摘要：2008年5月12日四川省汶川8級(jí)特大地震，強(qiáng)度超過1976年的唐山大地震，損失十分巨大。從媒體報(bào)導(dǎo)可以看出房屋坍塌是造成人員傷亡的重要因素。提高建筑物的抗震能力，至少可以減輕地震災(zāi)害. 建筑結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)起主導(dǎo)作用, 但提高建材性能、改進(jìn)施工措施以減輕損失也是不可忽視的重要措施。
關(guān)鍵詞：地震, 高強(qiáng)材料, 養(yǎng)護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)控制，復(fù)合材料
一、大力發(fā)展高強(qiáng)輕質(zhì)材料
在這次地震災(zāi)害中，電視中頻頻出現(xiàn)鋼筋混凝土構(gòu)件損壞，沉重壓在傷員身上，這是傷亡的重要因素。若能提高構(gòu)件強(qiáng)度，特別是抗拉強(qiáng)度和減輕構(gòu)件重量，減少傷亡是完全可能的。由于缺少木材和鋼材價(jià)格較貴，我國(guó)使用的鋼筋混凝土構(gòu)件較其他國(guó)家普遍，這從表1的數(shù)據(jù)可以看出，我國(guó)水泥產(chǎn)量在世界上是遙遙領(lǐng)先，不僅我國(guó)全國(guó)水泥產(chǎn)量居世界首位，僅山東省2006年的水泥產(chǎn)量（1.66億t）也居全球之冠。
輕質(zhì)高強(qiáng)永遠(yuǎn)是發(fā)展的方向，而對(duì)于應(yīng)對(duì)地震災(zāi)害也將做出重要貢獻(xiàn)。本文僅介紹近廿年發(fā)展起來的CRC(Compact reinforced composite，壓實(shí)加筋的復(fù)合材料)和Ductal[1]，這是以水泥為基礎(chǔ)加特種纖維壓實(shí)而得到的構(gòu)件，抗壓強(qiáng)度可達(dá)150～400MPa，其特殊性能為：
*抗壓強(qiáng)度為普通混凝土的6～8倍；
*抗拉強(qiáng)度為普通混凝土的10倍；
*具有很高的韌性，在重荷下可變形但不斷裂；
*表面美觀；
*耐久性和壽命是普通混凝土構(gòu)件的10～100倍。
對(duì)這種材料也從保護(hù)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的角度就如下諸方面進(jìn)行過評(píng)估：
*非再生能源（石油、天然氣、煤）的消耗
*可再生組分（石灰、粘土）
*水消耗
*溫室氣體排放
*酸排放
*海洋綠藻的生成
*產(chǎn)生的固體廢渣。
通過對(duì)比研究，與通常的橋梁相比（鋼柱以及30MPa的標(biāo)準(zhǔn)混凝土路面），采用Ductal僅需65%的原材料，51%的初級(jí)能耗以及產(chǎn)生47%的CO2排放，同時(shí)使用壽命顯著大于通常的建筑結(jié)構(gòu)。
這種材料已經(jīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。圖1及圖2顯示其工程應(yīng)用。僅從直觀看來這種材料做成的樓梯和樓板，即使坍塌也可顯著減少人員傷亡。
從基本原理講，這種材料主要是采用特制纖維，增大混凝土中纖維含量再采用加壓成型，盡可能減少制品中的孔隙率。我國(guó)完全有能力開發(fā)這種輕質(zhì)特高強(qiáng)的材料。
二、加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)（Improved curing procedure）
作為材料，水泥基材料與木材、塑料、陶瓷、磚瓦等最大的不同，在于使用過程中若能得到良好的養(yǎng)護(hù)，其強(qiáng)度可以成倍增長(zhǎng)。因此國(guó)外稱之為活性材料（Living material）。正因?yàn)槿绱巳粲@得良好性能，對(duì)水泥基材料就應(yīng)該象呵護(hù)嬰兒一樣的加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，不同的養(yǎng)護(hù)條件，性能將有顯著差異。為此Bentur[2]進(jìn)行了很好的總結(jié)，其結(jié)果如圖3、圖4所示。共有四種養(yǎng)護(hù)條件：a.池中養(yǎng)護(hù)6天；b.噴灑養(yǎng)護(hù)3天；c. 噴灑養(yǎng)護(hù)6天；d. 池中養(yǎng)護(hù)28天；e.空氣中養(yǎng)護(hù)。圖中蘭色示出不同養(yǎng)護(hù)條件下強(qiáng)度的對(duì)比，可以看出池中養(yǎng)護(hù)28天強(qiáng)度最大，而噴灑養(yǎng)護(hù)的強(qiáng)度降低10～20%。但從耐久性而言，可以看出，28天水中養(yǎng)護(hù)可以“延年益壽”，否則壽命將縮短30～60%。 這是因?yàn)榧訌?qiáng)水中養(yǎng)護(hù)后，表面層得到很好的保護(hù)，使其在有水的條件下繼續(xù)水化，水化產(chǎn)物填充孔隙之后，密實(shí)度大大增加，從而使CO2和氯離子的滲透能力顯著降低，這對(duì)保護(hù)鋼筋是特別有利的。
在這里必須強(qiáng)調(diào)的是摻有混和材（礦渣、粉煤灰、火山灰質(zhì)混和材）的水泥特別需要很好的養(yǎng)護(hù)，國(guó)外一再倡導(dǎo)的高摻量粉煤灰水泥（high volume fly ash cement），其強(qiáng)度11年后甚至超過純硅酸鹽水泥。但必須記著其條件是水中養(yǎng)護(hù)或濕空氣中養(yǎng)護(hù)。必須再三強(qiáng)調(diào)的是這些混和材要能發(fā)揮作用，一定要為其創(chuàng)造水化的條件。若施工2～3天就脫模，不能保持必要的濕度，由于混和材發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的速度是很慢的，特別是粉煤灰往往要在長(zhǎng)期養(yǎng)護(hù)中才能水化，因此對(duì)于摻有混和材的水泥，養(yǎng)護(hù)更特別重要。圖5示出土耳其科學(xué)家最近的研究結(jié)果[3]，從圖中可以看出，空氣中養(yǎng)護(hù)和水中養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度的差異，對(duì)摻有凝灰?guī)r粉的水泥水中養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度要大得多。
這里還必須提出需要混凝土工作者注意的是，我國(guó)從2008年6月1日起將實(shí)行新的水泥標(biāo)準(zhǔn)，新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定將原普通硅酸鹽水泥中混和材的最大摻量由15%放寬到20%。這就等于將德國(guó)（歐洲相同）的詳細(xì)分成十個(gè)品種的水泥，在我國(guó)統(tǒng)稱其為“普通硅酸鹽水泥”（見圖6）
德國(guó)的水泥標(biāo)準(zhǔn)，使混凝土工作者能全面了解所用水泥中摻的混和材品種及其特性，而在我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中把摻20%粉煤灰的水泥和摻20%礦渣等的水泥統(tǒng)稱為“普通硅酸鹽水泥”，而這些混合材很多基本性能是不相同的。而更為嚴(yán)重的是我國(guó)有些水泥廠甚至把混合材摻量為28～48%的水泥也稱為“普通硅酸鹽水泥”出售，這種混合材高摻量的水泥用于建造梁柱，施工中為求速度，很快拆模，從而得不到很好的養(yǎng)護(hù)，這種建筑物是不可能抵抗地震災(zāi)害的。
水泥名稱和混和材超標(biāo)問題的實(shí)質(zhì)是商業(yè)利益問題，建議有關(guān)主管部門一定要從建筑物的質(zhì)量出發(fā)，給水泥使用者以充分的知情權(quán)。從水泥名稱上標(biāo)明其所用混合材品種、嚴(yán)禁混合材超標(biāo)的水泥流入市場(chǎng)。
美國(guó)一個(gè)職業(yè)工程師(Simons)【4】一生中在國(guó)內(nèi)外搞混凝土配合比設(shè)計(jì)，而且也常摻混合材。但他始終慎重對(duì)待摻混合材帶來的影響，而且總是把混合材和水泥區(qū)別對(duì)待。計(jì)算混凝土中水用量時(shí)，既考慮水灰比(W/C)，也考慮水膠比（W/B），前者是指純水與純水泥之比，后者是指水與水泥加混合材之和的比，所以他鄭重地說：“老實(shí)說，我從未用哪怕一盎司粉煤灰去代替水泥（I can honestly say that I’ve never replacement so much as an once of cement
with fly ash）”。仔細(xì)思考這一段話，我們?cè)跄茌p易將標(biāo)準(zhǔn)中混合材量擴(kuò)大？怎能在一些水泥廠中為了商業(yè)利益大量超標(biāo)摻混合材呢？商品混凝土攪拌站也應(yīng)慎重對(duì)待添加摻合料。
三、加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)控制（Controlled in situ）
總體來說，我國(guó)建筑業(yè)尚未擺脫“粗放型”的操作方式。但由于科技進(jìn)步，現(xiàn)在的情況比過去復(fù)雜得多。水泥品種眾多，混合材也多種多樣，摻量也很不相同，外加劑廣泛應(yīng)用，魚目混雜，質(zhì)量相差甚遠(yuǎn)，砂石材料的供應(yīng)也不規(guī)范。因此要從“粗放”走向“精細(xì)”，材料的優(yōu)選優(yōu)配就顯得十分重要。但是僅憑實(shí)驗(yàn)室確定的配合比和預(yù)期性能，并不能代表現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)筑物的真實(shí)情況。國(guó)外資料表明，建筑的破壞因素，施工不良占有27%，估計(jì)就我國(guó)情況而言，這個(gè)比例還要大得多。因此鑒定和測(cè)試必需包括對(duì)施工質(zhì)量的監(jiān)測(cè)。對(duì)機(jī)場(chǎng)道面、道路、橋梁現(xiàn)場(chǎng)取樣鑒定就十分必要。這包括真實(shí)混凝土的水灰比、水泥摻量、配合比以及成熟度、均勻度等的測(cè)定，特別還有現(xiàn)場(chǎng)混凝土的含氣量。國(guó)內(nèi)外的資料一致證明摻引氣劑是提高混凝土抗凍性和抗除冰鹽腐蝕的最有效的措施，但現(xiàn)場(chǎng)混凝土的含氣量不僅決定于引氣劑性能、摻量以及混凝土的配合比，而且與攪拌方式、時(shí)間、運(yùn)輸過程以及現(xiàn)場(chǎng)的施工方法和再攪拌等因素密切相關(guān)。德國(guó)【5料表明攪拌方式不同含氣量可以相差一倍（圖7），而含氣量的對(duì)少對(duì)混凝土的力學(xué)性能有顯著影響，同時(shí)引氣劑的效果不僅與含氣量大小有關(guān)，還與引氣劑產(chǎn)生的微氣泡尺寸及尺寸分布和微氣泡的間距有關(guān)，不仔細(xì)鑒定是無(wú)法得知這些信息的。因此我們應(yīng)該把對(duì)原材料、配合比的監(jiān)控延伸到施工后真實(shí)混凝土的監(jiān)控，這將顯著提高構(gòu)筑物的質(zhì)量。
四、復(fù)合材料與復(fù)合技術(shù)
2005年10月8日巴基斯坦發(fā)生7.6級(jí)地震【6】造成7萬(wàn)多人死亡，并稱“房屋材料和質(zhì)量存在問題是造成如此嚴(yán)重死傷的重要原因”。汶川大地震中有1500萬(wàn)間房屋毀壞，災(zāi)后必須重建。在龍門山這種強(qiáng)地震烈?guī)Ыǚ俊⒔?、建路，?yīng)考慮采用最新技術(shù)和最新科技成果，復(fù)合材料與材料與結(jié)構(gòu)的復(fù)合應(yīng)該是重點(diǎn)考慮的措施。
美國(guó)9.11事件之后，其鋼鐵協(xié)會(huì)討論時(shí)稱，若世貿(mào)中心(world trade center)采用的不是全鋼結(jié)構(gòu)柱子，而是用鋼筋混凝土柱子或鋼管混凝土柱子，則垮塌的時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)一些，死傷數(shù)目有可能降低。因鋼柱子經(jīng)不起高溫，它會(huì)軟化而失效。近年來我國(guó)鋼管混凝土技術(shù)已有長(zhǎng)足發(fā)展，值得考慮【8】。
在混凝土中摻各種纖維：有機(jī)合成纖維、鋼纖維、無(wú)機(jī)纖維等能增加韌性已獲得廣泛應(yīng)用。這方面國(guó)外比我們發(fā)展更快。北歐國(guó)家將鋼纖維摻量達(dá)50~100 kg/m3的混凝土板成功應(yīng)用于柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)的地面工程【7】.各種合成纖維也正致力于提高性能，特別是通過表面處理以加強(qiáng)與水泥基材料的粘結(jié)。
在這里特別提出應(yīng)探索應(yīng)用天然纖維的可能性，這包括椰子殼、劍麻、竹、秸稈等【9，10】。在國(guó)內(nèi)外少量研究和應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)主要問題是這些纖維在高堿性水泥基材料中的耐久性問題。但隨水泥品種的改變，特別是高摻量粉煤灰和礦渣水泥，其pH已顯著降低，同時(shí)在我國(guó)西南地區(qū)今后將大力發(fā)展水力資源的利用，有豐富的電力將是發(fā)展熱壓技術(shù)的有利條件。同時(shí),這些天然纖維是可以再生的,有利于可持續(xù)發(fā)展.
五、結(jié)論
提高抗震能力應(yīng)該是一個(gè)系統(tǒng)工程.混凝土材料的優(yōu)選優(yōu)配和改進(jìn)施工措施也應(yīng)是重要的一個(gè)環(huán)節(jié). 特別應(yīng)注意的是:
1. 混合材摻量達(dá)20% 的普通硅酸鹽水泥在新標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)注明混合材品種, 并嚴(yán)禁水泥廠超標(biāo)摻入混合材.
2. 凝土施工時(shí)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)是提高性能切實(shí)可行的措施, 特別是對(duì)于氣候干燥的地區(qū)和使用高摻混合材時(shí)尤為重要.
3. 現(xiàn)場(chǎng)控制是保證質(zhì)量、監(jiān)督施工的最有效的措施.
4. 發(fā)展輕質(zhì)高強(qiáng)新材料, 采用復(fù)合材料與材料結(jié)構(gòu)復(fù)合等新技術(shù)有可能大幅度提高建筑物的抗震性能
參考文獻(xiàn)：
1. J.S. Damtoft, J. Lukasik, D. Herfort. D. Sorrentino and E.M. Gartner, Sustainable
development and climate change initiatives, Cement and Concrete Research, 38(2008) 115-127. www.crc-tech.com; www.ductal-lafage.com.
2. Aron Beutur and Denis Mitchell, Materials performance lessons, Cement and
Concrete Research, 38(2008) 259-272.
3. Baris Ozer, M. Hulusi Ozkul, The influence of initial water curing on the strength
development of ordinary and pozzolanic cement concrete, Cement and Concrete Research, no.1,vol.34(2004)13-18
4. Bryoe Simons, Fly ash: replacement or mineral admixture? Concrete International, October 2007, pp60-62.
5. Janis Oslejs, New frontiers for steel fiber- reinforced concrete, Concrete
International, May 2008, 45-50
6. VDZ, Activity Reports, 2005-2006，p111
7. 揚(yáng)子晚報(bào)，2008.5.28，第七版，“國(guó)外災(zāi)后多種措施助民重建”
8. 胡曙光，丁慶軍，鋼管混凝土， 人民交通出版社， 2007
9. V. Agopyan a,*, H. Savastano Jr. b, V.M. John a, M.A. Cincotto a, Developments
on vegetable fibre–cement based materials in Sa˜o Paulo, Brazil: an overview,
Cement and Concrete Composites, 27（2005）527-536
10. 賈哲，姜波，程光旭，楊曉冰, 纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的研究進(jìn)展,混凝土,no.8 (2007)65-68
