摘要：材料的硬度和強度不是同一個概念。同一種勻質(zhì)材料的硬度和強度之間有一定的相關(guān)性，而不同材料的硬度和強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度有一定的聯(lián)系，而相同水膠比的砂漿強度和混凝土強度的關(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)部混凝土的強度沒有關(guān)系，再基于碳化層的硬度引進“折減系數(shù)”來推算混凝土的強度，在概念上是錯誤的。
關(guān)鍵詞：回彈法，硬度和強度關(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?；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(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(yè)內(nèi)人士澄清這個問題不免是畫蛇添足，簡單復(fù)習(xí)一下相關(guān)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(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(jīng)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(chǎn)生的應(yīng)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(xiàn)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(shù)應(yīng)當(dāng)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(guān)系。例如金屬這種各向同性的彈性材料，硬度和強度相關(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(guān)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(guān)系?；炷翉姸仁钦w的表現(xiàn)，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(qū)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(guān)系的。我國使用回彈法已有近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(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，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(fā)商在與混凝土攪拌站工作人員發(fā)生爭執(zhí)時訓(xùn)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(rèn)識，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)識有關(guān)。因此有必要在此重申一下對混凝土的認(rèn)識。
混凝土是用最簡單的工藝制作的最復(fù)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(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(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(dāng)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(jù)是認(rèn)為混凝土的抗壓強度和混凝土的硬度具有相關(guān)性。但是對于混凝土這樣復(fù)雜的多相非均質(zhì)材料來說，回彈值和抗壓強度之間沒有唯一的關(guān)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(guān)系，而且相同強度等級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。合理的方法是對每一種混凝土都標(biāo)定其強度-硬度關(guān)系，“……當(dāng)用回彈值估計現(xiàn)場混凝土的強度時，必須和標(biāo)定時的實驗步驟與環(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(guān)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(guān)系。從根本上來說，對于傳統(tǒng)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(dǎo)了對現(xiàn)場混凝土質(zhì)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(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比。進一步說，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(yīng)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(nèi)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(guī)程中給出了按碳化層厚度取折減系數(shù)，以“修正”所測硬度推算出的混凝土強度。對于傳統(tǒng)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(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(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]。對這樣一種復(fù)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(shè)計要求的，而且由于現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護的相同摻粉煤灰的混凝土試件強度高，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(dāng)然可能有人會認(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(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，相當(dāng)于大氣中co2濃度相對增加。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)中的擴散系數(shù)與其濃度有關(guān)，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(yīng)的。按照現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范，混凝土碳化性能的試驗方法是：將試件養(yǎng)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(yǎng)護到28天。也就是說，現(xiàn)場混凝土的碳化都不會從28天才開始，而是停止?jié)耩B(yǎng)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(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度的主要因素。而當(dāng)摻用粉煤灰時，即使配制混凝土?xí)r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(xì)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(guī)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(jié)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(qū)使下進行擴散。
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)護的齡期。由圖可見，在一定的水膠比下，濕養(yǎng)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(yǎng)護齡期的增長而縮小；不同粉煤灰摻量的試件之間孔隙率無差別的濕養(yǎng)護齡期與水膠比有關(guān)，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(yǎng)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(yǎng)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(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(dāng)無有效技術(shù)措施時，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)心混凝土的強度。
3.4 工程上對碳化深度的檢測和混凝土強度有關(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40×40×160mm的砂漿試件在相對濕度為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，選取測點位置和數(shù)量都會極大地影響計算結(jié)果。因此，取有限數(shù)量的測點時，不同時間、不同人的量測結(jié)果有很大的差異。測點數(shù)量越多，差別越小，而在實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(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“碳化層”的硬度及厚度和混凝土的強度并沒有關(guān)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(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、長數(shù)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(yōu)異的質(zhì)量。實踐證明，一般工程在實驗室經(jīng)過反復(fù)試配而優(yōu)化的混凝土，到達現(xiàn)場驗收合格，只要在現(xiàn)場不隨意更動，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，則混凝土的質(zhì)量就不會有問題。因此過程的質(zhì)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(yǎng)護的技術(shù)進行監(jiān)控和驗收。因為現(xiàn)場混凝土構(gòu)件的尺寸遠(yuǎn)大于實驗室小試件的尺寸，現(xiàn)場混凝土構(gòu)件依尺度大小和散熱面積的不同，其內(nèi)部的實際溫度一般都不同程度地高于實驗室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護溫度，則二者強度的發(fā)展也不同。跟蹤養(yǎng)護即在混凝土內(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，跟蹤該所測溫度調(diào)節(jié)試件養(yǎng)護池的水溫。這樣的試件強度可跟蹤構(gòu)件內(nèi)混凝土實際強度。對于重大工程，可在現(xiàn)場預(yù)澆筑一個模擬實際構(gòu)件尺寸的實體，預(yù)埋溫度和應(yīng)力傳感器，并供結(jié)構(gòu)運行期間鉆芯監(jiān)測其所需性能。如圖4所示實例。高330m的北京國貿(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)場預(yù)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(zhì)，觀察結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫升、強度發(fā)展和應(yīng)力分布情況，用于指導(dǎo)實際施工，取得很好效果[7]。
