突破思維的局限

聞寶聯(lián)

（建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)研究所，北京 100024）

考古學(xué)家莎拉·帕卡克（Sarah Parcak）是阿拉巴馬大學(xué)伯明翰分校的埃及學(xué)專家，她發(fā)現(xiàn)了埃及 17 座未知金字塔、1,000 多個(gè)墓穴和 3,000 個(gè)定居點(diǎn)古遺址。在埃及，厚厚的砂層使金字塔和城市無影無蹤，靠幾把洛陽鏟徒步考古幾乎不可能有所發(fā)現(xiàn)，Parcak 開發(fā)了一種利用紅外線處理衛(wèi)星圖像的方法，以識別由古代文明活動(dòng)引起的土壤化學(xué)變化來發(fā)現(xiàn)隱藏在地下的古遺址。這聽起來有些令人驚奇，而事實(shí)上，幾乎所有的重大發(fā)現(xiàn)，都是突破常規(guī)思維模式或是慣用方式所取得，不跳出思維的局限，往往一葉障目不見泰山。對于混凝土也是如此的。

混凝土是由水泥、砂、石和水所組成，為改善混凝土的某些性能還常加入適量的外加劑和摻合料。水泥有很多種類和等級，砂石也是如此，外加劑隨各個(gè)廠家配方不同品種各異，摻合料更是種類繁多，特別現(xiàn)在隨著節(jié)能減排、綠色混凝土的倡導(dǎo)，各種尾礦料都開始應(yīng)用于混凝土中，簡而言之，混凝土原材料種類越來越多，出現(xiàn)質(zhì)量問題的概率也越來越大。

自然，一旦出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，大家不約而同會(huì)首先懷疑材料、懷疑配比，實(shí)在解決不了，最后甩鍋給外加劑，最終大家都一頭霧水，再以其他非技術(shù)方式解決，現(xiàn)在這種情況很普遍。但以我這些年處理的疑難雜癥，絕大多數(shù)還真不是原材和配比引起，但任何時(shí)候不能排除原材料在里面有一定的影響，卻往往不是主要因素。

我曾去某項(xiàng)目去做質(zhì)量缺陷鑒定，不找出原因所在就無法避免缺陷，不找出原因，也很難評估其影響。

起因是某省質(zhì)檢站去工地檢查，發(fā)現(xiàn)有幾片梁黑乎乎的，而旁邊的梁卻沒這問題（見圖 1：左邊的發(fā)黑，右邊的發(fā)白）。

這些問題質(zhì)檢站從未見過，或是以前見過沒引起注意，這次注意了。他們擔(dān)心的問題是：這幾片混凝土預(yù)制梁感覺上表層吸濕性大，什么原因引起？會(huì)不會(huì)誘發(fā)鋼筋銹蝕？因?yàn)榈靥幯睾?，未來銹蝕的可能性就會(huì)增大，進(jìn)而影響橋梁的耐久性。

專家組由幾位工程經(jīng)驗(yàn)豐富的老專家和我組成，開始討論問題的原因，我們?nèi)タ戳爽F(xiàn)場，了解些背景：表面發(fā)黑的梁是去年同時(shí)期澆筑的，右邊發(fā)白的梁是兩月前澆筑的，檢查那幾天也趕上霧霾天，潮氣大，就顯出了顏色差異，天氣晴朗的時(shí)候并不明顯。既然質(zhì)檢站有擔(dān)心，必須給出回復(fù)意見，要說明兩個(gè)問題：第一，為什么會(huì)這樣；第二，這幾片梁能不能繼續(xù)使用。

圖1 工地預(yù)制梁

幾位老專家強(qiáng)調(diào)，要好好查一下當(dāng)初的原材料，已經(jīng)過了一年，當(dāng)時(shí)的樣品已經(jīng)沒有了，很難從材料上找原因，查閱了當(dāng)時(shí)的原材料檢驗(yàn)報(bào)告，都正常。老專家懷疑因?yàn)橥饧觿┗蚰撤N材料含鹽堿高，鹽堿具有吸濕性，可能引發(fā)這個(gè)問題，但這個(gè)解釋很難服眾。

我提出了我的意見：第一，引起這個(gè)現(xiàn)象的主要問題是這幾片梁經(jīng)過一年的時(shí)間，經(jīng)歷了雨水和潮濕環(huán)境的自然養(yǎng)護(hù)達(dá)一年，混凝土不斷在水化，表面的毛細(xì)孔不斷細(xì)化，孔表面能不斷提高，從空氣之中吸取水分的能力也越來越大，特別在潮濕空氣里。而旁邊的梁才三個(gè)月，相對而言毛細(xì)孔粗大，表面能低，所以吸濕能力差。

根據(jù)物理化學(xué)，毛細(xì)孔內(nèi)，由于表面張力的存在，液體表面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)附加壓力ΔP，附加壓力的方向，總是指向曲面的曲率中心，如圖 2。

圖2 液面附加壓力示意圖

如液體對毛細(xì)管潤濕，根據(jù)表面化學(xué)，用開爾文公式表達(dá)如下關(guān)系：

式中：

P——毛細(xì)管內(nèi)曲面液體的蒸氣壓；

P0——平面上液體的飽和蒸氣壓；

ρ——液體密度；

M——分子量；

R——?dú)怏w常數(shù)；

γ——表面張力；

θ——液體與固體表面接觸角。

通過以上論述，可以得出結(jié)論：

（1）凸面蒸氣壓＞平面＞凹面。

（2）凹面上蒸氣壓低于平面上蒸氣壓，從而出現(xiàn)毛細(xì)管凝結(jié)現(xiàn)象，曲率半徑越小，也就是毛細(xì)管越細(xì)，毛細(xì)現(xiàn)象、吸水現(xiàn)象越明顯，如圖 3，出現(xiàn)的液面高差壓力即為附加壓力。

吸濕是因?yàn)楸砻婷?xì)孔不斷細(xì)化造成。

第一個(gè)問題得以回答。

圖3 毛細(xì)孔吸水示意圖

第二，由于毛細(xì)孔不斷細(xì)化，表層孔由粗變細(xì)，由通孔變成半通孔，半通孔變成了封閉孔，最后基本都是不聯(lián)通的表面微孔，水分不會(huì)滲到內(nèi)部，不會(huì)誘發(fā)鋼筋的銹蝕，如圖 4。

經(jīng)過養(yǎng)護(hù)后的混凝土滲透系數(shù)是非常小的，即使總孔隙率高時(shí)，其滲透系數(shù)與低孔隙率的巖石同級。因此可總結(jié)為水并不能順利通過細(xì)小的膠孔，其滲透性受互相連通的毛細(xì)孔網(wǎng)絡(luò)所控制。如繼續(xù)水化，則由于C-S-H 凝膠的形成而堵塞了互相連通的孔，使毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)變得愈加扭曲。達(dá)到出現(xiàn)完全不連通毛細(xì)孔所需要的養(yǎng)護(hù)時(shí)間是 W/C 的函數(shù)，表 1 是教科書中不同水膠比的混凝土形成不連通所需要的時(shí)間。

圖4 混凝土中的孔

表1 不同水膠比的混凝土形成不連通所需要的時(shí)間

混凝土梁的水膠比在 0.30，可以推斷，混凝土表層的毛細(xì)孔應(yīng)該都是開孔，不會(huì)連通，雖然梁體表面吸濕性大，不會(huì)影響耐久性，梁可以繼續(xù)用。

為了驗(yàn)證前述觀點(diǎn)，專門設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)。

用 28d 的 C30 和 C50 混凝土，模擬不同毛細(xì)孔的吸水狀況，可以肯定的是，C50 混凝土的毛細(xì)孔要小于C30 混凝土，見圖 5。

實(shí)驗(yàn)第一步，用壓力機(jī)劈開混凝土試塊后，放入烘箱，105℃ 溫度下烘干 1 小時(shí)，兩者混凝土表面都處于干燥狀態(tài)，顏色相同。然后一起放入標(biāo)養(yǎng)室，頂面苫蓋避免滴水，每小時(shí)觀察一次，經(jīng)過 5 小時(shí)后，發(fā)現(xiàn) C30混凝土變化不大，C50 混凝土吸濕明顯。

圖5 C30 與 C50 混凝土斷面

當(dāng)然，這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以做得更細(xì)，比如測定不同齡期混凝土的毛細(xì)孔分布等，上升到一個(gè)層面，而不只是停留在表面，但這個(gè)實(shí)驗(yàn)也很直觀解釋了顏色不同的問題。

這種現(xiàn)象與混凝土原材料和配比沒有直接關(guān)系，而是一個(gè)物理現(xiàn)象。