外加劑與混凝土
2005-04-12 00:00
（摘要） 外加劑，主要是高效減水劑的應用，使混凝土技術發(fā)生了巨大的變化。全面認識變化帶來的影響，更新觀念、更新知識去應對與解決工程應用中出現(xiàn)的新問題。以滿足基礎設施建設可持續(xù)發(fā)展的需要，是我們面臨的十分緊迫且富有挑戰(zhàn)性的任務。
(關鍵詞) 外加劑 水膠比 自生收縮 工作度 多組分配比 設計方法
一、概述
20世紀初，水泥生產(chǎn)的工業(yè)化使混凝土逐漸成為基礎設施建設的基本材料；30年代以后，隨著生產(chǎn)技術的進步，水泥中的早強礦物C3S含量不斷增加、粉磨細度不斷加大，混凝土早期強度發(fā)展的加速給業(yè)主和承包商帶來巨大的經(jīng)濟效益。但是由于普通減水劑的分散作用有限，混凝土的水灰比難以降低，所以直到20世紀七十年代，就是當時混凝土技術領先的美國在工程中使用的，拌合物坍落度還不大的混凝土最高強度也只有5000psi（圓柱體試件34.6MPa，相當于立方體試件40.6MPa）。
但也就是在那一時期，德國和日本通過應用流動混凝土將高效減水劑推向市場。而硅鐵合金生產(chǎn)發(fā)達的挪威等國則開始將硅灰用到混凝土中。到了1983年9月，美國雜志“混凝土國際”上登載了瑞士SIKH 公司Burge發(fā)表的一篇文章“14000psi in 24hours”(意思是1 天強度達到100MPa)。該文章震驚了全美國，被稱為最引人轟動的混凝土技術上的突破。
到20世紀80年代末90年代初，美國的芝加哥等地已蓋起多棟高強混凝土的高層建筑， 28d抗壓強度可達130MPa。而到了20世紀末，正如Allcin 的文章所述：人們己經(jīng)知道如何在工業(yè)生產(chǎn)水平制得150MPa 的混凝土。在這一強度水平，粗骨料已成為混凝土中最薄弱的環(huán)節(jié)，再要提高抗壓強度，就需要剔除粗骨料，以獲得強度達200MPa 的活性粉末混凝土；只要將活性粉末混凝土澆注在薄壁鋼管里，使其受限，則抗壓強度就能繼續(xù)提高到375MPa:而當細砂也被金屬粉末所替代，混凝土強度還能進一步提高到800MPa，1000MPa 的混凝土已經(jīng)不再是夢想，下一世紀將成為現(xiàn)實。而不到30年里實現(xiàn)的這一切成就，是在水泥沒有發(fā)生任何大變化的情況下所取得的。
加拿大的Malhotra 在20 世紀80 年代初曾預言：多年來混凝土技術只有少數(shù)幾次重要的突破。40 年代開發(fā)的引氣作用是其中之一，它改變了北美混凝土技術的面貌；高效減水劑是另一次重大突破，它在今后許多年里將對混凝土的生產(chǎn)與應用帶來巨大的影響。為什么高效減水劑的應用使混凝土技術發(fā)生了如此巨變？變化會給混凝土工程建設帶來哪些新問題?又需要我們怎樣改變工程實踐去適應這種變化?下面就來一一進行具體分析。
二、水灰比(水膠比)大幅度降低的作用
混凝土體積的大部分由骨料占據(jù)，骨料顆粒要用漿體包裹，其空隙要用漿體填充，這樣漿體才能具備所需要的工作度。高效減水劑的應用使混凝土技術出現(xiàn)了驚人的進展，這種變化首先來源于它對漿體里水泥顆粒強烈的分散作用，將其絮凝時裹入的水分釋放出來，使?jié){體變“稀”，混凝土可以從通常大水灰比(水膠比)得到大幅度地降低。上述Burge那篇文章所述的“歷史性”突破的核心，就是將大劑量的高效減水劑和大摻量硅灰摻入混凝土，在機械的強力攪拌和高效減水劑的分散共同作用下，將硅灰分散到水泥顆粒周圍，由于硅灰的粒徑要比水泥小兩個數(shù)量級，使本來要自由水填充的微小空間被硅灰所填充，于是水膠比可以進一步大幅度降低。在非常低的水灰比(水膠比)條件下，水泥顆粒彼此之間，或者水泥與摻合料顆粒之間的距離大大減小，因此只需少量的水化生成物就可以使它們聯(lián)接成一整體，凝結硬化，并隨著水化物繼續(xù)生成并填充空間，混凝土強度迅速發(fā)展。
高效減水劑的應用使高強度混凝土的生產(chǎn)和澆注不再困難，因此在建造高層建筑物和大跨橋梁工程中迅速地獲得應用，施工工期可以大大縮短和模板周轉能夠加快帶來的效益也很快被人們所認識。但是水灰比(水膠比)大幅度降低后引起一連串的影響氣卻是很多人至今還遠沒有充分認識到的。
三、水灰比(水膠比)降低引發(fā)溫升的影晌
水灰比 (水膠比)降低后，膠凝材料總量必須增大，才能有足夠的漿體。而膠凝材料增加就要加劇混凝土的水化溫升，所以現(xiàn)今混凝土構件即使斷面尺寸并不大，但因水泥活性加大且膠凝材料用量增加，澆注后的溫升都會顯著提高。人們對于今天混凝土強度的增長已經(jīng)比較熟悉，但是對于結構中混凝土強度的實際增長速率，人們遠沒有認識清楚其中發(fā)生的變化。這是因為至今評價混凝土強度的發(fā)展，仍沿用將拌合物澆注成型小試件的方法來檢測。無論是把試件放里在標準養(yǎng)護室里，還是放置在構件旁邊(所謂“同條件養(yǎng)護”)，實際上都無法反映混凝土硬化期間由于本體溫度升高引起強度增長率的變化。根據(jù)研究，30℃下水泥水化的速率約比20℃時要快1倍；而40℃則為20℃時的2.4 倍，由此自然不難推測現(xiàn)今用手觸摸感到滾燙的構件里，混凝土強度的發(fā)展究竟會有多快。將試件放在結構物旁的“同條件養(yǎng)護”只是模擬了結構物的環(huán)境溫度，并不能反映處于半絕熱狀態(tài)的結構混凝土實際的溫升，現(xiàn)代混凝土材料與工程的變化大大加劇了兩者的差異。
所以，一個關鍵問題在于改進現(xiàn)行的混凝土強度檢測評價方法，采用溫度匹配養(yǎng)護來評價結構混凝土。所謂溫度匹配養(yǎng)護(Temperature Match Curing)，其實就是將成型好的試件置在與結構混凝土溫度發(fā)展歷程相同的條件下來養(yǎng)護，用于評價實際強度增長的情況。溫度匹配養(yǎng)護與標準養(yǎng)護進行比較的試驗結果，已日益受到廣泛的重視。但對于重要的大型工程，還需要通過混凝土正式澆注前的試澆注來確定可能達到的溫峰與溫度梯度，以及它們對施工操作性能和設計要求的各種長期性能的影響。這是因為任何一種拌合物，在一定的養(yǎng)護條件下會呈現(xiàn)出其獨特的溫度發(fā)展歷程。
難以認識到上述變化的原因，還在于混凝土原材料選擇和配合比確定是在實驗室里進行的。實驗室的小攪拌機與現(xiàn)場生產(chǎn)混凝土的大型攪拌機攪拌效果相差甚遠，所用水泥等原材料是在室溫條件下存放的，可如今攪拌站或現(xiàn)場儲倉里的水泥(因為以散裝方式用大罐運輸散熱緩慢)溫度有多高？50℃以上是正常的，高達90℃的水泥也不少見。去年夏天在北京有人告訴我：他們用高溫度的水泥攪拌混凝土，雖然設法將水溫降到4C，還往石子堆上噴淋降溫，可出機口拌合物的溫度還高達35~37C !混凝土硬化早期的溫度越高，于后期強度越不利的道理，可能很多人都了解，但是因為從設計人員，到工程的監(jiān)理，都抱著混凝土強度發(fā)展越快、越高就越好的觀念，所以混凝土生產(chǎn)方、施工方也都受此影響，總是生怕強度偏低，而從不考慮強度發(fā)展過快會引發(fā)的問題。
四、水灰比(水膠比)降低對混凝土體積變化的影響
水灰比 ( 水膠比)大幅度降低對混凝土的體積穩(wěn)定性影響非常顯著。前述Burge 與其同事們的突破(1d 強度為100MPa)并沒有在工程中推廣應用。這是因為不少人隨即發(fā)現(xiàn)，那種早期強度增長十分迅速的混凝土很容易開裂，而且強度也因此而發(fā)生倒縮。1983 年美國的Kinzua 大壩消能池翻修工程，采用摻18%硅灰、水膠比0.28 的混凝土澆注后2~3d 出現(xiàn)開裂，把板分成5~10 塊，拆模后隨即發(fā)現(xiàn)貫穿裂縫，表面寬度0.3~0.5mm，專家們診斷后提出可能原因之一是自生收縮水灰比 (水膠比)的降低會帶來自生收縮明顯地增大。自生收縮是混凝土在沒有溫度變化，沒有和外界發(fā)生水分交換，也不受力的條件下發(fā)生的表觀體積變形?；炷涟l(fā)生自生變形的原因，是由于化學減縮現(xiàn)象，即水泥與摻合料和水反應前與反應后的產(chǎn)物相比，其絕對體積減小所引起的。當混凝土的水灰比(水膠比)=0.50 時(相當于C30 級)，其自生變形要比溫度變形與干燥收縮小得多，可以忽略不計(但是在大體積混凝土中，還是要考慮它與溫度變形亞加的影響，因此配制大壩混凝土時通常測定自生變形大小)；但當混凝土的水灰比(水膠比)為幾35 時，其自生收縮值和干燥收縮值就大約在相同量級，而且隨著混凝土水灰比(水膠比)繼續(xù)降低，或者混凝土構件表面積與體積之比的減小，自生收縮與干燥收縮的比值還要增大，因此成為混凝土體積變形的一個重要組成部分。
水灰比 (水膠比)較低的混凝土，自生收縮現(xiàn)象主要發(fā)生在早期的混凝土，也就是它加水拌合后的一、兩天里，在施工時模板拆除之前就大部發(fā)生了。這就帶來了一個新問題，即梁、柱、墻板這些外露面積小、拆模前不便養(yǎng)護的構件如何及早開始進行濕養(yǎng)護?因為等模板拆除后，混凝土體內(nèi)的毛細孔已經(jīng)封閉，澆水再多也無濟于事了。那么針對這類混凝土，應該如何“加強養(yǎng)護”呢?研究人員已經(jīng)找到一些辦法，例如，冰島國建筑研究院的技術人員使用當?shù)囟嗫椎幕鹕侥規(guī)r(孔隙率6~15%)先浸水，然后再與其他組分拌和(國內(nèi)攪拌輕骨料混凝土也正是這樣做的)，當水泥水化消耗掉大量水分，混凝土體的相對濕度下降時，骨料里的水分向外遷移，補充漿體缺少的水分，使其繼續(xù)水化，同時減小了自生收縮，被稱之為 “內(nèi)養(yǎng)護”。近年丹麥的科學家還提出“引水材料”的概念，即混凝土里摻入少量高倍吸水劑，和多孔骨料一樣，也讓其先吸進一些水分，然后再釋放出來，同樣起內(nèi)養(yǎng)護作用。由于高倍吸水劑的顆粒非常細微，與多孔骨料相比，它對混凝土強度等性能帶來的不利影響會更小。
此外還有塑性收縮，在水灰比(水膠比)降低的條件下，混凝士的泌水明顯減少，這對改善其微結構有利，但是從表面向外蒸發(fā)的水分不能及時得到補充，尚處于塑性狀態(tài)的混凝土，稍微受到一點拉力，表面就很容易出現(xiàn)分布不規(guī)則的裂縫。出現(xiàn)裂縫以后，混凝土體內(nèi)的水分蒸發(fā)進一步加快，于是裂縫迅速擴展。因此，塑性收縮裂縫也是當今混凝土結構存在的普遍現(xiàn)象，避免這種現(xiàn)象發(fā)生最有效的措施，就是混凝土澆注后及早覆蓋。
隨著水灰比(水膠比)降低，現(xiàn)今混凝土結構易于出現(xiàn)開裂的機理，除了上述變形性能的改變以外(其實混凝土的千燥收縮值是趨于減小，乃至顯著減小的)，還有其他重要的參數(shù)發(fā)生變化。首先，在強度加速發(fā)展的同時，彈性模量隨之迅速提高(比強度的增長更加迅速)，因此變形受約束產(chǎn)生的彈性拉應力就明顯增大；而另一個參數(shù)，混凝土的徐變能力則很快減小以至消失。徐變性能對于預應力混凝土來說是不利的，因為它造成預應力損失；然而，徐變對于混凝土收縮變形受約束產(chǎn)生彈性拉應力的松弛作用則是有利的，即減小混凝土出現(xiàn)開裂的危險(早期的混凝土較少出現(xiàn)開裂的主要原因)。以上這些因素的疊加，通常導致現(xiàn)代混凝土易于早期發(fā)生開裂的趨勢。
五、水灰比(水膠比)降低對水泥與接合料作用的影響
如前所述，低水灰比(水膠比)條件下，水泥顆粒彼此的間距，或與摻合料顆粒的間距減小，因此只需少量的水化生成物混凝土就發(fā)生凝結硬化?，F(xiàn)代混凝土低水灰比的特點，使得在水灰比0.50進行等級評定的水泥出現(xiàn)許多人不理解的現(xiàn)象:用32.5和42.5級水泥配制高強混凝土時，強度值幾乎完全相等!其實這個現(xiàn)象很好解釋:在水灰比0.30左右時，兩種水泥拌制的混凝土也許只在1d內(nèi)強度有差異，而到3d或7d差異就基本消失了。
低水灰比(水膠比)、高溫升的特點，給粉煤灰等“活性低”的摻合料大摻量地應用提供了必要性和可能性。因為在以往大水灰比的條件下，混凝土中的水泥具備良好的水化條件，而摻入活性相對較低的摻合料，則延緩了水化反應的速度，減少了早期水化生成物，從而降低了強度發(fā)展速率，也不利于混凝土滲透性的降低，使人們得出“混凝土強度越高就越耐久”和“用摻合料只是為了經(jīng)濟，既不利早期強度發(fā)展，也不利于混凝土耐久性”的概念。現(xiàn)今混凝土發(fā)生的巨大變化，即水灰比大幅下降，導致混凝土里水泥的水化環(huán)境劣化，很快因為周圍缺水而停止水化；而有摻合料的混凝土里，摻合料的水化相對緩慢給水泥提供了一個相對良好的水化環(huán)境，使水泥的水化程度提高，而水膠比降低又使得粉煤灰混凝土里構成強度增長的水化物量減少的弊病被掩蓋住，于是很大摻量粉煤灰的混凝土獲得了純水泥混凝土達不到的效果。通過摻加高效減水劑和大摻量粉煤灰，可以配制出品質十分優(yōu)異且非常經(jīng)濟的混凝土。一個突出的實例，是加章大的礦產(chǎn)與能源技術中心 (CA NMET)以最大粒徑為l0mm的骨料，以150kg/m3 水泥加上200kg/m3 粉煤灰為膠凝材料，摻用高效減水劑，配制出水膠比僅0.29，坍落度為210mm工作度良奸的拌合物，這種混凝土28d 齡期抗壓強度約為50MPa, 1 年齡期則接近100 MPa。這種混凝土的用水量僅102 kg/m3，簡直低得有點令人難以置信。實際上，由于粉煤灰比水泥輕(大約是水泥的2/3)，因此大摻量粉煤灰等質量代替水泥時，凝土的水膠比，任何人用空隙率較小的骨料、有利于增加漿體體積，因此大幅度降低了混品質較好的粉煤灰和高效減水劑，親自在試驗室里做一些試驗以后，就會相信上述結果并非離奇的設想。許多人認為我們與國外的差距在高效減水劑，或者水泥的品質上；事實是首先在于骨料的品質上(國內(nèi)大多數(shù)粗骨料仍然采用落后的破碎機加工，粒形不好、級配差，因此空隙率大、漿體需要量多)，在于保守和經(jīng)驗主義的認識上。該混凝土已在加拿大、美國等用于實際工程并取得良好效果。
近些年國內(nèi)外混凝土結構開裂現(xiàn)象普遍，嚴重影響結構物的外觀與耐久性，人們?nèi)找骊P注增加粉煤灰或其它摻合料的摻量來改善性能。但長期以來粉煤灰摻量大會延緩混凝土強度發(fā)展的觀念，依然牢牢地束縛著人們的手腳，多年以前制訂的規(guī)范也約束著人們的頭腦。事實是現(xiàn)今混凝土的溫升明顯，所以即使粉煤灰摻量很大的混凝土，強度發(fā)展也完全能滿足設計與施工需要。
六、水灰比(水膠比)降低對拌合物工作度的影響
摻有高效減水劑和摻合料，并使水灰比(水膠比)降低的拌合物，表觀通常都呈現(xiàn)粘稠，而實際泵送性和搗實性(在振搗時成型密實的性能)有可能差異懸殊，這給配合比設計造成了困難。
適宜的工作度評價方法一直是困擾全世界混凝土界的難題。普遍使用的坍落度雖然早就被許多人擬文批評，但至今仍廣泛地應用于世界各處的混凝土工程，筆者認為對工作度的評價有兩種截然不同的場合，一是在混凝土攪拌或施工現(xiàn)場的檢測，這種場合主要是檢查和控制原材料相同條件下生產(chǎn)的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)計量或其它環(huán)節(jié)出現(xiàn)的偏差，這時用坍落度來比較工作度是最適宜的方法，因為不僅裝置簡單、便于攜帶，而且敏感程度也可以滿足需要。
另一是如上所述在實驗室選擇適宜的原材料與配合比。無論是為了研究的目的，還是結合工程應用的目的，其共同點在于都需要變化材料的品種和比例。由于不同原材料組成的拌合物，例如摻有高效減水劑和粉煤灰或沸石粉，水膠比和坍落度相同的拌合物雖然外觀都很粘稠，然而在泵送和振搗作用下，前者由于類似滾珠的潤滑作用，易于密實成型；而后者的泵送壓力會加大，振搗成型時間則會延長。由于坍落度試驗難以對兩種拌合物工作度的差異進行分辨，結果很可能都同樣通過加大水膠比以滿足需要。于是摻粉煤灰的拌合物看上去流動性挺好，坍落度合適，然而可能因為粘聚性不良，泵送時可能會因出現(xiàn)離析而堵泵:振搗時又可能會出現(xiàn)離析而成型不密實、不勻質，甚至表層呈現(xiàn)浮灰，被人誤認為摻粉煤灰“必然”的現(xiàn)象。
對于摻有高效減水劑和不同摻合料的低水膠比拌合物，可以采用不相等的測值來控制工作度，這是比較簡便的解決辦法，但是難點在必須依據(jù)實際操作經(jīng)驗得出合理的差值。早在20 世紀50 年代國內(nèi)翻譯前蘇聯(lián)出版的“加氣劑在水工混凝土中的應用”(筆者注:“加氣劑”后來改稱“引氣劑”一書，就提出在確定適宜摻量和配合比設計時，應將摻有引氣劑的混凝土坍落度減小2cm，與不摻的相比較，這樣做看上去似乎不好理解，實際上體現(xiàn)出它是真正以拌合物的“工作度”--- 工程施工中呈現(xiàn)的和易性--- 作為基準，而不是以某種人為規(guī)定的方法為基準，因此才是更為合理的。
七、混凝土組分增多給配合比設計帶來的影響
早期混凝土僅有四種組分，當骨料用量固定不變，拌合物與硬化后混凝土的性能就與水灰比呈線性關系。隨著混凝土技術的發(fā)展，混凝土的組分越來越多，不僅摻加外加劑和礦物摻合料(事實上，早期的混凝土所用的水泥里也摻有不少混合材，只是在現(xiàn)場看不見，品種和摻量也比較固定)，而且還都常常不只一種，變成了多組分的混凝土。
多組分使混凝土配合比設計方法面臨很大的挑戰(zhàn)。早期的混凝土組分少，通常單憑經(jīng)驗來確定配合比，那些經(jīng)驗來自現(xiàn)場應用效果的積累。因此總體上是結合工程實際的。但是隨著混凝土技術的進展，材料組分逐漸增多，單憑經(jīng)驗確定材性試驗所用配合比的方法缺點越來越突出，因此轉向采用生產(chǎn)廠家在實驗室檢驗產(chǎn)品質量的方法(即固定各種參數(shù)，而僅變更產(chǎn)品樣本與比例進行比較試驗)，這種方法適用于評價和控制產(chǎn)品質量的穩(wěn)定性，但用于設計混凝土這類工程材料，就很容易脫離實際、脫離工程整體。這種設計試驗常常是將混凝土主要組分— 粗細骨料的參數(shù)(包括品種、品質、用量)固定，將拌合物的水灰比(或水膠比)也固定，并且以一組純水泥的拌合物作為參照(空白組)，在此前提下通過變化外加劑(品種、摻量)或礦物摻合料(品種、細度、摻量)參數(shù)，在實驗室條件下配制并拌合成相同坍落度的拌合物，成型試件并待脫模后在標準溫濕度條件下養(yǎng)護至一定齡期，根據(jù)比較試驗結果確定混凝土的原材料與配合比。簡言之，這種材性試驗的方法是通過固定(也就是忽略)許多影響新拌與硬化混凝土性能發(fā)展的重要參數(shù)，而單純考慮混凝土材料某一組分的影響來進行的。
這種評價試驗體系得出的結果價值有限。因為不同外加劑和礦物摻合料對混凝土性能的作用，是和試驗時忽略了的許多參數(shù)密切相關的，換句話說，它們有各不相同的適宜應用環(huán)境條件，以及它們對新拌與硬化混凝土性能各異的影響規(guī)律。例如減水劑的減水率、緩凝劑延緩凝結時間的程度，粉煤灰等礦物摻合料對拌合物的流變參數(shù)和混凝土早期強度發(fā)展的影響等，都是隨著其它參數(shù)的變化而在很大幅度范圍里變化的。即使是輪流固定其它參數(shù)，變化某一參數(shù)的系統(tǒng)試驗；或者采用“正交試驗”，同時變化各個參數(shù)和水平，也無從考查各個參數(shù)之間的交互作用，得出整體性的優(yōu)化結果。
近年來， 國內(nèi)外已有一些人應用計算機技術，應用先進的模糊數(shù)學、神經(jīng)元理論開發(fā)出多組分的混凝土配合比設計程序，但是在如上所述的拌合物工作度評價，以及混凝土耐久性評價方法與荃準等問題沒有充分地研究并獲得可靠的依據(jù)之前，還很難獲得廣泛的應用前景。
我們己經(jīng)進入了一個新世紀，跨進了信息時代，變化快速是當今時代重要的特點。有人說：工程知識的半衰期---一個工程師的知識有一半成為過時所需的時間--- 在不同領域是有差異的，但估計在2.5~7.5 年之間。說明需要不斷地更新觀念、更新知識，才能應對與解決混凝土工程基礎設施建設中涌現(xiàn)出來的新問題。
參考文獻
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