摘要: 文章論述高性能砼在理論分析上離不開流變學,特別是對新拌砼流變學參數(shù)的分析,而各種混凝土外加劑是改變流變參數(shù)的重要因素。高性能砼的生產實踐離不開外加劑,因此,必須加速發(fā)展外加劑的品種,以適應高性能混凝土的發(fā)展需要。
關鍵詞: 流變學 流變參數(shù) 混凝土外加劑 高性能混凝土
砼的產生已經超過了150年的歷史。 現(xiàn)在全世界已經對它究竟還能維持多少年的問題發(fā)生懷疑, 所以耐久性已經成為全世界砼研究的焦點。 過去幾十年, 人們注意力集中于研究它的強度。高強砼已經超過了100MPa, 但現(xiàn)在看來單純的高強不可能不帶來一系列其它性能上的缺陷, 例如脆性就是個很難解決的問題, 通過150多年經驗的積累, 大家發(fā)現(xiàn)了對于砼工程不能只注意高強, 還需要考慮到其它各個方面, 特別是耐久性問題。
于是,國際上出現(xiàn)了High Performance Concrete這個新名詞(HPC), 一般譯作“高性能砼”。其實, 高性能也還包括不了它的全部要求,高性能砼最重要的內容應該是抗水性、抗化學侵蝕性、抗?jié)B透性等等, 都離不開一個水字,因此高性能砼就與水有密切關系。事實上, 沒有水份談不到水化,不成為砼。水份太多釀成砼質量大大下降, 水份太少, 砼存在大量氣泡, 不能形成結實的固體, 產生不了高強,所以, 要做到高強耐久的高性能砼, 不能不考慮到水的用量和收縮裂縫問題。
于是, 砼中的用水量成為科研工作者集中注意的問題。 另一方面, 砼的特點是在加水后就隨著時間延續(xù)產生水化硬化, 就有可能把砂石膠結起來, 系列的硬化性能也隨之而來。 這樣, 砼流變學就逐漸成為研究混凝土工藝學所不可缺少的一門學問。
首先須搞清什么是流變學。簡言之,流變學是研究流動和變形的科學。具體來說, 它是力學的一個分支, 普遍應用于研究各種金屬和非金屬材料,各種有機和無機材料。 和力學的不同在于: 力學只是研究作為一個實體的物體運動規(guī)律, 不聯(lián)系物體本身的內部結構和性質, 而流變學在研究物體流動和變形規(guī)律時, 必須聯(lián)系到物體內部的結構和性質。 另一方面, 流變學也是研究物體在外力作用下產生的隨時間發(fā)展的變形和應力的關系的科學; 流變學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, 重要的還包括時間因素的考慮, 因此流變學還需確定物體在外力作用下某一瞬間的應力、應變定量關系。
砼是一種同時具有彈、粘、塑性的復合材料, 隨著水泥水化的進行, 砼的粘、塑、彈性不斷的在演變, 砼干料從加水開始經過攪拌, 隨著水泥水化的進行, 它從粘塑性為主的狀態(tài)逐漸進入以粘彈性為主的狀態(tài), 前者我們稱為新拌砼階段,后者則為硬化混凝土階段。 流變學在研究砼性能時, 必然要研究其粘、塑、彈性演變的動力學和影響流變規(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)”來反映由于結構變化造成的物理力學性能的變化。
因此, 從流變學角度去研究砼性能, 可以從水泥、水、砂、石的共同作用出發(fā), 也就是從整體物質出發(fā)來窺測砼硬化前后的變化規(guī)律全貌。 砼硬化后的一切, 包括孔結構、膠孔比、裂縫出現(xiàn)和它的發(fā)展、結構的形成和發(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: 屈服應力(θt)、塑性粘度(ηpl)、觸變性(A)、內聚性(C)等。
砼的用水量是否合適可以其和易性狀態(tài)來表示, 這里談談砼和易性,即工作性的問題; 雖有不少人研究過它的定義和含義, 但迄今沒有一個大家滿意的統(tǒng)一的定義和測試方法。
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、抹平的一系列操作過程中, 在消耗一定能量下達到穩(wěn)定和密實的程度。工作性如果從以上定義出發(fā), 則其含義應該包括: 流動性、可塑性、穩(wěn)定性、易密性四個方面的結合。
表達工作性的測試方法, 最普遍的是VB法, 搗實系數(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, 用回轉粘度計測定θt、ηpl兩個參數(shù)來定量地表達(即所謂“兩點法”)比較令人滿意, 但從有Abrams水灰比學說以來, 混凝土普遍向高強發(fā)展,雖然也可照顧到耐久性, 但高強還是主要的。在研究高強砼過程中, 一定程度上涉及砼的耐久性, 但一切仍以發(fā)展高強砼為主, 影響砼耐久性的因素既多又復雜, 其難度要比影響強度大得多。
近幾年來,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), 砼的最高強度大大超過了過去, 這根本上改變了工程結構的設計, 是一個很大的躍進。但是從今天看來, 高強砼要達到既高強又耐久的程度,還有一個相當距離, 而今天許多重要的工程結構決不僅僅是高強所能解決的。
砼的研究必須要從新拌砼階段開始, 也就是說砼粘塑性階段進入粘彈性階段過程中,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。 但對耐久性而言, 砼的用水量還不能完全解決問題, 因為重要的方面還在于抵抗化學侵蝕, 而易密性則是一個抗化學侵蝕的重要因素。
外加劑這些年來已成為砼的第六種組成材料, 我國從20世紀80年代初開始加速外加劑發(fā)展以來,今天在各種工程上已普遍應用。作者七十年代在美國考察時, 發(fā)現(xiàn)我國與美的差距主要表現(xiàn)在砼外加劑上, 那時美國在全國范圍內已經普遍應用砼外加劑來改善砼的耐久性, 特別是高速公路的發(fā)展, 而我國那時基本上還沒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、高強等等, 摻加量一般僅千分之幾, 就能有很大的效果。20世紀80年代初,在中國土木工程學會下成立了砼外加劑學會, 開始了我國外加劑這一門新學科的發(fā)展。迄今為止, 我國外加劑已經普及, 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。
學會成立以后接著成立了中國外加劑協(xié)會, 團結了幾百個大小外加劑工廠, 生產了數(shù)十種外加劑品種, 特別是高效減水劑開展得最普遍,把我國砼質量提高到了100MPa以上, 作出了很大貢獻。
為什么要把外加劑和高性能砼的發(fā)展連在一起?這是因為高性能砼的發(fā)展少不了各種外加劑的應用。譬如引氣作用、抗?jié)B性、抗凍、抗硫酸侵蝕等等, 都必須應用不同的外加劑。
但是, 外加劑的應用方法是一個十分重要的問題, 它對于砼的和易性有很大影響, 特別摻加量的多少、摻加的時間,都可以影響到外加劑的效果。
高性能砼的發(fā)展是21世紀我國砼工業(yè)的主要任有良好的耐久性; ②抵抗多種砼周圍的化學侵蝕因素, 減少砼本身的收縮及溫度變化帶來的各種體積變化。
說到外加劑, 必須要提到半個多世紀前就已在美國出現(xiàn)的外加劑。那時美國高速公路每過一個冬天路面開裂就更嚴重, 大大影響了公路使用壽命。但接著出現(xiàn)了外加劑———引氣劑, 砼在嚴寒的冬季中, 不致因水份冰凍時產生的壓力, 使路面開裂。 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, 于是美國的高速公路僅僅幾年就發(fā)展迅速, 四通八達。迄今, 在許多國家發(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。我國高效減水劑也已相當普及, 使我國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度, 達到前所未有的程度。
上文提到在發(fā)展高性能砼時必須提高砼的抗水性、抗化學侵蝕性。于是近年又出現(xiàn)了一種膨脹劑, 它能補償砼的收縮, 使水分不易侵入砼裂縫, 從而提高抗化學侵蝕及抗堿骨料反應等性能。
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的細磨材料, 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。
總之, 21世紀的砼將不再僅僅以提高強度為目的, 而要達到既高強又耐久, 并且具有抵抗多種自然界破壞力的功能。
從外加劑、流變學角度發(fā)展高性能砼, 看來應該是21世紀砼工業(yè)的主要方向。歸納下來, 我建議21世紀的砼必須符合以下要求:
①不再單一地從提高強度出發(fā), 而必須同時考慮多性能作用, 特別是提高耐久性。
②高性能砼是各種砼結構的發(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個組份。它的品種、功能必須充分得到發(fā)展。
達到高性能從理論上分析離不開流變學, 須特別注意的是新拌砼的流變學參數(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, 以適應高性能砼的需要。