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逻辑非

美国的混凝土研究及有关标准的制定

                   杨华全

     长江水利委员会  长江科学院，湖北 武汉 430010



摘要：为进一步提高我国的混凝土研究及施工水平，对美国的几个有关单位进行了考察，包括伊利诺伊大学先进水泥基材料中心、建筑技术试验室、联邦公路局特纳一费尔班克高速公路研究中心、美国材料试验学会、美国国家标准与技术研究院等。重点介绍其中几个单位的基本情况，研究领域、研究手段和设备，以及美国制订混凝土标准的原则和工作程序。

关键词：混凝土研究；研究领域；技术标准；工作程序；美国



1　概况

混凝土是当今国内外使用最广泛的工程材料，美国、欧洲等发达国家在混凝土的研究及应用方面技术领先。为了学习借鉴国际先进的混凝土技术，进一步提高我国的混凝土研究及施工水平，更好地为国内工程服务，进一步促进我国混凝土研究及应用技术的发展，加强国际交流与合作，经国家建材工业局批准，由中国硅酸盐学会组团赴美国进行混凝土相关技术考察。考察的单位有：伊利诺伊大学先进水泥基材料中心（Center for Advanced Cement-Based Materials, University of Illinois）、建筑技术试验室（Construction Technology Laboratories, Inc.）、联邦公路局（Federal Highway Administration ）特纳—费尔班克高速公路研究中心（Turner-Fairbank Highway Research Center）、美国材料试验学会（American Society for Testing Materials）、美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology）、胡佛坝（HooverDam）等。

2　伊利诺伊大学先进水泥基材料中心

2.1　基本情况

伊利诺伊大学先进水泥基材料中心（ACBM）成立于1989年，主要从事水泥基材料及混凝土的基础性研究工作，并将研究成果应用到工程领域，还承担重要的教学工作。中心的研究人员由来自西北大学（Northwestern University）、伊利诺伊大学（the University of Illinois）、波渡大学（Purdue University）、密执根大学（the University of Michigan）和美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology）的科学家和工程师组成，其中的主要力量来自伊利诺伊大学和西北大学。其特点是将不同学科的人员集中起来，组成跨学院、跨大学、专业相互交叉和相互渗透的研究机构。

ACBM现在有30～40名研究人员。此外，每年还有许多学生和访问学者参与中心的研究工作，离开中心后在工业界和学术界继续他们的事业。ACBM每年都举行水泥和混凝土技术发展水平的专题讨论会，参加讨论会的人员来自全国的大学和学院的教职员工。ACBM建立起了由公司、学会、政府机构相互协作的机制，许多公司已采纳和充分运用了由专家和ACBM共同努力开发的新技术。

ACBM由美国自然科学基金会提供支持，从1989～2000年，每年200万美元，由上述的5个单位分享（伊利诺伊大学和西北大学占主要部分）。作为国家自然科学基金资助的中心，时间不能超过11a，如果超过11a，就要从工业界和工程领域获得资助。实际上，ACMB在运作过程中一直得到工业界的支持，提供研究资金的公司，大部分是水泥制造商，另外还有添加剂公司（纤维、外加剂等），有些是跨国公司。在波特兰水泥工业中，有80%是由跨国公司掌握，与它们的关系是非常重要的，既能从公司得到资金支持研究，又能将成果应用到工业中去。现在，ACBM的研究项目只有过去的1/4。

ACBM的战略计划是提供基础性的能被工业界采用的创新产品和服务，进而在现实的领域获得竞争优势。过去的10a，ACBM致力于水泥基材料的研究，现在将应用这些知识，解决一些决定性的社会问题：改善混凝土的基础结构，减轻对环境的负面影响。为此，ACBM和他们的工业界的合作伙伴制定了3个主要的研究领域：废物处理和废物利用；混凝土结构的寿命预测；按结构使用功能设计混凝土。

2.2　ACBN的主要研究领域

2.2.1　废物处理和废物利用

（1）水泥—粉煤灰或水泥—矿渣、硅粉相互作用性能的可预测性，使用粉煤灰、水泥窑灰、外加剂的经济战略。

（2）开发水泥窑灰、矿渣复合水泥以提高混凝土的耐久性，探索含有水泥窑灰的复合水泥在混凝土中的微观结构及其性能。

（3）新鲜水泥浆中化学外加剂和混合材的相互作用，探索含有各种混合材和化学外加剂的新鲜浆体的微观结构和凝结特性。

（4）混凝土的早期抗裂性，使用成熟度概念，将波特兰水泥、复合水泥的性能与混凝土早期的应力发展联系起来，建立一个预测早期裂缝风险和减少裂缝的混凝土配合比设计模型。

2.2.2　寿命预测

（1）主要研究混凝土的破坏机理及建立能够预测寿命的模型，基于耐久性试验的科学理论，模型的可靠性，包括经济因素的混凝土期望寿命的预测，预测短期的和长期的性能。

（2）用无损检测技术测定结构早期硬度和强度的适用性，开发一种现场测定新鲜混凝土凝结与硬化的无损检测技术。将使用ACBM先前已开发的用高频超声波测量混凝土和钢板接触面反射系数的超声波技术。

（3）氯化物在复合水泥中的传播，开发一种氯化物在混凝土中尤其是在复合水泥混凝土中传播的定量预测模型。

2.2.3　按结构使用功能设计混凝土

按结构用途进行配合比设计，使用复合短纤维改善混凝土路面的性能，板的强度、韧性、刚度、渗透性以及流变性能。更重要的是提高抗塑性收缩裂缝（包括早期塑性收缩裂缝和长期干缩裂缝）的能力。这项工作包括混凝土性能的研究、与纤维相关的微观结构试验研究、纤维的结合及纤维与混凝土性能的关系的模型。

2.3　ACBM的研究手段及设备

ACBM的研究手段及设备有：4500kN数字控制闭环MTS试验系统，声发射测量，数字成像和定量显微技术，环境扫描电子显微镜，核磁共振光谱仪，BET表面面积分析，水银孔率计，X—射线衍射，氮渗透仪，颗粒粒径分析及分类仪，离子和凝胶渗透色谱仪，彩色成像处理计算机等。

3　特纳—费尔班克高速公路研究中心

3.1　基本情况

特纳—费尔班克高速公路研究中心（TFHRC）隶属美国联邦公路局。TFHRC的研究者致力于找到与高速公路有关的团体面临的问题的革新的解决办法。研究主要聚焦于解决复杂的技术问题，最终的目的是保证高速公路运输体系的安全可靠。联邦公路局的研究和技术计划直接为运输部（DOT）的运输基础结构投资战略目标服务，鼓励安全可靠的运输，加强环境保护。DOT的研究手段强调合作，信息共享，鼓励国家和地方政府、学术界、私人部门的合作关系，更快、更经济有效地加速新技术、新概念和新思想在运输体系、运输过程和服务中的应用。这些研究手段要求研究活动必须适应国家的运输体系和用户的新的需要，最重要的就是革新。

3.2　研究领域

TFHRC有两个主要研究水泥和混凝土的小组：基础设施技术研究与开发小组和波特兰水泥混凝土筑路工作小组。

3.2.1　基础设施技术研究与开发小组

主要功能（职责）是改进基础设施技术、帮助基础设施研究与开发产品的推广和应用，并提供技术指导和咨询。目前在研的项目有：

（1）高性能桥梁，包括高性能混凝土、高性能钢筋及纤维增强聚合物。

（2）桥梁设计与风险，用气流动力学、地震学、水力学进行桥梁的设计。

（3）基础及基础下层的改进。

（4）腐蚀和表面处理，研究混凝土结构的防腐措施及钢筋桥梁的表面处理。

（5）沥青路面的研究，超级路面设计、沥青配合比计算机仿真、改性沥青。

（6）长期路面性能的跟踪，已收集了2400个工地数据，建立了数据库并进行分析，为改进路面性能提供经验参考。

（7）使用高速公路长期或高风险研究。

3.2.2　波特兰水泥混凝土筑路工作小组

主要目标是改进波特兰水泥混凝土路面性能、减少服役期费用，提高使波特兰水泥混凝土达到预期性能的保证率。在研项目有：

（1）混凝土开裂的预测。影响混凝土开裂有4个方面，即设计、配合比、施工及环境。现已开发出初步的软件，只要知道上述各方面的参数，输入计算机，就会知道混凝土是否开裂，能预测72ｈ。

（2）新的试验仪器设备的研制。如干硬性混凝土拌和物工作性测试仪器，以及混凝土骨料粒径、级配自动测试仪等。

（3）新的试验方法的改进。如混凝土的抗冻测试，混凝土耐久性的重要因素是冻融循环次数，冻融循环经过300个周期，要很长时间，现引进新的系数—质量系数，通过测量频率可以快速得出结论，只要100个周期，大大缩短了测试时间。

（4）各种混凝土边界气孔含量抗冻耐久性研究。如3%～4%的含气量时，混凝土是否冻融破坏。

（5）探讨标准、规范规定与性能的关系。过去重视标准、规范，而现在强调更应重视混凝土性能，提出混凝士性能指标，由工程部门采取措施达到，这样工程部门的自主性会得到充分发挥。

（6）未来设想。建立电脑网络试验室，目标是取代现有试验，只要上网，就可获得资料并得出结论。

4　美国材料试验学会

4.1　基本情况

在美国有93000个标准，其中政府制定的标准有44000个，私人制定的标准有49000个，现在政府越来越多地依靠私人制定标准。在美国有400多个单位制定标准，包括美国材料试验学会（ASTM）这样专门制定标准的组织，还有一些行业协会、科学和专业机构和一些非正式标准的制定者。

美国材料试验学会成立于1898年，已有102a的历史，是世界上最老、最大的制定标准的团体之一。ASTM共有180个员工，总部设在费城郊外，在华盛顿设有办事处。ASTM的工作经费主要靠会费，每年约3000万美元。工作人员不是技术专家而是行政管理及编辑人员，其职责是管理整个程序，让技术专家在一起制定标准。

ASTM在世界范围内有32000名会员，其中20000名会员真正参与协会制定标准。ASTM成员资格向公众开放，生产者、使用者、政府和其他有关人士如想加入均可申请，目前吸收中国大陆成员47个，涉及好几个专业领域。ASTM有128个技术委员会代表128个不同的产业，制定的标准涉及钢筋、混凝土、电子、空气质量等诸多方面，这些标准已被全球广泛地采纳和使用。所有标准至少每5a更新审定1次，以便将新的技术及时采纳进来。

ASTM的所有会员1a安排两次集中开会时间，交流情况、讨论有关的问题。最近建立了电子标准制定论坛，通过因特网而设立，成员有口令进入，展开工作，制定或维护标准。通过此方式可以大大方便美国之外的人士来参加标准的制定。

ASTM的标准大全共72卷，每年内容更新1次，并且可通过各种方式获取ASTM标准。ASTM标准库提供方便的光盘检索版本。

在ASTM，生产者、使用者、政府和其他有关人士通过自愿的、协商一致的方法来制定标准、规格、测试方法、惯例、准则和定义。ASTM的10000多个标准综合了来自100多个国家的34000个ASTM成员中专家的技术经验。这些标准已被全球广泛地采纳和使用，它们包括诸如金属、油漆、塑料、纺织品、石油、建筑、能源、环境、消费品、医疗服务与器材和电子等行业。

ASTM的公开制定标准的方式就是为什么众多各行各业的人士愿意参与ASTM制定标准工作的原因之一。ASTM聚集了全球的、其专业水平得到认可的专家参与标准的制定工作，以便使ASTM标准具有很高的技术含量和水平。ASTM除了保持一个公开和自愿的制定标准的气氛以外，还提供服务，服务范围包括专题会议，专业认可测试课程、各种形式出版物和专业培训课程，提供有关ASTM的功能、采纳和使用知识。

4.2　ASTM如何制定标准

4.2.1　原则

在美国制定标准的原则是公开、自愿和各方利益的平衡。所谓公开、自愿就是买方、卖方、研究者和机构均可参加，各方协商一致。所谓利益的平衡就是制定标准时，生产方的委员不能超过50%。ASTM也遵守这一原则。

4.2.2　工作程序和主要步骤

ASTM制定标准的程序如下：

（1）首先由任务小组负责起草，形成草案。

（2）由分委员会进行讨论，工作小组将草案提交分委员会，人数比工作小组多一些，此阶段必需注意利益平衡问题。每人均收到一份标准草案，如果分组成员发现草案有技术上缺陷的地方，你可以反对该标准，但必须书面陈述交分委员会，委员会开会审议、评论你的陈述论点、理由是否有说服力，如认为有说服力，则要求重新修改标准，然后再投票，如果没有说服力，则标准草案通过，提交给主委会。

（3）主委员会讨论，标准化新闻杂志上夹有选票，列出要投票的标准，由会员进行投票，然后提交标准委员会。

（4）最后提交由9人组成的标准委员会进行讨论，标准委员会由ASTM董事会任命，他们负责检查标准是否都遵循了有关程序。

如投了反对票而分委员会认为无说服力，将标准上交给主委会时，你可以向标准委员会进一步投诉，标准委员会来检查分委员会是否公平。这是一个很长的、也是很好的程序。

4.3　ASTM与政府的关系

ASTM与政府是合作伙伴，共有24个政府机构的1200名代表。1996年美国进行了一次创新性革命，通过了一条新法律：《国家技术进步法案》，该法案规定政府不应在自己内部制定标准，应依靠私人部门所制定的标准（1996年以前政府在内部制定标准，有些可能在私人部门就制定了）。如果私有部门已有了标准，政府不采取，则应向另一政府部门报告，解释为什么不用私有部门的标准。这样做能减少重复努力、重复工作。避免政府与私有部门制定同样的标准，减少了制定标准的成本费用，节省时间、政府资源。私人、政府共同努力制定标准，执行起来也容易。这些标准也能体现最新技术，因政府要在较长时间更新标准，而私有部门要快得多。

4.4　ASTM的组织结构

ASTM制定有关水泥和混凝土标准的委员会有两个：C01水泥委员会和C09混凝土和混凝土骨料委员会。C01水泥委员会有300个会员，C09混凝土和混凝土骨料委员会有800个会员。

4.5　美国制定水泥、混凝土标准的组织

在美国制定水泥和混凝土方面标准的组织主要有3家：美国材料试验学会（ASTM）、美国混凝土学会（ACI）、美国高速公路及运输管理协会（AASHTO），其中，ASTM、ACI是非赢利性的私人机构，AASHTO是由州政府支持的。

5　美国国家标准与技术研究院

5.1　基本情况

美国国家标准与技术研究院（NIST）成立于1901年，最初为国家标准局，1988年改命名为国家标准与技术研究院，隶属美国商业部，其负责人由总统任命。

NIST是国家性的研究院，每年有8亿美元的预算经费，由美国国会拨付。主要用作NIST的工作经费和参与制定标准。另外还有10亿美元经费来自工业界的1200个合作伙伴，他们主要是和NIST一起进行投资。

NIST有3000多个工作人员，其成员构成比例是：工程师25%，化学家12%，物理学家22%，计算机21%，数学4%，其他16%。学历构成：博士50%，硕士23%，学士22%，其他5%。

NIST有2000多个现场工程师，1550个从各地来的研究人员，其中一半来自境外。

5.2　NIST的作用

NIST主要作用是通过和工业界一起工作，开发和应用技术、测量、标准，促进美国经济的发展，提高生活的质量。它通过4个紧密结合的计划实现这一目标。

（1）测量和标准试验室。刺激美国经济，改善公共福利，为美国工业界不断改进产品和服务需要提供测量和标准的基础数据以及领先技术。

（2）先进的技术程序。与美国工业界一起，规划、执行和共同创立高风险技术开发计划，使其为国家创造就某种意义而言间接的超过直接的先进技术程序积累所容纳的经济和技术效益。为美国提供庞大的和（或者）具有战略性的长期的、基础广阔的经济利益。

（3）延伸制造合作计划。通过提供技术和商务的地区中心网络，延伸基础制造业。加强全国性的服务和支持体系、增强美国的一般雇员在500人以下的38100个小型基础制造企业的竞争力。独立的无利润的遍及全美的制造业的延伸中心和办公室，形成延伸制造合作计划服务和支持基础的核心。提供地方可以使用的信息、决断支持。

（4）质量优先计划。争取对美国的制造业，服务公司，教育组织，保健单位进行奖励的由总统签署的Malcolm baldrige质量成就国家奖。



（摘自：《人民长江》2002年4月）