[摘要] 本文對商品混凝土發展中的水灰比與水膠比,裂縫與補償收縮,結構實體檢驗等幾個焦點問題進行理論及實踐的探討,希能引起各方人士的關注,達到促進其發展之目的。
[關鍵詞] 商品混凝土 水灰比與水膠比 裂縫 補償收縮 結構實體
1 前言
據有關文獻[ 1 ] 報道,我國商品混凝土已進入發展期(1991 年到2010 年) 。我國商品混凝土的迅猛發展既是借助于基建投資的拉動,又是借助于材料科學的進步,是混凝土外加劑和摻合料的技術進步。
商品混凝土的發展有力地促進了混凝土科學技術的進步,產生了顯著的社會效益及經濟效益。但在其發展與前進的道路上,由于混凝土新技術宣傳與普及未能到位,有關規范、標準修訂未能及時跟上,而工程界部分人士又視規范為法律,因而使其技術進步在某種程度上受到一定的約束,在處理某些質量問題時,各方認識往往不能統一,甚至爭論不休,從而產生一些負面效應。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、學者關注,共同為我國商品混凝土的發展作出貢獻。
2 商品混凝土中的焦點問題
2．1 水灰比與水膠比
在混凝土配合比設計中,水灰比是主要設計參數之一,水灰比與配制強度的關系是配合比設計中首先要確立的基本關系。早在1918 年,美國波特蘭水泥協會的D ·A 阿伯拉姆斯以“混凝土混合物的設計”為題,發表了著名的水灰比定律:“在一定的工作條件下,集料的品質和配合比不變時,可塑性混凝土的強度與其它性質都是由水灰比所決定”。19 世紀20 年代以后,瑞士混凝土專家保羅米根據法國菲萊公式,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計規程》J GJ 55 -2000 ,該公式為:
式中αa 、αb ———回歸系數
fcu ·o ———配制強度(MPa)
fce ———水泥28d 抗壓強度實測值(MPa)
由于材料科學的進步及我國商品混凝土的發展,普通混凝土的組成材料已經由四組份發展到六組份,而膠凝材料也不僅僅是水泥一個品種,已經發展到粉煤灰、礦粉等多個品種。因此,在六組份配合比設計中,需要考慮如下幾點:
(1) 依據水泥熟料礦物具有膠凝能力的本質與條件,粉煤灰、礦粉等礦物摻合料,同樣具備結構的不穩定性,同樣具有活性效應。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成分有關,而且在很大程度上決定于成粒條件、結構等多種因素。
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,會發生顯著的水化作用,而且在飽和的Ca (OH) 2 溶液中反應更快。[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,有學者提出粉煤灰混凝土強度的改進公式[4 ]
式中φ———根據水泥品種、粉煤灰摻量所確定的折減系數
B ———常數
從上式可知,保羅米公式仍然可以應用,但應根據粉煤灰、礦粉等膠凝材料的活性對現行配合比設計中的公式予以修正。對于高強混凝土配合比設計,保羅米公式是否適用,尚需進一步探討。
(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生的化學效應低于水泥,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,不應受設計強度左右。在確保設計強度的前提下,應根據工程結構對象、耐久性要求,結合環境條件及原材料特性,有針對性地調整用水量及礦物摻合料用量,并積極降低水泥用量。
(5) 建議修改現行《普通混凝土配合比設計規程》(J GJ 55 - 2000) 中的W/ C 公式,其中水灰比應改為水膠比,而公式中的fce 可根據礦物摻合料的活性引入一個折減系數,至于礦物摻合料的需水性可用減水劑的減水率給予調整。
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,有關專著及專業刊物發表論文也不計其數。
我國著名工程結構裂縫控制專家王鐵夢教授在其專著《工程結構裂縫控制》一書中指出:“工程裂縫問題是具有相當普遍性的技術難題⋯⋯如何因地制宜地把裂縫控制在無害范圍之內是結構工程師的藝術。”“近代科學關于混凝土強度的細觀研究以及大量工程實踐所提供的經驗都說明,結構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,必將付出巨大的經濟代價;科學的要求應是將其有害程度控制在允許范圍內”。[ 5 ]
王鐵夢教授上述觀點,應該為廣大工程界、學術界所認同。但在工程實踐中卻出現各式各樣的門派,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,少數設計單位不論樓面、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 膨脹劑發明者之一的游寶坤教授都不得不表明態度。游教授近期在刊物上發表文章指出:膨脹劑并非“萬能之藥”,用于暴露在空氣中的混凝土結構,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應用,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生的變形裂縫,如果在設計、施工及混凝土配合比的組成材料等環節給予協調,并采取措施,筆者認為可以達到一定的效果。諸如商品混凝土,開裂頻率較高的結構主要為現澆混凝土樓板、大體積混凝土及地下室墻板。為控制現澆混凝土樓板裂縫,上海市建設和管理委員會組織了設計、勘察、施工、材料、檢測、監理和監督系統進行了專項調查與研究,出版了《現澆樓板的裂縫控制》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思想中指出:“以混凝土收縮引起的裂縫為例:據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:為應變值,σ:為混凝土應力,E :為混凝土彈性模量) 。可知混凝土允許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,如果設計、施工、材料等部門互相協調,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,原設計墻板水平構造筋位于豎向筋內側,經與設計單位協商,在豎向鋼筋外側增加一道鋼絲網,施工中加強了保溫保濕措施,在模板外側張掛兩層麻袋保溫,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行注水保濕工作。該工程墻板混凝土為C40泵送,經拆模后未發現墻板裂縫。
關于補償收縮控制裂縫的技術措施,在《混凝土外加劑應用技術規范》( 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用于控制有害裂縫的鋼筋混凝土結構工程。混凝土的膨脹只有在限制條件下才能產生預壓應力。”“摻膨脹劑的補償收縮混凝土水中養護14d 的限制膨脹率≥01015 % ,相當在結構中建立的預壓應力大于012MPa 。”
以上幾條,目前在學術上尚有爭議: (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構承載力,其裂縫根據使用要求經處理后完全可以滿足應用。( 2 )012MPa 的預壓應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系漫談》一文中認為:“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) 為了達到摻膨脹劑的補償收縮效果,“規范”對設計、施工、材料及混凝土制作等均提出了若干要求,諸如設計的配筋、施工中的振搗與養護、混凝土配制中的摻量及限制膨脹率的檢測等等,這些要求在執行過程中存在一定的難度,特別是限制膨脹率的檢測,據筆者了解,多數工程并未執行,因而其效果往往適得其反。
究竟怎樣防裂? 有關專家、學者已在專業雜志上發表了許多論文,筆者不再重復,但關鍵在于設計、施工、材料等各方互相協調,針對工程對象,共同采取對策。
2．3 結構實體檢驗
《混凝土結構工程施工質量驗收規范》GB50204- 2002 第1011. 1 條～1011. 3 條規定:“對涉及混凝土結構安全的重要部位應進行結構實體檢驗。”“對混凝土強度的檢驗,也可根據合同的約定,采用非破損或局部破損的檢驗方法,按國家現行有關標準的規定進行。”根據“規范”要求,結構實體的檢驗用同條件養護試件強度檢驗。同條件養護試件應由各方在混凝土澆筑入模處見證取樣。“規范”已實施數年,采用同條件養護試件強度檢驗、評定結構實體強度的工程,到目前為止,據筆者了解,其比例甚少,多數工程采用回彈或抽芯進行評定。當工程結構實體混凝土強度達不到設計要求時,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營困難,有苦難言。因此,如何科學、合理地檢驗、評定結構實體混凝土強度,如何界定供需雙方責任對商品混凝土的發展具有重要作用。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的關系曲線及推定方法是基于上世紀七、八十年代混凝土的試驗數據確定的。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、骨料變細導致混凝土表面硬度相對降低,加上碳化規律變異造成的影響,采用傳統的回彈測強方法,所得推定強度偏低。
現行《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》J GJ / T23 - 2001 中對強度偏低現象也有說明,但不是針對表面硬度。如條文說明第710. 3 條“一般情況下,結構或構件由于制作、養護等方面原因,其強度值要低于同條件試件強度值。本規程定義強度推定值為結構或構件本身的強度值,而實際應用,多數錯誤的將該值直接與標準養護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。”第710. 5 條“本檢測結果為構件混凝土強度,該強度與標準養護或同條件養護試件強度存有差異,因此不能據此結果對構件的設計強度等級給出合格與否的結論。”遺憾的是,一些檢測部門的人士偏要與設計強度等級劃等號,造成誤判、錯判,給國家帶來損失。
回彈法檢測技術規程存在兩個問題: (1) 現行曲線不適應目前膠凝材料的變化; (2) 不能給出合格與否的結論,缺乏可操作性。因此,應及時給予修訂。
鉆芯法準確嗎? 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。鉆芯法測定結構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;養護與試壓對芯樣強度的偏差;鉆取芯樣時擾動芯樣,使芯樣內部產生微裂紋,從而降低混凝土芯樣強度等等[ 9 ] 。由于以上影響因素,鉆芯法測定結構實體混凝土強度有待進一步探討。
此外,還有超聲回彈綜合法,此法經有關試驗統計表明,其偏低程度較大,偏差超過回彈法;還有拔出法,有關試驗統計表明,拔出法反映的推定強度偏高[8 ] 。
結構實體混凝土強度究竟應如何科學、合理地給予檢驗與評定,目前學術界仍在繼續研究與探討。
結構實體混凝土強度檢驗如采用同條件養護試件的強度作為依據,很顯然,由于溫度與濕度所存在的差異,同條件養護試件強度一般低于標準養護試件的強度,但同條件養護試件強度是否能代表結構實體混凝土強度呢? 筆者認為,仍然存在差異,由于結構實體的制作、振搗、養護及斷面尺寸等均不同于同條件試件,因此,仍有待進一步探討。為此《, 混凝土結構設計規范》GB50010 - 2002 條文說明第411.3～411. 4 條指出:“考慮到結構中混凝土強度與試件強度之間的差異,根據以往的經驗,并結合試驗數據的分析,以及參考其他國家的有關規定,對試件混凝土強度修正系數取0188 。”“規范”提出的試件尚不明確,是指標準養護試件還是同條件養護試件?希能進一步明確。
通過以上敘述,對結構實體混凝土強度的檢驗與評定,尚需有關專家、學者在修訂規范時進一步努力。
此外,對供需雙方責任也應在有關規范中明確,避免扯皮。“實際上,標準養護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任;而同條件養護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任。”[8 ] 同理,結構實體強度也同樣應由施工方負主要責任。
3 結語
(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,設計、施工、材料等各方應相互協調,共同采取措施。
(3) 補償收縮如針對性強,有關措施得力,可能會收到一定成效,反之,則適得其反。
(4) 采用同條件養護對結構實體混凝土抗壓強度進行評定,由于結構實體在澆筑、振搗、養護等工藝中與同條件養護的試件存在差異,因此,應考慮乘以折減系數,折減系數為多少,尚應進一步探討。
參考文獻
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[2 ]沈旦申,吳正嚴1 現代混凝土設計1 上海科學技術文獻出版社
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[4 ]楊伯科主編1 混凝土實用新技術手冊1 吉林科學技術出版社
[5 ]王鐵夢1 工程結構裂縫控制1 中國建筑工業出版社
[6 ]游寶坤1 關于混凝土抗裂材料應用的討論1 混凝土,2005 - 10
[7 ]陳士良主編1 現澆樓板的裂縫控制1 中國建筑工業出版社
[8 ]程志軍,徐有鄰1 結構實體混凝土強度的檢驗1 混凝土,2002 - 11
[9 ]胡貴友1 導致混凝土鉆芯取樣強度差異的因素1 建筑技術,2004 - 4
[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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