自20世紀80年代，外加劑，主要是高效減水劑，在國內的混凝土市場逐步推廣應用，尤其是在高強混凝土和泵送混凝土中，已成為不可或缺的組分。正Malhotra 在第一屆國際混凝土外加劑會議上所指出的：“高效減水劑的開發(fā)與應用是20世紀混凝土技術進展歷程中一個重要的里程碑”［1］。多年來混凝土技術只有少數幾次重要的突破，40年代開發(fā)的引氣作用是其中之一，它改變了北美混凝土技術的面貌；高效減水劑是另一次重大突破，它在今后許多年里將對混凝土的生產與應用帶來巨大影響。
但任何事物都有其兩面性，人們常常在重視其作用的同時，卻容易忽略了另一面，包括可能出現的負面作用、應用上的局限性等。對于高效減水劑，表現為誤將它作為萬靈藥。本文就這一問題談談自己的看法，僅是拋磚引玉，希望引起同行的關注。
1 適用范圍
高效減水劑在一些國家更多稱呼為超塑化劑，顧名思義，它非常適用于制備超塑化混凝土拌合物。當然，它最適用于拌制流動度大、漿體量多、水膠比低的拌合物，即泵送高強混凝土。
但對于另一些混凝土，例如水工大壩施工澆筑的混凝土，其骨料最大粒徑大(可達150mm)、漿體量較少且流動度不大，需要通過采用強力振搗或振動碾壓作用使其密實成型的混凝土，高效減水劑就未必適用了。出于保持水膠比不變，以滿足結構設計要求的力學性能參數為前提，減少用水量，可以同時減少膠結材料為思路，國內許多水工大壩施工中也都在摻用高效減水劑。實際上，這樣的應用是有問題的，因為早先水工混凝土里摻用的是引氣劑或木質素類的普通型減水劑，它們的減水率小，而且由于有引氣作用，增加了漿體量，所以當用水量與膠結材料用量同時減少，也就是漿體量減少時，可以維持大致平衡，保證有足夠的填充骨料空隙、包裹骨料并提供和易性的漿體，這是拌合物在澆筑后能夠密實成型的必要條件。
反之，在現今摻用高效減水劑的拌合物里，由于其減水率很大，用水量可以大幅度減小，若膠結材料用量也同時減少，總漿體量則明顯減少。固然，由于高效減水劑對于水泥強烈的分散作用，使得原有水泥膠團所束縛的自由水得到釋放，這使得漿體可以在拌合物中更均勻地分布，換句話說，具備合適工作度拌合物所需要的漿體量在減小。但是在某些時候，上述的平衡被打破，出現漿體量明顯不足的現象，澆筑時出現嚴重的分層離析，大顆粒骨料浮在表面，硬化后骨料周邊呈現漿體明顯不足。這種現象筆者曾在一水電站工地比較兩種減水率不同的高效減水劑時，所澆筑的混凝土塊體上見到。使用減水率更高，因此用水量與膠結材料用量更少的拌合物所澆筑的塊體，骨料周邊呈現漿體明顯不足的現象；而摻用減水率較小的減水劑澆筑的塊體，骨料周邊就沒有漿體不足的現象；且用前一種減水劑，但摻量適當減小時，拌合物出現離析的現象也就得到明顯改善。
上例說明，水工大壩施工澆筑的混凝土中，摻用廉價得多、摻量也小得多的普通引氣型減水劑，要比使用高效減水劑經濟性更好、使用效果更佳。事實上，國外的水工大壩施工澆筑的混凝土，可能使用高效減水劑的例子，即使有也不會多見，當然不包括那種采用預填骨料后再壓漿或細石混凝土的特殊施工工藝。
再有，在澆筑混凝土路面板或橋面板時，通常所用拌合物的工作度一般也不大，坍落度控制在30～50mm，使用高效減水劑的效果就會大打折扣。特別是在采用滑模攤鋪工藝鋪筑路面板時，因為由攤鋪機所帶的模板在2～3min或稍長一點的時間就會滑離，因此需要拌合物在振搗棒的振實作用一旦消失，即攤鋪機向前行進時，就迅速恢復原來的黏稠狀態(tài)(材料學上稱之為“觸變性良好”)，而不會在模板滑離時出現所謂“塌邊”現象。顯然，滿足這種施工工藝需要的拌合物不適合摻用高效減水劑，特別是用于預拌混凝土“保坍性”好的品種更不適用。此外，用高效減水劑降低水膠比的拌合物硬化后抗壓強度可以大幅度提高，然而抗折強度增長幅度通常相對較小，而且開裂敏感性還會增大，因此總體來說，混凝土路面板或橋面板施工要慎用高效減水劑。
其實，在配制工民建和土木工程中用量最大的C30(應該占到總量的1/2以上) 或更低一些強度等級的泵送混凝土時，高效減水劑也并非一定適用，或者說并非是一個必不可少的組分。盡管泵送工藝需要拌合物的流動性好，然而在高效減水劑應用之前很久，泵送工藝就已經在國內外混凝土澆筑過程中應用開來，例如上海寶鋼建設時就采用木質磺酸鹽類引氣減水劑進行泵送，效果很好。而另一方面，由于配制這類拌合物所用膠結材料用量一般不很大，所以當水膠比大幅度降低時，如上所述，若要保持漿體量的大致平衡，就需要增加膠結材料的用量，而這不僅不經濟，還會因膠結材料水化溫升的增大引起開裂敏感性的提高，這也是為什么國內這種強度等級或更低一點的混凝土中，膠結材料始終居高不下的重要原因。
2 適當配伍
將高效減水劑當成萬靈藥，忽略或小看混凝土其他組分的作用，如同病人把抗生素當成萬靈藥。事實上，高效減水劑只是混凝土的組分之一，缺少其他諸多組分的配合，就會大大減小其作用，達不到預期效果。
2.1 骨料
骨料占據混凝土主要體積，但長期以來，人們對于判別骨料品質優(yōu)劣的標準存在很多誤區(qū)，而其中最大的誤區(qū)是其筒壓強度的要求。這個誤區(qū)來自對其在混凝土中的作用，即認為砂石如同人的骨架一樣，是決定混凝土強度的重要參數。因此，現今許多教科書以及很多現行的標準、規(guī)范等仍然要求骨料的強度為1.5～1.7倍，甚至2倍于所配制混凝土的強度。筆者認為，在早期混凝土設計等級尚且很低時提出這個要求，即骨料的筒壓強度≥40MPa，這顯然只是為了剔除那些風化程度嚴重的石材作為骨料；但現今混凝土設計強度已經大大提高，仍然遵循早先兩者的關系，顯然嚴重脫離實際。事實上，國內外早已配制并應用于工程的輕骨料混凝土，所用輕骨料的筒壓強度僅為15MPa或更低，而混凝土強度則可以達到80～100MPa。
正如Mehta所指出的：“通常情況下，骨料強度對普通強度混凝土的影響確實很小，因為骨料( 除輕骨料外) 的強度比混凝土中基體和界面過渡區(qū)的強度要高出數倍。換句話說，由于破壞是由其他兩相決定，絕大多數天然骨料的強度幾乎得不到利用”［2］。
另外一個重要的誤區(qū)是適用于泵送混凝土或自密實混凝土(SCC)石子的最大粒徑。國內普遍認為所用骨料的最大粒徑越大，拌合物需要的漿體量越少，所以通常在配制這類混凝土時仍然常用40mm為石子最大粒徑。這個想法在配制干硬或半干硬混凝土時是正確的，但在現今配制泵送混凝土或自密實混凝土時就未必正確了。由于這類拌合物在泵管中行進和在模板中流動的過程必定存在石子之間的相對運動，而粒徑越大的石子顆粒之間發(fā)生相對運動需要的砂漿潤滑膜層越厚，也就是需要漿體量可能會越多，這也是國外用于配制這類拌合物常用19mm(英制3/4inch)為石子最大粒徑的原因所在。盡管所用石子最大粒徑較小時，拌合物中需要填充的空隙率較大，這與上述條件之間存在一個平衡點，這時拌合物所需的砂漿量較小。另外，國內現今常用的5～40mm(或5～31.5mm)的所謂“連續(xù)級配”石子，實際上5～10mm 的顆粒往往很少，甚至沒有，這樣的石子不僅會增大需漿量( 因為其堆積空隙率比較大)，而且在應用于泵送混凝土或SCC時容易出現分層離析現象。國內配制SCC的技術來自日本，認為SCC拌合物需要足夠高的塑性黏度，否則拌合物就容易出現分層離析。然而，幾次歐美召開國際SCC會議的主席Wallevik(冰島)則認為：骨料的級配不連續(xù)是引起拌合物分層離析的主導原因，因此主張SCC拌合物應具有一定的剪切屈服值(yield value)，而塑性黏度(plasticviscosity)不應過高。筆者很認同這種觀點，因為塑性黏度高的SCC澆筑時會增大泵壓，流動緩慢而延長澆筑時間，熱天還容易導致冷縫出現，存在多種弊病。當然，要想配制好這樣的SCC，對骨料的要求較高。從這個角度來看，應該效仿歐洲人，非常重視砂石級配的連續(xù)性(即篩分時每個篩的通過量都很接近)的做法。
再有，從實驗室結果看，砂石品質的波動主要反映在細度模數或級配上，其實這也是一個誤區(qū)。因為在混凝土生產中，而不是實驗室檢測時，砂石(尤其是砂子)品質波動對混凝土質量影響最大的是含水量，這和它們的用量大，更與水膠比是決定混凝土性能最重要的參數息息相關。不要說暴露在外任憑風吹雨打太陽曬的堆放條件，就是在能遮風擋雨較為密閉的棚子里存放，當存儲空間不夠大，使得砂子進場后只經過短暫的存放就投入使用的情況下，它的含水量仍然難以穩(wěn)定，也就談不上穩(wěn)定控制出廠拌合物的勻質性了。
現今國內品質良好的粗細骨料短缺現象日益加劇，筆者認為是否其根源也來自人們將外加劑看做萬靈藥，而忽略其他組分的重要性相關呢? 試想用戶都在以低價作為進料時取舍的標準，而不是“優(yōu)質優(yōu)價”，那么哪家砂石廠會投資購進優(yōu)良設備去生產和供應品質好的骨料? 記得筆者在20世紀90年代到廣東高速公路工地提供咨詢服務時，便向施工單位解釋使用粒形好、片針狀顆粒少的石子來配制混凝土是很必要的道理，于是他們向采石場經營者提出相應的要求并允諾支付相應高一些的進價，再次去新工地時發(fā)現所用石子竟然沒有一顆針片狀顆粒!
2.2水泥
水泥與高效減水劑之間存在相容性好壞的問題，但多數人認為，如果相容性不好，只有更換高效減水劑的品種。殊不知，現今許多通過質檢表明符合國標規(guī)定的水泥仍然時不時會存在與不同品種、不同廠家生產的高效減水劑相容性不良的問題。一方面是由于國內到處都在進行大規(guī)模建設，常常是剛出磨機的水泥很快就運往用戶，這樣很容易造成水泥與高效減水劑之間相容性嚴重不良的現象。筆者在一家橋梁廠做試驗時，就遇到這種現象： 外加劑品種和摻量都沒變，但即使增加了好幾十公斤用水量，出機口的拌合物仍然非常干稠，經了解，當天試驗所用水泥是剛出磨機就拉過來的。聽說日本人稱這種水泥為“新鮮態(tài)”，通常都需要一兩個星期的存放期，才能避開相容性不良的現象。另一方面，國內從20世紀90年代開始，運送水泥的方式從袋裝改為散裝，其優(yōu)點有很多，但是也帶來一個大問題，就是水泥倉里存放的水泥溫度下降十分緩慢，尤其是夏季環(huán)境溫度高時，倉內的水泥溫度經常高達90℃以上，甚至超過100℃；即使是冬季的北京，筆者也曾遇見水泥溫度超過50℃ 以上。更嚴重的在于這種現象實驗室進行試配時不會發(fā)現，因為從倉里取出的少量樣品拿到實驗室，即便很快就進行試驗，水泥也已經冷卻下來，而與出倉就進入攪拌機的情況大相徑庭。
再有，近些年來國內的水泥含堿量普遍偏低，正如Atcin所說： “從流變性的角度考慮，許多水泥都存在一個最佳的可溶堿含量，現今一些水泥中的可溶堿含量達不到該最佳值。原因是一些水泥公司為滿足某些機構規(guī)定使用低堿水泥的要求(以避免可能發(fā)生的，或通常只是想象中的堿骨料反應)，所銷售的水泥中堿含量不必要地過分低”［3］。而“用可溶堿含量低的水泥配制混凝土不僅減水劑摻量偏小時坍落度損失明顯，當摻量超過飽和點也會出現嚴重的離析和泌水”［4］。
2.3 礦物摻和料
在摻有高效減水劑的混凝土中，同時摻有礦物摻和料已經成為越來越普遍的現象。但在人們高度重視高效減水劑減水率高低的同時，卻忽視了礦物摻和料與高效減水劑同樣有阻止水泥顆粒在漿體中絮凝形成膠團，產生對水泥的分散作用。只是礦物摻和料本身也是粉體顆粒，在作為漿體組分的同時，也吸附水分，影響了拌合物的需水量。而粉煤灰作為一種礦物摻和料摻到混凝土中時，由于其顆粒的粒徑分布、形貌以及表面特征，特別是由于它的密度比水泥明顯要小，使得用等質量的粉煤灰代替水泥時，因為粉體的體積顯著增大，在漿體需要量減小或相當時，拌合物的用水量可以大幅度減小。
筆者1990年5月到上海參加第三屆發(fā)展中國家混凝土國際討論會，Malhotra在會上發(fā)言［5]介紹他們(CANMET加拿大礦產與資源部技術中心)建筑材料實驗室以最大粒徑19mm的石灰?guī)r碎石和天然砂為骨料，ASTMⅡ型水泥147kg/m3；粉煤灰187kg/m3(粉煤灰占膠結材總量56%)；用水量僅95kg/m3，摻入萘系超塑化劑和引氣劑，配制出坍落度為200mm的拌合物；該混凝土硬化后密度約在2500kg/m3，在1年半時間內達到約70MPa的強度。以如此之低的用水量(而骨料的最大粒徑又很小)和膠結材料用量配制出工作度良好的拌合物，顯然和粉煤灰具備更好的填充與減水作用分不開，是任何單純用最優(yōu)質的水泥與減水率最高的高效減水劑所配制不出來的，何況粉煤灰還是一種低廉的工業(yè)副產品。
然而，大摻量礦物摻和料(粉煤灰、磨細礦粉等)混凝土在國內外至今還難以推廣，這不僅和活性論的理念相關，即把礦物摻和料看做水泥的一種替代材料，按照水泥的水化機理去評價它們的可替代性，而且和以還原(簡化)論思想去進行試驗設計相關，即以不摻礦物摻和料的混凝土配合比作為基準，單純地增大摻和料用量并減小水泥用量，而忽略其他重要參數，包括水膠比、溫度等的決定性影響。上述CANMET開展的突破性進展，正是因為擺脫了傳統的思想和試驗研究方式才能獲得成功。筆者曾就大摻量礦物摻和料混凝土撰寫過多篇文章敘述，在此不再贅述。
3 適宜摻量
另一個摻用高效減水劑的重要問題就是適宜摻量的選用。由于人們過高地寄希望于單純通過增大其摻量來達到配制出的混凝土滿足預期要求的目的，而現今水泥中可溶堿的含量常偏低，致使拌合物中的高效減水劑摻量經常在飽和點附近波動。這樣做在實驗室里問題不很大，因為原材料組分的計量比較精準，環(huán)境條件也容易控制。但在生產過程，波動不可避免地會放大，造成混凝土質量更大地波動，乃至失控。
2010年底和2011年初，筆者兩次去鐵路橋梁廠，面對的問題是相同的，即質檢部門發(fā)現橋梁廠實驗室負責人減小了生產前通過試驗確定的外加劑摻量，要求開專家會分析問題并提出處理辦法。通過查看資料和試驗數據，發(fā)現兩者都是由于生產中出現混凝土分層離析現象，而減小高效減水劑摻量后，橋梁生產的質量提高，性能改善。因此筆者向有關部門提出建議：應允許并鼓勵實驗室負責人根據生產條件的變化(包括原材料、生產環(huán)境等)，對外加劑摻量及配合比及時調整，以保證產品質量為準則。
對于非泵送的、強度等級又不高的混凝土拌合物，如上所述，或者不宜使用高效減水劑，或者采用低摻量的高效減水劑。例如美國在1997年聚羧酸減水劑推向市場時，就將其納入中效減水劑的品種之一，與木質磺酸及其鹽類并列。中效減水劑的減水率在5%～10%，并標明不延緩初凝時間。直到2010年美國混凝土學會出版的《混凝土實用手冊》有關混凝土化學外加劑的報告［6］，將聚羧酸減水劑列入高效減水劑(減水率為12%～40%)的同時，在中效減水劑一欄里仍列有聚羧酸減水劑。筆者很認同這種做法，即針對不同應用范圍選用適宜摻量的同一品種外加劑，因為采用低摻量聚羧酸減水劑不僅可以充分發(fā)揮它對膠結材料的優(yōu)勢分散作用，又可避免由于接近飽和點摻量時的不穩(wěn)定(指拌合物容易出現離析、分層、泌水現象)。希望國內也能仿效，而不是盲目地追求高減水率(實驗室對減水劑的減水率試驗只能用于評價其勻質性，而不能用于為工程篩選外加劑的方法)。畢竟這類混凝土的用量最大，用途最廣。筆者在2007年《施工技術》雜志第4期上發(fā)表的文章《聚羧酸系高效減水劑的發(fā)展與應用》中也曾敘述過對上述問題的某些看法。
4 適合方法
采用適合的方法來評價摻外加劑混凝土拌合物的工作度、硬化混凝土的強度、耐久性是當今混凝土技術發(fā)展所面臨嚴峻挑戰(zhàn)的問題，因為現行的各種試驗檢測與評價方法都是在以往混凝土組分少、影響參數單一、變化幅度也小的條件下建立并使用的，而在高效減水劑推廣應用引發(fā)混凝土技術發(fā)生巨大變化的今天，必須重新進行審視。
4.1 拌合物的工作度
目前國內無論對摻與不摻高效減水劑的拌合物、泵送與非泵送( 吊斗、塔帶機輸送或運拌車、翻斗車直接到位的)拌合物的工作度仍普遍沿用坍落度為評價指標。1990年5月召開的第一次高性能混凝土國際討論會上［7］，對這些問題進行了討論，認為：“坍落度試驗是流行的判斷新拌混凝土流變性能的標準方法，但這種方法對需要振搗和泵送的混凝土提供不了什么有用信息，有必要找到一種適用于現場的、技術上有可靠原理依據的評定流變性能的試驗方法”。
實際上，坍落度不僅只是一個靜態(tài)性能的檢測，反映不出在振動外力作用下的行為，而且坍落度值大小無法反映出拌合物塑性黏度，但是塌落時的快慢在一定程度上與可泵性相關。早先在檢測混凝土坍落度后，要用振搗棒從側面敲擊，稱為“棍度”，也是一種有效的工作度評價，再結合肉眼觀察，綜合評定混凝土的和易性，這種方法應該說還是比較全面的。當然，對于振搗作用的評價需要例如混凝土維勃稠度儀簡稱VB儀)來檢測。筆者前些時在一個水電工程施工單位時，建議用VB儀來評價拌合物的工作度，因為現行用50～70mm坍落度來評價的做法很脫離施工現場用成組振搗棒振搗作用的實際(見圖1)。
4.2 混凝土強度
摻用高效減水劑可以大幅度減小用水量、水膠比，使混凝土的強度顯著提高。然而，高強混凝土強度檢測數據的離散性顯著增大。這是由于混凝土越密實，強度越高時，對于存在缺陷、微細裂縫的敏感性越大，同樣對于試件或芯樣表面的不平整度，對于上下受壓面的平行度也都很敏感，從而使檢測數據差異顯著增大。這個問題在上述高性能混凝土國際討論會上，也成為一個熱門論題。
幾個月前筆者的一位朋友為一個工程提供C50混凝土，檢測方用回彈儀檢測發(fā)現數據稍偏低，于是鉆取芯樣對強度進一步檢測，發(fā)現有的強度值僅30MPa左右，于是判定他們的混凝土為不合格；但他們自己又取了些芯樣并小心加工了端面，檢測的強度值合格，但對方不承認其檢測結果。這種現象已不止一次遇見，筆者認為： 這說明傳統的混凝土抗壓強度檢測方法越來越不適合于今天混凝土澆筑質量優(yōu)劣的評價目的，值得我們很好地思考。
4.3 混凝土的耐久性
由于高效減水劑的作用，混凝土的密實性大大提高，滲透性減小，這也是現今人們普遍認為水膠比越低的混凝土，耐久性就越好的道理。然而，實際上處于結構中混凝土的變形總是受不同程度的約束，而水膠比越低的混凝土自身收縮和溫度變形引起的應力越大，從而開裂的敏感性越大。所以，筆者認為現今用自由變形的試件在實驗室里評定混凝土耐久性，而且將試驗結果應用于結構物使用壽命的評價的做法值得商榷。
筆者認為，混凝土的耐久性主要取決于其開裂敏感性，而降低混凝土用水量，在保證其力學性能滿足設計要求的前提下，便可以同時減少膠結材料的用量，達到同時減小混凝土的干縮、自身收縮和溫度變形，從而改善混凝土耐久性。筆者于2006年11月在南京第五屆混凝土結構耐久性科技論壇上，以“混凝土耐久性評估： 室內試件與現場芯樣的對比”為題發(fā)言，并于近年發(fā)表在雜志上［8］。
5 結語
近幾十年來，由于混凝土材料的服務范圍擴展，同時也由于化學外加劑、礦物摻和料等多組分的加入，混凝土技術日趨復雜。然而，在全世界范圍內，生產操作混凝土的工人卻是從具有豐富經驗和技術向缺乏技術、缺乏經驗的方向變化，這種矛盾對于混凝土領域相關的科研和教育提出了更高要求，應結合工程實際存在的問題，以整體論為導向。正如Mehta指出的：“問題的難點在我們怎樣才能將當前工業(yè)中占統治地位的還原論方法轉變?yōu)檎w論方法? 要想在混凝土業(yè)中采用整體論的方法，首先在混凝土技術的研究中必須是整體論的，而如果今天工程教育的主導思想在總體上沒有大的轉變，特別是混凝土科學的教育沒有大的轉變，那么混凝土技術的研究要轉變?yōu)檎w論是不可能的”?！帮@然，混凝土的技術教育需要作全面的調整，否則就談不上滿足社會緊迫的需要”［9］。
參考文獻：
［1］Malhotra V M．Proceeding of First CANMET/ACI International Conference on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures in Concrete［C］． Ottawa，1978．
［2］Mehta P，Monteiro Paulo J M Concrete microstructure，properties，and materials (3thed)［M］．McGraw Hill 2006．
［3］Atcin P C．Cements of yesterday and today： concrete oftomorrow［J］．Cement and Concrete Research，2000．
［4］第六屆超塑化劑及其它化學外加劑國際會議論文集［C］．2002．
［5］Malhotra V M，et al．高摻量粉煤灰混凝土的強度發(fā)展［C］．覃維祖，譯//第三屆發(fā)展中國家混凝土國際討論會論文集，1990．
［6］ACI Committee 212．Report on chemical admixtures for concrete［J］．ACI 213．R-10，2010．
［7］Carino Nicholas J，Clifton James R High-performance concrete：research needs to enhance its use［J］．Concrete
International，1991．
［8］覃維祖．混凝土耐久性評估： 用試件還是用芯樣［J］．混凝土世界，2010( 10) ： 25-28．
［9］Mehta P Kumar．Concrete technology for sustainable development［J］．Concrete International，1999，21( 11) ．
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