水泥和混凝土是兩個緊密聯系但卻缺少溝通與交流的行業。水泥行業很少了解現代混凝土的特點、在耐久性方面存在的問題，以及混凝土耐久性問題與水泥質量變化的關系。在混凝土耐久性的研究中，也很少將水泥作為其中的一個影響因素。特別是缺乏從足夠的歷史跨度考察水泥質量變遷給混凝土耐久性帶來的影響。

混凝土耐久性是其暴露在特定使用環境下抵抗各種物理和化學作用的能力。引起混凝土破壞的主要環境因素有凍融和鹽凍破壞、鋼筋銹蝕和碳化、堿集料反應、化學侵蝕和磨損等，混凝土耐久性破壞可分為由化學和物理兩方面的作用引起的。化學作用包括內部化學作用(堿-硅反應、堿-碳酸鹽反應等)和外部化學作用(硫酸鹽、氯化物、以酸式碳酸鹽形式存在的二氧化碳和陰極氧氣等的侵蝕)。

物理作用包括反復的干濕、凍融循環及由此引起的鹽結晶作用和溫度效應。一般認為，除磨損外，其他破壞因素均與有害物質如H2O、CO2、SO42-、Cl-和H+等侵入混凝土密切相關，即只要這些有害物質不進入混凝土中，混凝土的損傷就非常小。因此，耐久的混凝土首先必須是密閉的，即混凝土應具有很好的抗滲性，同時，混凝土應該是近乎于不開裂的，即裂縫數量很少，裂縫尺寸特別是寬度很小。但近年來實際混凝土結構的開裂到了觸目驚心的程度，成為混凝土不能耐久的首要和主要原因。半個世紀以來水泥質量的變遷是導致混凝土容易開裂的重要因素。

廣義的混凝土滲透性是指氣體、液體或者離子在壓力梯度、濃度梯度或者電位梯度作用下，由高壓力、高濃度或高電位，向低壓力、低濃度或低電位方向滲透、遷移的性質或能力。除磨損以外的混凝土的諸多耐久性因素均與混凝土的滲透性有關。混凝土的抗滲性包括了抗水滲透性、抗氣體滲透性和抗離子滲透性。三種滲透性之間可以具有一定的相關關系，也可能彼此相關性不強。

庫馬爾·梅塔曾經提出了一個混凝土在外界環境作用下劣化的整體模型，見圖1。該模型認為，無論何種破壞形式，凍融破壞、鋼筋銹蝕、堿集料反應，還是硫酸鹽侵蝕，裂縫影響混凝土的膨脹、滲透性，進一步對混凝土耐久性起著決定性作用。

圖1庫馬爾·梅塔的混凝土耐久性整體論模型

楊錢榮等認為混凝土滲透性與Cl-侵入、碳化和硫酸鹽化學侵蝕有一定相關性，滲透性對一些膨脹引起的破壞如凍融破壞、硫酸鹽結晶破壞和堿集料反應等影響較小，并基于這種認識修正了庫馬爾·梅塔提出的耐久性模型，見圖2。

圖2楊錢榮等提出的混凝土耐久性模型

比較圖1和圖2兩個混凝土耐久性模型，圖2較之圖1單獨表示出一些膨脹引起的破壞（凍融破壞、硫酸鹽結晶破壞和堿集料反應）機理。

圖1和圖2都強調了裂縫對于混凝土耐久性的重要性，同時強調了裂縫對滲透性的影響。這與按照分解論的方法將抗氯離子滲透性能作為評價混凝土耐久性的綜合指標[5]有很大不同。

基于對混凝土物理性能的危害程度可將混凝土的空隙劃分為無害孔級(<20nm)、少害孔級（20～100nm）、有害孔級（100～200nm）和多害孔級（＞200nm）。不同水灰比的孔結構如圖3所示。

圖3顯示，在混凝土水灰比為0.30～0.65區間，多害孔和有害孔所占比例很少，少害孔占多數比例。并且隨著水灰比降低，多害孔和有害孔所占比例減少。

圖3孔徑分布及水灰比對孔體積的影響

因為混凝土滲透性與強度具有一定相關性[7]，強度越高，滲透性越低。因此非常嚴格的混凝土滲透性指標將導致混凝土強度的提高，而混凝土強度特別是早期強度的提高，會明顯增加混凝土開裂風險[8]。混凝土的可見裂縫的最小寬度為20μm，比多害孔級（>200nm）的尺度高出2個數量級。顯然，裂縫對混凝土耐久性的危害更大。基于菲克第二定律的混凝土耐久性指標，幾乎全部是在試驗室使用小試件進行試驗，通常這種試驗室的小試件不會開裂，由此得出的一系列結論也就完全忽視了混凝土開裂對耐久性的嚴重影響。這些試驗結果不斷強調降低滲透性，在混凝土工程中則引導了混凝土強調降低水膠比，增加強度，進而誤導水泥不斷增加水化活性，導致混凝土開裂風險增加。

理查德·W·伯羅斯[1]認為，半個多世紀以來美國混凝土結構嚴重劣化的主要原因在于混凝土開裂，混凝土開裂的原因在于：① 水泥強度提高；② 水泥使用量增加。國內學者也提出了近似觀點[9-10]。在世界各國的土木結構規范中，對混凝土結構都有限制最大裂縫寬度的條文，其本意主要出于使結構在預定的服役期內滿足耐久性和適用性的要求。在使用荷載下，只要裂縫寬度小于或等于規范規定的最大裂縫寬度，結構就具有要求的耐久性和適用性。

美國ACI 224R-90混凝土結構設計里所規定的裂縫的允許寬度如表1所示。

表1　ACI 224R-90混凝土結構設計規定的裂縫允許寬度

英國規范對暴露在特殊侵蝕環境條件下的允許裂縫寬度取為保護層厚度的0.4%，而在一般情況下取允許裂縫寬為0.13mm。

我國《混凝土結構耐久性設計與施工指南》所規定的在荷載作用下表面橫向裂縫寬度如表2所示。

表2中國混凝土結構設計規定的裂縫允許寬度　mm

日本土木工程協會根據環境條件和混凝土覆蓋物對鋼筋混凝土的可容許表面裂縫寬度做了定義，具體如表3所示。

表3日本土木工程協會規定的鋼筋混凝土的可容許表面裂縫寬度

注：變量“c”是鋼筋保護層厚度，通常大約為20～30mm。

上述這些對于混凝土裂縫的規定，都是基于鋼筋受力達到屈服強度時的變形，穿過保護層到達混凝土表面仍然是等寬度的假設，從而得出混凝土裂縫的允許寬度大致為0.2mm。但這一規定與混凝土耐久性并無直接關系。國內制定混凝土耐久性設計規范時，仍然沿用了這一指標。

國外這種做法也很普遍。庫馬爾·梅塔教授曾經批評美國ACI的裂縫委員會和耐久性委員會兩者互相不通氣，嚴重影響了混凝土結構耐久性這一重大問題。他認為混凝土內部裂縫延伸發展到達表面，環境中的侵蝕性介質，首先是水分就會通過裂縫向內傳輸，而其傳輸速度要比按照菲克定律通過混凝土孔傳輸的速度大幾個數量級。

混凝土體內產生的鋼筋銹蝕、堿集料反應、硫酸鹽侵蝕或者凍融破壞，其共同點是反應產物都會吸水膨脹，從而使裂縫開口加大，導致更多侵蝕性介質進入，最終導致結構破壞。存在于侵蝕性介質的混凝土在裂縫寬度遠小于0.2mm時，其耐久性就已經受到了嚴重的危害。GB 50476—2008《混凝土結構耐久性設計規范》中對于混凝土結構裂縫寬度的限定很容易讓人誤解，以為小于該規范規定寬度的裂縫就是對混凝土耐久性無害的。

事實上，所有可見裂縫甚至包括不可見裂紋對混凝土耐久性都是有害的。如今，在實際的建筑物中，可見裂縫已經到了觸目驚心的地步。

黃士元[8]從混凝土最早期的力學性能分析了早期裂縫的成因。他認為，對受約束的混凝土，其開裂條件為：

式中：

ε——混凝土的應變；

Rp——混凝土的抗拉強度；

E——混凝土的彈性模量；

εL——混凝土的極限應變。

當混凝土所產生的應變大于它的極限應變時，混凝土就產生開裂。表征混凝土開裂的參數不僅是收縮值，更本質的是極限抗拉應變值。對上述公式不能錯誤地理解為提高混凝土（水泥）的抗拉強度可以減少開裂風險。混凝土拌合物成型的最初幾個小時，還沒有形成凝聚結構，此時主要表現為黏塑性。

隨著水化進行，塑性減少，彈性模量增大，成型后4～8h彈性模量從10～100MPa迅速增長至104～105MPa，增加了3個數量級，而此期間抗壓和抗拉強度只有很微弱增長。極限抗拉應變由2h時的4.0×10-3急劇下降至6～8h時的0.04×10-3左右，即極限應變減小2個數量級。因此成型后6～8h極限抗拉應變達到最低值。

可見，凝結階段是新拌混凝土極限應變值最小、最容易開裂的階段。水泥過高的早期水化速率，導致混凝土彈性模量過早增加，同時早期化學收縮增加，早期水化熱增加，溫度應力增加，最終導致混凝土開裂風險增加。

同理查德·W·伯羅斯一樣，庫馬爾·梅塔[11]也將混凝土結構劣化的主導原因歸結為混凝土的開裂：劣化現象，例如鋼筋銹蝕和硫酸鹽侵蝕，在水和離子滲入混凝土內部時就會發生。在相互隔離的微裂縫、可見裂縫與孔隙相通時，就產生了滲漏，因此，滲漏與開裂是緊密相關的。開裂的原因有很多，然而，最主要的一個使混凝土結構早期開裂的原因，是為滿足現代高速施工所采用的高早強水泥與高早強混凝土拌合物。

3.1堿、C3A含量的影響

自1953年開始，美國國家標準協會的布萊恩（Blaine）使用圓環法對199種水泥進行了開裂影響因素的試驗[1]，研究工作持續了18年之久。由于試驗樣品數量巨大，使得在處理數據的時候可以選擇其他因素接近的一些樣品考察單一因素的影響。圖4～圖6列出了布萊恩部分研究結果。

圖4堿含量對水泥凈漿自由收縮率的影響

圖4中的樣品是從布萊恩的199種試驗中選取的具有相同干縮率的水泥（包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ型水泥），24h干縮率介于0.06%～0.07%之間，24h收縮率在0.036%～0.200%之間。圖4顯示，隨著堿含量增加，水泥凈漿自由收縮率近似呈冪函數下降。自由收縮率越高則表明水泥的延展性越好，越不容易開裂。

圖5堿含量對水泥收縮環開裂時間的影響

圖5顯示，隨著堿含量增加，水泥砂漿收縮環開裂時間近似呈冪函數下降。這個試驗還有一個令人驚奇的發現，非常低的堿含量可以得到讓人意外的延展性（抗裂性的近義詞）。23號樣品因其極低的堿含量，開裂時間比正常堿含量（K2O+0.5Na2O=0.5%）的水泥增加了9倍。

圖6堿含量和C3A含量共同對水泥收縮環開裂時間的影響

圖6的試驗結果與圖5得到近似的結論，同時表明C3A也對水泥開裂有明顯不利影響。

20世紀80年代斯普林根施密德發明的一種混凝土約束開裂試驗裝置，并使用該裝置進行了800多組試驗[1]，得出的結論是：堿對溫度收縮開裂有顯著的影響。

清華大學使用堿含量不同的兩個水泥廠的P·Ⅱ52.5R硅酸鹽水泥進行了相同條件的混凝土圓環開裂試驗。混凝土水膠比＝0.3，成型溫度18℃；室內放置24h后拆模并在室外負溫下放置，觀察開裂時間和裂縫寬度，見圖7。由圖7可見，高堿水泥出現開裂的時間更早，裂縫的寬度更寬。

圖7堿含量不同的水泥對混凝土收縮環開裂的影響

筆者在20世紀80年代也曾經在水泥廠的實際生產中發現水泥堿含量對早期化學收縮的巨大影響[12]。由于石灰石堿含量增加，使得熟料堿含量達到1.35%（Na2O+K2O）時，進行餅法安定性試驗的試餅發生了開裂，但沒有任何翹曲。裂縫是由于高堿導致水泥早期水化加劇，早期化學收縮加大造成的。

順便指出，盡管高堿、高細增加水泥化學收縮這種說法被普遍使用，但卻不夠準確。高堿只是使水泥水化產生的化學收縮可以更早顯現（可測量）出來，并非真正增大了化學收縮。換言之，相對于水泥漫長水化過程，高堿、高細只是使得十分短暫的測量期內的測量值增大了。

3.2細度的影響

依然是前述布萊恩的試驗，水泥細度對開裂的影響見圖8。由圖8可見，隨著水泥比表面積的增加，收縮環開裂的時間更短，即更加容易開裂。

圖8水泥比表面積對收縮環開裂的影響

布萊恩在總結試驗結果之后得出結論：在所有影響水泥開裂的因素中，堿含量是第一位的，其次是水泥細度。筆者認為，水泥細度對混凝土耐久性的影響不是本質性的，而是細水泥使得水泥早期水化速率、早期化學收縮增加，導致了混凝土耐久性劣化。

長期以來在混凝土耐久性的研究中采用分解論的方法，忽視了開裂對混凝土耐久性的巨大影響。因為在試驗室進行耐久性試驗的小試件是不會開裂的，但實際結構中的混凝土卻幾乎是全部開裂的。事實上，混凝土的普遍開裂是近幾十年耐久性越來越差的根本原因。在導致結構中混凝土開裂的諸多因素之中，水泥是一個重要因素。半個世紀水泥質量的變遷，使得混凝土開裂風險加大。以混凝土耐久性角度而言，水泥質量正在沿著錯誤的方向漸行漸遠。雖然有許多減少混凝土開裂的措施，比如使用膨脹劑、纖維等，但更應該從混凝土開裂的本源——水泥入手，變革水泥質量發展方向。對此將另文討論。