突破思维的局限

2020-04-06闻宝联

商品混凝土 2020年3期

闻宝联

（建筑材料工业技术情报研究所，北京 100024）

考古学家莎拉·帕卡克（Sarah Parcak）是阿拉巴马大学伯明翰分校的埃及学专家，她发现了埃及 17 座未知金字塔、1,000 多个墓穴和 3,000 个定居点古遗址。在埃及，厚厚的砂层使金字塔和城市无影无踪，靠几把洛阳铲徒步考古几乎不可能有所发现，Parcak 开发了一种利用红外线处理卫星图像的方法，以识别由古代文明活动引起的土壤化学变化来发现隐藏在地下的古遗址。这听起来有些令人惊奇，而事实上，几乎所有的重大发现，都是突破常规思维模式或是惯用方式所取得，不跳出思维的局限，往往一叶障目不见泰山。对于混凝土也是如此的。

混凝土是由水泥、砂、石和水所组成，为改善混凝土的某些性能还常加入适量的外加剂和掺合料。水泥有很多种类和等级，砂石也是如此，外加剂随各个厂家配方不同品种各异，掺合料更是种类繁多，特别现在随着节能减排、绿色混凝土的倡导，各种尾矿料都开始应用于混凝土中，简而言之，混凝土原材料种类越来越多，出现质量问题的概率也越来越大。

自然，一旦出现质量缺陷，大家不约而同会首先怀疑材料、怀疑配比，实在解决不了，最后甩锅给外加剂，最终大家都一头雾水，再以其他非技术方式解决，现在这种情况很普遍。但以我这些年处理的疑难杂症，绝大多数还真不是原材和配比引起，但任何时候不能排除原材料在里面有一定的影响，却往往不是主要因素。

我曾去某项目去做质量缺陷鉴定，不找出原因所在就无法避免缺陷，不找出原因，也很难评估其影响。

起因是某省质检站去工地检查，发现有几片梁黑乎乎的，而旁边的梁却没这问题（见图 1：左边的发黑，右边的发白）。

这些问题质检站从未见过，或是以前见过没引起注意，这次注意了。他们担心的问题是：这几片混凝土预制梁感觉上表层吸湿性大，什么原因引起？会不会诱发钢筋锈蚀？因为地处沿海，未来锈蚀的可能性就会增大，进而影响桥梁的耐久性。

专家组由几位工程经验丰富的老专家和我组成，开始讨论问题的原因，我们去看了现场，了解些背景：表面发黑的梁是去年同时期浇筑的，右边发白的梁是两月前浇筑的，检查那几天也赶上雾霾天，潮气大，就显出了颜色差异，天气晴朗的时候并不明显。既然质检站有担心，必须给出回复意见，要说明两个问题：第一，为什么会这样；第二，这几片梁能不能继续使用。

图1 工地预制梁

几位老专家强调，要好好查一下当初的原材料，已经过了一年，当时的样品已经没有了，很难从材料上找原因，查阅了当时的原材料检验报告，都正常。老专家怀疑因为外加剂或某种材料含盐碱高，盐碱具有吸湿性，可能引发这个问题，但这个解释很难服众。

我提出了我的意见：第一，引起这个现象的主要问题是这几片梁经过一年的时间，经历了雨水和潮湿环境的自然养护达一年，混凝土不断在水化，表面的毛细孔不断细化，孔表面能不断提高，从空气之中吸取水分的能力也越来越大，特别在潮湿空气里。而旁边的梁才三个月，相对而言毛细孔粗大，表面能低，所以吸湿能力差。

根据物理化学，毛细孔内，由于表面张力的存在，液体表面会产生一个附加压力ΔP，附加压力的方向，总是指向曲面的曲率中心，如图 2。

图2 液面附加压力示意图

如液体对毛细管润湿，根据表面化学，用开尔文公式表达如下关系：

式中：

P——毛细管内曲面液体的蒸气压；

P0——平面上液体的饱和蒸气压；

ρ——液体密度；

M——分子量；

R——气体常数；

γ——表面张力；

θ——液体与固体表面接触角。

通过以上论述，可以得出结论：

（1）凸面蒸气压＞平面＞凹面。

（2）凹面上蒸气压低于平面上蒸气压，从而出现毛细管凝结现象，曲率半径越小，也就是毛细管越细，毛细现象、吸水现象越明显，如图 3，出现的液面高差压力即为附加压力。

吸湿是因为表面毛细孔不断细化造成。

第一个问题得以回答。

图3 毛细孔吸水示意图

第二，由于毛细孔不断细化，表层孔由粗变细，由通孔变成半通孔，半通孔变成了封闭孔，最后基本都是不联通的表面微孔，水分不会渗到内部，不会诱发钢筋的锈蚀，如图 4。

经过养护后的混凝土渗透系数是非常小的，即使总孔隙率高时，其渗透系数与低孔隙率的岩石同级。因此可总结为水并不能顺利通过细小的胶孔，其渗透性受互相连通的毛细孔网络所控制。如继续水化，则由于C-S-H 凝胶的形成而堵塞了互相连通的孔，使毛细管网络变得愈加扭曲。达到出现完全不连通毛细孔所需要的养护时间是 W/C 的函数，表 1 是教科书中不同水胶比的混凝土形成不连通所需要的时间。