摘要： 文章論述高性能砼在理論分析上離不開(kāi)流變學(xué)，特別是對(duì)新拌砼流變學(xué)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(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)高性能混凝土的發(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。 現(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100MPa， 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)， 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)入以粘彈性為主的狀態(tài)， 前者我們稱(chēng)為新拌砼階段，后者則為硬化混凝土階段。 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（θt）、塑性粘度（ηpl）、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(mǎn)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θt、ηpl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(mǎn)意， 但從有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(chǎng)， 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， 使水分不易侵入砼裂縫， 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。
總之， 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。
