壞，并且每年還有約3,5000塊加入這一行列。隧道、停車庫、海洋結(jié)構(gòu)和軌枕混凝土過早地破壞已被一些人調(diào)查和報導(dǎo)過，這提供了一個獨(dú)特的機(jī)會來確定：當(dāng)前我們關(guān)于混凝土耐久性的科學(xué)知識缺少什么，以及在現(xiàn)場應(yīng)用中什么是已經(jīng)知道的。3.3改善性能的新技術(shù)過去20年間開發(fā)的一些技術(shù)為混凝土建筑業(yè)帶來了改進(jìn)；還有一些以改善混凝土作為工程材料的性能為目的。碾壓混凝土技術(shù)，這是本討論會上兩篇綜合報告的主題，對建造混凝土壩可大大縮短工期和成本。自1982年希臘OregonWillow大壩首次采用碾壓混凝土建造以來，全世界采用此項(xiàng)技術(shù)建成或正在施工的大壩已超過100座。為改善混凝土性能，許多新技術(shù)和產(chǎn)品已被開發(fā)出來。其中值得注意的是含高效減水劑的高強(qiáng)混凝土，用鋼纖維、玻璃纖維、聚合物纖維或碳纖維制造的纖維增強(qiáng)混凝土，以及橡膠改性混凝土、化學(xué)粘結(jié)陶瓷、無宏觀缺陷水泥制品和環(huán)氧涂層鋼筋，這些技術(shù)具體由本研討會的其他人論述。由于高成本和一些特殊問題，許多研究人員，包括Neville在內(nèi)都認(rèn)為：應(yīng)用這些技術(shù)而制造的混凝土總量不大。因?yàn)榕c耐久性相關(guān)，這里簡要地論述高強(qiáng)和高性能混凝土技術(shù)。高強(qiáng)混凝土，水灰比在0.35～0.45，抗壓強(qiáng)度為40～60MPa的高強(qiáng)混凝土，制備時摻用高效減水劑，加或不加礦物摻合料。通?？捎卯?dāng)?shù)匾椎玫牟牧现苽?，以常用的拌合、操作和養(yǎng)護(hù)方法。已用于商品化生產(chǎn)的高工作度混凝土拌合物，水灰比在0.25～0.35，取決所用水泥、外加劑和骨料的物理化學(xué)特性。有些產(chǎn)品不僅高強(qiáng)度（60～130MPa抗壓強(qiáng)度）而且高抗?jié)B性，這是解決在惡劣環(huán)境下長期耐久性的方法?？v觀全世界上百座用高性能混凝土建造的結(jié)構(gòu)物，Malier估計：僅要求抗壓強(qiáng)度的占25%，其余的耐久性是主要考慮因素。應(yīng)該注意到：高強(qiáng)和超高強(qiáng)混凝土（>60MPa）是一種特殊的材料，需要特殊的骨料（高強(qiáng)和連續(xù)級配）、特殊的外加劑（即高效減水劑），以及在攪拌和操作時非常小心。挪威承包商Moksnes在一篇基于他的公司在北海建造高強(qiáng)混凝土近海石油鉆井平臺20年的經(jīng)驗(yàn)撰寫的報告中說：“高強(qiáng)混凝土將我們不引人注目的初期產(chǎn)品升級為面向未來的，一種更可靠的、復(fù)雜的和高技術(shù)的產(chǎn)品。我們獲得一種新型材料，可使我們設(shè)計和建造更強(qiáng)、更高、更纖細(xì)和更輕的結(jié)構(gòu)；與此同時我們處在很大壓力下要在較短時間里完成工程；按照更嚴(yán)格的偏差和強(qiáng)化的規(guī)范要求工作。從過去那種皮實(shí)的、偏差大的現(xiàn)場制備材料，到另一極端，變成滿足現(xiàn)場施工性能要求，象似在刀刃上求平衡的產(chǎn)品?！备咝阅芑炷?，該術(shù)語由一些研究人員采用，指具備高工作性、高強(qiáng)、高尺寸穩(wěn)定性和高耐久性的混凝土拌合物。這種混凝土用于高層建筑中配筋多、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)構(gòu)件、近海石油平臺、超大跨橋梁和重載路面，由Metha和Aitcin，Regourd，Larranrd以及Gjorv所撰寫的文章闡述了高性能混凝土組成和性能的微結(jié)構(gòu)原理。眾所周知，普通混凝土的許多特征，即強(qiáng)度和彈性模量相對較低，與材料高度不勻質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，特別是由于水泥漿－骨料界面處存在多孔而薄弱的過渡區(qū)。通過密實(shí)和強(qiáng)化過渡區(qū)可以改善混凝土的性能，并且運(yùn)行中產(chǎn)生微裂縫（結(jié)果導(dǎo)致滲透系數(shù)加大）的危險減小。為達(dá)到這個目的，首先必須大大減小用水量，這可通過使用高效水泥分散劑（高效減水劑）來完成；為了進(jìn)一步使混凝土內(nèi)水化水泥漿和砂漿密實(shí)、增強(qiáng)及勻質(zhì)化，摻用一定量具有細(xì)顆粒和高比表面積的礦物摻合料，如硅粉、稻殼灰、粉煤灰、磨細(xì)高爐礦渣粉、偏高嶺土、石灰石粉和碳黑。礦物摻合料的品種和摻量由成本、活性和影響新拌混凝土堆積密實(shí)程度和工作度來確定。高活性火山灰可縮短達(dá)到期望強(qiáng)度和不透水性所需的養(yǎng)護(hù)時間；低活性或沒有活性的粉末通過降低溫升改善抵抗熱裂縫的能力。應(yīng)該指出：一些混凝土技術(shù)專家對使用高性能混凝土這個術(shù)語來表征近期開發(fā)的，如抗壓強(qiáng)度大于100MPa的制品提出了質(zhì)疑。他們認(rèn)為除了強(qiáng)度和耐久性外，材料和加工費(fèi)用也必須考慮之內(nèi)。根據(jù)Idorn未發(fā)表的資料，與制備耐久的普通混凝土的費(fèi)用相比，似乎許多研究人員對他們稱之為高性能混凝土的高技術(shù)混凝土的高昂費(fèi)用既不感興趣，也不了解。3.4混凝土的生態(tài)形象Kreijger預(yù)言：未來材料的選擇將由其生態(tài)形象決定。對于一定的工程屬性，如強(qiáng)度、彈性模量或者耐久性，具有好的生態(tài)形象的材料是那些需要最少砍伐地球上森林和泥土流失，生產(chǎn)消耗最少的能源和水，產(chǎn)出最少量的有毒副產(chǎn)品的材料。用Kreijger的判斷標(biāo)準(zhǔn)，與金屬、聚合物和玻璃相比，混凝土有優(yōu)良的生態(tài)形象，而且可以普遍接受的是似乎沒有比混凝土業(yè)更好的產(chǎn)業(yè)來處理成百萬噸的硅質(zhì)副產(chǎn)品，如粉煤灰、高爐礦渣、硅粉和稻殼灰。在混凝土里使用這些副產(chǎn)品通常伴隨有滲透性顯著降低和工作性明顯改善。取決其粒徑大小、活性和摻量，礦物摻合料還可改善混凝土抵抗熱裂縫的性能。大量這類硅質(zhì)副產(chǎn)品的存貯，它們通常要含一些重金屬，會引起空氣和水污染。即使低值利用，如回填和路基修筑，也可能帶來危害。因?yàn)橛卸镜慕饘贂u漸滲透到地下水里。或以礦物摻合料的形式，或作為混合硅酸鹽水泥的組分加入混凝土，提供了一種相對安全和便宜的處理方法。McCarthy等人近期的研究表明：硒和鉻可以永久地結(jié)合到鈣礬石的晶體結(jié)構(gòu)中，鈣礬石是水泥水化的產(chǎn)物之一。而且，因?yàn)榱罡郀t礦渣或者粉煤灰能取代混凝土中50～60%的硅酸鹽水泥，而不影響最終強(qiáng)度且具有提高混凝土耐久性的潛能，所以使用這些副產(chǎn)品不僅節(jié)能而且保護(hù)環(huán)境。從生態(tài)形象角度來看，作者將混凝土稱作結(jié)構(gòu)材料世界中的LordSiva（印度神話中的眾神之一）。4．混凝土科學(xué)和技術(shù)存在問題從對未來世界及其需求的預(yù)測，以及對今天混凝土業(yè)現(xiàn)狀的了解，可以確定它繼續(xù)作為最受歡迎的普通建筑材料必須迅速解決的一系列關(guān)鍵問題。似乎最重要、迫切需要引起注意的問題，是普通混凝土的耐久性，和日益增長的公眾對該材料長期使用壽命缺乏信心。在最近運(yùn)輸研究委員年會上發(fā)表的一篇關(guān)于混凝土在運(yùn)輸工程中使用性能的報告中，Mather談到：“如果混凝土在運(yùn)輸工程中的應(yīng)用不能滿足所要求的性能，那或者是由于規(guī)范一直存在的錯誤，或者是沒有遵循規(guī)范”。規(guī)范可能出現(xiàn)下列兩種方式之一的錯誤：或者規(guī)范制訂者錯誤地選用了規(guī)范，或者可用的規(guī)范是基于不完善的科學(xué)。作者想要談?wù)労笳?，目的是想破除如果現(xiàn)行規(guī)范和推薦實(shí)踐準(zhǔn)則被正確描述和忠實(shí)執(zhí)行就不會存在耐久性問題的神話。本報告除了綜述混凝土耐久性科學(xué)的現(xiàn)狀外，還要討論如下題目：混凝土耐久性科學(xué)的整體性模型、制備普通混凝土的新方法、現(xiàn)行規(guī)范和準(zhǔn)則、結(jié)構(gòu)服務(wù)壽命預(yù)測，以及需要介入混凝土技術(shù)的教育和研究。4.1混凝土耐久性科學(xué)所有的科學(xué)研究都要進(jìn)行簡化。當(dāng)涉及一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或現(xiàn)象時，研究者隨意簡化該體系且通常一次只研究其中的一個方面，目的是使目標(biāo)可控制。在科學(xué)上，這是一個有效的方法，但是獲得的結(jié)果價值有限，除非這個結(jié)構(gòu)或者現(xiàn)象所有其它的方面已經(jīng)被研究過，并且匯集了所有可用的信息。而且，為了根據(jù)整體論方法處理復(fù)雜的體系，我們必須匯集經(jīng)驗(yàn)知識和全部可以獲得的科學(xué)知識。相反，在我們對復(fù)雜體系某一部分的研究中，在處理數(shù)據(jù)時經(jīng)常拿它們當(dāng)作整體。同時，在將試驗(yàn)結(jié)果建模時，我們很少考慮通過試驗(yàn)衍生出來的知識。簡而言之，這是今天大多數(shù)科學(xué)，包括混凝土耐久性科學(xué)存在問題的概括和實(shí)質(zhì)。只從簡化科學(xué)的方法獲得的知識根基有著嚴(yán)重的缺陷，必須糾正，因?yàn)槭强茖W(xué)提供技術(shù)支撐的基礎(chǔ)。例如，如果我們依賴不夠科學(xué)的理論和模型去建立測試方法和規(guī)范，怎么能夠期望混凝土結(jié)構(gòu)耐用？為了說明這點(diǎn)，讓我們來看看目前大家所接受的關(guān)于混凝土破壞的4個基本原因的理論，即硫酸鹽侵蝕，堿－硅反應(yīng)，鋼筋銹蝕和凍融循環(huán)。硫酸鹽侵蝕最近作者回顧了若干暴露在硫酸鹽環(huán)境中的結(jié)構(gòu)的例證，得出了如下結(jié)論：首先，不存在普遍接受的關(guān)于水泥石由鈣礬石引起膨脹的假設(shè)。因生成鈣礬石而產(chǎn)生的結(jié)晶生長壓和結(jié)晶不良的鈣礬石吸水產(chǎn)生膨脹壓是提出了幾種假設(shè)中的兩種。從實(shí)際結(jié)構(gòu)物的破壞證明這兩個假設(shè)是困難的，因?yàn)檫@涉及到對過程的觀察，通常只有結(jié)果而沒有引起結(jié)果的原因。已提出由于硫酸鈉結(jié)晶引起混凝土破壞是結(jié)晶增長壓現(xiàn)象的一個例子。這還沒有被證明。與此相反，無水芒硝（Na2SO4）與芒硝(Na2SO4·10H2O)之間的轉(zhuǎn)換是一種膨脹現(xiàn)象。無論如何，對于水泥石本身來說，它與鈣礬石形成及硫酸鹽侵蝕現(xiàn)象都無關(guān)。鈣礬石吸水常被認(rèn)為是引起新拌混凝土坍落度損失，在混凝土技術(shù)中已眾所周知。在硬化混凝土中，鈣礬石形成和隨后的吸水可能引起足夠大的膨脹和開裂壓力，特別是當(dāng)硫酸鹽對水泥水化基本產(chǎn)物，即C-S-H和CH侵蝕，引起水泥漿強(qiáng)度和剛度喪失的時候?，F(xiàn)場觀測已經(jīng)證實(shí)：長期暴露于硫酸鹽侵蝕下的混凝土喪失了粘結(jié)力和強(qiáng)度。另外一個值得注意的對混凝土由于化學(xué)侵蝕而劣化的觀測，是只有可透水的混凝土在潮濕環(huán)境中易受損。如果結(jié)構(gòu)中的混凝土在一開始不透水，它也會在運(yùn)行期間因?yàn)橐恍┰蛞鸬奈⒘芽p而變得可透水。看來一直要到混凝土因?yàn)闈B透達(dá)到高度飽水時，膨脹化學(xué)現(xiàn)象才會發(fā)生。據(jù)觀察，硫酸鹽侵蝕很少是引起混凝土損傷的唯一原因。碳化作用（與CaCO3和碳硫硅酸鈣的形成有關(guān)）和/或堿－硅反應(yīng)經(jīng)常在硫酸鹽侵蝕劣化的混凝土中發(fā)現(xiàn)。應(yīng)該注意的是：水泥石的碳化和堿－硅反應(yīng)會加速硫酸鹽侵蝕，是因?yàn)樗鼈兘档土怂嗍膲A度并減小了水泥石的粘聚力和強(qiáng)度。堿－硅反應(yīng)存在于骨料顆粒的某些活性硅與高堿硅酸鹽水泥水化產(chǎn)生的高堿溶液間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)能生成膨脹型堿硅膠體，它可在吸水時引起顯著的膨脹。與硫酸鹽侵蝕相似，當(dāng)堿－硅反應(yīng)引起混凝土結(jié)構(gòu)損傷時，其它引起劣化的因素也同時存在。例如，Shayan和Quick認(rèn)為：堿－硅反應(yīng)與一些國家，如加拿大、美國、南非、芬蘭和澳大利亞，預(yù)制混凝土軌枕的破壞有關(guān)。在南非和芬蘭，據(jù)報道，由于凍融循環(huán)引起的微裂縫影響堿－硅反應(yīng)膨脹；在澳大利亞，據(jù)Shayan和Quick調(diào)查，受影響的軌枕表現(xiàn)出部分剛度損失，疲勞開裂和膨脹。Idorn根據(jù)他對全世界混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題的長期經(jīng)驗(yàn)，近來對硫酸鹽侵蝕和堿－硅反應(yīng)提出如下觀察資料：對硫酸鹽引起混凝土破壞的研究表明：水泥石發(fā)生降解、碳化和強(qiáng)度損失，而骨料未受影響。因此這種侵蝕的力學(xué)作用是混凝土由表及里地碎裂、剝落，且最后混凝土塊體的體積逐漸減小。在現(xiàn)場堿－硅反應(yīng)引起劣化的實(shí)例中，水泥石化學(xué)上未受影響，而活性骨料顆粒內(nèi)部斷裂和/或部分溶解。該機(jī)理產(chǎn)生內(nèi)部膨脹，如果沒有約束，例如鋼筋存在的話，也可能引起混凝土組分膨脹。此外，對這兩種化學(xué)侵蝕，傳統(tǒng)上實(shí)驗(yàn)室采用砂漿棒線性膨脹（無約束）來測試，是對模型的誤解。已經(jīng)發(fā)表的許多研究人員寫的報告，包括Swamy在本研討會上發(fā)表的一篇文章都認(rèn)為：配筋足夠的混凝土結(jié)構(gòu)不會因堿－硅反應(yīng)使力學(xué)強(qiáng)度受到任何顯著的破壞。Idorn的評論對實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果預(yù)測實(shí)際結(jié)構(gòu)行為的實(shí)用價值提出的問題也是非常中肯的。如下面所討論，不受約束的砂漿棒的膨脹數(shù)據(jù)可能與實(shí)際使用條件關(guān)系很小或沒有什么相關(guān)性，因此不能用于服務(wù)壽命預(yù)測。鋼筋銹蝕向配筋處滲透銹蝕深度CO2，Cl-使用期限開始可接受深度時間傳播向配筋處滲透銹蝕深度CO2，Cl-使用期限開始可接受深度時間傳播RHT.圖1(a)混凝土鋼筋銹蝕機(jī)理圖1(b)混凝土鋼筋銹蝕示意圖圖2顯示的機(jī)理是整體論的，意思是體系的每一部分都不可忽略。例如，既然C-S-H是水泥石強(qiáng)度的主要來源，既然C-S-H的穩(wěn)定要依靠周圍孔溶液中的OH－離子，由酸性離子，如碳酸鹽、硫酸鹽和氯化物置換OH－離子產(chǎn)生的對混凝土強(qiáng)度和彈性模量的影響就應(yīng)該被考慮。這里顯示的膨脹和開裂機(jī)理也考慮了膨脹產(chǎn)物的形成，如膠質(zhì)鐵銹對飽和系統(tǒng)孔隙水壓的影響。因此，圖2表述了作者的意思，它集中了全部可應(yīng)用的科學(xué)知識，可以從每個特定過程對體系所有組分的影響來得到。圖3（a）是關(guān)于暴露于海水的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂—膨脹—開裂的模型，由Mehta和Gerwick提供，是圖2模型的簡化。注意在這些模型里嘗試著綜合經(jīng)驗(yàn)知識和應(yīng)用科學(xué)知識，例如，在對SanMateo橋托梁里鋼筋銹蝕對混凝土損傷的調(diào)查中，作者觀察到該破壞是有限的，而對暴露在每天的冷熱循環(huán)和干濕循環(huán)產(chǎn)生微裂縫方面更為脆弱。對于因鋼筋銹蝕引起的混凝土結(jié)構(gòu)破壞，許多其他調(diào)查也已發(fā)現(xiàn)了由其它非銹蝕原因產(chǎn)生的混凝土微裂縫。在加劇水、氧氣和CO2滲透中起了重要作用，在預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)的服務(wù)壽命時，圖2和圖3(a)模型是整體的，比圖1(b)模型更現(xiàn)實(shí)。B鋼筋混凝土B鋼筋混凝土侵蝕和荷載影響表面滲透性增大水，O2，CO2和酸根離子（Cl-，SO4-）的滲入水泥漿中OH-的損失A：（=1\*romani）配筋的脫鈍（=2\*romanii）凝膠狀鐵銹生成B：C-S-H粘結(jié)性逐漸喪失A：鐵銹膨脹增大孔靜水壓力B：混凝土強(qiáng)度和剛度減小混凝土膨脹和開裂A圖2暴露于海水或除冰鹽下的鋼筋混凝土破壞模型受凍混凝土=1\*Arabic1．濕度和溫度梯度=2\*Arabic2．化學(xué)侵蝕=3\*Arabic3．凍融=4\*Arabic4．結(jié)晶高滲透性的混凝土表面層破壞飽和度增加圖3(b)凍融循環(huán)導(dǎo)致混凝土破壞示意圖含微裂縫受凍混凝土=1\*Arabic1．濕度和溫度梯度=2\*Arabic2．化學(xué)侵蝕=3\*Arabic3．凍融=4\*Arabic4．結(jié)晶高滲透性的混凝土表面層破壞飽和度增加圖3(b)凍融循環(huán)導(dǎo)致混凝土破壞示意圖含微裂縫混凝土=1\*Arabic1．濕度和溫度梯度=2\*Arabic2．漂浮物撞擊=3\*Arabic3．化學(xué)侵蝕、水泥漿滲濾=4\*Arabic4．凍融侵蝕，超載和其它因素使混凝土滲透性增大高滲透性混凝土裂縫增長埋設(shè)鋼筋銹蝕海水和空氣圖3(a)鋼筋混凝土開裂——銹蝕——開裂循環(huán)圖示4.2混凝土破壞的整體模型綜合上述混凝土破壞過程的觀點(diǎn)，作者構(gòu)建了一個整體性模型，如圖4所示。說這個模型是整體性的含意是：要考慮眾所周知的科學(xué)事實(shí)，與環(huán)境因素對混凝土每個組分，包括孔隙水影響的經(jīng)驗(yàn)知識這兩方面因素。設(shè)想一個養(yǎng)護(hù)良好、中等強(qiáng)度（即30MPa

）混凝土的滲透性很小，直到存在的微裂縫（也就是肉眼看不到的裂縫）擴(kuò)展并與來自混凝土表面較寬的裂縫連通。由于各種各樣眾所周知的原因，混凝土中總是有不連續(xù)的微裂縫。例如，混凝土用鋼筋增強(qiáng)時，將干縮和熱縮導(dǎo)致的裂縫分散成非常細(xì)的裂縫網(wǎng)，這對結(jié)構(gòu)承載有利，但對侵蝕性介質(zhì)自表面滲透到混凝土內(nèi)部是有害的。圖4混凝土受外界環(huán)境作用而劣化的整體模型圖4模型認(rèn)為環(huán)境因素的影響分兩個階段。第一階段，荷載和大氣侵蝕作用（干濕和冷熱循環(huán)）促使微裂縫擴(kuò)展直到它們連通，它一旦發(fā)生，混凝土滲透性顯著增大；第二階段開始，水、氧氣、CO圖4混凝土受外界環(huán)境作用而劣化的整體模型圖4整體性模型很清楚地敘述了一個值得注意的問題：為什么混凝土的抗?jié)B性是上述任何一個物理－化學(xué)破壞過程的第一道防線？如果在混凝土制作和加工過程中給予充分重視，牢牢地將第一道防線加固，為什么還需要環(huán)氧涂層鋼筋來抵抗銹蝕？用ASTMV型水泥來防止硫酸鹽侵蝕，和用低堿水泥或非活性骨料，防止因堿－硅反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹？相信從壽命周期費(fèi)用和資源保護(hù)的角度出發(fā)，前面所述的生態(tài)形象不會被公眾忽視地太長久。4.3制作普通混凝土的新方法總的說來，混凝土業(yè)的未來并不由需要特殊材料和加工的技術(shù)決定；相反，它取決于我們對解決普通混凝土業(yè)面臨的問題所做出的努力。當(dāng)然，如下面所建議的，來自新技術(shù)實(shí)踐的一些教訓(xùn)，如高性能混凝土技術(shù)，可以用于普通混凝土的制作和加工?，F(xiàn)場在選用材料、拌合物配比和混凝土的生產(chǎn)及施工是以強(qiáng)度定位的。顯然，當(dāng)前的實(shí)踐必須從強(qiáng)度轉(zhuǎn)向耐久性。由于混凝土開裂對滲透性和由此引起的對于各種各樣物理化學(xué)侵蝕的耐久性有重大影響，我們必須盡可能在選材、配合比和混凝土施工實(shí)踐中努力防止結(jié)構(gòu)物在使用過程中開裂。顯然，目前這點(diǎn)沒有引起足夠重視。例如，目前試行規(guī)范沒有充分注意骨料在控制因熱收縮和干縮引起的混凝土開裂中所起的影響。經(jīng)驗(yàn)表明：水泥砂漿和粗骨料線膨脹系數(shù)和彈性模量的相容性，對確保避免因?yàn)槔鋮s和干燥引起的開裂很重要。為減小收縮，要求骨料最小總用量以限制最大水泥用量非常必要。從經(jīng)濟(jì)可行的角度出發(fā)，比現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范更精確地控制骨料的形狀、大小和級配，可以改善混凝土的堆積密度和工作性，反過來又決定需水量和拌合物的勻質(zhì)性。那些推薦實(shí)施方案中很少有深刻的、新的內(nèi)容；然而由于規(guī)范中過分強(qiáng)調(diào)強(qiáng)度而不是耐久性，以及在拌合物配合比步驟中過分依賴水灰比—強(qiáng)度關(guān)系，許多與耐久性相關(guān)的，混凝土技術(shù)的基本原理卻被忽視了，有必要將它們?nèi)匀粦?yīng)用到日常的施工實(shí)踐中去。這可以通過發(fā)展以耐久性為取向的選用材料和拌合物配合比設(shè)計來做到。由于是新拌混凝土中的自由水量，而不是水灰比在起決定勻質(zhì)性、滲透性和耐久性的作用，因此即使是中、低強(qiáng)度等級的混凝土，也能通過摻用減水劑獲益。今后在比較便宜的高效減水劑方便易得時，就應(yīng)該廣泛使用起來。此外，為了獲得滿意的性能，還必須堅(jiān)持嚴(yán)格遵循適宜的拌合、運(yùn)送、搗固、終飾、養(yǎng)護(hù)和質(zhì)量保證方法。Idorn預(yù)計在未來十年內(nèi)，丹麥開發(fā)的在現(xiàn)場控制新拌混凝土操作和早期養(yǎng)護(hù)的技術(shù)，將完全取代普通的通過取樣制備試件試驗(yàn)的質(zhì)量控制方法。至于用坍落度檢測工作性和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)圓柱試件的抗壓試驗(yàn)，筆者認(rèn)為這些殘存的方法，雖不是最合適，但仍不失其為最簡便易行。4.4試驗(yàn)方法、規(guī)范和服務(wù)壽命預(yù)測大多數(shù)與耐久性相關(guān)的試驗(yàn)方法和規(guī)程似乎僅用于有限的目的，即用于控制制備混凝土各組分材料的質(zhì)量。23年前，美國混凝土學(xué)會委員會關(guān)于2000年混凝土的報告，引起了對“現(xiàn)今使用著不充分的、偏狹的、過于命令式的試驗(yàn)方法和規(guī)程”問題的注意。這個問題必須要解決，如筆者在以前寫的回顧中對該問題所下的結(jié)論：如果我們繼續(xù)使用指令性的、不相干的標(biāo)準(zhǔn)，給經(jīng)濟(jì)和生態(tài)付出的代價將會太高。下面對目前仍在使用的典型試驗(yàn)室試驗(yàn)方法做一簡單地回顧。關(guān)于堿－硅反應(yīng)，ASTMC289提供了一個檢測潛在活性骨料的快速試驗(yàn)方法。該試驗(yàn)既不反映混凝土中堿－硅膨脹的機(jī)理，也未模擬導(dǎo)致實(shí)際結(jié)構(gòu)破壞的力學(xué)作用。因此，以該試驗(yàn)為依據(jù)，世界上許多骨料來源都遭到否決，而不顧使用這些骨料的混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場性能表現(xiàn)良好的事實(shí)。與其類似，ASTMC227通常用來測量一定條件下養(yǎng)護(hù)6個月或者更長時間的標(biāo)準(zhǔn)砂漿棒膨脹值，以測試堿－骨料破壞性反應(yīng)結(jié)果。如同用C289一樣，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)砂漿棒膨脹值和結(jié)構(gòu)中混凝土顯著被破壞之間的相關(guān)性很差。ASTMC452和C1012方法用于評價水泥的抗硫酸鹽腐蝕性。由于忽略了現(xiàn)場混凝土受硫酸鹽侵蝕的一般現(xiàn)象，即粘結(jié)性和強(qiáng)度喪失，這些基于膨脹的方法有助于區(qū)分C3A含量高、低的水泥，而事實(shí)上它可以用更為簡單和快速的方法就能實(shí)施。此外，C452沒有考慮混凝土滲透性的差異，也沒有考慮環(huán)境多樣性對硫酸鹽腐蝕的影響（約束程度、溫度、壓力、溶液pH值和其它離子的存在）。因此，這兩種試驗(yàn)在預(yù)測現(xiàn)場的混凝土性能方面意義都有限。例如，雖然海水中有具破壞性的高硫酸鹽含量，但是使用高C3A水泥混凝土的海工結(jié)構(gòu)運(yùn)行均良好?；炷恋目箖鋈谘h(huán)性能通常依據(jù)ASTMC666A評價。在飽水狀態(tài)下以4~16℃/h的結(jié)冰速率來測試試件，在大約40年前，Powers就警告說：該試驗(yàn)條件過于苛刻（指速度太快，不能模擬現(xiàn)場條件）而沒有實(shí)用價值。將依據(jù)ASTMC666A的試驗(yàn)結(jié)果和不摻引氣劑的混凝土拌和物長期現(xiàn)場性能對照，安大略水工研究人員得出的結(jié)論是：試驗(yàn)結(jié)果差未必意味著現(xiàn)場性能差。附帶說一下，ASTMC666可以作為一個例子說明：一種試驗(yàn)方法如何會成為開發(fā)新產(chǎn)品的障礙。研究人員看來都一致同意：具有60MPa或更高抗壓強(qiáng)度（0.25～0.3W/C）的混凝土試件，不含足夠的可凍水時，它就不處于凍融破壞的危險。然而，沒有足夠引氣的混凝土，常常通不過ASTMC666試驗(yàn)。可是為滿足ASTMC666試驗(yàn)和相關(guān)規(guī)程，摻有引氣劑的高強(qiáng)混凝土拌合物又可能生產(chǎn)不出來，因?yàn)橐龤獠焕趶?qiáng)度。由于游離CaO和MgO造成的水泥安定性問題，用高壓釜進(jìn)行測試（ASTMC151），它要求水泥凈漿試樣在2MPa氣壓下存放3hr。如果膨脹超過0.8%，就被認(rèn)為安定性不良。這種試驗(yàn)是加速某一現(xiàn)象以致失去意義和目標(biāo)的典型例子。試驗(yàn)得出被放大了的膨脹值，是由于高CaO和MgO水泥在普通養(yǎng)護(hù)條件下水化產(chǎn)生強(qiáng)度的產(chǎn)物，即C-S-H，被高壓蒸養(yǎng)所破壞。再者，規(guī)程里的蒸壓膨脹限值（0.8%）和混凝土使用中的安定性從來就沒有顯示出相關(guān)性。為了符合ASTMC151試驗(yàn)方法和相關(guān)規(guī)程，水泥業(yè)有時不得不丟棄采石場里白云石質(zhì)夾雜物，這對資源保護(hù)和生態(tài)帶來負(fù)面的影響?？傊枰獙ΜF(xiàn)行的試驗(yàn)方法和規(guī)程進(jìn)行嚴(yán)格的審視和全面的回顧。如試驗(yàn)室養(yǎng)護(hù)試件的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)等，某些試驗(yàn)方法對質(zhì)量控制目的仍然很有用，但它們似乎沒有一種在預(yù)測混凝土服務(wù)壽命時是有用的，如下面所討論，服務(wù)壽命在很大程度上要受混凝土加工過程和實(shí)際環(huán)境條件所影響?；炷良庸ぃ磽v固和養(yǎng)護(hù)，對現(xiàn)場混凝土的性能有重大影響。然而，大多數(shù)質(zhì)量保證體系都僅以試驗(yàn)室制作的試件為依據(jù)。因此，在澆筑、成型和養(yǎng)護(hù)中因沉降或熱收縮產(chǎn)生的缺陷，包括早期的微裂縫，是檢查不到的。顯然，一個整體性的質(zhì)量保證體系將更多地依據(jù)現(xiàn)場混凝土的微結(jié)構(gòu)和性能試驗(yàn)，而不是試驗(yàn)室澆筑的試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。為此，本研討會Gjorv的文章里描述了關(guān)于耐久性相關(guān)的試驗(yàn)方法?；炷劣糜谟泻Νh(huán)境中的建筑結(jié)構(gòu)物在逐漸增多，例如除冰鹽和海水等。它也正用于或在積極考慮用于封閉有毒的或放射性廢棄物的結(jié)構(gòu)物。為提供設(shè)計服務(wù)壽命需要的定量數(shù)據(jù)，已開發(fā)出基于數(shù)學(xué)模型的計算機(jī)專家系統(tǒng)。如果用于專家系統(tǒng)假設(shè)的數(shù)學(xué)模型有問題，對服務(wù)壽命預(yù)測的數(shù)據(jù)資料的可信度就值得懷疑了。一種可靠的數(shù)學(xué)預(yù)測服務(wù)壽命方法的三個要素是：準(zhǔn)確地定義材料（混凝土）、準(zhǔn)確地定義環(huán)境和一個可靠的依據(jù)快速耐久性試驗(yàn)方法的數(shù)據(jù)庫。如上所述，當(dāng)前應(yīng)用的試驗(yàn)室方法是不足以預(yù)測現(xiàn)場的結(jié)構(gòu)中的混凝土性能。對材料和環(huán)境建模的問題在下面章節(jié)中討論。對混凝土微結(jié)構(gòu)建模，如圖4所示，混凝土的微結(jié)構(gòu)同時受到變化范圍很大的環(huán)境的影響，這就象要射擊一個始終在活動著的目標(biāo)作為靶子一樣。靜態(tài)模型的不真實(shí)，是因?yàn)椴牧系奈⒔Y(jié)構(gòu)，包括孔結(jié)構(gòu)和滲透性，在不斷地變化，對應(yīng)于水、CO2、氧氣和侵蝕性離子在當(dāng)?shù)販囟?、濕度和壓力條件影響下的滲透速率。演變中的物理化學(xué)過程，如未水化水泥和火山灰顆粒的水化，已經(jīng)形成水化產(chǎn)物的溶解和隨后新產(chǎn)物的沉積（一種經(jīng)常視為微裂縫自愈的現(xiàn)象），會同時具備產(chǎn)生和破壞水泥漿的粘結(jié)力。當(dāng)我們對一個千變?nèi)f化體系的組成、特性、出現(xiàn)與消失的速率還知之甚少時，怎么能對它建模呢？簡言之，對一種正在劣化的混凝土建立數(shù)學(xué)模型，如在下面所討論的，最多僅以當(dāng)前的混凝土耐久性科學(xué)為依據(jù)，是不夠的。在對環(huán)境建模時，我們遇到類似的困難。毫無疑問，干濕循環(huán)、冷熱循環(huán)、凍融循環(huán)和加載、卸載循環(huán)要對物理化學(xué)破壞過程產(chǎn)生深刻的影響。例如，鋼筋銹蝕和堿－硅反應(yīng)隨溫度升高而加速；而據(jù)報導(dǎo)，硫酸鹽侵蝕在高溫時減小，但在高壓時加劇。而且，據(jù)Chandra報導(dǎo)，碳化侵蝕，即使有少量SO2和NOx存在的情況下也會加劇，而它們在酸雨和市區(qū)霧氣中存在。我們通常只知道一個環(huán)境變量在一時的影響，而不知道兩個或多個環(huán)境變量同時存在時的超疊作用。一座混凝土結(jié)構(gòu)物在其服務(wù)期可能處于多種環(huán)境因素的實(shí)際組合，經(jīng)常在環(huán)境模型中被忽略。此外，Rostam認(rèn)為：通過宏觀環(huán)境的觀察確定微環(huán)境的能力是混凝土技術(shù)未來研究中的主要難點(diǎn)。時間破壞技術(shù)上使用期限發(fā)展開始界限圖5決定混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)使用期限示意圖因此，有經(jīng)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計師們的觀察，常常對計算機(jī)輔助耐久性預(yù)測也有用。在1992年秋波多黎各的ACI大會上，Tedesko說道：“認(rèn)為通過更精確的、復(fù)雜的計算機(jī)分析，就能做出更好的設(shè)計，是一個錯誤的概念。設(shè)計的質(zhì)量不是計算精確性的函數(shù)，當(dāng)分析中所作假設(shè)的準(zhǔn)確性還不知道時，就沒必要追求數(shù)值分析中高度的精確值”。在上述類型問題中，顯然很難對服務(wù)壽命做出定量的準(zhǔn)確預(yù)測；然而定性的耐久性設(shè)計應(yīng)該是不難的。這個概念由基于CEB（歐洲混凝土聯(lián)合委員會）工作的圖5表述。根據(jù)Rostarn所說：在“損傷初生期”，材料本身尚看不出已顯著削弱，但是一些保護(hù)屏障受到破壞，例如由于CO2或氯化物滲入產(chǎn)生的鋼筋脫鈍。但是根據(jù)筆者提出，如圖4所示的整體性模型，從根本來講，第一層防護(hù)屏障是混凝土的不透水性，因?yàn)槠茐拈_始和擴(kuò)展必須到這層屏障被破壞以后。因此，將圖5修改成圖6，表示：（a）1階段的耐久性可通過適當(dāng)?shù)刈⒁庠牧线x用、配合比設(shè)計和混凝土加工過程獲得；（時間破壞技術(shù)上使用期限發(fā)展開始界限圖5決定混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)使用期限示意圖圖6一種預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)服務(wù)壽命的兩階段損傷模型圖6一種預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)服務(wù)壽命的兩階段損傷模型23年前ACI委員會提交的報告：“混凝土――2000年”中所關(guān)注的另一問題，是“越來越少的土木工程學(xué)校要求學(xué)生修完混凝土質(zhì)量控制和行為的課程”。今天，從混凝土業(yè)需要強(qiáng)調(diào)的問題角度來看，情況比1971年更糟。美國幾所著名的學(xué)府，如M.I.T和斯坦福大學(xué)土木工程專業(yè)本科生和研究生的課程中，似乎不包括任何混凝土技術(shù)方面的課程。另外，如加州大學(xué)的伯克萊分校和阿爾芭那的伊利諾依大學(xué)，現(xiàn)在有關(guān)混凝土技術(shù)的教學(xué)和科研也不如60年代了。Neville宣稱：最好的大學(xué)關(guān)于混凝土技術(shù)的教學(xué)接近0。一些像混凝土這樣的，實(shí)際能提高教學(xué)機(jī)構(gòu)地位的普通知識都不教給學(xué)生，而且這都發(fā)生在我們還不能依賴已有的規(guī)程和規(guī)范，并通過計算機(jī)建模讓普通混凝土建造的結(jié)構(gòu)物使用長久之際。用技術(shù)來解決一個問題，如用環(huán)氧涂層鋼筋或陰極保護(hù)抵抗混凝土中的鋼筋銹蝕，是既昂貴，還會產(chǎn)生其它問題。最簡單也最有效的解決方案，是回到缺乏耐久性的基本原因或者根源上，即混凝土的滲透性和服務(wù)期影響滲透性增大的因素。為了將這個問題有效地付諸現(xiàn)場實(shí)踐，必須為那些負(fù)責(zé)設(shè)計和施工混凝土結(jié)構(gòu)的的人們提供充分的受教育機(jī)會。很顯然，