英國(guó)商品混凝土領(lǐng)域研究四十年回顧

　　英國(guó)混凝土學(xué)會(huì)成立的四十年，幾乎涵蓋了我的研究生涯。四十年來(lái)，混凝土行業(yè)發(fā)生的重大變化，對(duì)研究工作的類型和數(shù)量，影響頗大，歸納起來(lái)有兩大方面。

　　前言

　　就混凝土行業(yè)而言，上世紀(jì)六十年代是一個(gè)充滿樂(lè)觀和進(jìn)取的時(shí)期。雖然在二戰(zhàn)前，鋼筋混凝土就得到應(yīng)用，但是，真正起飛的年代是在上世紀(jì)的五十年代末和六十年代。原因一是鋼材短缺，二是需對(duì)城市中心進(jìn)行重大的再開(kāi)發(fā)。這是一個(gè)住宅和商業(yè)建筑的黃金時(shí)期，更不必說(shuō)公路項(xiàng)目的建設(shè)規(guī)劃。當(dāng)時(shí)，由于財(cái)政方面的緊縮，施工行業(yè)的建設(shè)能力及其對(duì)建設(shè)速度的追求，促使許多試驗(yàn)性的解決途徑，都向混凝土結(jié)構(gòu)的方向轉(zhuǎn)移，其中最值得回憶的，或許就是開(kāi)發(fā)出多種用于多層樓宇的積木式建筑體系。

　　高潮和低谷

　　混凝土

　　上世紀(jì)七十年代中期，一些在六十年代黃金時(shí)期建造的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了問(wèn)題。1968年Ronan Point大廈的部分倒塌，標(biāo)志著對(duì)高層建筑的幻想開(kāi)始破滅。雖然許多問(wèn)題并非結(jié)構(gòu)問(wèn)題，而是建筑、社會(huì)、或許還有維修保養(yǎng)不充分等問(wèn)題所致。混凝土領(lǐng)域中，隨之的研究課題就是耐久性問(wèn)題?；炷两Y(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的多種問(wèn)題, 以及當(dāng)時(shí)日益大量供應(yīng)的廉價(jià)結(jié)構(gòu)鋼材，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)入不景氣和令人懷疑的時(shí)期。直到九十年代中期，即近十年來(lái)，混凝土建筑才逐步恢復(fù)其往日的自信，讓我們?cè)俅我?jiàn)到了更多具有探索精神的混凝土建筑設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

　　鋼筋

　　第二個(gè)主要變化是在鋼筋和混凝土性能方面。雖然早已允許使用高強(qiáng)鋼筋，但是，二戰(zhàn)前和五十年代末期建造的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，大都采用屈服強(qiáng)度約為250Mpa的低碳園鋼筋。到英國(guó)混凝土學(xué)會(huì)成立之際，情況發(fā)生了迅速變化，屈服強(qiáng)度為410或460Mpa的鋼材，已成為常規(guī)材料。但是，使用經(jīng)驗(yàn)仍停留在低碳鋼。多年來(lái)，鋼材的強(qiáng)度一直穩(wěn)步提高，目前，一般的鋼材強(qiáng)度都能達(dá)到500Mpa，而且還能降低安全系數(shù)。因此，我們當(dāng)前常用的鋼筋應(yīng)力值等級(jí)，都要比在初期，我們憑長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)的值高出兩倍。由于鋼材的彈性模量并不是隨其強(qiáng)度而變化，因此，在一定尺寸構(gòu)件中產(chǎn)生的裂縫和變形，將是其初期的兩倍。

　　水泥

　　水泥也發(fā)生了顯著的變化。當(dāng)前，波特蘭水泥的強(qiáng)度，也比初期的高得多。此外，在六十年代，混凝土一般都采用普通波特蘭水泥、骨料和水配制而成。但是，當(dāng)今的混凝土中，會(huì)另加各種摻合料，諸如：粉狀粉煤灰（pfa）、微硅灰或高嶺土，以及外加劑，諸如：超塑化劑。混凝土已成為一種與過(guò)去完全不同的材料，已成為一種更具“高科技”含量的材料。六十年代早期，常規(guī)的混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等級(jí)為21-28Mpa，當(dāng)今, 已很少見(jiàn)到強(qiáng)度低于30Mpa的結(jié)構(gòu)混凝土了。通常，混凝土的強(qiáng)度要高得多。預(yù)拌混凝土供應(yīng)商已能配制出強(qiáng)度超過(guò)100Mpa的混凝土，與早期使用的混凝土相比，這已是一種完全不同的材料了。

　　研究工作

　　結(jié)構(gòu)研究

　　五十年代末和六十年代，對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土的研究相當(dāng)普遍。在這一時(shí)期，研究工作的特色是：重點(diǎn)解決材料的行為特性，其中進(jìn)行了許多規(guī)模非常大的試驗(yàn)性研究計(jì)劃，現(xiàn)僅舉兩項(xiàng)研究計(jì)劃為例，略加說(shuō)明。

　　其中最雄心勃勃的研究計(jì)劃，可能就是由英國(guó)皇家學(xué)院Baker教授組織，歐洲混凝土委員會(huì)贊助的，對(duì)鋼筋混凝土斷面韌性的研究。該項(xiàng)研究試圖對(duì)鋼筋混凝土建立再分布規(guī)則，幾乎要開(kāi)發(fā)出可對(duì)結(jié)構(gòu)鋼材進(jìn)行塑性設(shè)計(jì)的方法。16家實(shí)驗(yàn)室通力協(xié)作，進(jìn)行了此項(xiàng)研究。研究結(jié)果來(lái)自約170榀鋼筋混凝土梁。這項(xiàng)研究工作的實(shí)用性成果，已包含在CP110規(guī)程和BS8110規(guī)范的再分布規(guī)則條款中。

　　第二項(xiàng)研究計(jì)劃是，水泥與混凝土協(xié)會(huì)針對(duì)裂縫控制的調(diào)查研究。涉及到105榀鋼筋混凝土梁的本項(xiàng)研究工作，于1966年公布了第一份研究報(bào)告。接著，又陸續(xù)公布了若干份研究報(bào)告。參與調(diào)研的鋼筋混凝土梁超過(guò)200榀，并進(jìn)行了張拉試驗(yàn)。這項(xiàng)研究計(jì)劃的成果是：得出了在英國(guó)相繼出版的規(guī)范中列出的裂縫控制公式。這項(xiàng)研究工作的一個(gè)副產(chǎn)品是撓度計(jì)算法和有效跨高比。這項(xiàng)英國(guó)研究計(jì)劃，僅是這一時(shí)期，對(duì)英、美和歐洲的一系列大型工程，進(jìn)行大量裂縫研究的一個(gè)縮影而已。

　　在七十年代，采用這種途徑所進(jìn)行的混凝土研究，其資料會(huì)被規(guī)范起草委員會(huì)所用的數(shù)據(jù)庫(kù)大量采納，從而推導(dǎo)出有效的設(shè)計(jì)方法。在這一時(shí)期起草的規(guī)程，都是以大量來(lái)自試驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)資料為其堅(jiān)實(shí)的依據(jù)。

　　到了七十年代末期和八十年代，對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土進(jìn)行大規(guī)模研究的途徑基本上都停止了。其原因很多，但最主要的因素是：

　　大學(xué)和其他研究機(jī)構(gòu)的經(jīng)費(fèi)日益緊縮；

　　混凝土行業(yè)界認(rèn)為，所有他們所需的混凝土結(jié)構(gòu)行為特性，都已研究清楚；

　　研究基金的投入方向，已從結(jié)構(gòu)研究，轉(zhuǎn)移到更應(yīng)優(yōu)先考慮的耐久性研究。

　　這并不是說(shuō)結(jié)構(gòu)混凝土研究已完全停止，比如對(duì)剪力的研究，仍是一個(gè)持續(xù)不斷的熱門研究課題。從歷史的角度看，一個(gè)有趣的現(xiàn)象是，韌性又將重新成為令人感興趣的課題。早期由Baker教授組織的研究證明，混凝土結(jié)構(gòu)的最終破壞，常常是由于混凝土結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊，而其中由于鋼筋斷裂引起的結(jié)構(gòu)破壞可以忽略不計(jì)。但是，最近德國(guó)斯圖加特的Eligehausen教授及其合作人共同開(kāi)展了一項(xiàng)研究，主要依據(jù)是，對(duì)塑性鉸接區(qū)所進(jìn)行的非線性計(jì)算機(jī)分析。研究結(jié)果認(rèn)為，上述結(jié)論不再正確。有些現(xiàn)代化加工工藝生產(chǎn)出的鋼材更脆，從而導(dǎo)致由于鋼材斷裂引起的混凝土結(jié)構(gòu)破壞。此外，與Baker教授研究時(shí)代的混凝土相比，當(dāng)前強(qiáng)度更高的混凝土往往更脆。因此，由于混凝土生產(chǎn)和鋼材生產(chǎn)工藝的變化，Baker教授主要研究計(jì)劃時(shí)期所收集的數(shù)據(jù)資料已過(guò)時(shí)。如果要更新設(shè)計(jì)規(guī)則，就需重復(fù)進(jìn)行類似的研究工作。

　　在現(xiàn)代情況下，再象Baker教授那樣，組織一項(xiàng)國(guó)際性的合作研究項(xiàng)目，是不現(xiàn)實(shí)的。但是，可以在若干國(guó)家范圍內(nèi)（包括英國(guó)）進(jìn)行這類研究。一項(xiàng)由歐洲混凝土委員會(huì)組建的，由Eligehausen教授領(lǐng)銜的專題小組，已提供了一個(gè)學(xué)術(shù)交流論壇，專門討論這項(xiàng)研究成果，并在1997年公布了一份具有先進(jìn)技術(shù)水平的研究報(bào)告。該報(bào)告導(dǎo)致了歐洲規(guī)范中，在涉及混凝土脆性時(shí)，需考慮鋼材斷裂和日益增長(zhǎng)的更高強(qiáng)度進(jìn)行韌性和再分布極限設(shè)計(jì)規(guī)則的修訂。

　　近期，另一個(gè)成功開(kāi)發(fā)的主要研究領(lǐng)域是：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和更為獨(dú)特的維修工作。

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　　耐久性

　　過(guò)去四十年中，研究方向的主要轉(zhuǎn)變是，日益重視混凝土的耐久性研究，其原因已眾所周知。從五十年代末到七十年代初，在這段建設(shè)黃金時(shí)期，耐久性問(wèn)題一直沒(méi)有被習(xí)慣勢(shì)力認(rèn)可。直到七十年代中期，那段時(shí)期所建造的一些建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了問(wèn)題，一系列的明顯問(wèn)題才暴露出來(lái)，它們是：

　　高鋁水泥（HAC）的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，導(dǎo)致了強(qiáng)度的大幅下降。雖然，這種反應(yīng)已廣為人知，但是，在英國(guó)環(huán)境條件下會(huì)產(chǎn)生這種反應(yīng)，一直沒(méi)被認(rèn)識(shí)到。根據(jù)坍塌的Camden學(xué)院屋面梁的研究顯示，這可能導(dǎo)致所有含高鋁水泥混凝土構(gòu)件的建筑，都需進(jìn)行所受影響程度的重大評(píng)估。

　　采用含氯化鈣的早強(qiáng)劑，會(huì)引起鋼筋腐蝕。

　　在公路上使用去冰鹽會(huì)導(dǎo)致鋼筋腐蝕。氯化物的腐蝕作用早已為人所知，但是，公路上大量撒鹽，實(shí)際上是后六十年代的一個(gè)普遍現(xiàn)象，原因是大量運(yùn)輸從鐵路轉(zhuǎn)向公路。此外，由于政治的原因，一年四季都必須保持主要公路的暢通。這項(xiàng)政策的后果，一時(shí)并沒(méi)被認(rèn)識(shí)到。于是就出現(xiàn)了一段約長(zhǎng)達(dá)十年的時(shí)期，即開(kāi)始在公路上增加使用去冰鹽，直到出現(xiàn)大量鋼筋腐蝕問(wèn)題。

　　在中東出現(xiàn)大量鋼筋腐蝕問(wèn)題，而那里正是英國(guó)設(shè)計(jì)人員和承包商非?；钴S的地區(qū)；

　　堿-硅反應(yīng)—這是一種水泥中的強(qiáng)堿與某些品種的硅酸鹽骨料之間的反應(yīng)。過(guò)去，人們不相信英國(guó)骨料會(huì)產(chǎn)生這樣的問(wèn)題。但是，在七十年代后期，在英國(guó)的若干地區(qū)也出現(xiàn)這樣的反應(yīng)案例。

　　針對(duì)這些問(wèn)題的種種嘗試，反映出對(duì)混凝土耐久性的認(rèn)識(shí)是多么膚淺。而且，正是存在那些缺少理性基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)公式和施工程序，特別是對(duì)被認(rèn)定為最嚴(yán)重的實(shí)際問(wèn)題，即鋼筋腐蝕的研究，導(dǎo)致了研究基金向與耐久性有關(guān)課題的重大轉(zhuǎn)移。過(guò)去25年來(lái)，耐久性問(wèn)題可能是最活躍的混凝土研究課題。

　　探討

　　我已對(duì)四十年來(lái)混凝土的某些研究領(lǐng)域進(jìn)行了簡(jiǎn)要的回顧。從這段歷史，我們可以得到什么經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)呢？

　　研究工作對(duì)某些具體問(wèn)題，能提供各種各樣的答案。但是，問(wèn)題的存在是最為重要的。它對(duì)專家是一種訓(xùn)練，使專家獲得排除問(wèn)題的能力，并且提出新的開(kāi)發(fā)研究方向。這種專業(yè)知識(shí)的集成，是需要消耗相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才能開(kāi)發(fā)成功的，但是，也會(huì)被迅速摧毀。轉(zhuǎn)向耐久性課題的研究基金，會(huì)導(dǎo)致把過(guò)去非?；钴S的用于結(jié)構(gòu)混凝土的研究基金擠干榨盡。幾乎沒(méi)有結(jié)構(gòu)混凝土專家會(huì)成功地改變其學(xué)科專業(yè)，變?yōu)槟途眯曰炷翆＜?。大多?shù)專家也沒(méi)有進(jìn)行這樣的學(xué)科轉(zhuǎn)業(yè)。他們認(rèn)識(shí)到其研究經(jīng)費(fèi)已用盡，他們的專業(yè)生涯也就結(jié)束了。他們要么離開(kāi)研究工作，要么退休。但是，可以肯定的是，目前幾乎沒(méi)有新的研究人員進(jìn)入這一領(lǐng)域。雖然他們沒(méi)有被完全摧毀，但是，有關(guān)結(jié)構(gòu)混凝土行為特性的專業(yè)知識(shí)隊(duì)伍當(dāng)今已很小，而且越來(lái)越小?？赡苓€需要十年或十年以上的時(shí)間，才能集聚起有關(guān)混凝土耐久性的專業(yè)知識(shí)，而那時(shí)，七十年代后期前存在的耐久性問(wèn)題幾乎已不復(fù)存在。因此，還需很長(zhǎng)時(shí)間才能獲得對(duì)當(dāng)前緊迫的，又切合實(shí)際情況的耐久性問(wèn)題，作出具有權(quán)威性的答復(fù)。如果又有某一新領(lǐng)域變得需優(yōu)先考慮，那么耐久性課題的經(jīng)費(fèi)也會(huì)被轉(zhuǎn)移掉，那時(shí)，歷史又會(huì)重演，化大量經(jīng)費(fèi)獲得的耐久性專業(yè)知識(shí)，會(huì)再次被摧毀掉。

　　這個(gè)完整的發(fā)展過(guò)程似乎相當(dāng)消耗財(cái)力和人力。但是，可以肯定的是，總會(huì)存在一種專業(yè)知識(shí)的平衡載體，能涵蓋混凝土的研究工作，并且能對(duì)現(xiàn)實(shí)的需求作出更有效的反應(yīng)。

　　結(jié)論

　　雖然，在英國(guó)和歐洲，混凝土研究工作不景氣已有數(shù)年之久，但是，這種現(xiàn)象并非全球性的。來(lái)自遠(yuǎn)東（特別是新加坡、中國(guó)、日本和韓國(guó)）要求發(fā)表的對(duì)混凝土研究的論文比例大幅增加?；蛟S在混凝土研究方面，應(yīng)引起我們（英國(guó)）的重視了。