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混凝土中粉煤灰需水性的估算 廖欣(同济大学材料科学及工程学院，上海200092)摘要运用S.Popovics关于混凝土需水量的独立假定和K程序，提出了对混凝土中粉煤灰的需水性进行数值估算的方法，并对粉煤灰混凝土需水性的数值因子及K程序适用范围的影响进行了分析和讨论。关键词粉煤灰；混凝土；需水性；估算1引言粉煤灰作为一种重要而已被普遍利用的混凝土辅料，一般具备改变基准混凝土的新拌、硬化和使用诸性能的能力。这种能力可被视为粉煤灰潜能的一种转换1。对这种转换的程序的测算，也即为粉煤灰上述能力的评定，工程上往往运用对比掺与不掺粉煤灰混凝土的有关性能的方法。所得相对值，虽然在形式上表达的是混凝土工程性能的变化值，但在某种意义上已成为对粉煤灰有关潜能在一定条件下转换的一种数值分析。粉煤灰需水性的概念和测定，即建立在这样的认识基础上。可用以评定粉煤灰需水性的相对值应是在等流动度条件下所测得的掺与不掺粉煤灰的混凝土的单位需水量之比。这里，等流动度条件的设定可以从S.Popovics关于新拌物料(包括水泥浆、砂浆、混凝土以及泥土-水系统)的独立假定(Assumption of Independence)中得到合理性的解释2。这一理论认为：“仅仅由于拌和料含水量的相对变化而引起的稠度相对数量的变化，与拌和料的组成无关。”换言之，即此独立假定可等价变换成这样的表述；当稠度(或流动度)相对数量无变化时，拌合料含水量的相对变化则必与拌合料的组成有关。因而，当基准混凝土系统发生原材料组成和粉煤灰之间的部分代换(如等量和超量取代，以及外掺法等3)时，若保持所测流动度指标(即稠度)不变，则在设定一粉煤灰掺量的前提下，混凝土单位需水量的相对变化值正是一项能综合反映粉煤灰材料品质的数值指标，其首先表明的当是一定条件下粉煤灰潜能可能转换为混凝土塑化势能的程度。然而，GB1590-91规定的有关粉煤灰需水性的测定方法选择了标准砂砂浆而非混凝土为测试对象，从而是以砂浆跳桌摊展度而非混凝土坍落度作为流动度指标的。固然，这一选择令测试方法具有简便易行的特点，而且，单从粉煤灰材料品质优劣排序着眼，也不失为一种明智之举。但是，由于砂浆系统中粉煤灰需水性的数值指标以其测试手段以及被测物料组成的特殊性，缺乏与粉煤灰混凝土材料各工程性能及其指标值之间的直接对应关系，从而不可能被引用为一种有效的分析工具，来准确考查混凝土中粉煤灰的效应或粉煤灰潜能的转换，并指导粉煤灰在混凝土中的正确应用，因此便凸现出对混凝土中粉煤灰的需水性进行数值估算的重要性。实际上，若须在粉煤灰混凝土制备过程中测定粉煤灰的需水性，或存望在文献资料的大量数据中分析混凝土中粉煤灰需水性对混凝土诸工程性能的作用规律，首先经常遇到的障碍之一即实际操作中因种种缘故，难以获得或建立等流动度(即如坍落度)条件，或难以确定等流动度条件下的坍落度允许值。而等流动度恰又是粉煤灰需水性测算的合理前提。那么，如何既能满足操作上可行性的实际要求，又能符合理论上需水性的定义范畴，就成为混凝土中粉煤灰需水性的估算和分析必须加以解决的问题了。2依据和推论2.1独立假定和K程序S.Popovics在有关混凝土需水量的研究中，提出了上述的独立假定，并在大量实验的基础上，形成了用数值表示的方法，即K程序(K procedure)，其基本方程为j=Ki(1)式中i新拌物料稠度值为yi时的含水量；j新拌物料仅因改变含水量而使稠度值由yi改变至Yj时的含水量；K试验系数。S.Popovics称之为稀释系数(thinning factor)，因为此时ji，或yjyi。按独立假定，系数K与物料组成无关。另又认为，在独立假定成立的前提下，稠度值Y必然是含水量W的幂函数，即y=cW(2)式中c试验系数，与物料组成和测试方法有关；试验系数，与测试方法有关。当设定新拌物料组成和测试方法时(即c、均为常数)，由式(2)不难得j=(yj/yi)1/i(3)对照式(1)，则有K=(yj/yi)1/ (4)当采用混凝土坍落度试验方法时，Y取坍落度值，取10。显然，若yjyi，则K1，式(1)中ji。此时，系数K又可被称为稠化系数。因而，式(3)表达的是任何符合独立假定的新拌物料系统其W-Y稠度曲线上任意两点之间变化的关系(以下称之为二点关系式)，其示意性图示见图(1)。式(1)(4)即本文的主要依据。2.2等流动度条件下的含水量比(RWY)可以认为，掺与不掺粉煤灰的混凝土具有相同的流变学特征4、5，都应属于独立假定及其K程序所讨论的范畴。对于不掺粉煤灰的基准混凝土(A料)和在其中以一定方式掺入粉煤灰的对比混凝土(B料)，由于其各自物料组成一定，测试方法又令其相同，因而其各自的W-Y稠度曲线应具有形式同式(2)的幂函数特征，即有YA=CAWA(5)YB=CBWB(6)上二式中，下标A、B分别表示A料和B料，其示意性稠度曲线见图(2)。若令YA=YB=Y，又因CA、CB及均为常数，则由式(5)、(6)可得(WB/WA)y=(CB/CA)-1/=常数 (7)式中，下标Y表示任一合理的等稠度值，即等流动度条件。由于式(5)(7)的推论具有一般性，因而式(7)表明的是一个规律：当混凝土的物料组成因加入一外掺组分(如粉煤灰)而发生一定变化时，在独立假定和K程序适用的范围内，等流动度条件下混凝土含水量的相对变化值(RWY)理论上应是一个常数，即RWY=(WB/WA)Y=常数 (8)2.3等含水量条件下的稠度值比(RYW)与式(5)(7)同理，若令WA=WB=W,则由式(5)、(6)可得(YB/YA)W=CB/CA=常数 (9)式中，下标W表示任一合理的等含水量条件。与式(7)相同，式(9)表明的也是一个规律：当混凝土的物料组成因加入一外掺组分(如粉煤灰)而发生一定变化时，在独立假定和K程序适用的范围内，等含水量条件下混凝土稠度值的相对变化值(RYW)理论上也应是一个常数，即RYW=(YB/YA)W=常数 (10)如果RWY可作为粉煤灰潜能转换的一个标度，那么，RYW也应具备同等效力。因为，独立假定还可等价变换成如下表述：当拌合料含水量无相对变化时，稠度值(或流动度值)相对数量的变化，则必与拌合料的组成有关。另就实际操作的难易性而言，等含水量条件的建立比起等流动度条件的建立则要容易得多。3方法和条件3.1RWY与RYW的换算关系正如上述，在混凝土试验的实际操作中，较容易测得的是RYW而非RWY；而在一系列分析讨论中，目前较多引用的却是RWY而非RYW。如果在数值关系上能将RYW换算成RWY，则能同时方便理论探讨和实际操作。根据式(7)和(9)即有RWY=(RYW)-1/(11)3.2根据任意(A，yA)和(B,yB)估算RWy 大量文献资料所提供的数据表明，在粉煤灰混凝土试验中更多得到的是在一定掺加方式下按粉煤灰不同掺量展开的一系列B及其对应的yB；对粉煤灰的一定掺量来说，一般得到的是与基准A和yA均存在一定数值偏差的一组B和yB。如果仅据任意B和yB既能针对相应的A和yA求取RWY，则不但能方便实际测定，而且还能修正等流动度条件的偏差。根据上述2节内容，可证得RWY=(yB/yA)-1/(B/A)(12)证明过程如下：已知：A料和B料属于独立假定和K程序讨论范畴，则有yA=cAA(i)yB=cBB(ii)由(i)、(ii)得(cB/cA)-1/=(yB/yA)-1/(B/A)(iii)将式(7)代入(iii)，并结合式(8)，即有RWY=(WB/WA)Y=(yB/yA)-1/(B/A)(iv)证毕。由式(12)可知，因子(yB/yA)-1/可分别与式中B和A构成该表达式的分子和分母，实则分别构成下列二个二点关系式，构成分子，(yB/yA)-1/B=(B)yA(v)构成分母，(yB/yA)-1/A=(A)yB(vi)上二式中，下标yA和yB分别表示稠度条件。在WY稠度曲线示意图(2)上，式(v)是曲线B上MP的二点关系式，式(vi)是曲线A上NQ的二点关系式。因此，式(12)既是M与Q的纵坐标之比，又是P与N的纵坐标之比。这两者之所以相等，原因即在于式(8)揭示的有关RWY的常数特征。若令yA=yB，式(12)即同式(8)；若令A=B，则同式(11)。显然，式(12)是一个用于估算的一般式。3.3RWY求算方法的简化条件当yAyB或(yByA)-1/1时，可将式(12)简化为RWYB/A(13)若已知求取RWY的允许相对误差值为，令RWY=B/A，k=(yB/yA)1/，则当|RWY-RWY|/RWY=(|B/A-B/(kA)|)/(B/(kA)=|k-1|时，即可通过式(13)求取RWY，也即式(12)的简化条件式为|k-1|(14)式(14)表明，RWY的估算精度与Y值有关。对已知估算精度，实测y值存在一个相应的波动允许范围。实践中当欲求等稠度(如坍落度)条件而不易得时，式(13)和(14)则分别是近似估算RWY的一个实用的方法及条件。4分析和讨论4.1粉煤灰混凝土需水性的数值因子基准混凝土(A料)中掺入一定量的粉煤灰(即成B料)，混凝土需水量即可能从A增至B，所测稠度值(如坍落度)也可能从yA增至yB，而这些增量在数值上可正可负，也可为零，以至在粉煤灰需水性的分析中，令人难以把握数值间的变化。其实，就一般而言，B/A只是粉煤灰混凝土或混凝土中粉煤灰的一种表观需水性指标。由式(12)可得B/A=(yB/yA)1/RWY=kRWY(vii)上式中，k的定义见3.3节。由图(2)可知，当在NQ和PM段上分别讨论曲线A和曲线B的需水性问题时，k分别与KA和KB相等(K的定义见2.1节)。正如前述，在粉煤灰掺量一定的前提下，B料的RWY具有常数的特征，其数值是否大于1或等于1完全取决于粉煤灰材料本身。而k值的大小则完全取决于稠度值(Y)的变化及变化的方向和范围，反映的却是含水量对稠度独立影响。因此，一种RWY为一定值的粉煤灰，在不同的k值下，即不同的稠度(Y)变化方式下，可令粉煤灰混凝土的表观需水性的数值发生是否大于1或者等于1的变化。粉煤灰混凝土的需水性因而一方面与所掺辅料的数量、性质以及掺加方式有关，另一方面则与水量对混凝土稠度的独立作用有关。式(vii)中，因子RWY反映的是前一方面，因子k反映的是后 一方面。进而论之，式(vii)也适用于基准混凝土的情况。此时，可将图(2)中曲线A与B视为重合。于是有RWY=1，A=i，B=j，k=K，式(vii)即与式(1)相同。4.2K程序适用范围的影响S.Popovics提出K程序的方法，目的在于计算混凝土的需水量。在使用坍落度试验方法的条件下，大量的试验结果表明，在坍落度27in(518cm)范围内，K程序方法使用有效；逾此范围，则数据离散，线性相关较差。尽管，Popovics认为试验的变异性主要反映了坍落度对物料组成变化的敏感性，但在具体方法的介绍中，仍然采纳了坍落度27in的适用范围。事实上，传统的普通混凝土随其坍落度过大或过小，或呈现出新拌阶段物料的不均匀现象，或表现为相对干硬少水的非流动状态，这时，如仍按K程度来估算实际需水量，必然会带来很大的误差。但是，在物料的固相组成发生了变化(如掺粉煤灰)，一定含水量下新拌物料坍落度也许会超出以上适用范围而物料依然均匀、流动可测的时候(如等含水量下掺加减水型粉煤灰)，理论上不妨认为原始基准物料仍然能在原坍落度适用范围之外遵循K程序的规律，从而利用前述方法估算出混凝土中粉煤灰的需水性数值。因为，在此所关心的并不是基准混凝土的满足工程实际操作的正常状态，而是基准混凝土在原适用坍落度范围之外具备正常状态的可能性，即使这种可能性只能维持一个相当短的时间。至于基准混凝土的物料组成是否需局限在传统的普通混凝土概念上；使用化学外加剂时，是将其计入基准混凝土中还是计入外掺辅料中；并且，所在物料是否还能在较宽范围中符合K程序规律，都值得进一步得到讨论和证实。5结语利用独立假定和K程序的数值表示方法，可对一般掺配粉煤灰的混凝土的需水量及其粉煤灰的需水性作出数值估算。混凝土中粉煤灰的表观需水性在数值上等于流动度条件下的需水量之比(RWY)与所测稠度范围中k值的乘积。混凝土中粉煤灰的需水性的数值上可以RWY表示，也可以RYW(等含水量条件下的稠度值之比)表示。两指标均为常数，且存在固定的换算关系。参考文献1沈旦申，廖欣.粉煤灰混凝土的势能化.硅酸盐学报，1999，27(2)：121.2陈志源，沈威等译.新拌混凝土美Sandor Popovics中国建筑工业出版社，1990, 10.3沈旦申，冒镇恶.粉煤灰优质混凝土.上海科学技术出版社，1992,11.4黄大能，沈威等编译.新拌混凝土的结构和流变特征.中国建筑工业出版社,1983，1.5Y.Ivanov,S.Zachariever Influence of Fly-ash on the Rheology of Cement Pastes,Proceedings of the Seventh International Symposium on the Chemistry of Cement ,1980.作者简介廖欣(1951-)，男，讲师，元机非金属材料专业。单位地址上海市东体育会路413弄6号401室(200083)联系电valuation on W