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混凝土力学性能的微观原理及现场测试方法的探讨

发表时间：2021/6/18 来源：《基层建设》2021年第6期作者：胡勇

[导读] 摘要：为了进一步理解混凝土的力学性能，本文从微观上分析了分子间作用力（范德华引力、范德华斥力）对混凝土强度的影响，此外，对界面摩擦力、粘结力的本质也作出了分析。

        上海建崴建设工程管理有限公司上海 200333
        摘要：为了进一步理解混凝土的力学性能，本文从微观上分析了分子间作用力（范德华引力、范德华斥力）对混凝土强度的影响，此外，对界面摩擦力、粘结力的本质也作出了分析。然后由微观至宏观，阐述了回弹法、超声回弹综合法、钻芯法检测构件混凝土强度的优缺点。对于构件混凝土强度的现场检测，本文还进行了新方法的构想，如：分析混凝土构件激发脉冲宽度与混凝土强度的关系、现场抗压试验构想。
        关键词：破坏面；分子间作用力；回弹法；激发脉冲宽度；现场抗压
        1 引言
        混凝土作为当代最主要的建筑材料之一，对于其力学性能我们已经有了一套完整的理论体系，本文从微观结构上对其力学性能（抗压、抗拉、抗弯、抗剪）的本质进行探讨，找出各个指标间的相互联系及共通点。构件的混凝土强度对结构安全至关重要，本文尝试从微观出发对宏观理论进行讨论，此外，本文还据此对现场测试混凝土强度的方法进行了总结，进行创新式的思考并试验验证。
        2 混凝土的内部结构及包含的“力”
        2.1 混凝土的组成物质
        拿普通混凝土来说，混凝土硬化后，其组成部分为：
        1.水化凝结后的水泥：其化学组成为水化硅酸钙（CaO•SiO2•yH2O）、氢氧化钙、水化硫铝酸钙（3CaO•Al2O3•3CaSO4•32H2O或3CaO•Al2O3•CaSO4•12H2O）、水化铁铝酸三钙（3CaO•Al2O3•6H2O）、水化铁酸钙（CaO•Fe2O3•H2O）、以及未水化的水泥颗粒。
        2.细骨料：砂，岩石风化而成或人工制造，主要成分为二氧化硅。
        3.粗骨料：碎石或卵石，主要成分为二氧化硅，一般其抗压强度比所配置的混凝土至少高20%。
        4.化学外加剂和矿物掺合料。
        2.2 混凝土的内部结构
        混凝土由水泥靠粘结力包裹着粗细骨料组成。水泥部分的结构为水化物的网状、纤维状凝胶结构和片状氢氧化钙晶体、针棒状水化铝酸三钙晶体等。在混凝土的后期硬化时，网状结构的空隙被持续水化的水化物和晶体填满，使之越来越致密，水化物颗粒间作用力增强。此外，水泥中还存在着凝胶孔、毛细孔、工艺空隙等孔隙结构，由于温度及时间的影响，还会出现微裂缝。总之，混凝土由各种不规则的凝胶、晶体、空隙组成。
        2.3 混凝土的内部的“力”
        微观上来说，小小的一块混凝土，其内部已包含了人类已知的四种基本力：强核力、弱核力、电磁力、引力。然而，与我们实际应用中的混凝土力学性能相关的只有电磁力，那么，混凝土中存在的电磁力有哪些呢？
        首先，在水泥凝胶水化物分子中，存在着化学键，包括离子键和共价键，这些都是电磁吸引力将原子吸引在一起而形成不同的化学物质。此外，各种物质的分子之间，存在着分子间的电磁作用力，将分子吸引在一起而形成各种不同的结构，其中包括水化过程中形成的氢键、分子间作用力（范德华力）。在以上电磁力中，我们知道：化学键＞氢键＞范德华力，与混凝土强度息息相关的就是混凝土内部分子间的范德华力。
        以上解释了水泥凝胶、骨料内部的力，此外，骨料表面与水泥粘结界面的粘结力和微裂缝界面摩擦抗力的本质也是范德华力。水泥凝胶侵入骨料表面的空隙使凝胶分子与骨料表面的分子间距达到范德华引力的作用距离，从而形成一定的“粘结力”。对于裂缝界面的摩擦抗力，除了与范德华力相关，还与界面垂直向的外力有关，准确的说，是与界面的嵌入变形有关，如下图：

        图 2-1                                     图 2-2
        上图2-1、2-1为物体A与物体B的微观接触面简化图，假设物体A的平均分子间作用力大于物体B，则潜在破坏面大概率为物体B的OO’面，即图中虚线部分，受外力F的影响，物体A、B嵌入的更紧密，则OO’面的虚线部分的面积将变得更大，也就是说，A、B接触面的摩擦抗力，取决于破坏面发挥了多少分子间作用力，而分子间作用力的发挥量，取决于力F导致的接触面的嵌入程度。
        3 混凝土的力学性能的本质
        3.1 抗拉强度
        混凝土抗拉的破坏面比较简单，拿立方受力体来说，理论上受拉破坏面为一个平面，但由于材料的不均匀性和内部的空隙、裂缝等影响，破坏面为一个不规则的曲面，破坏曲面中力的组成为其中的范德华引力（与分子间距离6次方成反比），示意图见下图3-1：

        图 3-1 抗拉破坏面的组成示意图
        3.2 无侧限抗压强度
        因为混凝土的破坏为脆性破坏，本质上也是受拉破坏，拿立方受力体来说，理论上受压破坏面为45°斜面。宏观上，假设混凝土材质均匀，破坏角45°，则我们可以用以下公式表示混凝土立方体抗压时破坏界面的临界平衡方程：

        计算得：
                                （式3.2）
        式中：       F — 临界破坏压力；
        A — 正截面受压面积；
        fc — 混凝土抗压强度；
        c — 混凝土粘聚力，等于抗拉强度；
         — 破坏面的摩擦系数，为内摩擦角。
        同样的，受材料的不均匀性和内部的空隙、裂缝等影响，破坏面为不规则的曲面。加压时，在所有潜在破坏面中，最先达到抗力小于外力的面发生破坏。相比于抗拉强度破坏面，受压破坏面面积更大、因为压缩作用导致单位面积的分子间作用力更多、裂缝及粘结界面受压闭合导致摩擦抗力更大。这也解释了为什么混凝土的抗压强度远大于抗拉强度（一般为抗拉强度的10～20倍），示意图见下图3-2：

        图 3-2 抗压破坏面的组成示意图
        以上，证明了在混凝土破坏之前，混凝土的受压变形越大，其抗压强度越大，而混凝土的受压变形取决于范德华斥力（与分子间距离12次方成反比），且与之反相关。
        总结：混凝土的抗压强度正相关于内部分子的范德华引力，反相关于空袭、裂缝的多少及范德华斥力。
        4 目前现场测试混凝土强度的方法
        4.1 回弹法
        回弹法是让弹击锤以一定的能量（2.207J）撞击混凝土表面，使局部混凝土发生变形并吸收一部分能量，另一部分能量使弹击锤反弹，仪器将重锤的最大反弹距离以回弹值（最大反弹距离与弹簧初始长度之比）显示出来，然后利用回弹值通过经验公式推算混凝土的强度。
        4.1.1 回弹法弹击值的微观影响因素
        我们知道，回弹值的大小直接取决于撞击后锤头的剩余能量，而撞击过程消耗的能量主要有两部分：一是混凝土的塑性变形导致的势能变化；二是撞击导致混凝土内部分子动能的变化。根据回弹撞击时混凝土的破坏面，混凝土的变形取决于混凝土内部孔隙的多少、范德华引力的大小以及范德华斥力的大小。故弹击值的大小，正相关于范德华引力、范德华斥力，反相关于混凝土内部空隙、裂缝的多少。

        图4-1 回弹法混凝土抗力组成示意图
        4.1.2 回弹法的优缺点
        ① 回弹法适用性广，操作简便，且不会对构件造成破损，回弹值与混凝土强度有一定的相关性，可以作为大批量构件混凝土强度检测的一种有效手段。
        ② 破坏形式与受构件的实际破坏形式不同。回弹法测试时，混凝土的破坏为局部压入破坏，故测试的为混凝土的表面硬度，而构件在使用时的破坏形式一般为整体破坏，故目前无法将回弹值与混凝土强度建立准确的数学关系，而是凭各地区的经验数据建立了回归公式，如上海地区的曲线，其相关系数0.938；平均相对误差9.8%；相对标准误差12.74%。
        ③ 回弹值受构件的应力状态影响较大。笔者在实践中发现，一般构件的上部的回弹值低于下部的回弹值，这是因为构件下部的自重应力较大，使得混凝土内部空隙更小，从而影响了混凝土的表面硬度。虽然回弹法测强时，规范上已经考虑了浇注面、表面状态、弹击角度的修正，但并未精确考虑测点应力状态的影响。
        ④ 回弹法锤头受动阻力的影响较大，而实际应用中混凝土中的阻力状态多为静阻力。
        4.2 超声回弹综合法
        超声回弹综合法是在回弹法的基础上考虑了混凝土声速与混凝土强度的关系。声波的传播源于介质中质点振动的传播，微观上来说，对于纵波，根据ΔS=（1/2）a（Δt）2，单个质点发生运动，由于范德华引力及斥力，使得周围质点产生加速度也发生运动，质点从开始运动到全部转化为势能需要的时间决定了波速，同时，混凝土内部的空隙和裂缝影响了波的传播路径，即影响了宏观上的波速（宏观上我们计算波速时视混凝土中声波为直线传播）。
        目前，还未能将混凝土中声速与混凝土强度建立准确的数学关系，也是凭经验建立了经验公式。超声回弹综合法结合了回弹值与声速两种测值，综合考虑了它们与混凝土强度的经验关系，其检测精度优于回弹法。
        4.2 钻芯法
        钻芯法通过对钻取芯样进行抗压试验直接检测芯样的抗压强度，测试结果最准确，但对构件的破坏较大。
        5 关于现场测试混凝土强度的构想
        5.1 激发脉冲宽度与混凝土强度的关系
        回弹法弹击锤撞击混凝土的过程，是动能转化为势能与内能，然后回弹将势能转化为动能的过程。从弹击锤刚开始弹击到其速度为零变成势能和内能，其所需要的时间t（脉冲宽度）与混凝土表面的抗力有直接的关系。所以，我们可以设想，是否能将时间t与混凝土强度建立之间建立经验公式？表5-1为笔者利用回弹仪与加速度传感器对不同强度构件测试的回弹仪对混凝土的激发脉冲宽度，若要建立脉冲宽度与混凝土强度的关系公式，还需要大量的实验数据。
        表5-1

        5.2 现场抗压试验构想
        通过前文的讨论，我们知道，回弹法弹击时混凝土的破坏机理与混凝土抗压破坏的机理并不相同，也就是破坏面的抗力构成不同。而我们要想在现场准确的测出混凝土的抗压强度，只需要对构件以某种方式施加外力，制造出与抗压破坏同样类型的潜在破坏面即可。
        如下图所示，我们可以对梁、板、墙、方柱的边缘避开钢筋的部位直接施压，也可以参考基桩静载试桩的想法，在设计阶段对部分构件进行可试验部位的突出设计。如果是工程验收检测，只需加压至指定压力而不必使其破坏。

        图5-2
        此时，构件局部混凝土破坏面的构成与立方体抗压试验的破坏面构成相似，但也有以下不同：
        ①为了避开钢筋，可试验部位只能为构件钢筋的混凝土保护层部位，受压面很小。故实测数据应考虑形状影响系数而且数据更加不均匀；
        ②构件受压部位混凝土的状态为有侧限受压，而立方体抗压试验为无侧限受压，侧限部位的破坏方式为受剪破坏，且与混凝土的泊松比有一定关系。
        虽然现场直接测试抗压强度装置的设想与实验室立方体抗压强度有以上区别，但其破坏机理有很大的相似之处，所以，我们只要利用数学工具对其进行统计、换算及统一，笔者认为通过此方法直接测定构件的混凝土强度是一种可以考虑的方向。
        6 结语
        笔者认为，对混凝土从微观原理上进行分析可以令我们更好的掌握混凝土的力学性能，我们对混凝土强度的理解也会随着学术的进步而更加深入。对于混凝土强度测试的方法我们应该合理的进行创新，使我国的建设工程技术更加蓬勃发展。
        参考文献：
        [1]《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2019）
        [2]《混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2019）
        [3]《结构混凝土抗压强度检测-回弹法、超声回弹综合法、钻芯法》（DG/TJ08-2020-2007）