外加劑、流變學與高性能混凝土

　　砼的產生已經超過了150年的歷史?，F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lOO MPa，但現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，一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)逐漸進人以粘彈性為主的狀態(tài)，前者我們稱為新拌砼階段，后者N1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”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。新拌砼的流變參數是:屈服應力( )、塑性粘度 、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 ，兩個參數來定量地表達(即所謂“兩點法”)比較令人滿意，但也只能限于試驗室應用。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，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)現我國與美的差距主要表現在砼外加劑上，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會，團結了幾百個大小外加劑工廠，生產了數十種外加劑品種，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)的主要任務，我認為它應包括以下內容:①適當的高強性能，但有良好的耐久性;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。于是近年又出現了一種膨脹劑，它能補償砼的收縮，使水分不易侵人砼裂縫，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)，今天世界上已出現數百種砼外加劑，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?？傊?1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，而各種外加劑則是改變流變參數的因數。。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。