混凝土中的幾個(gè)辯證關(guān)系

【摘　要】　本文對混凝土中存在的幾個(gè)服從自然辨證法一般規(guī)律的主要辯證關(guān)系， 如混凝土的發(fā)展與人類社會物質(zhì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系， 混凝土的發(fā)展與科學(xué)技術(shù)發(fā)展的關(guān)系， 以及在混凝土研究和生產(chǎn)中所遇到的辯證問題和辯證方法進(jìn)行探討， 以期取得共識， 進(jìn)一步推動混凝土的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】　混凝土， 辨證關(guān)系， 系統(tǒng)， 結(jié)構(gòu)， 性能， 施工

一、前　　言

    混凝土廣義上是指由膠結(jié)材料(有機(jī)的、無機(jī)的、或有機(jī)無機(jī)復(fù)合的)、粒狀集料及其它外摻劑組成的具有一定強(qiáng)度、剛度和耐久性等性能的復(fù)合材料， 目前廣泛應(yīng)用的是狹義上的由無機(jī)膠結(jié)材料制成的混凝土。

    混凝土材料在歷史上可以追溯到很古老的年代。最初使用的膠結(jié)材料是粘土、石膏、氣硬性石灰，后來采用火山灰、水硬性石灰等， 自1824年J. As-pdin 發(fā)明波特蘭水泥后， 制作混凝土的膠結(jié)材料發(fā)生了質(zhì)的變化。此后， 水泥與混凝土的生產(chǎn)技術(shù)迅速發(fā)展， 混凝土的用量和使用范圍日益擴(kuò)大， 混凝土材料也發(fā)展成種類繁多的適合各種性能需求的功能與結(jié)構(gòu)相結(jié)合的復(fù)合體系。同時(shí)， 混凝土的發(fā)展豐富了混凝土科學(xué)和技術(shù)研究的內(nèi)容， 也給混凝土的科學(xué)研究帶來了新的課題， 混凝土科學(xué)和技術(shù)的推廣應(yīng)用也進(jìn)一步推動了混凝土的發(fā)展。在混凝土中存在著許多服從自然辨證法的一般規(guī)律的辨證關(guān)系， 本文就其中的幾個(gè)進(jìn)行探討， 以期得到共識。

二、混凝土的發(fā)展與人類社會物質(zhì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展密不可分

    雖然遠(yuǎn)古時(shí)代人們發(fā)現(xiàn)粘土可以用來制成粘土混凝土是一種偶然， 但混凝土的發(fā)展史證明混凝土的發(fā)展是建立在人類社會物質(zhì)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)上的。古埃及用石膏混凝土建造金字塔以及中國秦長城石灰混凝土的應(yīng)用等等都是基于當(dāng)時(shí)社會經(jīng)濟(jì)相當(dāng)繁榮及生產(chǎn)力水平相對較高的條件下的產(chǎn)物。

    1824年， 波特蘭水泥的發(fā)明作為專利申請其本身就是經(jīng)濟(jì)社會的現(xiàn)象。此后， 水泥的生產(chǎn)就遵循經(jīng)濟(jì)學(xué)商品的生產(chǎn)一般經(jīng)濟(jì)規(guī)律， 從簡單的小型的作坊煅燒和手工磨制發(fā)展到大規(guī)模的全機(jī)械化一條龍生產(chǎn)線， 其生產(chǎn)和發(fā)展的每一個(gè)環(huán)節(jié)都受社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展程度和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行機(jī)制所影響， 同時(shí)， 大規(guī)模的水泥和混凝土的生產(chǎn)也刺激和推動了社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。水泥和混凝土的商品化市場化將水泥和混凝土完全推向市場， 這樣水泥和混凝土的生產(chǎn)和發(fā)展也完全依靠于市場機(jī)制下的社會物質(zhì)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。混凝土的品種和數(shù)量也隨社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和市場與社會的需求而推陳出新或迅速增長。

    翻開世界文明的歷史可以看到混凝土是當(dāng)今世界文明的物質(zhì)支柱之一， 混凝土材料不僅被廣泛應(yīng)用于房建、公路、橋梁、水利、隧道等等基礎(chǔ)設(shè)施上，而且應(yīng)用于海洋開發(fā)、地?zé)峁こ?、防水防腐工程、原子能工程及宇宙開發(fā)等特殊工程。

三、混凝土的發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展密不可分

    從歷史的角度看， 混凝土材料的發(fā)展本身就是一種技術(shù)革新運(yùn)動過程， 它經(jīng)歷了從無到有、從簡單到復(fù)雜、從低級到高級、從原始形態(tài)到現(xiàn)代化的過程， 既反映了社會經(jīng)濟(jì)和人類物質(zhì)文明的進(jìn)步， 也顯示出科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的歷程。膠結(jié)材料上經(jīng)歷了粘土、石膏、石灰、水泥、聚合物等質(zhì)的跳躍； 結(jié)構(gòu)上發(fā)生了鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土及聚合物混凝土等三次重大突破?；炷恋氖┕そ?jīng)歷了完全手工操作、簡單機(jī)械與體力勞動相結(jié)合的施工方式到目前的人工控制的全面機(jī)械化施工； 施工機(jī)械由過去簡單的攪拌、振搗等發(fā)展到現(xiàn)在的復(fù)雜的具有多種功能的整套系列機(jī)械； 施工技術(shù)也由古老的簡單技術(shù)發(fā)展為現(xiàn)代科學(xué)指導(dǎo)的高新技術(shù)， 如水下混凝土的施工經(jīng)歷了袋裝施工、底開口罐(袋) 施工， 逐漸發(fā)展為導(dǎo)管施工和泵送施工等高新技術(shù)施工法。

    混凝土的技術(shù)革新是伴隨自然科學(xué)各領(lǐng)域的發(fā)展而發(fā)展的過程， 自然科學(xué)的發(fā)展為混凝土的發(fā)展不斷提供理論基礎(chǔ)和新的研究方法， 自然科學(xué)的各領(lǐng)域逐步滲透到混凝土中去； 混凝土也為自然科學(xué)各領(lǐng)域提供新的課題。檢驗(yàn)和推進(jìn)自然科學(xué)的基本原理； 自然科學(xué)和混凝土相互滲透、相互結(jié)合， 形成了混凝土學(xué)這門科學(xué)和技術(shù)一體化的邊緣學(xué)科。隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展， 社會科學(xué)也逐步滲透到混凝土學(xué)中去?；炷翆W(xué)和其它各學(xué)科的關(guān)系可用圖1表示。近年來， 高科技成果的研究和應(yīng)用為混凝土的研究提供了許多新的思路， 取得了許多突破性的研究成果， 混凝土的研究方法和手段有了新的進(jìn)展， 混凝土的研究內(nèi)容也由原來的局限于宏觀力學(xué)研究深入到微觀研究?；炷恋膹V泛研究和深入探討為混凝土學(xué)豐富了內(nèi)容。

四、系統(tǒng)方法在混凝土中的應(yīng)用

    混凝土本身就是一個(gè)由水泥等膠結(jié)材料和集料及其它成分組成的具有混凝土特有的孔隙結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)， 遵循系統(tǒng)科學(xué)的一般規(guī)律。所謂系統(tǒng)就是由若干具有相互作用的要素構(gòu)成的具有一定層次結(jié)構(gòu)和功能的有機(jī)整體。系統(tǒng)方法即按照系統(tǒng)科學(xué)的觀點(diǎn)和理論， 把研究對象視為整體系統(tǒng)來綜合研究和處理的方法的總稱。系統(tǒng)方法被廣泛應(yīng)用于對混凝土的研究和控制處理。

    混凝土研究的四個(gè)基本問題即混凝土設(shè)計(jì)、施工、結(jié)構(gòu)和性能構(gòu)成了混凝土系統(tǒng)的正四面體結(jié)構(gòu)。如圖2所示， 形成了由結(jié)構(gòu)和性能、設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和施工等多對辯證統(tǒng)一關(guān)系構(gòu)成的復(fù)合統(tǒng)一體系。一定的混凝土各組分配合比設(shè)計(jì)和確定的施工工藝決定了新拌混凝土的流變性能和工作性以及硬化后混凝土的結(jié)構(gòu)， 混凝土的結(jié)構(gòu)決定了在宏觀上表征出的力學(xué)性能和耐久性能； 一般地， 需求混凝土具有優(yōu)良的性能必須逆向思維， 從材料的配合比設(shè)計(jì)和施工工藝著手， 通過優(yōu)化混凝土的結(jié)構(gòu)來改良混凝土的性能， 混凝土的性能反映了混凝土的配合比、施工工藝和混凝土的結(jié)構(gòu)?；炷凉ぷ髡卟粩嗤ㄟ^系統(tǒng)研究， 綜合考慮混凝土的設(shè)計(jì)、施工、結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系， 通過選用功能材料(如聚合物或其它外摻劑) ， 優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)， 采用先進(jìn)的施工機(jī)械和科學(xué)的施工工藝， 以期改善和優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)， 控制混凝土質(zhì)量， 求得高性能混凝土， 混凝土改進(jìn)的措施也往往從優(yōu)化配合比、復(fù)合結(jié)構(gòu)和新的施工技術(shù)等三方面著手。

  目前， 混凝土研究的內(nèi)容主要以提高混凝土的性能為立足點(diǎn)， 通過結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系， 最終仍從設(shè)計(jì)和施工著手， 混凝土研究的信息動態(tài)控制圖可用圖3表示。圖中線條表示信息的流動。新舊混凝土設(shè)計(jì)、施工、結(jié)構(gòu)與性能之間的信息流動通過混凝土工作者和科研人員的辛勤勞動而將達(dá)到混凝土本身的自組織優(yōu)化， 優(yōu)化的方式就是混凝土的改性。

    混凝土研究過程中常常綜合運(yùn)用黑箱原理、假說理論和模型模擬等系統(tǒng)方法來研究闡明混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。將混凝土視為一個(gè)不知道其結(jié)構(gòu)和微觀組構(gòu)的黑箱， 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)提出假說， 在外界激勵(荷載或環(huán)境等) 作用下混凝土黑箱將作出一系列的響應(yīng)， 依據(jù)激勵和響應(yīng)檢驗(yàn)假說， 考察黑箱， 從而建立相應(yīng)的混凝土的本構(gòu)關(guān)系模型， 闡述混凝土結(jié)構(gòu)和運(yùn)動機(jī)理。具體過程和模式見圖4。

五、混凝土是物質(zhì)、信息和能量的統(tǒng)一

    混凝土本身是一個(gè)系統(tǒng)， 時(shí)刻與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的交換； 同時(shí)， 混凝土又可以劃分為各個(gè)層次的許多子系統(tǒng)， 各子系統(tǒng)之間以及子系統(tǒng)與母系統(tǒng)之間也時(shí)刻進(jìn)行著物質(zhì)能量和信息的交換。新拌水泥混凝土混合料隨著水泥和水之間化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行， 即水泥的逐步水化硬化， 不斷生成新的物質(zhì)， 進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)移和交換， 并作出混凝土流變學(xué)參數(shù)的變化以及混凝土孔隙與界面等等性質(zhì)的變化響應(yīng)。硬化混凝土受力破壞的過程中， 除發(fā)展物質(zhì)和能量的交換外， 既有超聲波、裂縫擴(kuò)展等可用儀器檢測到的信息發(fā)出， 也有混凝土因強(qiáng)度不足或其它缺點(diǎn)等因素而需要采取某種措施的信息發(fā)出。超聲波和裂縫的擴(kuò)展等反映了混凝土受壓后內(nèi)部的物質(zhì)和能量變化(包括能量形式的變化)。無損檢測如超聲波檢測、X 衍射檢測等即是通過能量的發(fā)射、傳遞、接受反映混凝土材料內(nèi)部破損信息。能量和信息是統(tǒng)一的。混凝土斷裂力學(xué)將混凝土內(nèi)部裂縫端部應(yīng)力場和位移場的強(qiáng)度因子與混凝土的應(yīng)變能釋放率統(tǒng)一起來。