水泥基复合材料科学研究中的辩证思维_吴中伟

水泥基复合材料科学研究中的辩证思维

吴中伟　廉慧珍　(清华大学土木系)

　　我在1999年10月25日庆祝吴中伟教授从事科教工作60周年的科学讨论会上介绍了吴先生的学

术思想。今年元月吴先生在病中建议将该文修改发表, 并同意与我共同署名。吴先生于2月4日不幸作古。哀悼之余, 遵照吴先遗愿完成此文, 以资纪念。———廉慧珍　　以水泥作为基材复合而成的材料称为水泥基复合材料, 例如各种混凝土、砂浆、钢丝网水泥、玻璃纤维增强水泥等等。其中用量最大的是各种混凝土, 尤其是以砂石为骨料的普通混凝土。与钢材、木材、塑料、砖瓦等常用建筑材料相比, 混凝土尽管有单位质量大、导热系数大、抗拉强度低等缺点, 但其优点却是无可比拟的:原材料来源广泛, 可满足宽范围强度等级的要求, 可成型为任意形状, 适应不同条件下的施工; 从耐久性来说, 比钢、木和塑料耐火、不生锈、不腐朽、不老化; 从原材料的开采、加工, 直到最后用于建筑物或构筑物, 其全过程所消耗的成本是最少的。因此混凝土作为大宗的建筑材料而被广泛使用。但是由于生产量和用量庞大, 混凝土长期以来是资源、能源消耗和环境污染的“大户”。生产和使用中劳动强度大, 质量波动和随意性较大, 常被认为是“低技术”。为了把混凝土从经验技术转变成有材料科学和力学基础的科学技术, 从而有效地发挥其效用, 吴中伟在40年代末提出了“混凝土科学技术”的概念。与其他各类学科一样, 混凝土科学技术中充满了辨证法, 混凝土科学技术研究也必须有符合辩证唯物主义的学术思想来指导。正如钱学森先生所主张的“对各种事物进行从定性到定量分析与综合集成来较准确地把握复杂事物的现象与本质、微观与宏观、部分与整体、固定与发展的辨证联系, 有所前进, 有所创新”。

结构的研究被划分属于不同学科, 在不同领域的不同

层次(level ) 上或对不同尺度(scale ) 的对象进行。一般, 水泥的研究属于微观和亚微观(或称细观) 层次, 主要用化学的和物理化学的方法进行研究, 如研究熟料烧成和水泥的水化; 混凝土的研究主要在“宏观”(粗观) 层次上用物理的和力学的方法进行; 钢筋混凝土构件的研究则完全在宏观层次上用力学方法进行。例如, 过去一直认为混凝土中骨料是惰性的, 水泥是活性的, 为了研究水泥的水化, 大量研究工作着重于水泥熟料单矿物的水化及其主要的水化物———C -S -H 相和钙矾石相。已有研究成果对工程的技术进步起过很大的作用。但实际上, 水泥, 特别是混凝土, 是一种复杂的、非均质的多相体, 水泥浆体、混凝土, 以至钢筋混凝土构件的行为都不能用其中各组分单个行为的简单叠加来表征。换句话说, 不向层次上研究的结果都不能简单地外推。例如图1所示, 在相同水灰比(水胶比) 下, 砂浆和混凝土中掺入硅灰后的表现是不同的。混凝土的行为不仅取决于水泥单独的性质和行为。这是由于现在众所周知的界面的存在所引起的。如果把不同层次各自研究的结论简单地放在一起, 就会发生各性质及各因素之间的相互制约或矛盾

。

1　水泥基材料科学研究的整体论与分解论的结合

　　科学研究的分解论, 或称还原论, 即将科研对象分解成小单位, 进行量化研究。其优点是可排除复杂环境的干扰, 进行本质的研究, 缺点是容易脱离整体。整体论在早期则常依靠直觉和经验认识问题, 缺少精确性。钱学森的“综合集成”思想主张从宏观上把握事物的整体, 运用分解论对事物的系统、层次、结构、功能进

〔2〕

行具体深入量化研究, 以避免整体论的模糊性。

长期以来, 水泥、混凝土、钢筋混凝土构件和工程

图1　硅灰分别在砂浆和混凝土中掺量与28天强度的关系

〔3〕

(水胶比相同为0. 33)

·3·

反过来, 如果没有细观层次的研究, 或者不了解细观层次的规律, 则混凝土技术就不能脱离经验性的束缚。过去, 在各层次研究分离的情况下, 本来应是整体的水泥-混凝土-工程结构, 由于分属不同领域, 造成

其工程技术人员“隔行”。在当前进入高性能泥凝土时代之际, 就会出现矛盾而影响工程质量和混凝土科技的进步。例如, 随着建设的发展, 工程结构设计人员要求提高混凝土强度, 提高混凝土的强度则要求水泥提高标号(为了工程的进度和经济的缘故还要求提高水泥早期强度) ; 而不懂混凝土的结构设计人员并不知道混凝土的强度是怎样提高的, 混凝土的生产者也不知道水泥标号(或早期强度) 的提高是采取了什么措施,

而这种措施会反过来对混凝土的其他性质和工程有什

么影响。水泥的生产者并不了解混凝土技术的进展, 不知道水泥的性质如何与混凝土技术相适应。结果就发生使用外加剂的混凝土流变性能的问题、大体积混凝土的温度应力问题、收缩问题、混凝土的长期性能问题等等。水泥最终要体现到工程上去, 向工程渗透, 才能符合工程实际; 反之, 结构工程设计和施工技术人员必须深化水泥混凝土的知识, 才能知道如何对水泥提出全面而正确的要求。

用“中心质效应假说”〔4〕可把水泥基复合材料的不同层次联系起来。见图2所示

。

图2　中心质假说示意〔4〕

　　在图2中, 水泥基复合材料的每一层次包容了下一个层次, 各级中心质是分散相, 分散在介质(连续相) 中, 形成上一级的介质。各层次之间通过界面联系成整体。各层次的行为是相互影响的, 故需对各层次的行为进行研究, 但是下一层次的行为是在上一层次中产生的, 与其独立的行为不尽相同。例如, 混凝土的行为受水泥行为影响, 但水泥的行为是在混凝土中产生的, 因此应当把水泥放在混凝土中进行研究, 把混凝土放在钢筋混凝土构件中研究, 钢筋混凝土构件应当放在工程中研究。各领域、各层次的研究相互渗透、吸收、干预, 各层次的研究方法互相借鉴、交叉, 从系统论的观点进行研究, 使各种因素得到对立的统一。

因此, 水泥基材料的研究应当从宏观到微观, 从整体到局部, 注意组分(局部) 之间的相互作用与联系。在进行局部研究与分解研究时, 不忽视整体, 而以提高整体性能为最终目的; 必须联系实际, 符合实际条件, 试样的制备、实验条件与方法必须力求接近实际〔5〕。应用科学的目的是促进社会生产和经济的发展, 因此目前水泥基材料的研究应在宏观、粗观、细观三个层次进行, 以宏观为主, 再向微观深入的思想。其中, μm 的尺度为细观(submicro , 或亚微观) 层次, 研究熟料的〔2〕

矿物及水泥浆体的组成、结构(如水化物、孔、界面过渡

区) 、物化性能; >mm 的尺度的为粗观(macro , 吴中伟认为原来称做宏观不妥) 层次, 研究材料的组分、配比、物理性质与行为; 而过去未被重视而不列入科研范围的混凝土及其加筋构件的使用环境、经济、能耗、生产工艺、应用场合等(可统称为环境, circumstances ) 的研究, 则为宏观(grand view ) 层次。这就是说, 不仅要强调水泥基材料本身各层次研究和各组分生产的整体性, 而且还要把这个整体放到宏观环境中进行研究。以混凝土耐久性的研究为例。混凝土耐久性研究的高度复杂性在于原材料的复杂多样, 混凝土本身组成结构的复杂与不断发展变化、环境条件的多样性与综合作用〔2〕, 如果单从水泥化学来研究, 就容易强调某单一因素而产生片面的结论。研究混凝土的耐久性是为了保证钢筋混凝土结构长期使用的安全性, 必须与工程密切结合, 从结构在使用状态下和使用环境中的行为来研究混凝土的耐久性。

基于宏观-细观的系统观点, 高性能混凝土应当成为“绿色混凝土”〔7〕才符合可持续发展的战略。“绿色”的涵义为:①节约资源、能源; ②不破坏环境, 更应有利于环境:③既满足当代人的需求, 又不危及后代人

满足其需要的能力。“绿色混凝土”, 无疑应是下一世纪混凝土科技的发展方向。面, 甚至无法改变。碱-骨料反应启发了人们, 骨料和水泥浆体之间的关系不是不变的。用水泥熟料代替石子制作混凝土, 抗压强度达到了126MPa , 表明含有活性组分的骨料对混凝土的作用可以是有害的, 也可以是有利的。

1972年法国G . Farran 提出界面过渡层的概念, 把对界面的认识从“面”发展到“层”。而“中心质假说”则认为各级中心质和介质之间存在一个比过渡层厚度大的“效应圈”

。按“过渡层”的观点, 认为骨料和浆体过渡层结构疏松, 对混凝土性能不利, 要提高混凝土的性能, 应当尽量减小其厚度; 按“效应圈”的观点, 则认为界面的效应有不利的也有有利的, 不利的效应会引起混凝土破坏, 有利的效应可以改善或提高混凝土的匀质性和变形性能。用钢丝外圆锥形砂浆试件研究钢丝网水泥砂浆中的大中心质效应, 经试验得出钢丝有效效应范围, 指导了钢丝网水泥砂浆制品的研制和设计。

中心质效应是可以叠加的, 如图3所示。以往对水泥水化的研究认为, 水泥水化程度越高, 混凝土的性能越好, 按“中心质效应假说”, (次中心质) 比水化物颗粒的强度高、体积稳定性好, 其有利的效应叠加所形成的中心质网终有利于混凝土的匀质性, 因此在高强混凝土中, 虽然水泥水化程度较低, 但低水灰比造成的低孔隙率和未水化熟料颗粒间距的减小, 增加了中心质效应的程度, 提高了混凝土的匀质性。活性细掺料如硅粉、矿渣、粉煤灰等的掺入, 可增加中心质数量进一步减小中心质间距, 提高效应程度, 从而提高混凝土的匀质性。

2　认识本质, 因势利导

一切材料的用途都不是万能的, 都有其合适的应用场合和范围。有利于某种场合的材料, 对另外的场合也可能有害。一般来说总是要扬长避短, 因时、因地、因事制宜。但是有利作用和有害作用在不同的条件下是可以转化的, 把握事物的本质, 因势利导, 就能实现这种转化。在科技发展史上, 有很多科学家以这种变化的观点、发展的观点治学, 通过变害为利的创造发明为人类造福。膨胀剂的发明是因势利导变害为利的一个范例〔7〕。许多混凝土工程破坏是因产生膨胀所致, 因此膨胀被认为是混凝土的一大祸害。1892年W . Michaelis 发现, 波特兰水泥混凝土受硫酸盐侵蚀而膨胀破坏的主要原因是生成钙矾石, 称之为“水泥杆菌”, 并在试验室中合成了该矿物〔8〕。此后, 不少人对这种有害的“水泥杆菌”的组成、结构、特性及其生成并膨胀的条件进行研究, 创造条件使其在混凝土的早龄期有控制地产生膨胀, 补偿混凝土的收缩, 或产生自应力, 使混凝土密实, 减免了裂缝的生成。这样, 就产生了膨胀水泥、膨胀剂。利用大的膨胀能造成的破坏力研制成无声爆破剂, 又是一项因势利导的创新。变害为利的转化是一种创新, 是基于对“为害”的本质的认识, 因此必须首先从宏观到微观, 研究“利”和“害”产生的机理和转化的条件。

又如, 在早年的教科书中一直认为在混凝土中水泥是活性的, 骨料是惰性的, 其间的界面是个薄弱的

S ———中心质间距　　　　le ———有效效应程度　　　　Xe ———有效效应距

图3　中心质效应的叠加

　　对孔的研究是因势利导又一例。传统认为孔在混凝土中是有害的。“中心质效应假说”中把孔也称做“中心质”, 其涵义是把孔缝看作是混凝土中不仅必然

也是必需的组分。“负”字是为了区别于实体颗, 而其作用则不仅是负的, 也有正作用。例如引气剂

对改善混凝土抗冻性的作用。有的孔只有正作用, 例如孔径小到一定程度的孔。吴中伟提出“孔级配”的概念, 并根据孔的不同作用对孔进行分类(见图4) 。提出提高混凝土性能的数学模型〔9〕。

·5·

地使孔由有害转化为有利。

3　继承和创新的关系

科研创新是促进经济增长的主要途径, 今后要讲究集约型经济增长方式, 现在的标准是依靠科技进步的贡献率超过50%,因此科研创新应成为不断努力的方向〔2〕。科技的发展总是从实践开始的。实践中提出问题, 通过试验研究上升到理论, 反过来又指导实践。但是每一次创新则必然来源于继承。因此必须十分重视信息。不仅要重视当前最新的信息, 而且应善于掌握本领域已取得的成果, 避免在同一水平上重复, 这样才能早、快、新。

继承是为了创新。各学科都非常重视科技发展史

图4　孔分级、分孔隙率与影响系数的关系

的研究, 就是要研究科技进步的规律, 以便更好地继承和创新。科技发展和社会生产的发展相辅相成, 各学科发展之间也相辅相成, 因此往往是否定之否定,

不断前进。例如“绿色混凝土”、环保型胶凝材料, 就是从古罗马时代以石灰—火山灰为胶凝材料的混凝土—波特兰水泥—掺矿物细掺料的水泥—掺用细掺料的高性能混凝土—高掺量粉煤灰混凝土的否定之否定。其发展过程可如以下描述:

优质混凝土应当有尽量小的单位质量和尽量高的性能, 其与孔级配的关系为:

∑e i ·x i =min …………………性能最好∑e i =max ……………………单位质量最小式中e I 为第i 级孔的孔隙率, x I 为第i 级孔的影响系数。

按此数学模型进行混凝土材料的设计, 可尽量多

　　环保型胶凝材料可以用优质细掺料取代50%以上的硅酸盐水泥〔10〕, 就是借鉴了历经2000年之久至今还完好能用的古罗马石灰—火山灰混凝土的经验, 结合当代混凝土技术特点和工业生产条件, 根据可持续发展的战略的创新。

只有认真研究前人的工作, 才能继承和发展。创造来自于勤奋, 要勤读书, 勤思考, 勤动手实践。读书不仅要溯源, 而且要善于“挑剔”, 也就是说要批判地继承。研究工作要着眼于解决问题, 因此读书不是“从文献缝里找题目”, 必须密切联系实际的需要、实际的条件, 抓住疑点和“闪光点”, 把握创新的时机, 不断在应用中积累和再创造〔6〕。

创新不是盲目发展, 不是臆造, 必须符合客观规律, 实事求是。例如, 纤维增强混凝土是水泥基复合材料的很好的发展, 但由于弹性模量的差异, 就不可能用玻璃纤维代钢制作水泥和混凝土构件, 又如, 补偿收缩

混凝土的研究使我国在自应力管中的应用达到了世界领先水平。但由于混凝土技术的发展和工程条件的变化, 必须继续对膨胀剂作用的条件进行试验研究; 由于试验室对膨胀剂膨胀性质的检测与工程实际差别较大, 不要盲目过度加长设缝间距, 对不设后浇带的做法应当慎重采用。

创新不可避免会有一定的风险, 但必须有充分科学依据。任何成功的技术都不能绝对地肯定, 盲目地延伸; 人类对客观事物规律的认识是无穷尽的, 科学研究不会一劳永逸, 在认识的一定阶段, 由于条件的变化, 出现一些曲折是正常的, 因此又绝对地否定也是错误的。只有吸取前人成功的经验分析发生曲折的原因, 不断结合新条件进行研究和实践, 才能不断深化认识, 不断创新, 不断取得科技进步。

参考文献

1. 吴中伟. 怎样做好混凝土工程, 科技出版社, 1951. 2. 吴中伟. 科研工作的选题、方法与创新, 清华大学校庆学术报告会报告, 1996. 4.

3. Goldman A , Bentur A . Bo nd Effects in High Strength Silica

Fume Concrete , quoted by Bentur in paper titled The Role of the Interface in controlling the perfo rmance of High Q uality Cement Compo sites . In Adv ances in Cement M anufacture and Use , eddied by Gartner E , published by Engineering Founda -tion , N ew York . 1989. 4. 吴中伟. 混凝土中心质假说, 北京水泥科学讨论会报告集. 1959. 5. 吴中伟. 混凝土科学技术的反思, 混凝土与水泥制品———吴中伟在祝贺其70寿辰时的学术报告(1987. 7) , 1988. 6. 6. 吴中伟. 绿色高性能混凝土与科技创新, 建筑材料学报,(1) N o . 1998. 9.

7. 吴中伟, 张鸿直. 膨胀混凝土, 北京:中国铁道出版社, 1990. 10. 8. 鲍格R H . 波特兰水泥化学, 杨德骧, 朱祖培, 黄大能译, 北京:中国工业出版社, 1963. 9. 吴中伟. 混凝土科学技术近期发展方向的探讨, 中国硅酸盐学报,(7) N o . 3, 1979. 810. 吴中伟. 环保型高效胶结材, 混凝土, 1996. N o . 4. 　　收稿日期　2000-03-10

地　　址　北京海淀区清华大学高1—606(廉) (100084) 电　　话　010-62770347

Dialectic Ideology on Scientific Researches of Cement Based Composite Materials

Wu ZhongWei 　Lian Huizhen

(Civil Engineering Department , Tsinghua University )

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本书由杨伯科主编。中国工程院院士吴中伟教授专门撰文作代序。吉林科学技术出版社出版。于1998年1月出版。

本书可供建工、建材、冶金、化工、铁道、交通、水利、电力、港口、航运、地质、军工等部门, 从事与混凝土有关的科研、设计、生产、施工、管理的人员以及大专院校师生使用。

每册原定价150. 00元, 不再收邮寄(挂号) 费。①由邮局汇款:沈阳市和平区光荣街65号混凝土编辑部〔110006〕收。②由银行汇款:开户行:建行沈阳南湖科技开发区支行; 帐号:401—261074587; 收款单位:中国建筑业协会混凝土分会。款到即寄书。

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