[摘要] 本文对商品混凝土发展中的水灰比与水胶比,裂缝与补偿收缩,结构实体检验等几个焦点问题进行理论及实践的探讨,希能引起各方人士的关注,达到促进其发展之目的。
[关键词] 商品混凝土 水灰比与水胶比 裂缝 补偿收缩 结构实体
1 前言
据有关文献[ 1 ] 报道,我国商品混凝土已进入发展期(1991 年到2010 年) 。我国商品混凝土的迅猛发展既是借助于基建投资的拉动,又是借助于材料科学的进步,是混凝土外加剂和掺合料的技术进步。
商品混凝土的发展有力地促进了混凝土科学技术的进步,产生了显著的社会效益及经济效益。但在其发展与前进的道路上,由于混凝土新技术宣传与普及未能到位,有关规范、标准修订未能及时跟上,而工程界部分人士又视规范为法律,因而使其技术进步在某种程度上受到一定的约束,在处理某些质量问题时,各方认识往往不能统一,甚至争论不休,从而产生一些负面效应。为此,笔者对以下几个焦点问题提出个人浅见,希能引起各位专家、学者关注,共同为我国商品混凝土的发展作出贡献。
2 商品混凝土中的焦点问题
2．1 水灰比与水胶比
在混凝土配合比设计中,水灰比是主要设计参数之一,水灰比与配制强度的关系是配合比设计中首先要确立的基本关系。早在1918 年,美国波特兰水泥协会的D ·A 阿伯拉姆斯以“混凝土混合物的设计”为题,发表了著名的水灰比定律:“在一定的工作条件下,集料的品质和配合比不变时,可塑性混凝土的强度与其它性质都是由水灰比所决定”。19 世纪20 年代以后,瑞士混凝土专家保罗米根据法国菲莱公式,把28 天混凝土抗压强度的曲线公式改为近似直线的公式([2 ] ) ,即我国至今仍然沿用的保罗米公式。
按照《普通混凝土配合比设计规程》J GJ 55 -2000 ,该公式为:
式中αa 、αb ———回归系数
fcu ·o ———配制强度(MPa)
fce ———水泥28d 抗压强度实测值(MPa)
由于材料科学的进步及我国商品混凝土的发展,普通混凝土的组成材料已经由四组份发展到六组份,而胶凝材料也不仅仅是水泥一个品种,已经发展到粉煤灰、矿粉等多个品种。因此,在六组份配合比设计中,需要考虑如下几点:
(1) 依据水泥熟料矿物具有胶凝能力的本质与条件,粉煤灰、矿粉等矿物掺合料,同样具备结构的不稳定性,同样具有活性效应。其中粉煤灰的活性决定于活性Al2O3 及SiO2 的含量。而矿粉的活性不仅与化学成分有关,而且在很大程度上决定于成粒条件、结构等多种因素。
粉煤灰的矿相组成主要是铝硅玻璃体,玻璃体含量越多,活性越高。而矿粉的活性是潜在的,这种潜在活性的发挥,则以石灰等物料的存在为必要条件。即在Ca (OH) 2 的溶液中,会发生显著的水化作用,而且在饱和的Ca (OH) 2 溶液中反应更快。[3 ]
(2) 由于粉煤灰、矿粉在组成成份和形成过程与水泥存在一些差异,其活性低于水泥熟料矿物。因此,有学者提出粉煤灰混凝土强度的改进公式[4 ]
式中φ———根据水泥品种、粉煤灰掺量所确定的折减系数
B ———常数
从上式可知,保罗米公式仍然可以应用,但应根据粉煤灰、矿粉等胶凝材料的活性对现行配合比设计中的公式予以修正。对于高强混凝土配合比设计,保罗米公式是否适用,尚需进一步探讨。
(3) 在掺有粉煤灰、矿粉等矿物掺合料的混凝土中,由于其活性成分所产生的化学效应低于水泥,因此,如需取得相等的混凝土强度,矿物掺合料不能等量取代水泥,其水胶比不等于水灰比,且水胶比小于水灰比。其表达式为:
式中mc ———每立方米掺矿物掺合料混凝土中的水泥用量kg/ m3 。
mf ———每立方米混凝土中的矿物掺合料用量kg/ m3 。
C ———未掺矿物掺合料混凝土中的水泥用量kg/ m3 。
在用水量W 不变的条件下,mc + mf > C。
(4) 在工程实践中,水胶比的大小,不应受设计强度左右。在确保设计强度的前提下,应根据工程结构对象、耐久性要求,结合环境条件及原材料特性,有针对性地调整用水量及矿物掺合料用量,并积极降低水泥用量。
(5) 建议修改现行《普通混凝土配合比设计规程》(J GJ 55 - 2000) 中的W/ C 公式,其中水灰比应改为水胶比,而公式中的fce 可根据矿物掺合料的活性引入一个折减系数,至于矿物掺合料的需水性可用减水剂的减水率给予调整。
2．2 裂缝与抗裂
裂缝与抗裂,在工程界已成为街谈巷议之课题,有关专著及专业刊物发表论文也不计其数。
我国著名工程结构裂缝控制专家王铁梦教授在其专著《工程结构裂缝控制》一书中指出:“工程裂缝问题是具有相当普遍性的技术难题⋯⋯如何因地制宜地把裂缝控制在无害范围之内是结构工程师的艺术。”“近代科学关于混凝土强度的细观研究以及大量工程实践所提供的经验都说明,结构物的裂缝是不可避免的,裂缝是一种人们可以接受的材料特征,如对建筑物抗裂要求过严,必将付出巨大的经济代价;科学的要求应是将其有害程度控制在允许范围内”。[ 5 ]
王铁梦教授上述观点,应该为广大工程界、学术界所认同。但在工程实践中却出现各式各样的门派,特别在如何防裂、抗裂等问题上各出高招。笔者曾接触到一些工程,少数设计单位不论楼面、屋面、地面,将膨胀剂作为灵丹妙药,通通要求掺加。这些做法,即使UEA 膨胀剂发明者之一的游宝坤教授都不得不表明态度。游教授近期在刊物上发表文章指出:膨胀剂并非“万能之药”,用于暴露在空气中的混凝土结构,如桥梁、路面、屋面等都不适用。[6 ] 而对于纤维、减缩剂等抗裂材料,游教授说:“我支持纤维混凝土的开发应用,但仅用它解决混凝土表面塑性裂缝,似乎大材小用。”对减缩剂材料,认为“价格较高,每立方混凝土成本约增加50～60 元,另外,它的实际效果尚需作出全面评估。”
混凝土由于收缩及温差等因素产生的变形裂缝,如果在设计、施工及混凝土配合比的组成材料等环节给予协调,并采取措施,笔者认为可以达到一定的效果。诸如商品混凝土,开裂频率较高的结构主要为现浇混凝土楼板、大体积混凝土及地下室墙板。为控制现浇混凝土楼板裂缝,上海市建设和管理委员会组织了设计、勘察、施工、材料、检测、监理和监督系统进行了专项调查与研究,出版了《现浇楼板的裂缝控制》一书。此书第二章、第三章、第四章分别叙述了“楼板裂缝的设计原因与控制措施”;“楼板裂缝的材料原因与控制措施”,“楼板裂缝的施工原因与控制措施”。在此书楼板裂缝研究的指导思想中指出:“以混凝土收缩引起的裂缝为例:据测试混凝土收缩值一般在(4～8) ×10 - 4 ,混凝土的抗拉强度一般在2 ～ 3MPa , 弹性模量一般在( 2 ～ 4 ) ×104MPa 。由公式ε=σ/ E(式中ε:为应变值,σ:为混凝土应力,E :为混凝土弹性模量) 。可知混凝土允许变形范围在万分之一左右,而混凝土的实际收缩在(4～8) ×10 - 4 ,混凝土实际收缩大于混凝土允许变形范围。因此,混凝土的裂缝是不可避免的,关键在于控制裂缝的宽度和深度。[7 ]
裂缝虽难以避免,但仍然可以防治,如果设计、施工、材料等部门互相协调,共同采取行之有效的防治措施,裂缝问题也是可以控制甚至可以避免的。例如,珠海市韵怡湾大厦地下室墙板工程,原设计墙板水平构造筋位于竖向筋内侧,经与设计单位协商,在竖向钢筋外侧增加一道钢丝网,施工中加强了保温保湿措施,在模板外侧张挂两层麻袋保温,并将拆模时间延长至七天,在模板未拆前,采取松动模板上端进行注水保湿工作。该工程墙板混凝土为C40泵送,经拆模后未发现墙板裂缝。
关于补偿收缩控制裂缝的技术措施,在《混凝土外加剂应用技术规范》( GB50119 - 2003) 条文说明第814. 1 条指出:“掺膨胀剂的补偿收缩混凝土大多应用于控制有害裂缝的钢筋混凝土结构工程。混凝土的膨胀只有在限制条件下才能产生预压应力。”“掺膨胀剂的补偿收缩混凝土水中养护14d 的限制膨胀率≥01015 % ,相当在结构中建立的预压应力大于012MPa 。”
以上几条,目前在学术上尚有争议: (1) 什么是有害裂缝? 王铁梦教授说:”凡影响承载力或使用条件者为有害裂缝,反之为无害裂缝。[ 5 ]“而80 %以上由变形引起的裂缝并不影响结构承载力,其裂缝根据使用要求经处理后完全可以满足应用。( 2 )012MPa 的预压应力能补偿多少收缩率呢? 熊耀莹高级工程师在《住宅建筑裂缝因果关系漫谈》一文中认为:“只能补偿收缩率0100067 %～0100233 % ,而混凝土的收缩率往往大于0104 % ,所以补偿混凝土对混凝土的收缩救助只能是杯水车薪。[7 ] ”(3) 为了达到掺膨胀剂的补偿收缩效果,“规范”对设计、施工、材料及混凝土制作等均提出了若干要求,诸如设计的配筋、施工中的振捣与养护、混凝土配制中的掺量及限制膨胀率的检测等等,这些要求在执行过程中存在一定的难度,特别是限制膨胀率的检测,据笔者了解,多数工程并未执行,因而其效果往往适得其反。
究竟怎样防裂? 有关专家、学者已在专业杂志上发表了许多论文,笔者不再重复,但关键在于设计、施工、材料等各方互相协调,针对工程对象,共同采取对策。
2．3 结构实体检验
《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204- 2002 第1011. 1 条～1011. 3 条规定:“对涉及混凝土结构安全的重要部位应进行结构实体检验。”“对混凝土强度的检验,也可根据合同的约定,采用非破损或局部破损的检验方法,按国家现行有关标准的规定进行。”根据“规范”要求,结构实体的检验用同条件养护试件强度检验。同条件养护试件应由各方在混凝土浇筑入模处见证取样。“规范”已实施数年,采用同条件养护试件强度检验、评定结构实体强度的工程,到目前为止,据笔者了解,其比例甚少,多数工程采用回弹或抽芯进行评定。当工程结构实体混凝土强度达不到设计要求时,商品混凝土公司与施工方便相互扯皮,致使施工方长期拖欠货款,造成商品混凝土公司经营困难,有苦难言。因此,如何科学、合理地检验、评定结构实体混凝土强度,如何界定供需双方责任对商品混凝土的发展具有重要作用。由于以上原因,笔者时时在寻求答案。
回弹法好吗? 或许,有关部门的某些代表会回答:好! 因为回弹是最简单、最方便的间接测强方法。但他们是否了解,回弹法是通过对混凝土表面硬度的测定来推定混凝土强度,表面硬度与强度对应的关系曲线及推定方法是基于上世纪七、八十年代混凝土的试验数据确定的。二十多年来,我国混凝土的成分有了很大变化,特别是由于商品化经营和泵送的要求,混凝土中水泥和各种掺合料(粉煤灰等) 大幅度增加,而粗骨料成分明显减少且粒径不断减小。粉剂含量增加、骨料变细导致混凝土表面硬度相对降低,加上碳化规律变异造成的影响,采用传统的回弹测强方法,所得推定强度偏低。
现行《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》J GJ / T23 - 2001 中对强度偏低现象也有说明,但不是针对表面硬度。如条文说明第710. 3 条“一般情况下,结构或构件由于制作、养护等方面原因,其强度值要低于同条件试件强度值。本规程定义强度推定值为结构或构件本身的强度值,而实际应用,多数错误的将该值直接与标准养护150mm 立方体试件强度对比,造成回弹法检测的强度值偏低的印象。”第710. 5 条“本检测结果为构件混凝土强度,该强度与标准养护或同条件养护试件强度存有差异,因此不能据此结果对构件的设计强度等级给出合格与否的结论。”遗憾的是,一些检测部门的人士偏要与设计强度等级划等号,造成误判、错判,给国家带来损失。
回弹法检测技术规程存在两个问题: (1) 现行曲线不适应目前胶凝材料的变化; (2) 不能给出合格与否的结论,缺乏可操作性。因此,应及时给予修订。
钻芯法准确吗? 钻芯法是通过从混凝土实体中钻取芯样来测定强度的一种方法。钻芯法测定结构实体混凝土强度虽然有较好的直观性和直接性,但该法却存在影响实体混凝土强度的若干不利因素。如:取芯机械造成的芯样强度偏差;加工制作、芯样运输对芯样强度的影响;养护与试压对芯样强度的偏差;钻取芯样时扰动芯样,使芯样内部产生微裂纹,从而降低混凝土芯样强度等等[ 9 ] 。由于以上影响因素,钻芯法测定结构实体混凝土强度有待进一步探讨。
此外,还有超声回弹综合法,此法经有关试验统计表明,其偏低程度较大,偏差超过回弹法;还有拔出法,有关试验统计表明,拔出法反映的推定强度偏高[8 ] 。
结构实体混凝土强度究竟应如何科学、合理地给予检验与评定,目前学术界仍在继续研究与探讨。
结构实体混凝土强度检验如采用同条件养护试件的强度作为依据,很显然,由于温度与湿度所存在的差异,同条件养护试件强度一般低于标准养护试件的强度,但同条件养护试件强度是否能代表结构实体混凝土强度呢? 笔者认为,仍然存在差异,由于结构实体的制作、振捣、养护及断面尺寸等均不同于同条件试件,因此,仍有待进一步探讨。为此《, 混凝土结构设计规范》GB50010 - 2002 条文说明第411.3～411. 4 条指出:“考虑到结构中混凝土强度与试件强度之间的差异,根据以往的经验,并结合试验数据的分析,以及参考其他国家的有关规定,对试件混凝土强度修正系数取0188 。”“规范”提出的试件尚不明确,是指标准养护试件还是同条件养护试件?希能进一步明确。
通过以上叙述,对结构实体混凝土强度的检验与评定,尚需有关专家、学者在修订规范时进一步努力。
此外,对供需双方责任也应在有关规范中明确,避免扯皮。“实际上,标准养护试件强度主要取决于混凝土的组分,基本上反映混凝土公司的责任;而同条件养护试件强度则更多地取决于施工条件的影响,一般反映施工方的责任。”[8 ] 同理,结构实体强度也同样应由施工方负主要责任。
3 结语
(1) 水胶比不等于水灰比,如需取得相等的混凝土抗压强度,水胶比小于水灰比。
(2) 混凝土裂缝问题是混凝土性能所决定的。如何控制混凝土裂缝,设计、施工、材料等各方应相互协调,共同采取措施。
(3) 补偿收缩如针对性强,有关措施得力,可能会收到一定成效,反之,则适得其反。
(4) 采用同条件养护对结构实体混凝土抗压强度进行评定,由于结构实体在浇筑、振捣、养护等工艺中与同条件养护的试件存在差异,因此,应考虑乘以折减系数,折减系数为多少,尚应进一步探讨。
参考文献
[1 ]刘良季,张彤121 世纪初叶我国预拌混凝土行业态势初探1 混凝土,2003 - 10
[2 ]沈旦申,吴正严1 现代混凝土设计1 上海科学技术文献出版社
[3 ]袁润章等编1 胶凝材料学1 中国建筑工业出版社
[4 ]杨伯科主编1 混凝土实用新技术手册1 吉林科学技术出版社
[5 ]王铁梦1 工程结构裂缝控制1 中国建筑工业出版社
[6 ]游宝坤1 关于混凝土抗裂材料应用的讨论1 混凝土,2005 - 10
[7 ]陈士良主编1 现浇楼板的裂缝控制1 中国建筑工业出版社
[8 ]程志军,徐有邻1 结构实体混凝土强度的检验1 混凝土,2002 - 11
[9 ]胡贵友1 导致混凝土钻芯取样强度差异的因素1 建筑技术,2004 - 4
[作者简介] 匡楚胜(1939 —) ,男,高级工程师,珠海飞天利商品混凝土有限公司顾问。
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