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传统思维(或习惯性思维)、从众思维和机械思维,而辩证思维、创新思维才是科学的思维。
如果不转变思维定势,就不可能接受新技术;
即使道听途说了某些技术,也不能科学地运用。
鉴于篇幅所限,在本文中只就传统思维(或习惯性思维)和从众思维的定势对混凝土技术进步的影响谈一些看法,望与大家讨论。
2
传统思维:
环境和条件都在在变化,生产技术都在不断发展,如果思维方法毫无变化或变化甚微,就不可能取得技术的进步。
目前对混凝土技术进步影响最大的传统思维是“强度第一(甚至唯一)”。
例如:
▲
以强度高低作为水泥和混凝土“好”、“差”之分,认为“抗压强度高的混凝土,其他性能都好”;
“早期强度高的水泥和混凝土是好的水泥和混凝土”。
图1不同强度混凝土应力应变曲线
图2不同抗压强度混凝土的抗拉强度与抗压强度的比值[2]
图3混凝土强度与无负筋梁延性比的关系图中ρ/ρ0为钢箍配筋率,增加ρ/ρ0在一定范围内可提高结构延性比[3]
图4裂缝数量和混凝土强度的关系
(图中抗压强度是按美国标准检测的大约是我国标准强度的0.83倍)[4]
这种思维方法使人们对不断提高混凝土强度,尤其是早期强度,孜孜以求。
甚至单纯追求什么“超高强”、“特超高强”。
实际上,不同材料都有其本身的特点。
混凝土是一种粘弹塑性材料。
中等强度混凝土在荷载作用下,断裂之前有一段塑性变形过程。
强度越高,这个过程越短,则在超载或震动、冲击荷载作用下的安全性就越差。
高强混凝土几乎没有这种过程而会突然断裂,如图1[2]所示。
由图2可见,混凝土抗拉强度和抗压强度比值随抗压强度的提高而下降。
当抗压强度为20MPa时,拉压比约为1∕11;
抗压强度为40MPa时,拉压比则约1∕13;
抗压强度为60MPa时,则拉压比减小到约为1∕15。
图3表明在该实验中混凝土抗压强度从26MPa提高到63MPa时,梁的延性比下降的程度大于抗压强度提高的程度。
图4表明混凝土抗裂性随抗压强度的提高而下降。
高强不一定耐久,也不一定安全;
抗压强度高其他性能未必也高。
为了某种目的而超过工程的需要任意提高混凝土抗压强度是有害的。
主张“高强混凝土必须用高强度水泥”,“建议取消32.5水泥”
其实这已经是一个“古老”的问题了。
在70年代初,我国水泥标准最高强度的水泥是500#的,相当于今天的32.5水泥。
当时配制高强混凝土时,许多人表示不解,因为人们概念中从来就是“水泥强度宜为混凝土强度的1.5~2倍”。
直到今天,仍有人坚持这个观念,是因为他们的思维定势是把“强度”当成了绝对值,而不了解或忘记了无论水泥还是混凝土,强度都是在一定条件下──用一定水灰比和配料,成型为一定尺寸的试件,在一定条件温度和湿度下,养护到一定龄期──所检测的。
同一种材料,条件不同时所测出强度值必然不同。
水泥的强度是按标准在固定水灰比下检测的。
70年代检测的500#使用的水灰比大约是0.36(依标准稠度用水量和掺和料而变化),现行水泥标准修订前检测水泥强度使用的水灰比是0.44,而当前使用的是0.5。
混凝土的水灰比则是根据需要而改变的。
如果混凝土的水灰比减小到低于检测水泥所用的水灰比,则混凝土强度就有可能超过水泥的强度。
过去没有减水剂时,如果混凝土的水灰比和检测水泥强度所用水灰比一样,则水泥用量就会很大。
因此从施工性和经济性考虑,水泥强度要比混凝土强度高出较多。
现在,高效减水剂已经被普遍使用,混凝土的水灰比多低于0.5,当水灰比减小到0.32以下时,用水灰比0.5检测的32.5水泥配制出C60混凝土,不仅可能,而且在水泥标准修订前已用于工程(那时的425#水泥)。
混凝土的强度不再受水泥强度的制约。
图5采用快硬水泥的混凝土10年后强度倒缩1937年按特快硬水泥生产的水泥I与现今水泥的平均水平很相似。
在对依阿华州劣化的公路路面钻取芯样的一项研究中,(Lemish和Elwell(1996)年也发现10~14年强度倒缩而得出结论:
强度增长慢的混凝土与性能良好相关[4]
水泥标准修订后对水泥强度要求高了,水泥厂多采取提高C3A和C3S以及比表面积的措施来提高水泥的强度,同时带来另一方面的结果则是水化热增大、流变性能变差(和外加剂的相容问题)、抗化学腐蚀性下降、收缩增大、开裂敏感性增加。
而且早期强度高而后期强度增长率减小,甚至会倒缩(见图5所示)[4]。
不同水泥厂生产的相同强度等级和品种的水泥,甚至同一水泥厂不同批量的水泥,其与外加剂的相容性和开裂敏感性可能会有很大的差异。
由于现行水泥国标对水泥的强度和比表面积只规定下限而不规定上限(西方国家标准中是有规定的),有的水泥厂的产品实际强度比标称强度高出许多,被大多数用户认为是“好水泥”。
活性越大的水泥储存性能越差,因此常有42.5水泥和52.5水泥的28天实测强度差不多的现象,出于价格的考虑,42.5水泥比52.5水泥销路好。
但是强度的大幅度提高,增加了水泥的易裂性。
因此单纯以强度评价水泥和混凝土的“好”“坏”是传统思维造成的误区。
应当把这种观念转变成:
①水泥强度的高限比低限还重要;
抗裂性比强度更重要;
最重要的是质量均匀;
②好的混凝土是具有满足工程特定要求的各项性能和具有最大匀质性,体积稳定而不开裂。
“纯的水泥混凝土是真货,掺用掺和料的是假冒伪劣的;
硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥是正品,其他都是次等产品”
20多年前,我国水泥尽管标准列有硅酸盐水泥,实际上市售的大多数是普通水泥,硅酸盐水泥基本上用于出口。
用掺和料主要是的是为了调节标号,增加产量。
掺入掺和料由于是简单的等量取代,都以降低早期强度为代价。
而且,由于矿渣比硅酸盐熟料易磨性差,造成矿渣水泥易泌水、抗渗性和抗冻性差;
火山灰水泥由于需水量大而影响混凝土的流变性和抗冻性;
粉煤灰水泥由于粉煤灰含碳量大、质量不稳定,基本上不受欢迎。
因此,形成了人们排斥矿物掺和料的思维定势,在对提高混凝土强度的需要日增的情况下,硅酸盐水泥和掺和料低于15%的普通水泥成为市场的主流。
推广高性能混凝土以来,由于对混凝土耐久性性认识的提高,磨细矿渣、分选粉煤灰及其使用技术的发展,使矿物掺和料的使用日益增加,但是就社会上多数人来说,由于对矿物掺和料的本质、特性和使用技术的不了解,排斥矿物掺和料的思维定势仍在影响着混凝土技术的进步。
事实是,在当前水泥强度不断提高的情况下,如果没用矿物掺和料,混凝土结构耐久性的问题将无法解决。
在英国,粉煤灰已被列为混凝土除水泥、砂石和水以外的第四组份[5],将矿物掺和料]叫做“辅助性胶凝材料”,混凝土的水灰比改为“水胶比”,。
科学家预言,总有一天,即使粉煤灰价格比水泥价格高,也必须使用。
现在这已成为事实:
在距离美国西部大陆约4000km的太平洋上一个安静的小岛上,要使用从印度进口的手工精雕细刻的梁、柱,建一座美丽的庙宇。
为了保证1000年的使用寿命,在软地基上36×
17×
1m的筏型基础混凝土采用了C3S为14%、C3A为%的水泥,粉煤灰掺量近60%。
因附近岛屿都没有粉煤灰,必须从美国西海岸的火电厂运来,费用是每吨约200美元,是硅酸盐水泥价格的3倍。
该混凝土已于1999年浇筑了760m3。
当2000年7月发表介绍文章时,仍未发现任何裂缝[6]。
我们排斥假冒伪劣产品既针对其假冒,更重要的是针对其伪劣。
矿物掺和料对混凝土的贡献能补偿硅酸盐水泥的劣势,如降低混凝土温升、提高抗化学腐蚀的能力、后期强度的持续增长,以及粉煤灰的抗裂性。
正确使用矿物掺和料不仅无任何假冒问题,而且对于性能得到很大的改善的混凝土何谈伪劣!
对多数混凝土供应商来说,使用矿物掺和料主要的出发点是降低成本,前提是不降低强度。
目前市场上的磨细矿渣比表面积都定位在400~450m2∕kg,这主要是按经济原则优化的:
矿渣比表面积越大,活性越高。
因强度第一的思维定势,用户希望要高活性的,但是生产成本高,供应商利润低;
在这个定值以下,售价低,则供应商利润也低。
而400~450从活性到价格,用户能接受,供应商客能得最大利润。
尽管比表面积超过400m2∕kg的矿渣自收缩随其掺量而增大,并且在目前多数人能接受的掺量下(例如30%,最多40%)并不降低混凝土的温升,而强度和降低成本对搅拌站的诱惑是很大的。
当细的矿渣掺量大于75%以后,混凝土的自收缩和温升才会随掺量的增加而减小[7],西方国家允许矿渣在水泥中的最大掺量是90%[8],新加坡用于海底隧道混凝土的水泥中矿渣掺量是75%。
在我国现行标准和规范中,这样的掺量是不允许的。
我国有的水泥厂已采用熟料和矿渣分磨得技术生产矿渣水泥,但尽管标准允许矿渣掺量为20~70%,为了保持在标准规定的0.5固定水灰比检测的强度为42.5以上,实际上矿渣掺量不会超过40%。
从标称强度来说并不是“次等产品”,而从抗化学腐蚀来说,更优于硅酸盐水泥和普通水泥。
恰恰相反的是“现代水泥性质的变化对混凝土强度发展以及对硬化水泥石微结构带来的影响是混凝土侵入性(penetration,包括水的渗透性、离子扩散性和毛细孔的吸附性──本文作者注),因此也是一定条件下混凝土耐久性的控制因素”[9]。
强度和耐久性没有直接关系,因为“现代水泥长的生产改变了,对耐久性产生了不良影响。
”[9]
显然用是否用掺和料来评价水泥质量的等级是由于不了解水泥标称强度和水泥对混凝土强度的贡献是两回事。
关键是当前水泥的生产和检测与混凝土性能根本没有关系。
一旦水泥厂按混凝土的需要生产,并按混凝土的规律检测,二者才会发生关联。
顺便一提:
有人主张取消水泥标准,而用混凝土来检测,这又走向了另一个极端。
任何产品都必须有标准,否则无法控制产品质量的均匀。
比方说药品,如果说其本身没有标准,全要有由人的服用效果来检测行吗?
“石子越多混凝土强度越高”,“石子只是填充材料,只要强度高就行”
这又是一个“强度唯一”的传统思维定势,以为骨料作为混凝土的骨架,就是起强度作用。
这是一种误解。
骨料的骨架作用主要是稳定混凝土的体积。
纯的水泥浆体硬化后收缩过大,无法用于结构。
必须有骨料对水泥浆体的收缩起约束作用。
即使水泥不要钱而骨料很贵,骨料在混凝土中也必须占据大部分体积。
至于骨料强度对混凝土强度的影响则随混凝土拌和物浆骨比的增大而减小。
只有水泥用量特别小(例如只有160kg/m3)的干硬性混凝土(贫混凝土,无坍落度,需高频强力加压振捣或碾压才能成型)骨料的强度才重要。
对于当前坍落度在100mm以上的泵送混凝土,骨料的强度并不影响混凝土的强度。
图6石子粒径与混凝土抗压强度的关系[2]
传统观念认为骨料粒径大的混凝土的强度高,事实恰好相反,由于界面的影响,混凝土强度随石子粒径的增大而下降,水灰比越低,影响越大(图6)[2],混凝土渗透性随石子粒径的增大而增大(图7)[2]。
传统观念还认为砂率大(石子少)时混凝土强度会降低,实际上还是由于界面的影响,骨料总用量相同而砂率增大时,强度有所提高、渗透性减小、弹性模量下降,收缩增大。
骨料的表面组织(表面粗糙程度)影响混凝土强度的原因也与界面有关。
图7石子粒径对混凝土渗透性的影响[2]
从骨料性质来说,影响混凝土强度的不是骨料强度,而是骨料的形状和表面特征,对抗弯强度比对抗压强度影响更大些[2]。
鉴于混凝土的体积稳定性是混凝土质量的重要性质,则尽量减小混凝土的浆骨比就成为提高混凝土质量重要的重要措施。
砂石含泥量的影响远不如混凝土拌和物浆骨比的影响更大。
用作混凝土骨料的岩石平均强度都超过100MPa,即使是强烈风化的低强度花岗岩,其抗压强度也达80~100MPa;
非常坚硬的粗粒花岗岩强度可达180~200MPa[10],因此,不必把强度作为对骨料质量的要求,至少不是唯一。
骨料质量重要的是粒形、颗粒级配,吸水率和线膨胀系数等性质。
其中石子的粒形甚至比级配还重要。
砂子的细度模数并不说明级配,细度模数大而级配很差时,影响更大。
由于普通骨料加工简单,价格低廉,而且看不到骨料对混凝土结构耐久性不可缺少的重要作用,人们除了强度以外不关心骨料的质量和消耗,生产和运输、使用中浪费也严重,加重了天然资源的负担。
忽视骨料质量的传统观念还表现在,许多年来已经不再有人根据构件尺寸、钢筋最小间距和保护层厚度来确定石子最大粒径了,设计人员也不考虑所设计钢筋密集程度能否允许现在最小的石子通过,以致常发生钢筋无法被混凝土足够地保护,水平钢筋底部由于混凝土沉降而留下形成水隙甚至水囊,为结构服役期加速钢筋的锈蚀留下严重的隐患。
骨料的质量差已经成为我国混凝土质量的重要障碍。
当前骨料生产的现状基本上是经营分散,生产方式落后,几乎无人执行砂石标准。
所供应标称连续级配的石子基本上都是10mm以上单粒级的,粒形也很不好。
这就使我国混凝土的用水量居高不下,混凝土的裂缝问题存在普遍。
造成这种状况的主导原因应当说是市场的需求。
也就是说用户对骨料质量的只重视强度,大多不懂技术的供应商只要能卖出去,就不会求进取而提高骨料质量。
3
从众思维
从众思维是一个很普遍的现象。
对众所纷纭的看法不加分析,盲目跟从。
这种思维定不仅在人类社会普遍存在,而且动物也有此现象,比如羊群效应。
从某种意义上来说,也是正常的,但是往往是有害的,用到科学技术上,更是不利的。
混凝土结构工程中的从众思维的形成,很多是出于想当然,或者把局部想象当成整体的规律。
这里举两个常见的实例:
例1:
担心掺粉煤灰、矿渣后混凝土的pH值下降
众所周知的是混凝土由于硅酸盐水泥水化释放出Ca(OH)2而呈碱性,钢筋混凝土中的碱性环境可保护钢筋免予锈蚀。
于是人们就认为掺粉煤灰、矿渣后不仅会稀释而且还要消耗掉Ca(OH)2;
人们又知道,pH值表明酸碱度,那么,想当然,Ca(OH)2减少了,pH值必然下降,混凝土的护筋性就下降变差了。
但是人们却没有想想什么是pH值?
混凝的土pH值怎么测?
pH值是[H+]的负对数,用以表征溶液中H+的浓度。
既然表征溶液中H+的浓度,则pH值与一定量溶液中的溶剂数量有关。
在科研中为了了解掺矿物掺和料的水泥酸碱度的变化,测定pH值的方法首先是用该胶凝材料加水调和制取溶液。
为了取得该胶凝材料完全水化后的Ca(OH)2溶液,就要加大量的水,比如胶凝材料∶水=1∶100或1∶200;
然后连续搅拌或震荡到水泥完全水化;
用仪器检测溶液的pH值。
只要能使水泥完全水化,加水量不同时,pH值当然不同。
实验主要是对比矿物掺和料不同掺量的影响,没有绝对值。
一般没有“某物质pH值”的说法,而是都对该物质饱和溶液而言,称作“某可溶物质饱和溶液的pH值”。
那么,混凝土是不溶性的固体,pH值并不是固体的性质。
一般所说“混凝土的pH值”应当是指混凝土孔溶液的pH值。
混凝土中的孔溶液是非常难以得到的,曾经只有极少的人用高压力挤出一些。
因此可以说无法测定。
但是可知硬化混凝土(尤其致密的混凝土)中毛细孔孔隙率是很低的,由于水泥水化的消耗和蒸发,孔溶液极少,只剩下孔壁吸附的水。
不妨通过计算来分析一下:
为了计算方便,假定水泥用量为250kg/m3,按密度为3.15计,则体积为80L;
w/c为0.48,则用水量为120L。
忽略骨料吸附的水,只计算水泥浆。
在密封的情况下水化程度为50%时,充水的毛细孔约为67L[11],Ca(OH)2在20℃时的溶解度为1.65g∕1L,假定常温下每升水可溶解约1.65g,则67L可溶解约110.66g。
假设水泥完全水化,则吸收0.227的水,水化物质量为306.75kg,完全水化后水化物中Ca(OH)2约占全部水化物的20%,则可粗略地认为水化率50%的250kg水泥释放Ca(OH)2约为31kg。
由此可推断,在实际混凝土中,即使50%的胶凝材料被掺和料所取代,水化程度也很低(实际上水化可因实际水灰比的增大而加速),所生成的Ca(OH)2也远比维持孔溶液pH值所需量多得多;
而由于水的蒸发,孔溶液更加少,则只要有很少的Ca(OH)2,就能使孔溶液饱和,pH值就不会下降。
注重混凝的密实性、匀质性和延伸性,以及对由环境作用而引起的开裂的抗力,比担心pH值更有意义得多。
例2:
“混凝土结构早期开裂就是因为养护的不好”,“没有不裂的混凝土,出点裂缝没关系”
为什么过去没听说过混凝土结构裂得这样多,而近几年几乎成了普遍现象?
公元12~14年罗马Caligula皇帝时期用石灰和火山灰以1∶2配合,成功地用于建造了那不勒斯海港,现场观察,至今虽然被海浪磨光了表面,长满青苔,但混凝土却完好无损,数百米长的堤墙几乎无一裂缝。
2000多年后的今天,却有人形容,现在施工期间,地下结构“无墙不裂”。
混凝土的养护固然很重要,但是从根本上来说是现在的水泥变了,混凝土也变了。
混凝土材料的特点是多孔而非均质,抗拉强度比抗压强度低得多。
当由于各种原因引起的内部拉应力超过其抗拉强度时,就会开裂。
如果能控制受约束的混凝土结构中拉应力始终低于其抗拉强度,则裂缝是可以控制的。
过去一般只有水工的大坝这样大体积的混凝土才有因内部温升大造成过大温差应力而开裂的问题,但现今厚度只有30几cm的混凝土墙早期因温度而开裂也相当普遍,“及时养护”都难以避免。
还是因为现在的混凝土变了,因为混凝土的要求,水泥也有很大的变化。
对于混凝土的密实性,大家都很重视,但是如果“出点裂缝没关系”,密实性还有意义吗?
从整体论的观点分析,凡是组成良好并经适当捣固和养护的混凝土,只要内部孔隙和裂缝尚未形成相互连接而直达表面的通道,则基本上是水密性的;
在使用中,结构的荷载以及大气环境的影响如冷热交替、干湿循环,可使这些内部微裂缝发展并传播,成为环境中侵蚀性介质浸入的通道[12]。
早期裂缝控制的意义在于,已有裂缝的扩展比新生成裂缝容易。
混凝土结构耐久性和裂缝的关系、裂缝产生的根本原因可从图8来分析。
图8
混凝土早期开裂原因的整体论分析
由以上分析可见,建设速度和混凝土耐久性之间的矛盾是主要的。
现在不少工程都将自己的“混凝土3天强度达70%、7天达90以上甚至100%”引以为豪,而且质检部门也这样要求。
这恰恰是混凝土结构早期开裂和耐久性下降的主要原因。
这样的混凝土,即使早期由于采取某种措施而有幸没有开裂,却掩盖了不可见的微裂缝的存在。
在恶劣气候下(特别是干湿交替)会加速混凝土的劣化。
事实上,近来许多搅拌站发现,7天强度达到100%的混凝土,到28天时强度基本上不再增长,甚至还下降。
这是因为,事物都有其本身的成长规律,违反或扰乱了其规律,会影响质量,甚至会发生更严重的问题。
拔苗助长固然错误,而三个月就长大的肉鸡不如过去一年才长成的家养鸡好吃,也是事实。
比如人的生长,如果希望孩子出生后短时间就长成大人而给他喂食生长激素,则问题就严重了。
混凝土内部微结构的形成和发展也如此。
因此从整体论出发,混凝土结构密实,同时在早期控制混凝土内部非荷载引起的应力则同等重要。
否则再密实的混凝土,一旦开裂也就成了不密实。
因此,混凝土结构裂缝的控制不仅是养护的问题,而涉及设计如何减小结构中的约束和应力集中、配筋如何配合裂缝的分散和便于混凝土浇筑等问题,材料制作如何提高混凝土抗裂性能的问题,涉及施工的也不仅是养护问题。
还包括模板技术、浇筑顺序、震捣方式、温度和湿度的控制、拆模时间等等,而最重要的则是建设主管方的指导思想。
主观意志要符合客观规律,才能使混凝土结构性能正常地发展。
参考文献
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