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硬度和強度關系

來源:云南合信機構      發布時間:2014-11-19       閱讀次數:
摘要:材料的硬度和強度不是同一個概念。同一種勻質材料的硬度和強度之間有一定的相關性,而不同材料的硬度和強度之間不能建立相關的關系;同樣水膠比的砂漿和混凝土是不同的材料,砂漿的硬度最多只可能與砂漿強度有一定的聯系,而相同水膠比的砂漿強度和混凝土強度的關系卻依漿骨比和砂率的不同而異;混凝土碳化層和該混凝土更是不同的材料,混凝土碳化層的硬度和內部混凝土的強度沒有關系,再基于碳化層的硬度引進“折減系數”來推算混凝土的強度,在概念上是錯誤的。
關鍵詞:回彈法,硬度和強度關系,碳化層,折減系數
1、 什么是硬度?
嚴格來說,應當稱表面硬度?;貜梼x是用肖氏硬度(shore’s hardness)原理檢測材料表面硬度的儀器。在有關混凝土的網站論壇中,發現有些人在概念上把混凝土的硬度和強度混淆了,以為硬度大的材料強度也高,回彈值就代表強度。盡管對業內人士澄清這個問題不免是畫蛇添足,簡單復習一下相關知識還是有益的。
表面硬度是指材料抵抗外來機械作用力(如刻劃、壓入、研磨等)侵入的能力,硬度很難測定和準確地表示,常用方法有三類:靜壓法,如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等;劃痕法,如莫氏硬度;回彈法,如肖氏硬度。①對金屬材料,多用靜壓法,以鋼球或金剛石鉆頭在固定荷載下經一定時間壓入受檢材料表面的深度或壓痕大小做為硬度值。例如布氏(brinell)硬度hb、洛氏(rockwell)硬度hr、維氏(vecart)硬度hv,,其區別只是所用壓頭和標準荷載值的不同;②在地質學上多用莫氏硬度(mohs’scale of hardness),因1822年莫斯(friedrich. mohs)創立而得名。該法用10種標準礦物測定礦物的相對硬度,由小到大分為10級:滑石1,石膏2,方解石3,螢石4,鱗灰石5,正長石6,石英7,黃玉8,剛玉9,金剛石10。使用時作刻劃比較得出相對硬度。例如某礦物能將方解石刻出劃痕,而不能刻螢石,則其莫氏硬度為3~4,其他類推。莫氏硬度比較粗略,如雖滑石的硬度為1,金剛石為10,剛玉為9,但經顯微硬度計測得的絕對硬度則金剛石的為滑石的4192倍,剛玉的為滑石的442倍;③肖氏硬度是一種回彈硬度,主要用于金屬材料,方法是使一種特制的小錘或球從一定高度自由下落,沖擊被測材料試樣表面后,其回彈高度反映試樣在沖擊過程中產生的應變能(儲存繼而釋放),用以確定材料的表面硬度。這種儀器比較小巧,適用于現場使用,精度不高,但是方便。檢測混凝土強度的回彈法用的就是肖氏硬度的原理。檢測的直接讀數應當是混凝土的表面硬度。
強度是混凝土在外部荷載作用下抵抗破壞的能力。不同材料的硬度和強度并沒有固定的關系。例如金屬這種各向同性的彈性材料,硬度和強度相關性較好;木材的硬度很低,但標準含水量的木材順紋抗壓強度則可從20mpa變化到約100mpa。不同樹種的強度差別大而硬度差別卻較小。不同材料的硬度和強度的關系是不同的;一種材料的硬度和另一種材料的強度更是沒有關系?;炷翉姸仁钦w的表現,在整體觀念上進行檢測,而其表面硬度的檢測則是在某些點上進行,其中的骨料和水泥漿體畢竟是兩種不同硬度的材料,水泥漿體和混凝土由于粗骨料界面的影響,也是強度有區別的兩種材料;水泥漿體的硬度和混凝土的強度是不能建立起關系的。我國使用回彈法已有近40年的歷史。過去用于傳統混凝土時,盡管回彈值離散性很大,而出現的問題尚未如今天這樣突出?,F在材料變了,還使用不變的方法,必然會造成一些突出的矛盾。例如凡是摻了粉煤灰的混凝土用回彈法測定的強度都不合格,某些質檢站就增大碳化深度修正系數使其合格。這不禁使人想起 “說你是時,你就是,不是也是”的童謠。在此先來質疑一下,希望引起討論。是否應當否定這種檢測方法是次要的,重要的是希望概念清楚。
2、 混凝土是什么?
有個開發商在與混凝土攪拌站工作人員發生爭執時訓斥道:“你們有什么了不起的?不就是個和泥的嗎!”這代表了人們對混凝土的認識,當前工程中出現的質量問題(盡管還不能叫做“事故”)都和這種認識有關。因此有必要在此重申一下對混凝土的認識。
混凝土是用最簡單的工藝制作的最復雜體系。簡單是必須的,否則不能成為最廣泛使用的大宗建筑材料;但是復雜又是必然的;原因是①原材料來源廣泛而多樣,成分波動而不可能提純,所形成的微結構在不同層次上的多相、非均質,依配合比而離散;②微結構的形成具有環境(溫度、濕度)和時間的依賴性;③水泥水化形成的復雜凝膠,在目前技術水平下難以測定。因此這樣復雜的體系具有微結構的不確知性和性能的不確定性,使混凝土表現出“混沌體系”(非線性體系)的特征,可以說具有“蝴蝶效應”──事物發展的結果對初始條件具有極為敏感的依賴性,初始條件極小的偏差將會引起結果的巨大差異。
3、 疑問
3.1 按上所述的概念,現行技術規程的題目定為“回彈法用于檢測混凝土的強度”[1] ,即使能用,也只能是對混凝土強度的“推斷”,說是“檢測”是否欠妥?退而言之,對于當代的混凝土是否連“推斷”也值得懷疑?
回彈法用于檢測混凝土的強度”的根據是認為混凝土的抗壓強度和混凝土的硬度具有相關性。但是對于混凝土這樣復雜的多相非均質材料來說,回彈值和抗壓強度之間沒有唯一的關系;不只是不同強度等級的混凝土沒有相同的硬度-抗壓強度關系,而且相同強度等級的混凝土也沒有相同的組成和微結構;即使給定的混凝土,也會因骨料和基體之間的硬度不同以及骨料在礦物學上的變化而有不同的回彈值。合理的方法是對每一種混凝土都標定其強度-硬度關系,“……當用回彈值估計現場混凝土的強度時,必須和標定時的實驗步驟與環境條件相似”[2]。把定到規范中的回彈值-抗壓強度關系表格或公式作為通用標準是欠妥當的。規程規定在檢測時要避開粗骨料而壓在砂漿上,充其量這樣得到的回彈值也僅是砂漿的,最多只能反映砂漿硬度和砂漿強度的關系。因界面的存在,在相同水膠比下漿骨比或砂率不同會影響混凝土的強度,因此,盡管砂漿是混凝土的一部分,砂漿硬度和混凝土強度卻并沒有固定的關系。從根本上來說,對于傳統混凝土,回彈值對抗壓強度只能起大體“推斷”的作用,定義成“檢測” 實際上誤導了對現場混凝土質量的評價,造成了有些人混淆了硬度和強度的概念。
3.2 混凝土碳化層和混凝土更加顯然地是不同的材料,按前述“一種材料的硬度和另一種材料的強度沒有關系”的原則,碳化層和混凝土總是兩種材料吧?即使按不同碳化層厚度給出修正系數,仍然是把本來沒有關系的兩件事物硬拉在一起去對比。進一步說,材料表面硬度和材料的厚度有關系嗎?材質相同的玻璃板和玻璃磚的表面硬度難道不同嗎?同樣材質的鋼板和鋼錠表面硬度應當也是一樣的。按照碳化層厚度修正所測硬度推算出的混凝土強度是否荒唐?
混凝土中的ca(oh) 2和潮濕空氣中的co2反應生ca(co)3,稱作碳酸鹽化,簡稱碳化。碳化都從表面開始,逐漸向內部深入。碳化后的混凝土表面硬度會增大,也就是說碳化層是不同于水泥漿體、砂漿和混凝土的另一種材料。碳化層的硬度顯然更不能用以推斷混凝土的強度,于是規程中給出了按碳化層厚度取折減系數,以“修正”所測硬度推算出的混凝土強度。對于傳統混凝土,強度高的在驗收時(通常在28天)碳化深度不大,低強度等級的,因水泥強度過高,所配制的混凝土實際強度往往也超標?,F今,摻入礦物摻和料,混凝土碳化后,酚酞試劑不顯色的部分除了生成碳酸鈣之外,還有未反應的礦物摻和料顆粒,則從整體來看,這時的混凝土及其碳化層和無摻和料時的混凝土及其碳化層又有了區別,尤其是在當前攪拌站的生產條件下,更增加了勻質性的問題[3]。對這樣一種復雜體系,用簡單的回彈法檢測其強度有什么可靠性?
3.3 摻粉煤灰的混凝土碳化為什么會加速?
討論這個問題的目的是說明碳化對混凝土的影響主要并不是強度,因為只要在摻用粉煤灰后把混凝土水膠比降低到一定程度,28天抗壓強度無疑是會滿足設計要求的,而且由于現場澆筑混凝土溫度的影響,摻粉煤灰的混凝土實際強度總是會比標準養護的相同摻粉煤灰的混凝土試件強度高,并與碳化無關。
傳統上認為,在混凝土中摻入粉煤灰后碳化加速是因為粉煤灰稀釋了水泥中的ca(oh)2,那么,為什么摻用同樣比例礦渣的混凝土碳化加速的程度會低得多呢?當然可能有人會認為是礦渣中含較多cao之故。但是從礦相分析來看,礦渣中cao主要為化合態,不會增加混凝土中ca(oh)2的含量,摻入礦渣似乎也會稀釋ca(oh)2的濃度。傳統認為碳化速率和環境中co2濃度有關,混凝土中ca(oh)2濃度減小時,相當于大氣中co2濃度相對增加。這是一種概念的轉移:按照fick定律,一種物質在另一種物質中的擴散系數與其濃度有關,也就是說,co2初始濃度影響其擴散速率,并不等于影響碳化的速率和深度。不管ca(oh)2的濃度多少,在合適的濕度下,總是會和co2碳化反應的。按照現行有關規范,混凝土碳化性能的試驗方法是:將試件養護到28天,在 co2濃度為20%、溫度20℃、相對濕度60±5%的碳化箱中碳化28天。這種方法對實際工程毫無意義,因為在實際工程中不會養護到28天。也就是說,現場混凝土的碳化都不會從28天才開始,而是停止濕養護后,混凝土表面層相對濕度下降到70%以下時,碳化就會開始。對于純硅酸鹽水泥的混凝土,碳化深度隨水灰比的增加而增加,“水灰比0.4的混凝土碳化深度是水灰比為0.6的一半,水灰比為0.5的混凝土在一般條件下暴露10年,碳化深度為5~10mm [3]”;“水灰比為0.6的混凝土15年后碳化深度為15mm,而水灰比為0.45的混凝土,碳化深度為15mm時需要100年[4]”。也就是說,影響混凝土碳化性質的主要因素是混凝土的水灰比,水灰比是決定混凝土密實度的主要因素。而當摻用粉煤灰時,即使配制混凝土時能降低水膠比,使該混凝土28天強度保持與不摻粉煤灰時的一致,而其初期(例如3天、7天)強度還是低于不摻粉煤灰時的同齡期強度。從圖1[5]可看出無論是摻粉煤灰還是磨細石英砂,漿體孔隙率均隨摻和料的摻量而增大。其中對混凝土強度有影響的是100nm以上的孔,規律亦然。由于用汞壓力測孔法試驗,與混凝土相比的試樣尺寸太小,試驗結果中可能會忽略了一些孔,尤其是大一些的孔。對氣體或離子來說,在100nm以下的孔中也能在濃度差的驅使下進行擴散。
在圖2中,水化齡期應當是指在有水存在的情況下所經過的齡期,故可認為等同于濕養護的齡期。由圖可見,在一定的水膠比下,濕養護齡期越短,粉煤灰摻量越大的試件孔隙率越大;不同粉煤灰摻量的試件之間孔隙率的差別隨濕養護齡期的增長而縮??;不同粉煤灰摻量的試件之間孔隙率無差別的濕養護齡期與水膠比有關,如圖2中水膠比為0.35時,該齡期約在28天,水膠比為0.3時,則該齡期約為22天。對于純硅酸鹽水泥來說,在這樣低的水膠比下,濕養護2天足矣,而對于摻粉煤灰的混凝土,盡管摻粉煤灰的前提是必須降低水膠比,實際工程中混凝土濕養護齡期一般不會超過7天,大摻量粉煤灰混凝土實際的碳化深度也會因孔隙率較大而較大。碳化本身不會造成混凝土劣化,但是ca(oh)2碳化后分子體積大約可收縮20%,如果先產生干燥收縮,隨后再加上碳化收縮,可能在約束條件下產生開裂;更重要的是,鋼筋在堿性環境下的穩定性會因堿度降低而受到破壞,引起銹蝕。對于混凝土的強度,則碳化前后并不會有太大差別,反而會因碳化而提高。對于保護層厚度很小、強度等級很低的混凝土,當無有效技術措施時,應當考慮的倒是大摻量粉煤灰混凝土早期孔隙率大而發生的碳化對可能引起鋼筋銹蝕的影響,碳化后的混凝土不僅堿度下降,而且因碳化收縮,尤其是先產生干縮與繼而碳化產生收縮的疊加,會使混凝土孔隙增多、增大造成表面開裂。因此,大可不必為按碳化層厚度的折減系數大小而擔心混凝土的強度。
3.4 工程上對碳化深度的檢測和混凝土強度有關系嗎?
由于混凝土材料的高度非勻質性,碳化前沿很難定量,如圖3所示為一個40×40×160mm的砂漿試件在相對濕度為50%的大氣常溫環境中碳化后橫斷面的酚酞顯色,可見碳化區形狀極無規則,充分顯示了這種材料的非勻質性。顯然,在取平均值時,選取測點位置和數量都會極大地影響計算結果。因此,取有限數量的測點時,不同時間、不同人的量測結果有很大的差異。測點數量越多,差別越小,而在實際工程中一般都是在構件上鉆眼,滴入酚酞試劑,然后用卡尺量測不顯色部分的深度,取6個點的平均值,作為碳化深度。這樣的結果的代表性顯然值得懷疑。而且,酚酞試劑在堿性下呈紫紅色,在酸性和中性下無色,其變色范圍為 ph= 8~10。ca(oh)2碳化后,ph值可下降到8.5。摻入粉煤灰后,ca(oh)2減少,酚酞無色之處并不都是caco3, 還包含未水化的水泥和粉煤灰,還可能會有受大氣中其他酸性介質(如酸雨中的so2、工業排放和汽車尾氣中的nox等)作用形成的其它鹽;還可能有未碳化的 ca(oh)2核心;當然還有砂子和石子。因此,這個“碳化層”的硬度及厚度和混凝土的強度并沒有關系,對于混凝土的強度來說是沒有意義的。
4、不用“回彈法檢測混凝土強度”,對工程中的混凝土強度如何驗收?
在水硅酸鹽水泥混凝土問世之前,已經有古老的混凝土建筑和構筑物在世界上屹立了2000多年,例如至今仍供游人游覽的古羅馬萬神殿,經歷2000多年海浪沖刷至今仍完好無損、長數百米無一裂縫的那不勒斯海港,等等,盡管建造時沒有硅酸鹽水泥,使用的是以石灰和火山灰為膠凝材料的混凝土,卻因“精心選擇原材料,精心施工”[7]而有著如此優異的質量。實踐證明,一般工程在實驗室經過反復試配而優化的混凝土,到達現場驗收合格,只要在現場不隨意更動,而按合理的順序澆筑,正確地振搗,并根據環境溫度控制好入模和升溫、降溫速率,不要過早拆模,保證充分的濕養護,則混凝土的質量就不會有問題。因此過程的質量控制比“死后驗尸”要重要得多。對于重要工程最好采用跟蹤養護的技術進行監控和驗收。因為現場混凝土構件的尺寸遠大于實驗室小試件的尺寸,現場混凝土構件依尺度大小和散熱面積的不同,其內部的實際溫度一般都不同程度地高于實驗室內標準養護溫度,則二者強度的發展也不同。跟蹤養護即在混凝土內部一定部位(視需要控制性能的關鍵部位而定)埋設溫度傳感器,跟蹤該所測溫度調節試件養護池的水溫。這樣的試件強度可跟蹤構件內混凝土實際強度。對于重大工程,可在現場預澆筑一個模擬實際構件尺寸的實體,預埋溫度和應力傳感器,并供結構運行期間鉆芯監測其所需性能。如圖4所示實例。高330m的北京國貿三期塔樓a工程在正式澆筑大體積混凝土底板以前,在工地現場預先澆筑了一個4.5m×4.5m×4.5m的足尺模型,以檢驗混凝土品質,觀察結構內部溫升、強度發展和應力分布情況,用于指導實際施工,取得很好效果[7]。
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