外加劑、流變學(xué)與高性能混凝土
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摘 要 : 文章論述高性能矽在理論分析上離不開(kāi)流變學(xué)，特別是對(duì)新拌TIk流變學(xué)參數(shù)的分析，而各種混凝土外加則是改變流變參數(shù)的重要一因素。高性能硅的生產(chǎn)實(shí)踐離不開(kāi)外加劑，因此，必須加速發(fā)展外加劑的品種，以適應(yīng)高性能混凝上的發(fā)展需要。
關(guān)鍵詞 :流變學(xué) 流變參數(shù) 混凝土外加劑 高性能混凝土
砼的產(chǎn)生已經(jīng)超過(guò)了150年的歷史?，F(xiàn)在全世界已經(jīng)對(duì)它究竟還能維持多少年的問(wèn)題發(fā)生懷疑，所以耐久性已經(jīng)成為全世界砼研究的焦點(diǎn)。過(guò)去幾十年，人們注意力集中于研究它的強(qiáng)度。高強(qiáng)砼已經(jīng)超過(guò)了lOO MPa，但現(xiàn)在看來(lái)單純的高強(qiáng)不可能不帶來(lái)一系列其它性能上的缺陷，例如脆性就是個(gè)很難解決的問(wèn)題，通過(guò)150多年經(jīng)驗(yàn)的積累，大家發(fā)現(xiàn)了對(duì)于砼工程不能只注意高強(qiáng)，還需要考慮到其它各個(gè)方面，特別是耐久性問(wèn)題.
于是，國(guó)際上出現(xiàn)了High performance concrete這個(gè)新名詞(HPC)，一般譯作“高性能砼”。其實(shí)，高性能也還包括不了它的全部要求，高性能砼最重要的內(nèi)容應(yīng)該是抗水性、抗化學(xué)侵蝕性、抗?jié)B透性等等，都離不開(kāi)一個(gè)水字，因此高性能砼就與水有密切關(guān)系。事實(shí)上，沒(méi)有水份談不到水化，不成為砼。水份太多釀成砼質(zhì)量大大下降，水份太少，砼存在大量氣泡，不能形成結(jié)實(shí)的固體，產(chǎn)生不了高強(qiáng)，所以，要做到高強(qiáng)耐久的高性能砼，不能不考慮到水的用量和收縮裂縫問(wèn)題。
于是，砼中的用水量成為科研工作者集中注意的問(wèn)題。另一方面，砼的特點(diǎn)是在加水后就隨著時(shí)間延續(xù)產(chǎn)生水化硬化，就有可能把砂石膠結(jié)起來(lái)，一系列的硬化性能也隨之而來(lái)。這樣，砼流變學(xué)就逐漸成為研究混凝土工藝學(xué)所不可缺少的一門(mén)學(xué)問(wèn)。首先須 搞 清什么是流變學(xué)。簡(jiǎn)言之，流變學(xué)是研究流動(dòng)和變形的科學(xué)。具體來(lái)說(shuō)，它是力學(xué)的一個(gè)分支，普遍應(yīng)用于研究各種金屬和非金屬材料，各種有機(jī)和無(wú)機(jī)材料。和力學(xué)的不同在于:力學(xué)只是研究作為一個(gè)實(shí)體的物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，不聯(lián)系物體本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，而流變學(xué)在研究物體流動(dòng)和變形規(guī)律時(shí)，必須聯(lián)系到物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。另一方面，流變學(xué)也是研究物體在外力作用下產(chǎn)生的隨時(shí)間發(fā)展的變形和應(yīng)力的關(guān)系的科學(xué);流變學(xué)也是研究物體在外力作用下發(fā)生的彈、粘、塑性演變的科學(xué)，重要的還包括時(shí)間因素的考慮，因此流變學(xué)還需確定物體在外力作用下某一瞬間的應(yīng)力、應(yīng)變定量關(guān)系。
砼是一種同時(shí)具有彈、粘、塑性的復(fù)合材料，隨著水泥水化的進(jìn)行，砼的粘、塑、彈性不斷的在演變，砼干料從加水開(kāi)始經(jīng)過(guò)攪拌，隨著水泥水化的進(jìn)行，它從粘塑性為主的狀態(tài)逐漸進(jìn)人以粘彈性為主的狀態(tài)，前者我們稱(chēng)為新拌砼階段，后者N1為硬化混凝土階段。流變學(xué)在研究砼性能時(shí)，必然要研究其粘、塑、彈性演變的動(dòng)力學(xué)和影響流變規(guī)律的各種因素，不論在新拌階段或者硬化階段都可以從各種“流變參數(shù)”來(lái)反映由于結(jié)構(gòu)變化造成的物理力學(xué)性能的變化。
因此，從 流變學(xué)角度去研究砼性能，可以從水泥、水、砂、石的共同作用出發(fā)，也就是從整體物質(zhì)出發(fā)來(lái)窺測(cè)砼硬化前后的變化規(guī)律全貌。砼硬化后的一切，包括孔結(jié)構(gòu)、膠孔比、裂縫出現(xiàn)和它的發(fā)展、結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展都決定于新拌階段的流變參數(shù)。新拌砼的流變參數(shù)是:屈服應(yīng)力( )、塑性粘度 、觸變性(A)、內(nèi)聚性(C)等。 砼的用水量是否合適可以其和易性狀態(tài)來(lái)表示，這里談?wù)勴藕鸵仔裕垂ぷ餍缘膯?wèn)題;雖有不少人研究過(guò)它的定義和含義，但迄今沒(méi)有一個(gè)大家滿意的統(tǒng)一的定義和測(cè)試方法。
作者從研究流變性出發(fā)，給工作性下了這樣的定義:砼混合物在拌和、輸送、澆灌、搗實(shí)、抹平的一系列操作過(guò)程中，在消耗一定能量下達(dá)到穩(wěn)定和密實(shí)的程度。工作性如果從以上定義出發(fā)，則其含義應(yīng)該包括:流動(dòng)性、可塑性、穩(wěn)定性、易密性四個(gè)方面的結(jié)合。
表達(dá)工作性的測(cè)試方法，最普遍的是VB法，搗實(shí)系數(shù)跳桌法、針插法等，但它們都有缺陷，近年有人提出按Bingham公式，用回轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)定 ，兩個(gè)參數(shù)來(lái)定量地表達(dá)(即所謂“兩點(diǎn)法”)比較令人滿意，但也只能限于試驗(yàn)室應(yīng)用。從有 Abrams 水灰比學(xué)說(shuō)以來(lái)，混凝土普遍向高強(qiáng)發(fā)展，雖然也可照顧到耐久性，但高強(qiáng)還是主要的。在研究高強(qiáng)砼過(guò)程中，一定程度上涉及砼的耐久性，但一切仍以發(fā)展高強(qiáng)砼為主，影響砼耐久性的因素既多又復(fù)雜，其難度要比影響強(qiáng)度大得多。
近幾年來(lái) ，砼外加劑，尤其高效減水劑發(fā)展很快。由于高效減水劑的出現(xiàn)，砼的最高強(qiáng)度大大超過(guò)了過(guò)去，這根本上改變了工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，是一個(gè)很大的躍進(jìn)。但是從今天看來(lái)，高強(qiáng)砼要達(dá)到既高強(qiáng)又耐久的程度，還有一個(gè)相當(dāng)距離，而今天許多重要的工程結(jié)構(gòu)決不僅僅是高強(qiáng)所能解決的。
砼的研究必須要從新拌砼階段開(kāi)始，也就是說(shuō)砼粘塑性階段進(jìn)入粘彈性階段過(guò)程中，必須考慮到砼硬化后的耐久性，這主要表現(xiàn)在砼在粘塑性階段的和易性。但對(duì)耐久性而言，砼的用水量還不能完全解決問(wèn)題，因?yàn)橹匾姆矫孢€在于抵抗化學(xué)侵蝕，而易密性
則是一個(gè)抗化學(xué)侵蝕的重要因素。
外加劑這些年來(lái)已成為砼的第六種組成材料，我國(guó)從20世紀(jì)80年代初開(kāi)始加速外加劑發(fā)展以來(lái)，今天在各種工程上已普遍應(yīng)用。作者七十年代在美國(guó)考察時(shí)，發(fā)現(xiàn)我國(guó)與美的差距主要表現(xiàn)在砼外加劑上，那時(shí)美國(guó)在全國(guó)范圍內(nèi)已經(jīng)普遍應(yīng)用砼外加劑來(lái)改善砼的耐久性，特別是高速公路的發(fā)展，而我國(guó)那時(shí)基本上還沒(méi)有使用外加劑的工程，這是最大的差距。
外加劑可以改善砼多方面的性能，包括抗凍、耐熱、抗?jié)B、高強(qiáng)等等，摻加量一般僅千分之幾，就能有很大的效果。20世紀(jì)80年代初，在中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)下成立了砼外加劑學(xué)會(huì)，開(kāi)始了我國(guó)外加劑這一門(mén)新學(xué)科的發(fā)展。迄今為止，我國(guó)外加劑已經(jīng)普及，很多重要工程都用了外加劑，以改善砼的性能，特別是減水劑、膨脹劑、引氣劑等等。學(xué)會(huì)成立以后接著成立了中國(guó)外加劑協(xié)會(huì)，團(tuán)結(jié)了幾百個(gè)大小外加劑工廠，生產(chǎn)了數(shù)十種外加劑品種，特別是高效減水劑開(kāi)展得最普遍，把我國(guó)砼質(zhì)量提高到了100MPa以上，作出了很大貢獻(xiàn)。
為什么要把外加劑和高性能砼的發(fā)展連在一起?這是因?yàn)楦咝阅茼诺陌l(fā)展少不了各種外加劑的應(yīng)用。譬如引氣作用、抗?jié)B性、抗凍、抗硫酸侵蝕等等，都必須應(yīng)用不同的外加劑。但是 ，外加劑的應(yīng)用方法是一個(gè)十分重要的問(wèn)題，它對(duì)于砼的和易性有很大影響，特別摻加量的多少、摻加的時(shí)間，都可以影響到外加劑的效果。高性能砼的發(fā)展是21世紀(jì)我國(guó)砼工業(yè)的主要任務(wù)，我認(rèn)為它應(yīng)包括以下內(nèi)容:①適當(dāng)?shù)母邚?qiáng)性能，但有良好的耐久性;②抵抗多種砼周?chē)幕瘜W(xué)侵蝕因素，減少砼本身的收縮及溫度變化帶來(lái)的各種體積變化。說(shuō)到外加劑，必須要提到半個(gè)多世紀(jì)前就已在美國(guó)出 現(xiàn)的外加劑。那時(shí)美國(guó)高速公路每過(guò)一個(gè)冬天路面開(kāi)裂就更嚴(yán)重，大大影響了公路使用壽命。但接著出現(xiàn)了外加劑— 引氣劑，砼在嚴(yán)寒的冬季中，不致因水份冰凍時(shí)產(chǎn)生的壓力，使路面開(kāi)裂。引氣劑的出現(xiàn)使公路抗凍能力大大提高，使用壽命大大延長(zhǎng)，于是美國(guó)的高速公路僅僅幾年就發(fā)展迅速，四通八達(dá)。迄今，在許多國(guó)家發(fā)展了引氣劑，它已成為最有效的抗凍外加劑的一種。
近幾年出現(xiàn)的高效減水劑也很快在全球推廣。我國(guó)高效減水劑也已相當(dāng)普及，使我國(guó)砼在減少一定用水量下提高了和易性，從而大幅度提高了砼的強(qiáng)度，達(dá)到前所未有的程度。上文提 到 在發(fā)展高性能砼時(shí)必須提高砼的抗水性、抗化學(xué)侵蝕性。于是近年又出現(xiàn)了一種膨脹劑，它能補(bǔ)償砼的收縮，使水分不易侵人砼裂縫，從而提高抗化學(xué)侵蝕及抗堿骨料反應(yīng)等性能。
從高性能砼的要求出發(fā)，今天世界上已出現(xiàn)數(shù)百種砼外加劑，這些外加劑的特點(diǎn)都是摻加量極少而效果奇佳，都有著輝煌的發(fā)展前途。所以砼外加劑已成為砼組成的第六種組分材料。為了減少水泥用量，近期不同工程都摻用了不同種類(lèi)的細(xì)磨材料，如礦渣、粉煤灰等，主要目的是減少砼中水泥用量，從而使砼的需水量減少，體積變形減小以及水化熱降低等?？傊?，21世紀(jì)的砼將不再僅僅以提高強(qiáng)度為目的，而要達(dá)到既高強(qiáng)又耐久，并且具有抵抗多種自然界
破壞力的功能。
從外加劑 、流變學(xué)角度發(fā)展高性能砼，看來(lái)應(yīng)該是21世紀(jì)砼工業(yè)的主要方向。歸納下來(lái)，我建議21世紀(jì)的砼必須符合以下要求:
①不再單一地從提高強(qiáng)度出發(fā)，而必須同時(shí)考慮多性能作用，特別是提高耐久性。
②高性能砼是各種砼結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向，而所謂高性能必須突出耐久性的功效。
③外加劑是砼的第6個(gè)組份。它的品種、功能必須充分得到發(fā)展。
達(dá)到高性能從理論上分析離不開(kāi)流變學(xué)，須特別注意的是新拌砼的流變學(xué)參數(shù)，而各種外加劑則是改變流變參數(shù)的因數(shù)。。我們必須加速發(fā)展外加劑的品種，以適應(yīng)高性能砼的需要。 |
| 原作者： 黃大能 |
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