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外加剂不是万灵药

 

摘要:
自20世纪80年代,外加剂,主要是高效减水剂,在国内的混凝土市场逐步推广应用,尤其是在高强混凝土和泵送混凝土中,已成为不可或缺的组分。正Malhotra在第一届国际混凝土外加剂会议上所指出的:“高效减水剂的开发与应用是20世纪混凝土技术进展历程中一个重要的里程碑”[1]。多年来混凝土技术只有少数几次重要的突破,40年代开发的引气作用是其中之一,它改变了北美混凝土技术的面貌;高效减水剂是另一次重大突破,它在今后许多年里将对混凝土的生产与应用带来巨大影响。
前言:
但任何事物都有其两面性,人们常常在重视其作用的同时,却容易忽略了另一面,包括可能出现的负面作用、应用上的局限性等。对于高效减水剂,表现为误将它作为万灵药。本文就这一问题谈谈自己的看法,仅是抛砖引玉,希望引起同行的关注。
1、适用范围
高效减水剂在一些国家更多称呼为超塑化剂,顾名思义,它非常适用于制备超塑化混凝土拌合物。当然,它最适用于拌制流动度大、浆体量多、水胶比低的拌合物,即泵送高强混凝土。
但对于另一些混凝土,例如水工大坝施工浇筑的混凝土,其骨料最大粒径大(可达150mm)、浆体量较少且流动度不大,需要通过采用强力振捣或振动碾压作用使其密实成型的混凝土,高效减水剂就未必适用了。出于保持水胶比不变,以满足结构设计要求的力学性能参数为前提,减少用水量,可以同时减少胶结材料为思路,国内许多水工大坝施工中也都在掺用高效减水剂。实际上,这样的应用是有问题的,因为早先水工混凝土里掺用的是引气剂或木质素类的普通型减水剂,它们的减水率小,而且由于有引气作用,增加了浆体量,所以当用水量与胶结材料用量同时减少,也就是浆体量减少时,可以维持大致平衡,保证有足够的填充骨料空隙、包裹骨料并提供和易性的浆体,这是拌合物在浇筑后能够密实成型的必要条件。
反之,在现今掺用高效减水剂的拌合物里,由于其减水率很大,用水量可以大幅度减小,若胶结材料用量也同时减少,总浆体量则明显减少。固然,由于高效减水剂对于水泥强烈的分散作用,使得原有水泥胶团所束缚的自由水得到释放,这使得浆体可以在拌合物中更均匀地分布,换句话说,具备合适工作度拌合物所需要的浆体量在减小。但是在某些时候,上述的平衡被打破,出现浆体量明显不足的现象,浇筑时出现严重的分层离析,大颗粒骨料浮在表面,硬化后骨料周边呈现浆体明显不足。这种现象笔者曾在一水电站工地比较两种减水率不同的高效减水剂时,所浇筑的混凝土块体上见到。使用减水率更高,因此用水量与胶结材料用量更少的拌合物所浇筑的块体,骨料周边呈现浆体明显不足的现象;而掺用减水率较小的减水剂浇筑的块体,骨料周边就没有浆体不足的现象;且用前一种减水剂,但掺量适当减小时,拌合物出现离析的现象也就得到明显改善。
上例说明,水工大坝施工浇筑的混凝土中,掺用廉价得多、掺量也小得多的普通引气型减水剂,要比使用高效减水剂经济性更好、使用效果更佳。事实上,国外的水工大坝施工浇筑的混凝土,可能使用高效减水剂的例子,即使有也不会多见,当然不包括那种采用预填骨料后再压浆或细石混凝土的特殊施工工艺。
再有,在浇筑混凝土路面板或桥面板时,通常所用拌合物的工作度一般也不大,坍落度控制在30~50mm,使用高效减水剂的效果就会大打折扣。特别是在采用滑模摊铺工艺铺筑路面板时,因为由摊铺机所带的模板在2~3min或稍长一点的时间就会滑离,因此需要拌合物在振捣棒的振实作用一旦消失,即摊铺机向前行进时,就迅速恢复原来的黏稠状态(材料学上称之为“触变性良好”),而不会在模板滑离时出现所谓“塌边”现象。显然,满足这种施工工艺需要的拌合物不适合掺用高效减水剂,特别是用于预拌混凝土“保坍性”好的品种更不适用。此外,用高效减水剂降低水胶比的拌合物硬化后抗压强度可以大幅度提高,然而抗折强度增长幅度通常相对较小,而且开裂敏感性还会增大,因此总体来说,混凝土路面板或桥面板施工要慎用高效减水剂。
其实,在配制工民建和土木工程中用量最大的C30(应该占到总量的1/2以上)或更低一些强度等级的泵送混凝土时,高效减水剂也并非一定适用,或者说并非是一个必不可少的组分。尽管泵送工艺需要拌合物的流动性好,然而在高效减水剂应用之前很久,泵送工艺就已经在国内外混凝土浇筑过程中应用开来,例如上海宝钢建设时就采用木质磺酸盐类引气减水剂进行泵送,效果很好。而另一方面,由于配制这类拌合物所用胶结材料用量一般不很大,所以当水胶比大幅度降低时,如上所述,若要保持浆体量的大致平衡,就需要增加胶结材料的用量,而这不仅不经济,还会因胶结材料水化温升的增大引起开裂敏感性的提高,这也是为什么国内这种强度等级或更低一点的混凝土中,胶结材料始终居高不下的重要原因。
2、适当配伍
将高效减水剂当成万灵药,忽略或小看混凝土其他组分的作用,如同病人把抗生素当成万灵药。事实上,高效减水剂只是混凝土的组分之一,缺少其他诸多组分的配合,就会大大减小其作用,达不到预期效果。
2.1 骨料
骨料占据混凝土主要体积,但长期以来,人们对于判别骨料品质优劣的标准存在很多误区,而其中最大的误区是其筒压强度的要求。这个误区来自对其在混凝土中的作用,即认为砂石如同人的骨架一样,是决定混凝土强度的重要参数。因此,现今许多教科书以及很多现行的标准、规范等仍然要求骨料的强度为1.5~1.7倍,甚至2倍于所配制混凝土的强度。笔者认为,在早期混凝土设计等级尚且很低时提出这个要求,即骨料的筒压强度≥40MPa,这显然只是为了剔除那些风化程度严重的石材作为骨料;但现今混凝土设计强度已经大大提高,仍然遵循早先两者的关系,显然严重脱离实际。事实上,国内外早已配制并应用于工程的轻骨料混凝土,所用轻骨料的筒压强度仅为15MPa或更低,而混凝土强度则可以达到80~100MPa。
正如Mehta所指出的:“通常情况下,骨料强度对普通强度混凝土的影响确实很小,因为骨料(除轻骨料外)的强度比混凝土中基体和界面过渡区的强度要高出数倍。换句话说,由于破坏是由其他两相决定,绝大多数天然骨料的强度几乎得不到利用”[2]。
另外一个重要的误区是适用于泵送混凝土或自密实混凝土(SCC)石子的最大粒径。国内普遍认为所用骨料的最大粒径越大,拌合物需要的浆体量越少,所以通常在配制这类混凝土时仍然常用40mm为石子最大粒径。这个想法在配制干硬或半干硬混凝土时是正确的,但在现今配制泵送混凝土或自密实混凝土时就未必正确了。由于这类拌合物在泵管中行进和在模板中流动的过程必定存在石子之间的相对运动,而粒径越大的石子颗粒之间发生相对运动需要的砂浆润滑膜层越厚,也就是需要浆体量可能会越多,这也是国外用于配制这类拌合物常用19mm(英制3/4inch)为石子最大粒径的原因所在。尽管所用石子最大粒径较小时,拌合物中需要填充的空隙率较大,这与上述条件之间存在一个平衡点,这时拌合物所需的砂浆量较小。另外,国内现今常用的5~40mm(或5~31.5mm)的所谓“连续级配”石子,实际上5~10mm的颗粒往往很少,甚至没有,这样的石子不仅会增大需浆量(因为其堆积空隙率比较大),而且在应用于泵送混凝土或SCC时容易出现分层离析现象。国内配制SCC的技术来自日本,认为SCC拌合物需要足够高的塑性黏度,否则拌合物就容易出现分层离析。然而,几次欧美召开国际SCC会议的主席Wallevik(冰岛)则认为:骨料的级配不连续是引起拌合物分层离析的主导原因,因此主张SCC拌合物应具有一定的剪切屈服值(yield value),而塑性黏度(plastic viscosity)不应过高。笔者很认同这种观点,因为塑性黏度高的SCC浇筑时会增大泵压,流动缓慢而延长浇筑时间,热天还容易导致冷缝出现,存在多种弊病。当然,要想配制好这样的SCC,对骨料的要求较高。从这个角度来看,应该效仿欧洲人,非常重视砂石级配的连续性(即筛分时每个筛的通过量都很接近)的做法。
再有,从实验室结果看,砂石品质的波动主要反映在细度模数或级配上,其实这也是一个误区。因为在混凝土生产中,而不是实验室检测时,砂石(尤其是砂子)品质波动对混凝土质量影响最大的是含水量,这和它们的用量大,更与水胶比是决定混凝土性能最重要的参数息息相关。不要说暴露在外任凭风吹雨打太阳晒的堆放条件,就是在能遮风挡雨较为密闭的棚子里存放,当存储空间不够大,使得砂子进场后只经过短暂的存放就投入使用的情况下,它的含水量仍然难以稳定,也就谈不上稳定控制出厂拌合物的匀质性了。
现今国内品质良好的粗细骨料短缺现象日益加剧,笔者认为是否其根源也来自人们将外加剂看做万灵药,而忽略其他组分的重要性相关呢?试想用户都在以低价作为进料时取舍的标准,而不是“优质优价”,那么哪家砂石厂会投资购进优良设备去生产和供应品质好的骨料?记得笔者在20世纪90年代到广东高速公路工地提供咨询服务时,便向施工单位解释使用粒形好、片针状颗粒少的石子来配制混凝土是很必要的道理,于是他们向采石场经营者提出相应的要求并允诺支付相应高一些的进价,再次去新工地时发现所用石子竟然没有一颗针片状颗粒!
2.2 水泥
水泥与高效减水剂之间存在相容性好坏的问题,但多数人认为,如果相容性不好,只有更换高效减水剂的品种。殊不知,现今许多通过质检表明符合国标规定的水泥仍然时不时会存在与不同品种、不同厂家生产的高效减水剂相容性不良的问题。一方面是由于国内到处都在进行大规模建设,常常是刚出磨机的水泥很快就运往用户,这样很容易造成水泥与高效减水剂之间相容性严重不良的现象。笔者在一家桥梁厂做试验时,就遇到这种现象:外加剂品种和掺量都没变,但即使增加了好几十公斤用水量,出机口的拌合物仍然非常干稠,经了解,当天试验所用水泥是刚出磨机就拉过来的。听说日本人称这种水泥为“新鲜态”,通常都需要一两个星期的存放期,才能避开相容性不良的现象。另一方面,国内从20世纪90年代开始,运送水泥的方式从袋装改为散装,其优点有很多,但是也带来一个大问题,就是水泥仓里存放的水泥温度下降十分缓慢,尤其是夏季环境温度高时,仓内的水泥温度经常高达90℃以上,甚至超过100℃;即使是冬季的北京,笔者也曾遇见水泥温度超过50℃以上。更严重的在于这种现象实验室进行试配时不会发现,因为从仓里取出的少量样品拿到实验室,即便很快就进行试验,水泥也已经冷却下来,而与出仓就进入搅拌机的情况大相径庭。
再有,近些年来国内的水泥含碱量普遍偏低,正如Atcin所说:“从流变性的角度考虑,许多水泥都存在一个最佳的可溶碱含量,现今一些水泥中的可溶碱含量达不到该最佳值。原因是一些水泥公司为满足某些机构规定使用低碱水泥的要求(以避免可能发生的,或通常只是想象中的碱骨料反应),所销售的水泥中碱含量不必要地过分低”[3]。而“用可溶碱含量低的水泥配制混凝土不仅减水剂掺量偏小时坍落度损失明显,当掺量超过饱和点也会出现严重的离析和泌水”[4]。
2.3矿物掺和料
在掺有高效减水剂的混凝土中,同时掺有矿物掺和料已经成为越来越普遍的现象。但在人们高度重视高效减水剂减水率高低的同时,却忽视了矿物掺和料与高效减水剂同样有阻止水泥颗粒在浆体中絮凝形成胶团,产生对水泥的分散作用。只是矿物掺和料本身也是粉体颗粒,在作为浆体组分的同时,也吸附水分,影响了拌合物的需水量。而粉煤灰作为一种矿物掺和料掺到混凝土中时,由于其颗粒的粒径分布、形貌以及表面特征,特别是由于它的密度比水泥明显要小,使得用等质量的粉煤灰代替水泥时,因为粉体的体积显著增大,在浆体需要量减小或相当时,拌合物的用水量可以大幅度减小。
笔者1990年5月到上海参加第三届发展中国家混凝土国际讨论会,Malhotra在会上发言[5]介绍他们(CANMET加拿大矿产与资源部技术中心)建筑材料实验室以最大粒径19mm的石灰岩碎石和天然砂为骨料,ASTMⅡ型水泥147kg/m³;粉煤灰187kg/m³(粉煤灰占胶结材总量56%);用水量仅95kg/m³,掺入萘系超塑化剂和引气剂,配制出坍落度为200mm的拌合物;该混凝土硬化后密度约在2500kg/m³,在1年半时间内达到约70MPa的强度。以如此之低的用水量(而骨料的最大粒径又很小)和胶结材料用量配制出工作度良好的拌合物,显然和粉煤灰具备更好的填充与减水作用分不开,是任何单纯用最优质的水泥与减水率最高的高效减水剂所配制不出来的,何况粉煤灰还是一种低廉的工业副产品。
然而,大掺量矿物掺和料(粉煤灰、磨细矿粉等)混凝土在国内外至今还难以推广,这不仅和活性论的理念相关,即把矿物掺和料看做水泥的一种替代材料,按照水泥的水化机理去评价它们的可替代性,而且和以还原(简化)论思想去进行试验设计相关,即以不掺矿物掺和料的混凝土配合比作为基准,单纯地增大掺和料用量并减小水泥用量,而忽略其他重要参数,包括水胶比、温度等的决定性影响。上述CANMET开展的突破性进展,正是因为摆脱了传统的思想和试验研究方式才能获得成功。笔者曾就大掺量矿物掺和料混凝土撰写过多篇文章叙述,在此不再赘述。
3、适宜掺量
另一个掺用高效减水剂的重要问题就是适宜掺量的选用。由于人们过高地寄希望于单纯通过增大其掺量来达到配制出的混凝土满足预期要求的目的,而现今水泥中可溶碱的含量常偏低,致使拌合物中的高效减水剂掺量经常在饱和点附近波动。这样做在实验室里问题不很大,因为原材料组分的计量比较精准,环境条件也容易控制。但在生产过程,波动不可避免地会放大,造成混凝土质量更大地波动,乃至失控。
2010年底和2011年初,笔者两次去铁路桥梁厂,面对的问题是相同的,即质检部门发现桥梁厂实验室负责人减小了生产前通过试验确定的外加剂掺量,要求开专家会分析问题并提出处理办法。通过查看资料和试验数据,发现两者都是由于生产中出现混凝土分层离析现象,而减小高效减水剂掺量后,桥梁生产的质量提高,性能改善。因此笔者向有关部门提出建议:应允许并鼓励实验室负责人根据生产条件的变化(包括原材料、生产环境等),对外加剂掺量及配合比及时调整,以保证产品质量为准则。
对于非泵送的、强度等级又不高的混凝土拌合物,如上所述,或者不宜使用高效减水剂,或者采用低掺量的高效减水剂。例如美国在1997年聚羧酸减水剂推向市场时,就将其纳入中效减水剂的品种之一,与木质磺酸及其盐类并列。中效减水剂的减水率在5%~10%,并标明不延缓初凝时间。直到2010年美国混凝土学会出版的《混凝土实用手册》有关混凝土化学外加剂的报告[6],将聚羧酸减水剂列入高效减水剂(减水率为12%~40%)的同时,在中效减水剂一栏里仍列有聚羧酸减水剂。笔者很认同这种做法,即针对不同应用范围选用适宜掺量的同一品种外加剂,因为采用低掺量聚羧酸减水剂不仅可以充分发挥它对胶结材料的优势分散作用,又可避免由于接近饱和点掺量时的不稳定(指拌合物容易出现离析、分层、泌水现象)。希望国内也能仿效,而不是盲目地追求高减水率(实验室对减水剂的减水率试验只能用于评价其匀质性,而不能用于为工程筛选外加剂的方法)。毕竟这类混凝土的用量最大,用途最广。笔者在2007年《施工技术》杂志第4期上发表的文章《聚羧酸系高效减水剂的发展与应用》中也曾叙述过对上述问题的某些看法。
4、适合方法
采用适合的方法来评价掺外加剂混凝土拌合物的工作度、硬化混凝土的强度、耐久性是当今混凝土技术发展所面临严峻挑战的问题,因为现行的各种试验检测与评价方法都是在以往混凝土组分少、影响参数单一、变化幅度也小的条件下建立并使用的,而在高效减水剂推广应用引发混凝土技术发生巨大变化的今天,必须重新进行审视。
4.1 拌合物的工作度
目前国内无论对掺与不掺高效减水剂的拌合物、泵送与非泵送(吊斗、塔带机输送或运拌车、翻斗车直接到位的)拌合物的工作度仍普遍沿用坍落度为评价指标。1990年5月召开的第一次高性能混凝土国际讨论会上[7],对这些问题进行了讨论,认为:“坍落度试验是流行的判断新拌混凝土流变性能的标准方法,但这种方法对需要振捣和泵送的混凝土提供不了什么有用信息,有必要找到一种适用于现场的、技术上有可靠原理依据的评定流变性能的试验方法”。
实际上,坍落度不仅只是一个静态性能的检测,反映不出在振动外力作用下的行为,而且坍落度值大小无法反映出拌合物塑性黏度,但是塌落时的快慢在一定程度上与可泵性相关。早先在检测混凝土坍落度后,要用振捣棒从侧面敲击,称为“棍度”,也是一种有效的工作度评价,再结合肉眼观察,综合评定混凝土的和易性,这种方法应该说还是比较全面的。当然,对于振捣作用的评价需要例如混凝土维勃稠度仪简称VB仪)来检测。笔者前些时在一个水电工程施工单位时,建议用VB仪来评价拌合物的工作度,因为现行用50~70mm坍落度来评价的做法很脱离施工现场用成组振捣棒振捣作用的实际。(见图1)。
4.2 混凝土强度
掺用高效减水剂可以大幅度减小用水量、水胶比,使混凝土的强度显著提高。然而,高强混凝土强度检测数据的离散性显著增大。这是由于混凝土越密实,强度越高时,对于存在缺陷、微细裂缝的敏感性越大,同样对于试件或芯样表面的不平整度,对于上下受压面的平行度也都很敏感,从而使检测数据差异显著增大。这个问题在上述高性能混凝土国际讨论会上,也成为一个热门论题。
几个月前笔者的一位朋友为一个工程提供C50混凝土,检测方用回弹仪检测发现数据稍偏低,于是钻取芯样对强度进一步检测,发现有的强度值仅30MPa左右,于是判定他们的混凝土为不合格;但他们自己又取了些芯样并小心加工了端面,检测的强度值合格,但对方不承认其检测结果。这种现象已不止一次遇见,笔者认为:这说明传统的混凝土抗压强度检测方法越来越不适合于今天混凝土浇筑质量优劣的评价目的,值得我们很好地思考。
4.3 混凝土的耐久性
由于高效减水剂的作用,混凝土的密实性大大提高,渗透性减小,这也是现今人们普遍认为水胶比越低的混凝土,耐久性就越好的道理。然而,实际上处于结构中混凝土的变形总是受不同程度的约束,而水胶比越低的混凝土自身收缩和温度变形引起的应力越大,从而开裂的敏感性越大。所以,笔者认为现今用自由变形的试件在实验室里评定混凝土耐久性,而且将试验结果应用于结构物使用寿命的评价的做法值得商榷。
笔者认为,混凝土的耐久性主要取决于其开裂敏感性,而降低混凝土用水量,在保证其力学性能满足设计要求的前提下,便可以同时减少胶结材料的用量,达到同时减小混凝土的干缩、自身收缩和温度变形,从而改善混凝土耐久性。笔者于2006年11月在南京第五届混凝土结构耐久性科技论坛上,以“混凝土耐久性评估:室内试件与现场芯样的对比”为题发言,并于近年发表在杂志上[8]。
5、结语
近几十年来,由于混凝土材料的服务范围扩展,同时也由于化学外加剂、矿物掺和料等多组分的加入,混凝土技术日趋复杂。然而,在全世界范围内,生产操作混凝土的工人却是从具有丰富经验和技术向缺乏技术、缺乏经验的方向变化,这种矛盾对于混凝土领域相关的科研和教育提出了更高要求,应结合工程实际存在的问题,以整体论为导向。正如Mehta指出的:“问题的难点在我们怎样才能将当前工业中占统治地位的还原论方法转变为整体论方法?要想在混凝土业中采用整体论的方法,首先在混凝土技术的研究中必须是整体论的,而如果今天工程教育的主导思想在总体上没有大的转变,特别是混凝土科学的教育没有大的转变,那么混凝土技术的研究要转变为整体论是不可能的”。“显然,混凝土的技术教育需要作全面的调整,否则就谈不上满足社会紧迫的需要”[9]。
参考文献:
[1]MalhotraVM.Proceeding of First CANMET/ACI International Conference on Super plasticizers and Other Chemical Admixturesin Concrete[C].Ottawa,1978.
[2]MehtaP,Monteiro Paulo JM Concretemic rostructure,properties,and materials(3thed)[M].Mc Graw Hill 2006.
[3]AtcinPC.Cement of yesterday and today:concrete of tomorrow[J].Cement and Concrete Research,2000.
[4]第六届超塑化剂及其它化学外加剂国际会议论文集[C].2002.
[5]MalhotraVM,etal.高掺量粉煤灰混凝土的强度发展[C].覃维祖,译//第三届发展中国家混凝土国际讨论会论文集,1990.
[6]ACI Committee 212.Report on chemical admixtures for concrete[J].ACI213.R-10,2010.
[7]Carino NicholasJ,Clifton James RHigh-performance concrete:research needs to enhance itsuse[J].Concrete
International,1991.
[8]覃维祖.混凝土耐久性评估:用试件还是用芯样[J].混凝土世界,2010(10):25-28.
[9]MehtaPKumar.Concrete technology for sustainable development[J].Concret eInternational,1999,21(11).

摘要:

 

自20世纪80年代,外加剂,主要是高效减水剂,在国内的混凝土市场逐步推广应用,尤其是在高强混凝土和泵送混凝土中,已成为不可或缺的组分。正Malhotra在第一届国际混凝土外加剂会议上所指出的:“高效减水剂的开发与应用是20世纪混凝土技术进展历程中一个重要的里程碑”[1]。多年来混凝土技术只有少数几次重要的突破,40年代开发的引气作用是其中之一,它改变了北美混凝土技术的面貌;高效减水剂是另一次重大突破,它在今后许多年里将对混凝土的生产与应用带来巨大影响。

 

前言:

 

但任何事物都有其两面性,人们常常在重视其作用的同时,却容易忽略了另一面,包括可能出现的负面作用、应用上的局限性等。对于高效减水剂,表现为误将它作为万灵药。本文就这一问题谈谈自己的看法,仅是抛砖引玉,希望引起同行的关注。

 

1、适用范围

 

高效减水剂在一些国家更多称呼为超塑化剂,顾名思义,它非常适用于制备超塑化混凝土拌合物。当然,它最适用于拌制流动度大、浆体量多、水胶比低的拌合物,即泵送高强混凝土。

 

但对于另一些混凝土,例如水工大坝施工浇筑的混凝土,其骨料最大粒径大(可达150mm)、浆体量较少且流动度不大,需要通过采用强力振捣或振动碾压作用使其密实成型的混凝土,高效减水剂就未必适用了。出于保持水胶比不变,以满足结构设计要求的力学性能参数为前提,减少用水量,可以同时减少胶结材料为思路,国内许多水工大坝施工中也都在掺用高效减水剂。实际上,这样的应用是有问题的,因为早先水工混凝土里掺用的是引气剂或木质素类的普通型减水剂,它们的减水率小,而且由于有引气作用,增加了浆体量,所以当用水量与胶结材料用量同时减少,也就是浆体量减少时,可以维持大致平衡,保证有足够的填充骨料空隙、包裹骨料并提供和易性的浆体,这是拌合物在浇筑后能够密实成型的必要条件。

 

反之,在现今掺用高效减水剂的拌合物里,由于其减水率很大,用水量可以大幅度减小,若胶结材料用量也同时减少,总浆体量则明显减少。固然,由于高效减水剂对于水泥强烈的分散作用,使得原有水泥胶团所束缚的自由水得到释放,这使得浆体可以在拌合物中更均匀地分布,换句话说,具备合适工作度拌合物所需要的浆体量在减小。但是在某些时候,上述的平衡被打破,出现浆体量明显不足的现象,浇筑时出现严重的分层离析,大颗粒骨料浮在表面,硬化后骨料周边呈现浆体明显不足。这种现象笔者曾在一水电站工地比较两种减水率不同的高效减水剂时,所浇筑的混凝土块体上见到。使用减水率更高,因此用水量与胶结材料用量更少的拌合物所浇筑的块体,骨料周边呈现浆体明显不足的现象;而掺用减水率较小的减水剂浇筑的块体,骨料周边就没有浆体不足的现象;且用前一种减水剂,但掺量适当减小时,拌合物出现离析的现象也就得到明显改善。

 

上例说明,水工大坝施工浇筑的混凝土中,掺用廉价得多、掺量也小得多的普通引气型减水剂,要比使用高效减水剂经济性更好、使用效果更佳。事实上,国外的水工大坝施工浇筑的混凝土,可能使用高效减水剂的例子,即使有也不会多见,当然不包括那种采用预填骨料后再压浆或细石混凝土的特殊施工工艺。

 

再有,在浇筑混凝土路面板或桥面板时,通常所用拌合物的工作度一般也不大,坍落度控制在30~50mm,使用高效减水剂的效果就会大打折扣。特别是在采用滑模摊铺工艺铺筑路面板时,因为由摊铺机所带的模板在2~3min或稍长一点的时间就会滑离,因此需要拌合物在振捣棒的振实作用一旦消失,即摊铺机向前行进时,就迅速恢复原来的黏稠状态(材料学上称之为“触变性良好”),而不会在模板滑离时出现所谓“塌边”现象。显然,满足这种施工工艺需要的拌合物不适合掺用高效减水剂,特别是用于预拌混凝土“保坍性”好的品种更不适用。此外,用高效减水剂降低水胶比的拌合物硬化后抗压强度可以大幅度提高,然而抗折强度增长幅度通常相对较小,而且开裂敏感性还会增大,因此总体来说,混凝土路面板或桥面板施工要慎用高效减水剂。

 

其实,在配制工民建和土木工程中用量最大的C30(应该占到总量的1/2以上)或更低一些强度等级的泵送混凝土时,高效减水剂也并非一定适用,或者说并非是一个必不可少的组分。尽管泵送工艺需要拌合物的流动性好,然而在高效减水剂应用之前很久,泵送工艺就已经在国内外混凝土浇筑过程中应用开来,例如上海宝钢建设时就采用木质磺酸盐类引气减水剂进行泵送,效果很好。而另一方面,由于配制这类拌合物所用胶结材料用量一般不很大,所以当水胶比大幅度降低时,如上所述,若要保持浆体量的大致平衡,就需要增加胶结材料的用量,而这不仅不经济,还会因胶结材料水化温升的增大引起开裂敏感性的提高,这也是为什么国内这种强度等级或更低一点的混凝土中,胶结材料始终居高不下的重要原因。

 

2、适当配伍

 

将高效减水剂当成万灵药,忽略或小看混凝土其他组分的作用,如同病人把抗生素当成万灵药。事实上,高效减水剂只是混凝土的组分之一,缺少其他诸多组分的配合,就会大大减小其作用,达不到预期效果。

 

2.1 骨料

 

骨料占据混凝土主要体积,但长期以来,人们对于判别骨料品质优劣的标准存在很多误区,而其中最大的误区是其筒压强度的要求。这个误区来自对其在混凝土中的作用,即认为砂石如同人的骨架一样,是决定混凝土强度的重要参数。因此,现今许多教科书以及很多现行的标准、规范等仍然要求骨料的强度为1.5~1.7倍,甚至2倍于所配制混凝土的强度。笔者认为,在早期混凝土设计等级尚且很低时提出这个要求,即骨料的筒压强度≥40MPa,这显然只是为了剔除那些风化程度严重的石材作为骨料;但现今混凝土设计强度已经大大提高,仍然遵循早先两者的关系,显然严重脱离实际。事实上,国内外早已配制并应用于工程的轻骨料混凝土,所用轻骨料的筒压强度仅为15MPa或更低,而混凝土强度则可以达到80~100MPa。

 

正如Mehta所指出的:“通常情况下,骨料强度对普通强度混凝土的影响确实很小,因为骨料(除轻骨料外)的强度比混凝土中基体和界面过渡区的强度要高出数倍。换句话说,由于破坏是由其他两相决定,绝大多数天然骨料的强度几乎得不到利用”[2]。

 

另外一个重要的误区是适用于泵送混凝土或自密实混凝土(SCC)石子的最大粒径。国内普遍认为所用骨料的最大粒径越大,拌合物需要的浆体量越少,所以通常在配制这类混凝土时仍然常用40mm为石子最大粒径。这个想法在配制干硬或半干硬混凝土时是正确的,但在现今配制泵送混凝土或自密实混凝土时就未必正确了。由于这类拌合物在泵管中行进和在模板中流动的过程必定存在石子之间的相对运动,而粒径越大的石子颗粒之间发生相对运动需要的砂浆润滑膜层越厚,也就是需要浆体量可能会越多,这也是国外用于配制这类拌合物常用19mm(英制3/4inch)为石子最大粒径的原因所在。尽管所用石子最大粒径较小时,拌合物中需要填充的空隙率较大,这与上述条件之间存在一个平衡点,这时拌合物所需的砂浆量较小。另外,国内现今常用的5~40mm(或5~31.5mm)的所谓“连续级配”石子,实际上5~10mm的颗粒往往很少,甚至没有,这样的石子不仅会增大需浆量(因为其堆积空隙率比较大),而且在应用于泵送混凝土或SCC时容易出现分层离析现象。国内配制SCC的技术来自日本,认为SCC拌合物需要足够高的塑性黏度,否则拌合物就容易出现分层离析。然而,几次欧美召开国际SCC会议的主席Wallevik(冰岛)则认为:骨料的级配不连续是引起拌合物分层离析的主导原因,因此主张SCC拌合物应具有一定的剪切屈服值(yield value),而塑性黏度(plastic viscosity)不应过高。笔者很认同这种观点,因为塑性黏度高的SCC浇筑时会增大泵压,流动缓慢而延长浇筑时间,热天还容易导致冷缝出现,存在多种弊病。当然,要想配制好这样的SCC,对骨料的要求较高。从这个角度来看,应该效仿欧洲人,非常重视砂石级配的连续性(即筛分时每个筛的通过量都很接近)的做法。

 

再有,从实验室结果看,砂石品质的波动主要反映在细度模数或级配上,其实这也是一个误区。因为在混凝土生产中,而不是实验室检测时,砂石(尤其是砂子)品质波动对混凝土质量影响最大的是含水量,这和它们的用量大,更与水胶比是决定混凝土性能最重要的参数息息相关。不要说暴露在外任凭风吹雨打太阳晒的堆放条件,就是在能遮风挡雨较为密闭的棚子里存放,当存储空间不够大,使得砂子进场后只经过短暂的存放就投入使用的情况下,它的含水量仍然难以稳定,也就谈不上稳定控制出厂拌合物的匀质性了。

 

现今国内品质良好的粗细骨料短缺现象日益加剧,笔者认为是否其根源也来自人们将外加剂看做万灵药,而忽略其他组分的重要性相关呢?试想用户都在以低价作为进料时取舍的标准,而不是“优质优价”,那么哪家砂石厂会投资购进优良设备去生产和供应品质好的骨料?记得笔者在20世纪90年代到广东高速公路工地提供咨询服务时,便向施工单位解释使用粒形好、片针状颗粒少的石子来配制混凝土是很必要的道理,于是他们向采石场经营者提出相应的要求并允诺支付相应高一些的进价,再次去新工地时发现所用石子竟然没有一颗针片状颗粒!

 

2.2 水泥

 

水泥与高效减水剂之间存在相容性好坏的问题,但多数人认为,如果相容性不好,只有更换高效减水剂的品种。殊不知,现今许多通过质检表明符合国标规定的水泥仍然时不时会存在与不同品种、不同厂家生产的高效减水剂相容性不良的问题。一方面是由于国内到处都在进行大规模建设,常常是刚出磨机的水泥很快就运往用户,这样很容易造成水泥与高效减水剂之间相容性严重不良的现象。笔者在一家桥梁厂做试验时,就遇到这种现象:外加剂品种和掺量都没变,但即使增加了好几十公斤用水量,出机口的拌合物仍然非常干稠,经了解,当天试验所用水泥是刚出磨机就拉过来的。听说日本人称这种水泥为“新鲜态”,通常都需要一两个星期的存放期,才能避开相容性不良的现象。另一方面,国内从20世纪90年代开始,运送水泥的方式从袋装改为散装,其优点有很多,但是也带来一个大问题,就是水泥仓里存放的水泥温度下降十分缓慢,尤其是夏季环境温度高时,仓内的水泥温度经常高达90℃以上,甚至超过100℃;即使是冬季的北京,笔者也曾遇见水泥温度超过50℃以上。更严重的在于这种现象实验室进行试配时不会发现,因为从仓里取出的少量样品拿到实验室,即便很快就进行试验,水泥也已经冷却下来,而与出仓就进入搅拌机的情况大相径庭。

 

再有,近些年来国内的水泥含碱量普遍偏低,正如Atcin所说:“从流变性的角度考虑,许多水泥都存在一个最佳的可溶碱含量,现今一些水泥中的可溶碱含量达不到该最佳值。原因是一些水泥公司为满足某些机构规定使用低碱水泥的要求(以避免可能发生的,或通常只是想象中的碱骨料反应),所销售的水泥中碱含量不必要地过分低”[3]。而“用可溶碱含量低的水泥配制混凝土不仅减水剂掺量偏小时坍落度损失明显,当掺量超过饱和点也会出现严重的离析和泌水”[4]。

 

2.3矿物掺和料

 

在掺有高效减水剂的混凝土中,同时掺有矿物掺和料已经成为越来越普遍的现象。但在人们高度重视高效减水剂减水率高低的同时,却忽视了矿物掺和料与高效减水剂同样有阻止水泥颗粒在浆体中絮凝形成胶团,产生对水泥的分散作用。只是矿物掺和料本身也是粉体颗粒,在作为浆体组分的同时,也吸附水分,影响了拌合物的需水量。而粉煤灰作为一种矿物掺和料掺到混凝土中时,由于其颗粒的粒径分布、形貌以及表面特征,特别是由于它的密度比水泥明显要小,使得用等质量的粉煤灰代替水泥时,因为粉体的体积显著增大,在浆体需要量减小或相当时,拌合物的用水量可以大幅度减小。

 

笔者1990年5月到上海参加第三届发展中国家混凝土国际讨论会,Malhotra在会上发言[5]介绍他们(CANMET加拿大矿产与资源部技术中心)建筑材料实验室以最大粒径19mm的石灰岩碎石和天然砂为骨料,ASTMⅡ型水泥147kg/m³;粉煤灰187kg/m³(粉煤灰占胶结材总量56%);用水量仅95kg/m³,掺入萘系超塑化剂和引气剂,配制出坍落度为200mm的拌合物;该混凝土硬化后密度约在2500kg/m³,在1年半时间内达到约70MPa的强度。以如此之低的用水量(而骨料的最大粒径又很小)和胶结材料用量配制出工作度良好的拌合物,显然和粉煤灰具备更好的填充与减水作用分不开,是任何单纯用最优质的水泥与减水率最高的高效减水剂所配制不出来的,何况粉煤灰还是一种低廉的工业副产品。

 

然而,大掺量矿物掺和料(粉煤灰、磨细矿粉等)混凝土在国内外至今还难以推广,这不仅和活性论的理念相关,即把矿物掺和料看做水泥的一种替代材料,按照水泥的水化机理去评价它们的可替代性,而且和以还原(简化)论思想去进行试验设计相关,即以不掺矿物掺和料的混凝土配合比作为基准,单纯地增大掺和料用量并减小水泥用量,而忽略其他重要参数,包括水胶比、温度等的决定性影响。上述CANMET开展的突破性进展,正是因为摆脱了传统的思想和试验研究方式才能获得成功。笔者曾就大掺量矿物掺和料混凝土撰写过多篇文章叙述,在此不再赘述。

 

3、适宜掺量

 

另一个掺用高效减水剂的重要问题就是适宜掺量的选用。由于人们过高地寄希望于单纯通过增大其掺量来达到配制出的混凝土满足预期要求的目的,而现今水泥中可溶碱的含量常偏低,致使拌合物中的高效减水剂掺量经常在饱和点附近波动。这样做在实验室里问题不很大,因为原材料组分的计量比较精准,环境条件也容易控制。但在生产过程,波动不可避免地会放大,造成混凝土质量更大地波动,乃至失控。

 

2010年底和2011年初,笔者两次去铁路桥梁厂,面对的问题是相同的,即质检部门发现桥梁厂实验室负责人减小了生产前通过试验确定的外加剂掺量,要求开专家会分析问题并提出处理办法。通过查看资料和试验数据,发现两者都是由于生产中出现混凝土分层离析现象,而减小高效减水剂掺量后,桥梁生产的质量提高,性能改善。因此笔者向有关部门提出建议:应允许并鼓励实验室负责人根据生产条件的变化(包括原材料、生产环境等),对外加剂掺量及配合比及时调整,以保证产品质量为准则。

 

对于非泵送的、强度等级又不高的混凝土拌合物,如上所述,或者不宜使用高效减水剂,或者采用低掺量的高效减水剂。例如美国在1997年聚羧酸减水剂推向市场时,就将其纳入中效减水剂的品种之一,与木质磺酸及其盐类并列。中效减水剂的减水率在5%~10%,并标明不延缓初凝时间。直到2010年美国混凝土学会出版的《混凝土实用手册》有关混凝土化学外加剂的报告[6],将聚羧酸减水剂列入高效减水剂(减水率为12%~40%)的同时,在中效减水剂一栏里仍列有聚羧酸减水剂。笔者很认同这种做法,即针对不同应用范围选用适宜掺量的同一品种外加剂,因为采用低掺量聚羧酸减水剂不仅可以充分发挥它对胶结材料的优势分散作用,又可避免由于接近饱和点掺量时的不稳定(指拌合物容易出现离析、分层、泌水现象)。希望国内也能仿效,而不是盲目地追求高减水率(实验室对减水剂的减水率试验只能用于评价其匀质性,而不能用于为工程筛选外加剂的方法)。毕竟这类混凝土的用量最大,用途最广。笔者在2007年《施工技术》杂志第4期上发表的文章《聚羧酸系高效减水剂的发展与应用》中也曾叙述过对上述问题的某些看法。

 

4、适合方法

 

采用适合的方法来评价掺外加剂混凝土拌合物的工作度、硬化混凝土的强度、耐久性是当今混凝土技术发展所面临严峻挑战的问题,因为现行的各种试验检测与评价方法都是在以往混凝土组分少、影响参数单一、变化幅度也小的条件下建立并使用的,而在高效减水剂推广应用引发混凝土技术发生巨大变化的今天,必须重新进行审视。

 

4.1 拌合物的工作度

 

目前国内无论对掺与不掺高效减水剂的拌合物、泵送与非泵送(吊斗、塔带机输送或运拌车、翻斗车直接到位的)拌合物的工作度仍普遍沿用坍落度为评价指标。1990年5月召开的第一次高性能混凝土国际讨论会上[7],对这些问题进行了讨论,认为:“坍落度试验是流行的判断新拌混凝土流变性能的标准方法,但这种方法对需要振捣和泵送的混凝土提供不了什么有用信息,有必要找到一种适用于现场的、技术上有可靠原理依据的评定流变性能的试验方法”。

 

实际上,坍落度不仅只是一个静态性能的检测,反映不出在振动外力作用下的行为,而且坍落度值大小无法反映出拌合物塑性黏度,但是塌落时的快慢在一定程度上与可泵性相关。早先在检测混凝土坍落度后,要用振捣棒从侧面敲击,称为“棍度”,也是一种有效的工作度评价,再结合肉眼观察,综合评定混凝土的和易性,这种方法应该说还是比较全面的。当然,对于振捣作用的评价需要例如混凝土维勃稠度仪简称VB仪)来检测。笔者前些时在一个水电工程施工单位时,建议用VB仪来评价拌合物的工作度,因为现行用50~70mm坍落度来评价的做法很脱离施工现场用成组振捣棒振捣作用的实际。(见图1)。

 

4.2 混凝土强度

 

掺用高效减水剂可以大幅度减小用水量、水胶比,使混凝土的强度显著提高。然而,高强混凝土强度检测数据的离散性显著增大。这是由于混凝土越密实,强度越高时,对于存在缺陷、微细裂缝的敏感性越大,同样对于试件或芯样表面的不平整度,对于上下受压面的平行度也都很敏感,从而使检测数据差异显著增大。这个问题在上述高性能混凝土国际讨论会上,也成为一个热门论题。

 

几个月前笔者的一位朋友为一个工程提供C50混凝土,检测方用回弹仪检测发现数据稍偏低,于是钻取芯样对强度进一步检测,发现有的强度值仅30MPa左右,于是判定他们的混凝土为不合格;但他们自己又取了些芯样并小心加工了端面,检测的强度值合格,但对方不承认其检测结果。这种现象已不止一次遇见,笔者认为:这说明传统的混凝土抗压强度检测方法越来越不适合于今天混凝土浇筑质量优劣的评价目的,值得我们很好地思考。

 

4.3 混凝土的耐久性

 

由于高效减水剂的作用,混凝土的密实性大大提高,渗透性减小,这也是现今人们普遍认为水胶比越低的混凝土,耐久性就越好的道理。然而,实际上处于结构中混凝土的变形总是受不同程度的约束,而水胶比越低的混凝土自身收缩和温度变形引起的应力越大,从而开裂的敏感性越大。所以,笔者认为现今用自由变形的试件在实验室里评定混凝土耐久性,而且将试验结果应用于结构物使用寿命的评价的做法值得商榷。

 

笔者认为,混凝土的耐久性主要取决于其开裂敏感性,而降低混凝土用水量,在保证其力学性能满足设计要求的前提下,便可以同时减少胶结材料的用量,达到同时减小混凝土的干缩、自身收缩和温度变形,从而改善混凝土耐久性。笔者于2006年11月在南京第五届混凝土结构耐久性科技论坛上,以“混凝土耐久性评估:室内试件与现场芯样的对比”为题发言,并于近年发表在杂志上[8]。

 

5、结语

近几十年来,由于混凝土材料的服务范围扩展,同时也由于化学外加剂、矿物掺和料等多组分的加入,混凝土技术日趋复杂。然而,在全世界范围内,生产操作混凝土的工人却是从具有丰富经验和技术向缺乏技术、缺乏经验的方向变化,这种矛盾对于混凝土领域相关的科研和教育提出了更高要求,应结合工程实际存在的问题,以整体论为导向。正如Mehta指出的:“问题的难点在我们怎样才能将当前工业中占统治地位的还原论方法转变为整体论方法?要想在混凝土业中采用整体论的方法,首先在混凝土技术的研究中必须是整体论的,而如果今天工程教育的主导思想在总体上没有大的转变,特别是混凝土科学的教育没有大的转变,那么混凝土技术的研究要转变为整体论是不可能的”。“显然,混凝土的技术教育需要作全面的调整,否则就谈不上满足社会紧迫的需要”[9]。

 

参考文献:

 

[1]MalhotraVM.Proceeding of First CANMET/ACI International Conference on Super plasticizers and Other Chemical Admixturesin Concrete[C].Ottawa,1978.

[2]MehtaP,Monteiro Paulo JM Concretemic rostructure,properties,and materials(3thed)[M].Mc Graw Hill 2006.

[3]AtcinPC.Cement of yesterday and today:concrete of tomorrow[J].Cement and Concrete Research,2000.

[4]第六届超塑化剂及其它化学外加剂国际会议论文集[C].2002.

[5]MalhotraVM,etal.高掺量粉煤灰混凝土的强度发展[C].覃维祖,译//第三届发展中国家混凝土国际讨论会论文集,1990.

[6]ACI Committee 212.Report on chemical admixtures for concrete[J].ACI213.R-10,2010.

[7]Carino NicholasJ,Clifton James RHigh-performance concrete:research needs to enhance itsuse[J].Concrete

International,1991.

[8]覃维祖.混凝土耐久性评估:用试件还是用芯样[J].混凝土世界,2010(10):25-28.

[9]MehtaPKumar.Concrete technology for sustainable development[J].Concret eInternational,1999,21(11).

 

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