摘要：材料的硬度和強度不是同一個(gè)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部混凝土的強度沒(méi)有關(guān)系，再基于碳化層的硬度引進(jìn)“折減系數”來(lái)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
1、 什么是硬度？
嚴格來(lái)說(shuō)，應當稱(chēng)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)內人士澄清這個(gè)問(wèn)題不免是畫(huà)蛇添足，簡(jiǎn)單復習一下相關(guān)知識還是有益的。
表面硬度是指材料抵抗外來(lái)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(lèi)：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(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，，其區別只是所用壓頭和標準荷載值的不同；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(cháng)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(lèi)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(guò)程中產(chǎn)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(chǎng)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(méi)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(shù)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(méi)有關(guān)系?；炷翉姸仁钦w的表現，在整體觀(guān)念上進(jìn)行檢測，而其表面硬度的檢測則是在某些點(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(guān)系的。我國使用回彈法已有近40年的歷史。過(guò)去用于傳統混凝土時(shí)，盡管回彈值離散性很大，而出現的問(wèn)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(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使其合格。這不禁使人想起 “說(shuō)你是時(shí)，你就是，不是也是”的童謠。在此先來(lái)質(zhì)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(gè)開(kāi)發(fā)商在與混凝土攪拌站工作人員發(fā)生爭執時(shí)訓斥道：“你們有什么了不起的？不就是個(gè)和泥的嗎！”這代表了人們對混凝土的認識，當前工程中出現的質(zhì)量問(wèn)題(盡管還不能叫做“事故”)都和這種認識有關(guān)。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(jiǎn)單的工藝制作的最復雜體系。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；但是復雜又是必然的；原因是①原材料來(lái)源廣泛而多樣，成分波動(dòng)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(zhì)，依配合比而離散；②微結構的形成具有環(huán)境（溫度、濕度）和時(shí)間的依賴(lài)性；③水泥水化形成的復雜凝膠，在目前技術(shù)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(xiàn)性體系)的特征，可以說(shuō)具有“蝴蝶效應”──事物發(fā)展的結果對初始條件具有極為敏感的依賴(lài)性，初始條件極小的偏差將會(huì )引起結果的巨大差異。
3、 疑問(wèn)
3.1 按上所述的概念，現行技術(shù)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(shuō)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(guān)性。但是對于混凝土這樣復雜的多相非均質(zhì)材料來(lái)說(shuō)，回彈值和抗壓強度之間沒(méi)有唯一的關(guān)系；不只是不同強度等級的混凝土沒(méi)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(méi)有相同的組成和微結構；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。合理的方法是對每一種混凝土都標定其強度-硬度關(guān)系，“……當用回彈值估計現場(chǎng)混凝土的強度時(shí)，必須和標定時(shí)的實(shí)驗步驟與環(huán)境條件相似”[2]。把定到規范中的回彈值-抗壓強度關(guān)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(shí)要避開(kāi)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(huì )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(méi)有固定的關(guān)系。從根本上來(lái)說(shuō)，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(shí)際上誤導了對現場(chǎng)混凝土質(zhì)量的評價(jià)，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(méi)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，仍然是把本來(lái)沒(méi)有關(guān)系的兩件事物硬拉在一起去對比。進(jìn)一步說(shuō)，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(chēng)作碳酸鹽化，簡(jiǎn)稱(chēng)碳化。碳化都從表面開(kāi)始，逐漸向內部深入。碳化后的混凝土表面硬度會(huì )增大，也就是說(shuō)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(shí)(通常在28天)碳化深度不大，低強度等級的，因水泥強度過(guò)高，所配制的混凝土實(shí)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(lái)看，這時(shí)的混凝土及其碳化層和無(wú)摻和料時(shí)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(chǎn)條件下，更增加了勻質(zhì)性的問(wèn)題[3]。對這樣一種復雜體系，用簡(jiǎn)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(huì )加速？
討論這個(gè)問(wèn)題的目的是說(shuō)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(wú)疑是會(huì )滿(mǎn)足設計要求的，而且由于現場(chǎng)澆筑混凝土溫度的影響，摻粉煤灰的混凝土實(shí)際強度總是會(huì )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(wú)關(guān)。
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(huì )低得多呢？當然可能有人會(huì )認為是礦渣中含較多cao之故。但是從礦相分析來(lái)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。傳統認為碳化速率和環(huán)境中co2濃度有關(guān)，混凝土中ca(oh)2濃度減小時(shí)，相當于大氣中co2濃度相對增加。這是一種概念的轉移：按照f(shuō)ick定律，一種物質(zhì)在另一種物質(zhì)中的擴散系數與其濃度有關(guān)，也就是說(shuō)，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(huì )和co2碳化反應的。按照現行有關(guān)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(shí)際工程毫無(wú)意義，因為在實(shí)際工程中不會(huì )養護到28天。也就是說(shuō)，現場(chǎng)混凝土的碳化都不會(huì )從28天才開(kāi)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(shí)，碳化就會(huì )開(kāi)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(shí)需要100年[4]”。也就是說(shuō)，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。而當摻用粉煤灰時(shí)，即使配制混凝土時(shí)能降低水膠比，使該混凝土28天強度保持與不摻粉煤灰時(shí)的一致，而其初期(例如3天、7天)強度還是低于不摻粉煤灰時(shí)的同齡期強度。從圖1[5]可看出無(wú)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(huì )忽略了一些孔，尤其是大一些的孔。對氣體或離子來(lái)說(shuō)，在100nm以下的孔中也能在濃度差的驅使下進(jìn)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(jīng)過(guò)的齡期，故可認為等同于濕養護的齡期。由圖可見(jiàn)，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(cháng)而縮??；不同粉煤灰摻量的試件之間孔隙率無(wú)差別的濕養護齡期與水膠比有關(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。對于純硅酸鹽水泥來(lái)說(shuō)，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(shí)際工程中混凝土濕養護齡期一般不會(huì )超過(guò)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(kāi)裂；更重要的是，鋼筋在堿性環(huán)境下的穩定性會(huì )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(huì )有太大差別，反而會(huì )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(wú)有效技術(shù)措施時(shí)，應當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(huì )使混凝土孔隙增多、增大造成表面開(kāi)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(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(jiàn)碳化區形狀極無(wú)規則，充分顯示了這種材料的非勻質(zhì)性。顯然，在取平均值時(shí)，選取測點(diǎn)位置和數量都會(huì )極大地影響計算結果。因此，取有限數量的測點(diǎn)時(shí)，不同時(shí)間、不同人的量測結果有很大的差異。測點(diǎn)數量越多，差別越小，而在實(shí)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(gè)點(diǎn)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(wú)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(wú)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(chē)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(gè)“碳化層”的硬度及厚度和混凝土的強度并沒(méi)有關(guān)系，對于混凝土的強度來(lái)說(shuō)是沒(méi)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(wèn)世之前，已經(jīng)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(wàn)神殿，經(jīng)歷2000多年海浪沖刷至今仍完好無(wú)損、長(cháng)數百米無(wú)一裂縫的那不勒斯海港，等等，盡管建造時(shí)沒(méi)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(zhù)如此優(yōu)異的質(zhì)量。實(shí)踐證明，一般工程在實(shí)驗室經(jīng)過(guò)反復試配而優(yōu)化的混凝土，到達現場(chǎng)驗收合格，只要在現場(chǎng)不隨意更動(dòng)，而按合理的順序澆筑，正確地振搗，并根據環(huán)境溫度控制好入模和升溫、降溫速率，不要過(guò)早拆模，保證充分的濕養護，則混凝土的質(zhì)量就不會(huì )有問(wèn)題。因此過(guò)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護的技術(shù)進(jìn)行監控和驗收。因為現場(chǎng)混凝土構件的尺寸遠大于實(shí)驗室小試件的尺寸，現場(chǎng)混凝土構件依尺度大小和散熱面積的不同，其內部的實(shí)際溫度一般都不同程度地高于實(shí)驗室內標準養護溫度，則二者強度的發(fā)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(guān)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(shí)際強度。對于重大工程，可在現場(chǎng)預澆筑一個(gè)模擬實(shí)際構件尺寸的實(shí)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(shí)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(chǎng)預先澆筑了一個(gè)4.5m×4.5m×4.5m的足尺模型，以檢驗混凝土品質(zhì)，觀(guān)察結構內部溫升、強度發(fā)展和應力分布情況，用于指導實(shí)際施工，取得很好效果[7]。
