外加剂、流变学与高性能混凝土

摘要: 文章论述高性能砼在理论分析上离不开流变学，特别是对新拌砼流变学参数的分析，而各种混凝土外加则是改变流变参数的重要因素。高性能砼的生产实践离不开外加剂，因此，必须加速发展外加剂的品种，以适应高性能混凝上的发展需要。

关键词:流变学流变参数混凝土外加剂高性能混凝土

　　砼的产生已经超过了150年的历史。现在全世界已经对它究竟还能维持多少年的问题发生怀疑，所以耐久性已经成为全世界砼研究的焦点。过去几十年，人们注意力集中于研究它的强度。高强砼已经超过了100MPa，但现在看来单纯的高强不可能不带来一系列其它性能上的缺陷，例如脆性就是个很难解决的问题，通过150多年经验的积累，大家发现了对于砼工程不能只注意高强，还需要考虑到其它各个方面，特别是耐久性问题.

　　于是，国际上出现了High performance concrete这个新名词(HPC)，一般译作“高性能砼”。其实，高性能也还包括不了它的全部要求，高性能砼最重要的内容应该是抗水性、抗化学侵蚀性、抗渗透性等等，都离不开一个水字，因此高性能砼就与水有密切关系。事实上，没有水份谈不到水化，不成为砼。水份太多酿成砼质量大大下降，水份太少，砼存在大量气泡，不能形成结实的固体，产生不了高强，所以，要做到高强耐久的高性能砼，不能不考虑到水的用量和收缩裂缝问题。

　　于是，砼中的用水量成为科研工作者集中注意的问题。另一方面，砼的特点是在加水后就随着时间延续产生水化硬化，就有可能把砂石胶结起来，一系列的硬化性能也随之而来。这样，砼流变学就逐渐成为研究混凝土工艺学所不可缺少的一门学问。

　　首先须搞清什么是流变学。简言之，流变学是研究流动和变形的科学。具体来说，它是力学的一个分支，普遍应用于研究各种金属和非金属材料，各种有机和无机材料。和力学的不同在于:力学只是研究作为一个实体的物体运动规律，不联系物体本身的内部结构和性质，而流变学在研究物体流动和变形规律时，必须联系到物体内部的结构和性质。另一方面，流变学也是研究物体在外力作用下产生的随时间发展的变形和应力的关系的科学;流变学也是研究物体在外力作用下发生的弹、粘、塑性演变的科学，重要的还包括时间因素的考虑，因此流变学还需确定物体在外力作用下某一瞬间的应力、应变定量关系。

　　砼是一种同时具有弹、粘、塑性的复合材料，随着水泥水化的进行，砼的粘、塑、弹性不断的在演变，砼干料从加水开始经过搅拌，随着水泥水化的进行，它从粘塑性为主的状态逐渐进人以粘弹性为主的状态，前者我们称为新拌砼阶段，后者N1为硬化混凝土阶段。流变学在研究砼性能时，必然要研究其粘、塑、弹性演变的动力学和影响流变规律的各种因素，不论在新拌阶段或者硬化阶段都可以从各种“流变参数”来反映由于结构变化造成的物理力学性能的变化。

　　因此，从流变学角度去研究砼性能，可以从水泥、水、砂、石的共同作用出发，也就是从整体物质出发来窥测砼硬化前后的变化规律全貌。砼硬化后的一切，包括孔结构、胶孔比、裂缝出现和它的发展、结构的形成和发展都决定于新拌阶段的流变参数。新拌砼的流变参数是:屈服应力(θ_t)、塑性粘度(ŋ_pl )、 触变性(A)、内聚性(C)等。

　　砼的用水量是否合适可以其和易性状态来表示，这里谈谈砼和易性，即工作性的问题;虽有不少人研究过它的定义和含义，但迄今没有一个大家满意的统一的定义和测试方法。

　　作者从研究流变性出发，给工作性下了这样的定义:砼混合物在拌和、输送、浇灌、捣实、抹平的一系列操作过程中，在消耗一定能量下达到稳定和密实的程度。工作性如果从以上定义出发，则其含义应该包括:流动性、可塑性、稳定性、易密性四个方面的结合。

　　表达工作性的测试方法，最普遍的是VB法，捣实系数跳桌法、针插法等，但它们都有缺陷，近年有人提出按Bingham公式，用回转粘度计测定θ_t), ŋ_pl，两个参数来定量地表达(即所谓“两点法”)比较令人满意，但也 只能限于试验室应用。

　　从有Abrams 水灰比学说以来，混凝土普遍向高强发展，虽然也可照顾到耐久性，但高强还是主要的。在研究高强砼过程中，一定程度上涉及砼的耐久性，但一切仍以发展高强砼为主，影响砼耐久性的因素既多又复杂，其难度要比影响强度大得多。

　　近几年来 ，砼外加剂，尤其高效减水剂发展很快。由于高效减水剂的出现，砼的最高强度大大超过了过去，这根本上改变了工程结构的设计，是一个很大的跃进。但是从今天看来，高强砼要达到既高强又耐久的程度，还有一个相当距离，而今天许多重要的工程结构决不仅仅是高强所能解决的。

　　砼的研究必须要从新拌砼阶段开始，也就是说砼粘塑性阶段进入粘弹性阶段过程中，必须考虑到砼硬化后的耐久性，这主要表现在砼在粘塑性阶段的和易性。但对耐久性而言，砼的用水量还不能完全解决问题，因为重要的方面还在于抵抗化学侵蚀，而易密性则是一个抗化学侵蚀的重要因素。

　　外加剂这些年来已成为砼的第六种组成材料，我国从20世纪80年代初开始加速外加剂发展以来，今天在各种工程上已普遍应用。作者七十年代在美国考察时，发现我国与美的差距主要表现在砼外加剂上，那时美国在全国范围内已经普遍应用砼外加剂来改善砼的耐久性，特别是高速公路的发展，而我国那时基本上还没有使用外加剂的工程，这是最大的差距。

　　外加剂可以改善砼多方面的性能，包括抗冻、耐热、抗渗、高强等等，掺加量一般仅千分之几，就能有很大的效果。20世纪80年代初，在中国土木工程学会下成立了砼外加剂学会，开始了我国外加剂这一门新学科的发展。迄今为止，我国外加剂已经普及，很多重要工程都用了外加剂，以改善砼的性能，特别是减水剂、膨胀剂、引气剂等等。

　　学会成立以后接着成立了中国外加剂协会，团结了几百个大小外加剂工厂，生产了数十种外加剂品种，特别是高效减水剂开展得最普遍，把我国砼质量提高到了100MPa以上，作出了很大贡献。

　　为什么要把外加剂和高性能砼的发展连在一起?这是因为高性能砼的发展少不了各种外加剂的应用。

　　譬如引气作用、抗渗性、抗冻、抗硫酸侵蚀等等，都必须应用不同的外加剂。

　　但是，外加剂的应用方法是一个十分重要的问题，它对于砼的和易性有很大影响，特别掺加量的多少、掺加的时间，都可以影响到外加剂的效果。

　　高性能砼的发展是21世纪我国砼工业的主要任务，我认为它应包括以下内容:①适当的高强性能，但有良好的耐久性;②抵抗多种砼周围的化学侵蚀因素，减少砼本身的收缩及温度变化带来的各种体积变化。

　　说到外加剂，必须要提到半个多世纪前就已在美国出 现的外加剂。那时美国高速公路每过一个冬天路面开 裂就更严重，大大影响了公路使用寿命。但接着出现了外加剂— 引气剂，砼在严寒的冬季中，不致因水份冰冻时产生的压力，使路面开裂。引气剂的出现使公路抗冻能力大大提高，使用寿命大大延长，于是美国的高速公路仅仅几年就发展迅速，四通八达。迄今，在许多国家发展了引气剂，它已成为最有效的抗冻外加剂的一种。

　　近几年出现的高效减水剂也很快在全球推广。我国高效减水剂也已相当普及，使我国砼在减少一定用水量下提高了和易性，从而大幅度提高了砼的强度，达到前所未有的程度。

　　上文提到在发展高性能砼时必须提高砼的抗水性、抗化学侵蚀性。于是近年又出现了一种膨胀剂，它能补偿砼的收缩，使水分不易侵人砼裂缝，从而提高抗化学侵蚀及抗碱骨料反应等性能。

　　从高性能砼的要求出发，今天世界上已出现数百种砼外加剂，这些外加剂的特点都是掺加量极少而效果奇佳，都有着辉煌的发展前途。所以砼外加剂已成为砼组成的第六种组分材料。

　　为了减少水泥用量，近期不同工程都掺用了不同种类的细磨材料，如矿渣、粉煤灰等，主要目的是减少砼中水泥用量，从而使砼的需水量减少，体积变形减小以及水化热降低等。总之 ，2 1世纪的砼将不再仅仅以提高强度为目的，而要达到既高强又耐久，并且具有抵抗多种自然界破坏力的功能。

　　从外加剂、流变学角度发展高性能砼，看来应该是21世纪砼工业的主要方向。归纳下来，我建议21世纪的砼必须符合以下要求:

　　①不再单一地从提高强度出发，而必须同时考虑多性能作用，特别是提高耐久性。

　　②高性能砼是各种砼结构的发展方向，而所谓高性能必须突出耐久性的功效。

　　③外加剂是砼的第6个组份。它的品种、功能必须充分得到发展。

　　达到高性能从理论上分析离不开流变学，须特别注意的是新拌砼的流变学参数，而各种外加剂则是改变流变参数的因数。我们必须加速发展外加剂的品种，以适应高性能砼的需要。