摘要：材料的硬度和強(qiáng)度不是同一個(gè)概念。同一種勻質(zhì)材料的硬度和強(qiáng)度之間有一定的相關(guān)性，而不同材料的硬度和強(qiáng)度之間不能建立相關(guān)的關(guān)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(qiáng)度有一定的聯(lián)系，而相同水膠比的砂漿強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度的關(guān)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(nèi)部混凝土的強(qiáng)度沒有關(guān)系，再基于碳化層的硬度引進(jìn)“折減系數(shù)”來推算混凝土的強(qiáng)度，在概念上是錯(cuò)誤的。
關(guān)鍵詞：回彈法，硬度和強(qiáng)度關(guān)系，碳化層，折減系數(shù)
1、 什么是硬度？
嚴(yán)格來說，應(yīng)當(dāng)稱表面硬度。回彈儀是用肖氏硬度(shore’s hardness)原理檢測(cè)材料表面硬度的儀器。在有關(guān)混凝土的網(wǎng)站論壇中，發(fā)現(xiàn)有些人在概念上把混凝土的硬度和強(qiáng)度混淆了，以為硬度大的材料強(qiáng)度也高，回彈值就代表強(qiáng)度。盡管對(duì)業(yè)內(nèi)人士澄清這個(gè)問題不免是畫蛇添足，簡(jiǎn)單復(fù)習(xí)一下相關(guān)知識(shí)還是有益的。
表面硬度是指材料抵抗外來機(jī)械作用力(如刻劃、壓入、研磨等)侵入的能力，硬度很難測(cè)定和準(zhǔn)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(duì)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(jīng)一定時(shí)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(qū)別只是所用壓頭和標(biāo)準(zhǔn)荷載值的不同；②在地質(zhì)學(xué)上多用莫氏硬度(mohs’scale of hardness)，因1822年莫斯（friedrich. mohs）創(chuàng)立而得名。該法用10種標(biāo)準(zhǔn)礦物測(cè)定礦物的相對(duì)硬度，由小到大分為10級(jí)：滑石1，石膏2，方解石3，螢石4，鱗灰石5，正長(zhǎng)石6，石英7，黃玉8，剛玉9，金剛石10。使用時(shí)作刻劃比較得出相對(duì)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(jīng)顯微硬度計(jì)測(cè)得的絕對(duì)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(cè)材料試樣表面后，其回彈高度反映試樣在沖擊過程中產(chǎn)生的應(yīng)變能(儲(chǔ)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(xiàn)場(chǎng)使用，精度不高，但是方便。檢測(cè)混凝土強(qiáng)度的回彈法用的就是肖氏硬度的原理。檢測(cè)的直接讀數(shù)應(yīng)當(dāng)是混凝土的表面硬度。
強(qiáng)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(qiáng)度并沒有固定的關(guān)系。例如金屬這種各向同性的彈性材料，硬度和強(qiáng)度相關(guān)性較好；木材的硬度很低，但標(biāo)準(zhǔn)含水量的木材順紋抗壓強(qiáng)度則可從20mpa變化到約100mpa。不同樹種的強(qiáng)度差別大而硬度差別卻較小。不同材料的硬度和強(qiáng)度的關(guān)系是不同的；一種材料的硬度和另一種材料的強(qiáng)度更是沒有關(guān)系?；炷翉?qiáng)度是整體的表現(xiàn)，在整體觀念上進(jìn)行檢測(cè)，而其表面硬度的檢測(cè)則是在某些點(diǎn)上進(jìn)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(qiáng)度有區(qū)別的兩種材料；水泥漿體的硬度和混凝土的強(qiáng)度是不能建立起關(guān)系的。我國(guó)使用回彈法已有近40年的歷史。過去用于傳統(tǒng)混凝土?xí)r，盡管回彈值離散性很大，而出現(xiàn)的問題尚未如今天這樣突出?，F(xiàn)在材料變了，還使用不變的方法，必然會(huì)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(cè)定的強(qiáng)度都不合格，某些質(zhì)檢站就增大碳化深度修正系數(shù)使其合格。這不禁使人想起 “說你是時(shí)，你就是，不是也是”的童謠。在此先來質(zhì)疑一下，希望引起討論。是否應(yīng)當(dāng)否定這種檢測(cè)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(gè)開發(fā)商在與混凝土攪拌站工作人員發(fā)生爭(zhēng)執(zhí)時(shí)訓(xùn)斥道：“你們有什么了不起的？不就是個(gè)和泥的嗎！”這代表了人們對(duì)混凝土的認(rèn)識(shí)，當(dāng)前工程中出現(xiàn)的質(zhì)量問題(盡管還不能叫做“事故”)都和這種認(rèn)識(shí)有關(guān)。因此有必要在此重申一下對(duì)混凝土的認(rèn)識(shí)。
混凝土是用最簡(jiǎn)單的工藝制作的最復(fù)雜體系。簡(jiǎn)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(fù)雜又是必然的；原因是①原材料來源廣泛而多樣，成分波動(dòng)而不可能提純，所形成的微結(jié)構(gòu)在不同層次上的多相、非均質(zhì)，依配合比而離散；②微結(jié)構(gòu)的形成具有環(huán)境（溫度、濕度）和時(shí)間的依賴性；③水泥水化形成的復(fù)雜凝膠，在目前技術(shù)水平下難以測(cè)定。因此這樣復(fù)雜的體系具有微結(jié)構(gòu)的不確知性和性能的不確定性，使混凝土表現(xiàn)出“混沌體系”(非線性體系)的特征，可以說具有“蝴蝶效應(yīng)”──事物發(fā)展的結(jié)果對(duì)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(huì)引起結(jié)果的巨大差異。
3、 疑問
3.1 按上所述的概念，現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程的題目定為“回彈法用于檢測(cè)混凝土的強(qiáng)度”[1] ，即使能用，也只能是對(duì)混凝土強(qiáng)度的“推斷”，說是“檢測(cè)”是否欠妥？退而言之，對(duì)于當(dāng)代的混凝土是否連“推斷”也值得懷疑？
“回彈法用于檢測(cè)混凝土的強(qiáng)度”的根據(jù)是認(rèn)為混凝土的抗壓強(qiáng)度和混凝土的硬度具有相關(guān)性。但是對(duì)于混凝土這樣復(fù)雜的多相非均質(zhì)材料來說，回彈值和抗壓強(qiáng)度之間沒有唯一的關(guān)系；不只是不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土沒有相同的硬度-抗壓強(qiáng)度關(guān)系，而且相同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土也沒有相同的組成和微結(jié)構(gòu)；即使給定的混凝土，也會(huì)因骨料和基體之間的硬度不同以及骨料在礦物學(xué)上的變化而有不同的回彈值。合理的方法是對(duì)每一種混凝土都標(biāo)定其強(qiáng)度-硬度關(guān)系，“……當(dāng)用回彈值估計(jì)現(xiàn)場(chǎng)混凝土的強(qiáng)度時(shí)，必須和標(biāo)定時(shí)的實(shí)驗(yàn)步驟與環(huán)境條件相似”[2]。把定到規(guī)范中的回彈值-抗壓強(qiáng)度關(guān)系表格或公式作為通用標(biāo)準(zhǔn)是欠妥當(dāng)?shù)?。?guī)程規(guī)定在檢測(cè)時(shí)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(qiáng)度的關(guān)系。因界面的存在，在相同水膠比下漿骨比或砂率不同會(huì)影響混凝土的強(qiáng)度，因此，盡管砂漿是混凝土的一部分，砂漿硬度和混凝土強(qiáng)度卻并沒有固定的關(guān)系。從根本上來說，對(duì)于傳統(tǒng)混凝土，回彈值對(duì)抗壓強(qiáng)度只能起大體“推斷”的作用，定義成“檢測(cè)” 實(shí)際上誤導(dǎo)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)混凝土質(zhì)量的評(píng)價(jià)，造成了有些人混淆了硬度和強(qiáng)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(qiáng)度沒有關(guān)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(shù)，仍然是把本來沒有關(guān)系的兩件事物硬拉在一起去對(duì)比。進(jìn)一步說，材料表面硬度和材料的厚度有關(guān)系嗎？材質(zhì)相同的玻璃板和玻璃磚的表面硬度難道不同嗎？同樣材質(zhì)的鋼板和鋼錠表面硬度應(yīng)當(dāng)也是一樣的。按照碳化層厚度修正所測(cè)硬度推算出的混凝土強(qiáng)度是否荒唐？
混凝土中的ca(oh) 2和潮濕空氣中的co2反應(yīng)生ca(co)3，稱作碳酸鹽化，簡(jiǎn)稱碳化。碳化都從表面開始，逐漸向內(nèi)部深入。碳化后的混凝土表面硬度會(huì)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(qiáng)度，于是規(guī)程中給出了按碳化層厚度取折減系數(shù)，以“修正”所測(cè)硬度推算出的混凝土強(qiáng)度。對(duì)于傳統(tǒng)混凝土，強(qiáng)度高的在驗(yàn)收時(shí)(通常在28天)碳化深度不大，低強(qiáng)度等級(jí)的，因水泥強(qiáng)度過高，所配制的混凝土實(shí)際強(qiáng)度往往也超標(biāo)?，F(xiàn)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(yīng)的礦物摻和料顆粒，則從整體來看，這時(shí)的混凝土及其碳化層和無摻和料時(shí)的混凝土及其碳化層又有了區(qū)別，尤其是在當(dāng)前攪拌站的生產(chǎn)條件下，更增加了勻質(zhì)性的問題[3]。對(duì)這樣一種復(fù)雜體系，用簡(jiǎn)單的回彈法檢測(cè)其強(qiáng)度有什么可靠性？
3.3 摻粉煤灰的混凝土碳化為什么會(huì)加速？
討論這個(gè)問題的目的是說明碳化對(duì)混凝土的影響主要并不是強(qiáng)度，因?yàn)橹灰趽接梅勖夯液蟀鸦炷了z比降低到一定程度，28天抗壓強(qiáng)度無疑是會(huì)滿足設(shè)計(jì)要求的，而且由于現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土溫度的影響，摻粉煤灰的混凝土實(shí)際強(qiáng)度總是會(huì)比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的相同摻粉煤灰的混凝土試件強(qiáng)度高，并與碳化無關(guān)。
傳統(tǒng)上認(rèn)為，在混凝土中摻入粉煤灰后碳化加速是因?yàn)榉勖夯蚁♂屃怂嘀械腸a(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(huì)低得多呢？當(dāng)然可能有人會(huì)認(rèn)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(tài)，不會(huì)增加混凝土中ca(oh)2的含量，摻入礦渣似乎也會(huì)稀釋ca(oh)2的濃度。傳統(tǒng)認(rèn)為碳化速率和環(huán)境中co2濃度有關(guān)，混凝土中ca(oh)2濃度減小時(shí)，相當(dāng)于大氣中co2濃度相對(duì)增加。這是一種概念的轉(zhuǎn)移：按照fick定律，一種物質(zhì)在另一種物質(zhì)中的擴(kuò)散系數(shù)與其濃度有關(guān)，也就是說，co2初始濃度影響其擴(kuò)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(huì)和co2碳化反應(yīng)的。按照現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范，混凝土碳化性能的試驗(yàn)方法是：將試件養(yǎng)護(hù)到28天，在 co2濃度為20%、溫度20℃、相對(duì)濕度60±5%的碳化箱中碳化28天。這種方法對(duì)實(shí)際工程毫無意義，因?yàn)樵趯?shí)際工程中不會(huì)養(yǎng)護(hù)到28天。也就是說，現(xiàn)場(chǎng)混凝土的碳化都不會(huì)從28天才開始，而是停止?jié)耩B(yǎng)護(hù)后，混凝土表面層相對(duì)濕度下降到70%以下時(shí)，碳化就會(huì)開始。對(duì)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(shí)需要100年[4]”。也就是說，影響混凝土碳化性質(zhì)的主要因素是混凝土的水灰比，水灰比是決定混凝土密實(shí)度的主要因素。而當(dāng)摻用粉煤灰時(shí)，即使配制混凝土?xí)r能降低水膠比，使該混凝土28天強(qiáng)度保持與不摻粉煤灰時(shí)的一致，而其初期(例如3天、7天)強(qiáng)度還是低于不摻粉煤灰時(shí)的同齡期強(qiáng)度。從圖1[5]可看出無論是摻粉煤灰還是磨細(xì)石英砂，漿體孔隙率均隨摻和料的摻量而增大。其中對(duì)混凝土強(qiáng)度有影響的是100nm以上的孔，規(guī)律亦然。由于用汞壓力測(cè)孔法試驗(yàn)，與混凝土相比的試樣尺寸太小，試驗(yàn)結(jié)果中可能會(huì)忽略了一些孔，尤其是大一些的孔。對(duì)氣體或離子來說，在100nm以下的孔中也能在濃度差的驅(qū)使下進(jìn)行擴(kuò)散。
在圖2中，水化齡期應(yīng)當(dāng)是指在有水存在的情況下所經(jīng)過的齡期，故可認(rèn)為等同于濕養(yǎng)護(hù)的齡期。由圖可見，在一定的水膠比下，濕養(yǎng)護(hù)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(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而縮??；不同粉煤灰摻量的試件之間孔隙率無差別的濕養(yǎng)護(hù)齡期與水膠比有關(guān)，如圖2中水膠比為0.35時(shí)，該齡期約在28天，水膠比為0.3時(shí)，則該齡期約為22天。對(duì)于純硅酸鹽水泥來說，在這樣低的水膠比下，濕養(yǎng)護(hù)2天足矣，而對(duì)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(shí)際工程中混凝土濕養(yǎng)護(hù)齡期一般不會(huì)超過7天，大摻量粉煤灰混凝土實(shí)際的碳化深度也會(huì)因孔隙率較大而較大。碳化本身不會(huì)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(chǎn)生干燥收縮，隨后再加上碳化收縮，可能在約束條件下產(chǎn)生開裂；更重要的是，鋼筋在堿性環(huán)境下的穩(wěn)定性會(huì)因堿度降低而受到破壞，引起銹蝕。對(duì)于混凝土的強(qiáng)度，則碳化前后并不會(huì)有太大差別，反而會(huì)因碳化而提高。對(duì)于保護(hù)層厚度很小、強(qiáng)度等級(jí)很低的混凝土，當(dāng)無有效技術(shù)措施時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮的倒是大摻量粉煤灰混凝土早期孔隙率大而發(fā)生的碳化對(duì)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(chǎn)生干縮與繼而碳化產(chǎn)生收縮的疊加，會(huì)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(shù)大小而擔(dān)心混凝土的強(qiáng)度。
3.4 工程上對(duì)碳化深度的檢測(cè)和混凝土強(qiáng)度有關(guān)系嗎？
由于混凝土材料的高度非勻質(zhì)性，碳化前沿很難定量，如圖3所示為一個(gè)40×40×160mm的砂漿試件在相對(duì)濕度為50%的大氣常溫環(huán)境中碳化后橫斷面的酚酞顯色，可見碳化區(qū)形狀極無規(guī)則，充分顯示了這種材料的非勻質(zhì)性。顯然，在取平均值時(shí)，選取測(cè)點(diǎn)位置和數(shù)量都會(huì)極大地影響計(jì)算結(jié)果。因此，取有限數(shù)量的測(cè)點(diǎn)時(shí)，不同時(shí)間、不同人的量測(cè)結(jié)果有很大的差異。測(cè)點(diǎn)數(shù)量越多，差別越小，而在實(shí)際工程中一般都是在構(gòu)件上鉆眼，滴入酚酞試劑，然后用卡尺量測(cè)不顯色部分的深度，取6個(gè)點(diǎn)的平均值，作為碳化深度。這樣的結(jié)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(huì)有受大氣中其他酸性介質(zhì)（如酸雨中的so2、工業(yè)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(dāng)然還有砂子和石子。因此，這個(gè)“碳化層”的硬度及厚度和混凝土的強(qiáng)度并沒有關(guān)系，對(duì)于混凝土的強(qiáng)度來說是沒有意義的。
4、不用“回彈法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度”，對(duì)工程中的混凝土強(qiáng)度如何驗(yàn)收？
在水硅酸鹽水泥混凝土問世之前，已經(jīng)有古老的混凝土建筑和構(gòu)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(jīng)歷2000多年海浪沖刷至今仍完好無損、長(zhǎng)數(shù)百米無一裂縫的那不勒斯海港，等等，盡管建造時(shí)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(yōu)異的質(zhì)量。實(shí)踐證明，一般工程在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過反復(fù)試配而優(yōu)化的混凝土，到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收合格，只要在現(xiàn)場(chǎng)不隨意更動(dòng)，而按合理的順序澆筑，正確地振搗，并根據(jù)環(huán)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(yǎng)護(hù)，則混凝土的質(zhì)量就不會(huì)有問題。因此過程的質(zhì)量控制比“死后驗(yàn)尸”要重要得多。對(duì)于重要工程最好采用跟蹤養(yǎng)護(hù)的技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控和驗(yàn)收。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)混凝土構(gòu)件的尺寸遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)室小試件的尺寸，現(xiàn)場(chǎng)混凝土構(gòu)件依尺度大小和散熱面積的不同，其內(nèi)部的實(shí)際溫度一般都不同程度地高于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)溫度，則二者強(qiáng)度的發(fā)展也不同。跟蹤養(yǎng)護(hù)即在混凝土內(nèi)部一定部位(視需要控制性能的關(guān)鍵部位而定)埋設(shè)溫度傳感器，跟蹤該所測(cè)溫度調(diào)節(jié)試件養(yǎng)護(hù)池的水溫。這樣的試件強(qiáng)度可跟蹤構(gòu)件內(nèi)混凝土實(shí)際強(qiáng)度。對(duì)于重大工程，可在現(xiàn)場(chǎng)預(yù)澆筑一個(gè)模擬實(shí)際構(gòu)件尺寸的實(shí)體，預(yù)埋溫度和應(yīng)力傳感器，并供結(jié)構(gòu)運(yùn)行期間鉆芯監(jiān)測(cè)其所需性能。如圖4所示實(shí)例。高330m的北京國(guó)貿(mào)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(xiàn)場(chǎng)預(yù)先澆筑了一個(gè)4.5m×4.5m×4.5m的足尺模型，以檢驗(yàn)混凝土品質(zhì)，觀察結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫升、強(qiáng)度發(fā)展和應(yīng)力分布情況，用于指導(dǎo)實(shí)際施工，取得很好效果[7]。
