[摘要] 本文對商品混凝土發(fā)展中的水灰比與水膠比,裂縫與補償收縮,結(jié)構(gòu)實體檢驗等幾個焦點問題進(jìn)行理論及實踐的探討,希能引起各方人士的關(guān)注,達(dá)到促進(jìn)其發(fā)展之目的。
[關(guān)鍵詞] 商品混凝土 水灰比與水膠比 裂縫 補償收縮 結(jié)構(gòu)實體
1 前言
據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)[ 1 ] 報道,我國商品混凝土已進(jìn)入發(fā)展期(1991 年到2010 年) 。我國商品混凝土的迅猛發(fā)展既是借助于基建投資的拉動,又是借助于材料科學(xué)的進(jìn)步,是混凝土外加劑和摻合料的技術(shù)進(jìn)步。
商品混凝土的發(fā)展有力地促進(jìn)了混凝土科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,產(chǎn)生了顯著的社會效益及經(jīng)濟(jì)效益。但在其發(fā)展與前進(jìn)的道路上,由于混凝土新技術(shù)宣傳與普及未能到位,有關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)修訂未能及時跟上,而工程界部分人士又視規(guī)范為法律,因而使其技術(shù)進(jìn)步在某種程度上受到一定的約束,在處理某些質(zhì)量問題時,各方認(rèn)識往往不能統(tǒng)一,甚至爭論不休,從而產(chǎn)生一些負(fù)面效應(yīng)。為此,筆者對以下幾個焦點問題提出個人淺見,希能引起各位專家、學(xué)者關(guān)注,共同為我國商品混凝土的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。
2 商品混凝土中的焦點問題
2．1 水灰比與水膠比
在混凝土配合比設(shè)計中,水灰比是主要設(shè)計參數(shù)之一,水灰比與配制強度的關(guān)系是配合比設(shè)計中首先要確立的基本關(guān)系。早在1918 年,美國波特蘭水泥協(xié)會的D ·A 阿伯拉姆斯以“混凝土混合物的設(shè)計”為題,發(fā)表了著名的水灰比定律:“在一定的工作條件下,集料的品質(zhì)和配合比不變時,可塑性混凝土的強度與其它性質(zhì)都是由水灰比所決定”。19 世紀(jì)20 年代以后,瑞士混凝土專家保羅米根據(jù)法國菲萊公式,把28 天混凝土抗壓強度的曲線公式改為近似直線的公式([2 ] ) ,即我國至今仍然沿用的保羅米公式。
按照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》J GJ 55 -2000 ,該公式為:
式中αa 、αb ———回歸系數(shù)
fcu ·o ———配制強度(MPa)
fce ———水泥28d 抗壓強度實測值(MPa)
由于材料科學(xué)的進(jìn)步及我國商品混凝土的發(fā)展,普通混凝土的組成材料已經(jīng)由四組份發(fā)展到六組份,而膠凝材料也不僅僅是水泥一個品種,已經(jīng)發(fā)展到粉煤灰、礦粉等多個品種。因此,在六組份配合比設(shè)計中,需要考慮如下幾點:
(1) 依據(jù)水泥熟料礦物具有膠凝能力的本質(zhì)與條件,粉煤灰、礦粉等礦物摻合料,同樣具備結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性,同樣具有活性效應(yīng)。其中粉煤灰的活性決定于活性Al2O3 及SiO2 的含量。而礦粉的活性不僅與化學(xué)成分有關(guān),而且在很大程度上決定于成粒條件、結(jié)構(gòu)等多種因素。
粉煤灰的礦相組成主要是鋁硅玻璃體,玻璃體含量越多,活性越高。而礦粉的活性是潛在的,這種潛在活性的發(fā)揮,則以石灰等物料的存在為必要條件。即在Ca (OH) 2 的溶液中,會發(fā)生顯著的水化作用,而且在飽和的Ca (OH) 2 溶液中反應(yīng)更快。[3 ]
(2) 由于粉煤灰、礦粉在組成成份和形成過程與水泥存在一些差異,其活性低于水泥熟料礦物。因此,有學(xué)者提出粉煤灰混凝土強度的改進(jìn)公式[4 ]
式中φ———根據(jù)水泥品種、粉煤灰摻量所確定的折減系數(shù)
B ———常數(shù)
從上式可知,保羅米公式仍然可以應(yīng)用,但應(yīng)根據(jù)粉煤灰、礦粉等膠凝材料的活性對現(xiàn)行配合比設(shè)計中的公式予以修正。對于高強混凝土配合比設(shè)計,保羅米公式是否適用,尚需進(jìn)一步探討。
(3) 在摻有粉煤灰、礦粉等礦物摻合料的混凝土中,由于其活性成分所產(chǎn)生的化學(xué)效應(yīng)低于水泥,因此,如需取得相等的混凝土強度,礦物摻合料不能等量取代水泥,其水膠比不等于水灰比,且水膠比小于水灰比。其表達(dá)式為:
式中mc ———每立方米摻礦物摻合料混凝土中的水泥用量kg/ m3 。
mf ———每立方米混凝土中的礦物摻合料用量kg/ m3 。
C ———未摻礦物摻合料混凝土中的水泥用量kg/ m3 。
在用水量W 不變的條件下,mc + mf > C。
(4) 在工程實踐中,水膠比的大小,不應(yīng)受設(shè)計強度左右。在確保設(shè)計強度的前提下,應(yīng)根據(jù)工程結(jié)構(gòu)對象、耐久性要求,結(jié)合環(huán)境條件及原材料特性,有針對性地調(diào)整用水量及礦物摻合料用量,并積極降低水泥用量。
(5) 建議修改現(xiàn)行《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(J GJ 55 - 2000) 中的W/ C 公式,其中水灰比應(yīng)改為水膠比,而公式中的fce 可根據(jù)礦物摻合料的活性引入一個折減系數(shù),至于礦物摻合料的需水性可用減水劑的減水率給予調(diào)整。
2．2 裂縫與抗裂
裂縫與抗裂,在工程界已成為街談巷議之課題,有關(guān)專著及專業(yè)刊物發(fā)表論文也不計其數(shù)。
我國著名工程結(jié)構(gòu)裂縫控制專家王鐵夢教授在其專著《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》一書中指出:“工程裂縫問題是具有相當(dāng)普遍性的技術(shù)難題⋯⋯如何因地制宜地把裂縫控制在無害范圍之內(nèi)是結(jié)構(gòu)工程師的藝術(shù)。”“近代科學(xué)關(guān)于混凝土強度的細(xì)觀研究以及大量工程實踐所提供的經(jīng)驗都說明,結(jié)構(gòu)物的裂縫是不可避免的,裂縫是一種人們可以接受的材料特征,如對建筑物抗裂要求過嚴(yán),必將付出巨大的經(jīng)濟(jì)代價;科學(xué)的要求應(yīng)是將其有害程度控制在允許范圍內(nèi)”。[ 5 ]
王鐵夢教授上述觀點,應(yīng)該為廣大工程界、學(xué)術(shù)界所認(rèn)同。但在工程實踐中卻出現(xiàn)各式各樣的門派,特別在如何防裂、抗裂等問題上各出高招。筆者曾接觸到一些工程,少數(shù)設(shè)計單位不論樓面、屋面、地面,將膨脹劑作為靈丹妙藥,通通要求摻加。這些做法,即使UEA 膨脹劑發(fā)明者之一的游寶坤教授都不得不表明態(tài)度。游教授近期在刊物上發(fā)表文章指出:膨脹劑并非“萬能之藥”,用于暴露在空氣中的混凝土結(jié)構(gòu),如橋梁、路面、屋面等都不適用。[6 ] 而對于纖維、減縮劑等抗裂材料,游教授說:“我支持纖維混凝土的開發(fā)應(yīng)用,但僅用它解決混凝土表面塑性裂縫,似乎大材小用。”對減縮劑材料,認(rèn)為“價格較高,每立方混凝土成本約增加50～60 元,另外,它的實際效果尚需作出全面評估。”
混凝土由于收縮及溫差等因素產(chǎn)生的變形裂縫,如果在設(shè)計、施工及混凝土配合比的組成材料等環(huán)節(jié)給予協(xié)調(diào),并采取措施,筆者認(rèn)為可以達(dá)到一定的效果。諸如商品混凝土,開裂頻率較高的結(jié)構(gòu)主要為現(xiàn)澆混凝土樓板、大體積混凝土及地下室墻板。為控制現(xiàn)澆混凝土樓板裂縫,上海市建設(shè)和管理委員會組織了設(shè)計、勘察、施工、材料、檢測、監(jiān)理和監(jiān)督系統(tǒng)進(jìn)行了專項調(diào)查與研究,出版了《現(xiàn)澆樓板的裂縫控制》一書。此書第二章、第三章、第四章分別敘述了“樓板裂縫的設(shè)計原因與控制措施”;“樓板裂縫的材料原因與控制措施”,“樓板裂縫的施工原因與控制措施”。在此書樓板裂縫研究的指導(dǎo)思想中指出:“以混凝土收縮引起的裂縫為例:據(jù)測試混凝土收縮值一般在(4～8) ×10 - 4 ,混凝土的抗拉強度一般在2 ～ 3MPa , 彈性模量一般在( 2 ～ 4 ) ×104MPa 。由公式ε=σ/ E(式中ε:為應(yīng)變值,σ:為混凝土應(yīng)力,E :為混凝土彈性模量) ?？芍炷猎试S變形范圍在萬分之一左右,而混凝土的實際收縮在(4～8) ×10 - 4 ,混凝土實際收縮大于混凝土允許變形范圍。因此,混凝土的裂縫是不可避免的,關(guān)鍵在于控制裂縫的寬度和深度。[7 ]
裂縫雖難以避免,但仍然可以防治,如果設(shè)計、施工、材料等部門互相協(xié)調(diào),共同采取行之有效的防治措施,裂縫問題也是可以控制甚至可以避免的。例如,珠海市韻怡灣大廈地下室墻板工程,原設(shè)計墻板水平構(gòu)造筋位于豎向筋內(nèi)側(cè),經(jīng)與設(shè)計單位協(xié)商,在豎向鋼筋外側(cè)增加一道鋼絲網(wǎng),施工中加強了保溫保濕措施,在模板外側(cè)張掛兩層麻袋保溫,并將拆模時間延長至七天,在模板未拆前,采取松動模板上端進(jìn)行注水保濕工作。該工程墻板混凝土為C40泵送,經(jīng)拆模后未發(fā)現(xiàn)墻板裂縫。
關(guān)于補償收縮控制裂縫的技術(shù)措施,在《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》( GB50119 - 2003) 條文說明第814. 1 條指出:“摻膨脹劑的補償收縮混凝土大多應(yīng)用于控制有害裂縫的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程?；炷恋呐蛎浿挥性谙拗茥l件下才能產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力。”“摻膨脹劑的補償收縮混凝土水中養(yǎng)護(hù)14d 的限制膨脹率≥01015 % ,相當(dāng)在結(jié)構(gòu)中建立的預(yù)壓應(yīng)力大于012MPa 。”
以上幾條,目前在學(xué)術(shù)上尚有爭議: (1) 什么是有害裂縫? 王鐵夢教授說:”凡影響承載力或使用條件者為有害裂縫,反之為無害裂縫。[ 5 ]“而80 %以上由變形引起的裂縫并不影響結(jié)構(gòu)承載力,其裂縫根據(jù)使用要求經(jīng)處理后完全可以滿足應(yīng)用。( 2 )012MPa 的預(yù)壓應(yīng)力能補償多少收縮率呢? 熊耀瑩高級工程師在《住宅建筑裂縫因果關(guān)系漫談》一文中認(rèn)為:“只能補償收縮率0100067 %～0100233 % ,而混凝土的收縮率往往大于0104 % ,所以補償混凝土對混凝土的收縮救助只能是杯水車薪。[7 ] ”(3) 為了達(dá)到摻膨脹劑的補償收縮效果,“規(guī)范”對設(shè)計、施工、材料及混凝土制作等均提出了若干要求,諸如設(shè)計的配筋、施工中的振搗與養(yǎng)護(hù)、混凝土配制中的摻量及限制膨脹率的檢測等等,這些要求在執(zhí)行過程中存在一定的難度,特別是限制膨脹率的檢測,據(jù)筆者了解,多數(shù)工程并未執(zhí)行,因而其效果往往適得其反。
究竟怎樣防裂? 有關(guān)專家、學(xué)者已在專業(yè)雜志上發(fā)表了許多論文,筆者不再重復(fù),但關(guān)鍵在于設(shè)計、施工、材料等各方互相協(xié)調(diào),針對工程對象,共同采取對策。
2．3 結(jié)構(gòu)實體檢驗
《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》GB50204- 2002 第1011. 1 條～1011. 3 條規(guī)定:“對涉及混凝土結(jié)構(gòu)安全的重要部位應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)實體檢驗?！薄皩炷翉姸鹊臋z驗,也可根據(jù)合同的約定,采用非破損或局部破損的檢驗方法,按國家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行。”根據(jù)“規(guī)范”要求,結(jié)構(gòu)實體的檢驗用同條件養(yǎng)護(hù)試件強度檢驗。同條件養(yǎng)護(hù)試件應(yīng)由各方在混凝土澆筑入模處見證取樣?！耙?guī)范”已實施數(shù)年,采用同條件養(yǎng)護(hù)試件強度檢驗、評定結(jié)構(gòu)實體強度的工程,到目前為止,據(jù)筆者了解,其比例甚少,多數(shù)工程采用回彈或抽芯進(jìn)行評定。當(dāng)工程結(jié)構(gòu)實體混凝土強度達(dá)不到設(shè)計要求時,商品混凝土公司與施工方便相互扯皮,致使施工方長期拖欠貨款,造成商品混凝土公司經(jīng)營困難,有苦難言。因此,如何科學(xué)、合理地檢驗、評定結(jié)構(gòu)實體混凝土強度,如何界定供需雙方責(zé)任對商品混凝土的發(fā)展具有重要作用。由于以上原因,筆者時時在尋求答案。
回彈法好嗎? 或許,有關(guān)部門的某些代表會回答:好! 因為回彈是最簡單、最方便的間接測強方法。但他們是否了解,回彈法是通過對混凝土表面硬度的測定來推定混凝土強度,表面硬度與強度對應(yīng)的關(guān)系曲線及推定方法是基于上世紀(jì)七、八十年代混凝土的試驗數(shù)據(jù)確定的。二十多年來,我國混凝土的成分有了很大變化,特別是由于商品化經(jīng)營和泵送的要求,混凝土中水泥和各種摻合料(粉煤灰等) 大幅度增加,而粗骨料成分明顯減少且粒徑不斷減小。粉劑含量增加、骨料變細(xì)導(dǎo)致混凝土表面硬度相對降低,加上碳化規(guī)律變異造成的影響,采用傳統(tǒng)的回彈測強方法,所得推定強度偏低。
現(xiàn)行《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程》J GJ / T23 - 2001 中對強度偏低現(xiàn)象也有說明,但不是針對表面硬度。如條文說明第710. 3 條“一般情況下,結(jié)構(gòu)或構(gòu)件由于制作、養(yǎng)護(hù)等方面原因,其強度值要低于同條件試件強度值。本規(guī)程定義強度推定值為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件本身的強度值,而實際應(yīng)用,多數(shù)錯誤的將該值直接與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)150mm 立方體試件強度對比,造成回彈法檢測的強度值偏低的印象?！钡?10. 5 條“本檢測結(jié)果為構(gòu)件混凝土強度,該強度與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)或同條件養(yǎng)護(hù)試件強度存有差異,因此不能據(jù)此結(jié)果對構(gòu)件的設(shè)計強度等級給出合格與否的結(jié)論?！边z憾的是,一些檢測部門的人士偏要與設(shè)計強度等級劃等號,造成誤判、錯判,給國家?guī)頁p失。
回彈法檢測技術(shù)規(guī)程存在兩個問題: (1) 現(xiàn)行曲線不適應(yīng)目前膠凝材料的變化; (2) 不能給出合格與否的結(jié)論,缺乏可操作性。因此,應(yīng)及時給予修訂。
鉆芯法準(zhǔn)確嗎? 鉆芯法是通過從混凝土實體中鉆取芯樣來測定強度的一種方法。鉆芯法測定結(jié)構(gòu)實體混凝土強度雖然有較好的直觀性和直接性,但該法卻存在影響實體混凝土強度的若干不利因素。如:取芯機械造成的芯樣強度偏差;加工制作、芯樣運輸對芯樣強度的影響;養(yǎng)護(hù)與試壓對芯樣強度的偏差;鉆取芯樣時擾動芯樣,使芯樣內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋,從而降低混凝土芯樣強度等等[ 9 ] 。由于以上影響因素,鉆芯法測定結(jié)構(gòu)實體混凝土強度有待進(jìn)一步探討。
此外,還有超聲回彈綜合法,此法經(jīng)有關(guān)試驗統(tǒng)計表明,其偏低程度較大,偏差超過回彈法;還有拔出法,有關(guān)試驗統(tǒng)計表明,拔出法反映的推定強度偏高[8 ] 。
結(jié)構(gòu)實體混凝土強度究竟應(yīng)如何科學(xué)、合理地給予檢驗與評定,目前學(xué)術(shù)界仍在繼續(xù)研究與探討。
結(jié)構(gòu)實體混凝土強度檢驗如采用同條件養(yǎng)護(hù)試件的強度作為依據(jù),很顯然,由于溫度與濕度所存在的差異,同條件養(yǎng)護(hù)試件強度一般低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件的強度,但同條件養(yǎng)護(hù)試件強度是否能代表結(jié)構(gòu)實體混凝土強度呢? 筆者認(rèn)為,仍然存在差異,由于結(jié)構(gòu)實體的制作、振搗、養(yǎng)護(hù)及斷面尺寸等均不同于同條件試件,因此,仍有待進(jìn)一步探討。為此《, 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010 - 2002 條文說明第411.3～411. 4 條指出:“考慮到結(jié)構(gòu)中混凝土強度與試件強度之間的差異,根據(jù)以往的經(jīng)驗,并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)的分析,以及參考其他國家的有關(guān)規(guī)定,對試件混凝土強度修正系數(shù)取0188 ?！薄耙?guī)范”提出的試件尚不明確,是指標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件還是同條件養(yǎng)護(hù)試件?希能進(jìn)一步明確。
通過以上敘述,對結(jié)構(gòu)實體混凝土強度的檢驗與評定,尚需有關(guān)專家、學(xué)者在修訂規(guī)范時進(jìn)一步努力。
此外,對供需雙方責(zé)任也應(yīng)在有關(guān)規(guī)范中明確,避免扯皮。“實際上,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件強度主要取決于混凝土的組分,基本上反映混凝土公司的責(zé)任;而同條件養(yǎng)護(hù)試件強度則更多地取決于施工條件的影響,一般反映施工方的責(zé)任?！盵8 ] 同理,結(jié)構(gòu)實體強度也同樣應(yīng)由施工方負(fù)主要責(zé)任。
3 結(jié)語
(1) 水膠比不等于水灰比,如需取得相等的混凝土抗壓強度,水膠比小于水灰比。
(2) 混凝土裂縫問題是混凝土性能所決定的。如何控制混凝土裂縫,設(shè)計、施工、材料等各方應(yīng)相互協(xié)調(diào),共同采取措施。
(3) 補償收縮如針對性強,有關(guān)措施得力,可能會收到一定成效,反之,則適得其反。
(4) 采用同條件養(yǎng)護(hù)對結(jié)構(gòu)實體混凝土抗壓強度進(jìn)行評定,由于結(jié)構(gòu)實體在澆筑、振搗、養(yǎng)護(hù)等工藝中與同條件養(yǎng)護(hù)的試件存在差異,因此,應(yīng)考慮乘以折減系數(shù),折減系數(shù)為多少,尚應(yīng)進(jìn)一步探討。
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[作者簡介] 匡楚勝(1939 —) ,男,高級工程師,珠海飛天利商品混凝土有限公司顧問。
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