硬度与回弹速度的关系

摘要：材料的硬度和强度不是同一个概念。同一种匀质材料的硬度和强度之间有一定的相关性，而不同材料的硬度和强度之间不能建立相关的关系；同样水胶比的砂浆和混凝土是不同的材料，砂浆的硬度最多只可能与砂浆强度有一定的联系，而相同水胶比的砂浆强度和混凝土强度的关系却依浆骨比和砂率的不同而异；混凝土碳化层和该混凝土更是不同的材料，混凝土碳化层的硬度和内部混凝土的强度没有关系，再基于碳化层的硬度引进“折减系数”来推算混凝土的强度，在概念上是错误的。
关键词：回弹法，硬度和强度关系，碳化层，折减系数
1、 什么是硬度？
严格来说，应当称表面硬度。
回弹仪是用肖氏硬度(shore’s hardness)原理检测材料表面硬度的仪器。在有关混凝土的网站论坛中，发现有些人在概念上把混凝土的硬度和强度混淆了，以为硬度大的材料强度也高，回弹值就代表强度。尽管对业内人士澄清这个问题不免是画蛇添足，简单复习一下相关知识还是有益的。
表面硬度是指材料抵抗外来机械作用力(如刻划、压入、研磨等)侵入的能力，硬度很难测定和准确地表示，常用方法有三类：静压法，如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等；划痕法，如莫氏硬度；回弹法，如肖氏硬度。①对金属材料，多用静压法，以钢球或金刚石钻头在固定荷载下经一定时间压入受检材料表面的深度或压痕大小做为硬度值。例如布氏(brinell)硬度hb、洛氏(rockwell)硬度hr、维氏(vecart)硬度hv，，其区别只是所用压头和标准荷载值的不同；②在地质学上多用莫氏硬度(mohs’scale of hardness)，因1822年莫斯（friedrich mohs）创立而得名。该法用10种标准矿物测定矿物的相对硬度，由小到大分为10级：滑石1，石膏2，方解石3，萤石4，鳞灰石5，正长石6，石英7，黄玉8，刚玉9，金刚石10。使用时作刻划比较得出相对硬度。例如某矿物能将方解石刻出划痕，而不能刻萤石，则其莫氏硬度为3～4，其他类推。莫氏硬度比较粗略，如虽滑石的硬度为1，金刚石为10，刚玉为9，但经显微硬度计测得的绝对硬度则金刚石的为滑石的4192倍，刚玉的为滑石的442倍；③肖氏硬度是一种回弹硬度，主要用于金属材料，方法是使一种特制的小锤或球从一定高度自由下落，冲击被测材料试样表面后，其回弹高度反映试样在冲击过程中产生的应变能(储存继而释放)，用以确定材料的表面硬度。这种仪器比较小巧，适用于现场使用，精度不高，但是方便。检测混凝土强度的回弹法用的就是肖氏硬度的原理。检测的直接读数应当是混凝土的表面硬度。
强度是混凝土在外部荷载作用下抵抗破坏的能力。不同材料的硬度和强度并没有固定的关系。例如金属这种各向同性的弹性材料，硬度和强度相关性较好；木材的硬度很低，但标准含水量的木材顺纹抗压强度则可从20mpa变化到约100mpa。不同树种的强度差别大而硬度差别却较小。不同材料的硬度和强度的关系是不同的；一种材料的硬度和另一种材料的强度更是没有关系。混凝土强度是整体的表现，在整体观念上进行检测，而其表面硬度的检测则是在某些点上进行，其中的骨料和水泥浆体毕竟是两种不同硬度的材料，水泥浆体和混凝土由于粗骨料界面的影响，也是强度有区别的两种材料；水泥浆体的硬度和混凝土的强度是不能建立起关系的。我国使用回弹法已有近40年的历史。过去用于传统混凝土时，尽管回弹值离散性很大，而出现的问题尚未如今天这样突出。现在材料变了，还使用不变的方法，必然会造成一些突出的矛盾。例如凡是掺了粉煤灰的混凝土用回弹法测定的强度都不合格，某些质检站就增大碳化深度修正系数使其合格。这不禁使人想起 “说你是时，你就是，不是也是”的童谣。在此先来质疑一下，希望引起讨论。是否应当否定这种检测方法是次要的，重要的是希望概念清楚。
2、 混凝土是什么？
有个开发商在与混凝土搅拌站工作人员发生争执时训斥道：“你们有什么了不起的？不就是个和泥的吗！”这代表了人们对混凝土的认识，当前工程中出现的质量问题(尽管还不能叫做“事故”)都和这种认识有关。因此有必要在此重申一下对混凝土的认识。
混凝土是用最简单的工艺制作的最复杂体系。简单是必须的，否则不能成为最广泛使用的大宗建筑材料；但是复杂又是必然的；原因是①原材料来源广泛而多样，成分波动而不可能提纯，所形成的微结构在不同层次上的多相、非均质，依配合比而离散；②微结构的形成具有环境（温度、湿度）和时间的依赖性；③水泥水化形成的复杂凝胶，在目前技术水平下难以测定。因此这样复杂的体系具有微结构的不确知性和性能的不确定性，使混凝土表现出“混沌体系”(非线性体系)的特征，可以说具有“蝴蝶效应”──事物发展的结果对初始条件具有极为敏感的依赖性，初始条件极小的偏差将会引起结果的巨大差异。
3、 疑问
31 按上所述的概念，现行技术规程的题目定为“回弹法用于检测混凝土的强度”[1] ，即使能用，也只能是对混凝土强度的“推断”，说是“检测”是否欠妥？退而言之，对于当代的混凝土是否连“推断”也值得怀疑？
“回弹法用于检测混凝土的强度”的根据是认为混凝土的抗压强度和混凝土的硬度具有相关性。但是对于混凝土这样复杂的多相非均质材料来说，回弹值和抗压强度之间没有唯一的关系；不只是不同强度等级的混凝土没有相同的硬度-抗压强度关系，而且相同强度等级的混凝土也没有相同的组成和微结构；即使给定的混凝土，也会因骨料和基体之间的硬度不同以及骨料在矿物学上的变化而有不同的回弹值。合理的方法是对每一种混凝土都标定其强度-硬度关系，“……当用回弹值估计现场混凝土的强度时，必须和标定时的实验步骤与环境条件相似”[2]。把定到规范中的回弹值-抗压强度关系表格或公式作为通用标准是欠妥当的。规程规定在检测时要避开粗骨料而压在砂浆上，充其量这样得到的回弹值也仅是砂浆的，最多只能反映砂浆硬度和砂浆强度的关系。因界面的存在，在相同水胶比下浆骨比或砂率不同会影响混凝土的强度，因此，尽管砂浆是混凝土的一部分，砂浆硬度和混凝土强度却并没有固定的关系。从根本上来说，对于传统混凝土，回弹值对抗压强度只能起大体“推断”的作用，定义成“检测” 实际上误导了对现场混凝土质量的评价，造成了有些人混淆了硬度和强度的概念。
32 混凝土碳化层和混凝土更加显然地是不同的材料，按前述“一种材料的硬度和另一种材料的强度没有关系”的原则，碳化层和混凝土总是两种材料吧？即使按不同碳化层厚度给出修正系数，仍然是把本来没有关系的两件事物硬拉在一起去对比。进一步说，材料表面硬度和材料的厚度有关系吗？材质相同的玻璃板和玻璃砖的表面硬度难道不同吗？同样材质的钢板和钢锭表面硬度应当也是一样的。按照碳化层厚度修正所测硬度推算出的混凝土强度是否荒唐？
混凝土中的ca(oh) 2和潮湿空气中的co2反应生ca(co)3，称作碳酸盐化，简称碳化。碳化都从表面开始，逐渐向内部深入。碳化后的混凝土表面硬度会增大，也就是说碳化层是不同于水泥浆体、砂浆和混凝土的另一种材料。碳化层的硬度显然更不能用以推断混凝土的强度，于是规程中给出了按碳化层厚度取折减系数，以“修正”所测硬度推算出的混凝土强度。对于传统混凝土，强度高的在验收时(通常在28天)碳化深度不大，低强度等级的，因水泥强度过高，所配制的混凝土实际强度往往也超标。现今，掺入矿物掺和料，混凝土碳化后，酚酞试剂不显色的部分除了生成碳酸钙之外，还有未反应的矿物掺和料颗粒，则从整体来看，这时的混凝土及其碳化层和无掺和料时的混凝土及其碳化层又有了区别，尤其是在当前搅拌站的生产条件下，更增加了匀质性的问题[3]。对这样一种复杂体系，用简单的回弹法检测其强度有什么可靠性？
33 掺粉煤灰的混凝土碳化为什么会加速？
讨论这个问题的目的是说明碳化对混凝土的影响主要并不是强度，因为只要在掺用粉煤灰后把混凝土水胶比降低到一定程度，28天抗压强度无疑是会满足设计要求的，而且由于现场浇筑混凝土温度的影响，掺粉煤灰的混凝土实际强度总是会比标准养护的相同掺粉煤灰的混凝土试件强度高，并与碳化无关。
传统上认为，在混凝土中掺入粉煤灰后碳化加速是因为粉煤灰稀释了水泥中的ca(oh)2，那么，为什么掺用同样比例矿渣的混凝土碳化加速的程度会低得多呢？当然可能有人会认为是矿渣中含较多cao之故。但是从矿相分析来看，矿渣中cao主要为化合态，不会增加混凝土中ca(oh)2的含量，掺入矿渣似乎也会稀释ca(oh)2的浓度。传统认为碳化速率和环境中co2浓度有关，混凝土中ca(oh)2浓度减小时，相当于大气中co2浓度相对增加。这是一种概念的转移：按照fick定律，一种物质在另一种物质中的扩散系数与其浓度有关，也就是说，co2初始浓度影响其扩散速率，并不等于影响碳化的速率和深度。不管ca(oh)2的浓度多少，在合适的湿度下，总是会和co2碳化反应的。按照现行有关规范，混凝土碳化性能的试验方法是：将试件养护到28天，在 co2浓度为20%、温度20℃、相对湿度60±5%的碳化箱中碳化28天。这种方法对实际工程毫无意义，因为在实际工程中不会养护到28天。也就是说，现场混凝土的碳化都不会从28天才开始，而是停止湿养护后，混凝土表面层相对湿度下降到70%以下时，碳化就会开始。对于纯硅酸盐水泥的混凝土，碳化深度随水灰比的增加而增加，“水灰比04的混凝土碳化深度是水灰比为06的一半，水灰比为05的混凝土在一般条件下暴露10年，碳化深度为5～10mm [3]”；“水灰比为06的混凝土15年后碳化深度为15mm，而水灰比为045的混凝土，碳化深度为15mm时需要100年[4]”。也就是说，影响混凝土碳化性质的主要因素是混凝土的水灰比，水灰比是决定混凝土密实度的主要因素。而当掺用粉煤灰时，即使配制混凝土时能降低水胶比，使该混凝土28天强度保持与不掺粉煤灰时的一致，而其初期(例如3天、7天)强度还是低于不掺粉煤灰时的同龄期强度。从图1[5]可看出无论是掺粉煤灰还是磨细石英砂，浆体孔隙率均随掺和料的掺量而增大。其中对混凝土强度有影响的是100nm以上的孔，规律亦然。由于用汞压力测孔法试验，与混凝土相比的试样尺寸太小，试验结果中可能会忽略了一些孔，尤其是大一些的孔。对气体或离子来说，在100nm以下的孔中也能在浓度差的驱使下进行扩散。
在图2中，水化龄期应当是指在有水存在的情况下所经过的龄期，故可认为等同于湿养护的龄期。由图可见，在一定的水胶比下，湿养护龄期越短，粉煤灰掺量越大的试件孔隙率越大；不同粉煤灰掺量的试件之间孔隙率的差别随湿养护龄期的增长而缩小；不同粉煤灰掺量的试件之间孔隙率无差别的湿养护龄期与水胶比有关，如图2中水胶比为035时，该龄期约在28天，水胶比为03时，则该龄期约为22天。对于纯硅酸盐水泥来说，在这样低的水胶比下，湿养护2天足矣，而对于掺粉煤灰的混凝土，尽管掺粉煤灰的前提是必须降低水胶比，实际工程中混凝土湿养护龄期一般不会超过7天，大掺量粉煤灰混凝土实际的碳化深度也会因孔隙率较大而较大。碳化本身不会造成混凝土劣化，但是ca(oh)2碳化后分子体积大约可收缩20%，如果先产生干燥收缩，随后再加上碳化收缩，可能在约束条件下产生开裂；更重要的是，钢筋在碱性环境下的稳定性会因碱度降低而受到破坏，引起锈蚀。对于混凝土的强度，则碳化前后并不会有太大差别，反而会因碳化而提高。对于保护层厚度很小、强度等级很低的混凝土，当无有效技术措施时，应当考虑的倒是大掺量粉煤灰混凝土早期孔隙率大而发生的碳化对可能引起钢筋锈蚀的影响，碳化后的混凝土不仅碱度下降，而且因碳化收缩，尤其是先产生干缩与继而碳化产生收缩的叠加，会使混凝土孔隙增多、增大造成表面开裂。因此，大可不必为按碳化层厚度的折减系数大小而担心混凝土的强度。
34 工程上对碳化深度的检测和混凝土强度有关系吗？
由于混凝土材料的高度非匀质性，碳化前沿很难定量，如图3所示为一个40×40×160mm的砂浆试件在相对湿度为50%的大气常温环境中碳化后横断面的酚酞显色，可见碳化区形状极无规则，充分显示了这种材料的非匀质性。显然，在取平均值时，选取测点位置和数量都会极大地影响计算结果。因此，取有限数量的测点时，不同