突破思維的局限

聞寶聯

（建筑材料工業技術情報研究所，北京 100024）

考古學家莎拉·帕卡克（Sarah Parcak）是阿拉巴馬大學伯明翰分校的埃及學專家，她發現了埃及 17 座未知金字塔、1,000 多個墓穴和 3,000 個定居點古遺址。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現，Parcak 開發了一種利用紅外線處理衛星圖像的方法，以識別由古代文明活動引起的土壤化學變化來發現隱藏在地下的古遺址。這聽起來有些令人驚奇，而事實上，幾乎所有的重大發現，都是突破常規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，外加劑隨各個廠家配方不同品種各異，摻合料更是種類繁多，特別現在隨著節能減排、綠色混凝土的倡導，各種尾礦料都開始應用于混凝土中，簡而言之，混凝土原材料種類越來越多，出現質量問題的概率也越來越大。

自然，一旦出現質量缺陷，大家不約而同會首先懷疑材料、懷疑配比，實在解決不了，最后甩鍋給外加劑，最終大家都一頭霧水，再以其他非技術方式解決，現在這種情況很普遍。但以我這些年處理的疑難雜癥，絕大多數還真不是原材和配比引起，但任何時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。

我曾去某項目去做質量缺陷鑒定，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。

起因是某省質檢站去工地檢查，發現有幾片梁黑乎乎的，而旁邊的梁卻沒這問題（見圖 1：左邊的發黑，右邊的發白）。

這些問題質檢站從未見過，或是以前見過沒引起注意，這次注意了。他們擔心的問題是：這幾片混凝土預制梁感覺上表層吸濕性大，什么原因引起？會不會誘發鋼筋銹蝕？因為地處沿海，未來銹蝕的可能性就會增大，進而影響橋梁的耐久性。

專家組由幾位工程經驗豐富的老專家和我組成，開始討論問題的原因，我們去看了現場，了解些背景：表面發黑的梁是去年同時期澆筑的，右邊發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，天氣晴朗的時候并不明顯。既然質檢站有擔心，必須給出回復意見，要說明兩個問題：第一，為什么會這樣；第二，這幾片梁能不能繼續使用。

圖1 工地預制梁

幾位老專家強調，要好好查一下當初的原材料，已經過了一年，當時的樣品已經沒有了，很難從材料上找原因，查閱了當時的原材料檢驗報告，都正常。老專家懷疑因為外加劑或某種材料含鹽堿高，鹽堿具有吸濕性，可能引發這個問題，但這個解釋很難服眾。

我提出了我的意見：第一，引起這個現象的主要問題是這幾片梁經過一年的時間，經歷了雨水和潮濕環境的自然養護達一年，混凝土不斷在水化，表面的毛細孔不斷細化，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。而旁邊的梁才三個月，相對而言毛細孔粗大，表面能低，所以吸濕能力差。

根據物理化學，毛細孔內，由于表面張力的存在，液體表面會產生一個附加壓力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

如液體對毛細管潤濕，根據表面化學，用開爾文公式表達如下關系：

式中：

P——毛細管內曲面液體的蒸氣壓；

P0——平面上液體的飽和蒸氣壓；

ρ——液體密度；

M——分子量；

R——氣體常數；

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，從而出現毛細管凝結現象，曲率半徑越小，也就是毛細管越細，毛細現象、吸水現象越明顯，如圖 3，出現的液面高差壓力即為附加壓力。

吸濕是因為表面毛細孔不斷細化造成。

第一個問題得以回答。

圖3 毛細孔吸水示意圖

第二，由于毛細孔不斷細化，表層孔由粗變細，由通孔變成半通孔，半通孔變成了封閉孔，最后基本都是不聯通的表面微孔，水分不會滲到內部，不會誘發鋼筋的銹蝕，如圖 4。

經過養護后的混凝土滲透系數是非常小的，即使總孔隙率高時，其滲透系數與低孔隙率的巖石同級。因此可總結為水并不能順利通過細小的膠孔，其滲透性受互相連通的毛細孔網絡所控制。如繼續水化，則由于C-S-H 凝膠的形成而堵塞了互相連通的孔，使毛細管網絡變得愈加扭曲。達到出現完全不連通毛細孔所需要的養護時間是 W/C 的函數，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間

混凝土梁的水膠比在 0.30，可以推斷，混凝土表層的毛細孔應該都是開孔，不會連通，雖然梁體表面吸濕性大，不會影響耐久性，梁可以繼續用。

為了驗證前述觀點，專門設計了實驗。

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

實驗第一步，用壓力機劈開混凝土試塊后，放入烘箱，105℃ 溫度下烘干 1 小時，兩者混凝土表面都處于干燥狀態，顏色相同。然后一起放入標養室，頂面苫蓋避免滴水，每小時觀察一次，經過 5 小時后，發現 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

當然，這個實驗可以做得更細，比如測定不同齡期混凝土的毛細孔分布等，上升到一個層面，而不只是停留在表面，但這個實驗也很直觀解釋了顏色不同的問題。

這種現象與混凝土原材料和配比沒有直接關系，而是一個物理現象。