裝配式建筑物中輕質(zhì)高強(qiáng)抗蝕性能研究

曹婷

摘 要：為增強(qiáng)建筑物的抗蝕能力，以輕質(zhì)高強(qiáng)型材料為例，針對(duì)裝配式建筑物的抗蝕性能展開(kāi)研究。采用溫升控制法，分別從熱惰性指標(biāo)、硬度指標(biāo)兩個(gè)方向著手，研究腐蝕作用的完整表現(xiàn)過(guò)程，并以此為基礎(chǔ)，分析輕質(zhì)高強(qiáng)型建筑物材料的抗腐蝕能力。結(jié)果表明，在酸性溶液濃度相同的情況下，所選材料的熱惰性越強(qiáng)、硬度水平越高，其對(duì)于腐蝕性作用的抵抗能力就越強(qiáng)，在腐蝕反應(yīng)過(guò)程中的放熱量也就越少。

關(guān)鍵詞：裝配式建筑物;輕質(zhì)材料;高強(qiáng)材料;抗蝕性能;熱惰性指標(biāo);硬度指標(biāo)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU391 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2022）02-0120-05

裝配式建筑施工可將大量現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)轉(zhuǎn)移到工廠等加工單位進(jìn)行，構(gòu)件、配件等設(shè)備結(jié)構(gòu)在工廠完成生產(chǎn)與打磨后，可被直接運(yùn)輸?shù)浇ㄖ┕がF(xiàn)場(chǎng)，再經(jīng)由工人的安裝，形成完整的建筑結(jié)構(gòu)。通常情況下，鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)等建筑型材都是裝配式建筑的主要發(fā)展方向，但由于施工與生產(chǎn)方式的不同，每一類(lèi)建筑材料所適用的施工作業(yè)范圍也有所不同。近年來(lái)，隨著金屬、非金屬類(lèi)輕質(zhì)高強(qiáng)型材料的出現(xiàn)，裝配式建筑的整體適用能力也在不斷增強(qiáng)[1]。其中，金屬類(lèi)輕質(zhì)高強(qiáng)型材料包含鈦合金、鈦鋁合金、鋁鋰合金等多種組成形式，主要可被應(yīng)用于樓群建筑、裝配式建筑等多種施工工程之中。與傳統(tǒng)合金材料相比，輕質(zhì)高強(qiáng)型建筑材料的物化性能均出現(xiàn)了不同程度的改變，這也對(duì)其耐腐蝕性作用能力產(chǎn)生了較大影響。基于上述發(fā)展背景，針對(duì)裝配式建筑物中輕質(zhì)高強(qiáng)型材料的抗蝕性能展開(kāi)研究。

1 輕質(zhì)高強(qiáng)型建筑物材料的抗腐蝕能力分析

在建筑材料被腐蝕的過(guò)程中，隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，結(jié)構(gòu)體表面的溫度水平會(huì)不斷提升，而這種升溫變化則會(huì)對(duì)腐蝕反應(yīng)速率起到促進(jìn)影響。溫升控制法認(rèn)為在確定材料熱惰性與硬度表現(xiàn)水平的情況下，如果能夠適度控制腐蝕反應(yīng)的水平，則可以避免酸性物質(zhì)對(duì)于高強(qiáng)型建筑物材料的腐蝕性影響。

1.1 熱惰性指標(biāo)

對(duì)于輕質(zhì)高強(qiáng)型建筑材料而言，熱惰性指標(biāo)是描述周期性溫度波在材料結(jié)構(gòu)體內(nèi)部衰減快慢程度的無(wú)量綱型指標(biāo)，是裝配式建筑過(guò)程中，材料熱阻性與腐蝕性蓄熱系數(shù)乘積的累加形式，其數(shù)值計(jì)算結(jié)果越大，就表示周期性溫度波在建筑材料內(nèi)部的衰減變化速率越快，即輕質(zhì)高強(qiáng)型建筑材料所具有的抗腐蝕性能力越強(qiáng)。一般來(lái)說(shuō)，同一種建筑材料的熱惰性指標(biāo)參數(shù)始終保持為定值狀態(tài)。

建筑材料熱惰性指標(biāo)的計(jì)算同時(shí)涉及蓄熱系數(shù)、溫度波延遲周期、腐蝕作用衰減時(shí)長(zhǎng)3項(xiàng)物理指標(biāo)，且無(wú)論哪一個(gè)指標(biāo)的數(shù)值變化情況都受到腐蝕溫升作用的直接影響。

蓄熱系數(shù)（I）是指當(dāng)輕質(zhì)高強(qiáng)型建筑材料的一側(cè)承擔(dān)諧波熱作用效果時(shí)，材料表面熱流波幅指標(biāo)與溫度波幅指標(biāo)之間的物理比值，能夠表現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)抗腐蝕性能的優(yōu)劣程度，W/（m2·K）。具體計(jì)算表達(dá)式：

式中：E表示腐蝕作用過(guò)程中的放熱溫度波動(dòng)周期，s;ρ0表示建筑材料的初始密度，kg/m3;q表示建筑材料的比熱數(shù)值，kJ/ （kg·K）;φ表示腐蝕作用的放熱系數(shù)。

溫度波延遲周期T0是指在腐蝕放熱過(guò)程中，建筑材料內(nèi)側(cè)溫度水平由初始溫度上升到反應(yīng)溫度所需時(shí)長(zhǎng)。對(duì)于輕質(zhì)高強(qiáng)型建筑材料來(lái)說(shuō)，由于其自身物化性能具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，所以其初始溫度總是保持較低的數(shù)值水平，但隨著腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行，建筑物外表面材料受到放熱作用的影響，其表現(xiàn)溫度會(huì)不斷上升，此時(shí)內(nèi)表面材料也會(huì)在高溫作用下，進(jìn)入升溫狀態(tài)，而這種溫度變化行為就是導(dǎo)致溫度波延遲效應(yīng)存在的主要原因[2]。具體計(jì)算表達(dá)式：

式中：ω表示輕質(zhì)高強(qiáng)型建筑材料阻熱層個(gè)數(shù);λ表示腐蝕反應(yīng)的放熱系數(shù);t0表示建筑材料內(nèi)側(cè)溫度初始值，℃;tn表示腐蝕放熱反應(yīng)的表現(xiàn)溫度，℃;cn表示理想溫差數(shù)值，℃;n表示腐蝕放熱反應(yīng)的作用強(qiáng)度;ΔS表示單位時(shí)間內(nèi)的蓄熱量，W。

腐蝕作用衰減時(shí)長(zhǎng)T是指從腐蝕作用強(qiáng)度減弱到其完全停止的階段性反應(yīng)時(shí)間，能夠直接影響輕質(zhì)高強(qiáng)型建筑材料熱惰性指標(biāo)數(shù)值的最終計(jì)算結(jié)果。設(shè)c1、c2、…、cn表示n個(gè)與腐蝕放熱反應(yīng)相關(guān)的溫感系數(shù)，ε表示衰減特征，A表示輕質(zhì)高強(qiáng)型建筑材料的衰減倍數(shù)，β表示階段性腐蝕反應(yīng)強(qiáng)度，l表示輕質(zhì)高強(qiáng)型建筑材料在腐蝕反應(yīng)中表現(xiàn)出來(lái)的溫感系數(shù)，h-表示單位時(shí)間內(nèi)腐蝕放熱反應(yīng)對(duì)于建筑材料的消耗能力均值。聯(lián)立上述物理量，可將T表示為：

式中：δ為腐蝕反應(yīng)進(jìn)行時(shí)放熱作用在建筑材料內(nèi)的擴(kuò)散速率。對(duì)于輕質(zhì)高強(qiáng)型建筑材料來(lái)說(shuō)，熱惰性指標(biāo)屬于外因性干擾條件，因此該項(xiàng)指標(biāo)能夠直接影響腐蝕性反應(yīng)的實(shí)際表現(xiàn)強(qiáng)度。

1.2 硬度指標(biāo)

與熱惰性指標(biāo)不同，硬度指標(biāo)始終在輕質(zhì)高強(qiáng)型建筑材料局部位置受到硬物壓入作用時(shí)，其結(jié)構(gòu)表面所表現(xiàn)出來(lái)的抵抗性能力，由于材料結(jié)構(gòu)所處的建筑位置不同，所以其表現(xiàn)出來(lái)的硬度水平也會(huì)有所不同。圖1為兩種硬度水平不同的輕質(zhì)高強(qiáng)型建筑材料。

圖1（a）類(lèi)建筑材料的內(nèi)部密度水平更均勻，明顯具有更高的硬度水平。在腐蝕性物質(zhì)作用于該類(lèi)型材料外表面時(shí)，很難透過(guò)其堅(jiān)硬的外部表皮結(jié)構(gòu)而滲透到材料內(nèi)部，所以該類(lèi)型材料總是具有較強(qiáng)的抗腐蝕性能力。

圖1（b）類(lèi)建筑材料的內(nèi)部密度水平較為不規(guī)律，故其硬度水平與圖1（a）類(lèi)材料相比則相對(duì)更低。在腐蝕性物質(zhì)作用于該類(lèi)型材料外表面時(shí)，能夠較為快速穿透外部表皮結(jié)構(gòu)進(jìn)而對(duì)內(nèi)部物質(zhì)起到腐蝕性影響，所以該類(lèi)型材料的抗腐蝕性能力相對(duì)較弱。

綜合上述研究可知，在考慮腐蝕反應(yīng)放熱行為的情況下，輕質(zhì)高強(qiáng)型建筑材料的硬度能力受到材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部密度均值、外表面屬性、材料體厚度3項(xiàng)指標(biāo)參量的直接影響。

建筑材料的內(nèi)部密度均常表示為ρ-，作為材料結(jié)構(gòu)體的自身物理密度，該項(xiàng)指標(biāo)參量只與建筑施工所選取材料的具體類(lèi)型相關(guān)，隨著外界溫度、腐蝕性作用強(qiáng)度等反應(yīng)條件的改變，該項(xiàng)指標(biāo)參量的數(shù)值水平也始終保持不變。gzslib202204012308

輕質(zhì)高強(qiáng)型裝配式建筑材料的外表面屬性由硬度系數(shù)、腐蝕性抵抗系數(shù)兩部分共同組成。其中，硬度系數(shù)可表示為D0，對(duì)于質(zhì)地均勻的建筑物材料來(lái)說(shuō)，其硬度系數(shù)值也始終保持相對(duì)規(guī)律的存在狀態(tài)，且作為材料結(jié)構(gòu)體自身物理屬性的定義項(xiàng)，隨著腐蝕放熱反應(yīng)溫度等外界條件的變化，該項(xiàng)指標(biāo)參量的物理數(shù)值水平也不會(huì)發(fā)生改變[3]。腐蝕性抵抗系數(shù)可表示為μ0，由于建筑材料自身物化性能的不同，該項(xiàng)指標(biāo)參量的表現(xiàn)數(shù)值也會(huì)有所不同。一般來(lái)說(shuō)，與輕質(zhì)高強(qiáng)型材料匹配的系數(shù)值水平相對(duì)較高，這就表示該類(lèi)型材料對(duì)于外界腐蝕作用的抵抗性能力較強(qiáng)。

材料體厚度常表示為L(zhǎng)，在建筑施工過(guò)程中，由于建筑物使用需求的不同，其厚度水平也會(huì)所有不同。但一般來(lái)說(shuō)，由于輕質(zhì)高強(qiáng)型材料自身物化屬性能力較強(qiáng)，所以應(yīng)用該類(lèi)型材料的建筑物結(jié)構(gòu)體厚度也就相對(duì)較薄。

聯(lián)立上述物理量，可得輕質(zhì)高強(qiáng)型裝配式建筑物材料的硬度指標(biāo)（K）：

式中：P·表示裝配式建筑過(guò)程中的施工作業(yè)強(qiáng)度;ΔH表示腐蝕性作用下材料結(jié)構(gòu)體的單位消耗量。

與熱惰性指標(biāo)相比，硬度指標(biāo)對(duì)于腐蝕性放熱反應(yīng)的抵抗能力更強(qiáng)，但受到裝配式建筑材料自身物化屬性的影響，該項(xiàng)指標(biāo)參量的取值結(jié)果常處于既定的數(shù)值區(qū)間之內(nèi)。

1.3 腐蝕作用過(guò)程

裝配式建筑物的抗腐蝕過(guò)程是完全隨時(shí)間而變化的，且在放熱反應(yīng)的進(jìn)行過(guò)程中，材料結(jié)構(gòu)體始終呈現(xiàn)出周期性變化的規(guī)律，且可認(rèn)為這種變化特征屬于非穩(wěn)態(tài)腐蝕性導(dǎo)熱。盡管建筑物內(nèi)表面溫度始終保持相對(duì)穩(wěn)定的存在狀態(tài)（建筑物內(nèi)表面不會(huì)出現(xiàn)明顯的腐蝕性反應(yīng)），但隨著其外表面腐蝕性反應(yīng)的進(jìn)行，已釋放熱量可經(jīng)由材料間隙逐漸向著建筑物結(jié)構(gòu)體內(nèi)部擴(kuò)散，并最終使得裝配式建筑被完全腐蝕[4]。

設(shè)tmax表示建筑物外表面腐蝕反應(yīng)的最大散熱量;d-表示輕質(zhì)高強(qiáng)型建筑材料的間隙寬度均值。聯(lián)立公式（4）、公式（5），可將輕質(zhì)高強(qiáng)型裝配式建筑材料的抗腐蝕性能表達(dá)式定義為：

式中：ξ、λ表示兩個(gè)不同的腐蝕性放熱擴(kuò)散量;b表示以熱惰性指標(biāo)為參考的判別系數(shù);f表示以硬度指標(biāo)為參考的判別系數(shù);ζ表示腐蝕反應(yīng)過(guò)程中的微分導(dǎo)熱系數(shù)。

以輕質(zhì)高強(qiáng)型裝配式建筑物為例，圖2表現(xiàn)了材料結(jié)構(gòu)體在不同反應(yīng)階段中的具體被腐蝕情況。

（1）腐蝕性反應(yīng)第一階段：輕質(zhì)高強(qiáng)型裝配式建筑物內(nèi)表面、外表面均保持原有物化性能，且其內(nèi)、外表面界線保持完全平整的存在狀態(tài)，即外部放熱反應(yīng)并不會(huì)對(duì)內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)造成腐蝕性影響[5];

（2）腐蝕性反應(yīng)第二階段：輕質(zhì)高強(qiáng)型裝配式建筑物內(nèi)、外表面界線開(kāi)始呈現(xiàn)部分模糊的存在狀態(tài)，即外部放熱反應(yīng)對(duì)內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)造成一定程度的腐蝕性影響;

（3）腐蝕性反應(yīng)第三階段：輕質(zhì)高強(qiáng)型裝配式建筑物內(nèi)、外表面界線完全模糊，外部放熱反應(yīng)已經(jīng)對(duì)內(nèi)部材料結(jié)構(gòu)造成了腐蝕性影響。

2 實(shí)例分析

為從根本上提升輕質(zhì)高強(qiáng)型裝配式建筑物的抗蝕性能，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)可分為“熱惰性能力對(duì)抗蝕性能的影響”和“硬度水平對(duì)抗蝕性能的影響”兩部分。

2.1 熱惰性能力對(duì)建筑物抗蝕性能影響

熱惰性能力對(duì)建筑物抗蝕性能影響的具體實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）在硬度水平相同的情況下，選取樣本a、樣本b、樣本c、樣本d 4組熱惰性能力不同的材料樣本作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象（如圖3所示）;

（2）分別取等量的材料樣本，將其置于4個(gè)干凈的試管之中，向其中滴入等量且濃度相同的稀鹽酸溶液;

（3）充分振蕩試管內(nèi)的混合物，并將其置于室溫環(huán)境下;

（4）記錄試管內(nèi)塊狀樣本完全被腐蝕所需的消耗時(shí)長(zhǎng)。

圖3中，材料樣本熱惰性能力的大小排列順序依次為：樣本a、樣本b、樣本c、樣本d。

圖4記錄了樣本a、樣本b、樣本c、樣本d 4份材料樣本完全被腐蝕所需的作用時(shí)間。

由圖4可知，本次實(shí)驗(yàn)對(duì)于建筑物樣本的初始取值均為15 g，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，4條曲線的變化形式基本完全一致。樣本a、樣本b、樣本c、樣本d被完全腐蝕所需時(shí)長(zhǎng)分別為11、7、6、4 s，即熱惰性能力實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，建筑物樣本腐蝕耗時(shí)排列順序大小依次為：樣本a、樣本b、樣本c、樣本d。

2.2 硬度水平對(duì)建筑物抗蝕性能影響

硬度水平對(duì)建筑物抗蝕性能影響的具體實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）在熱惰性能力相同的情況下，選取樣本e、樣本f、樣本g、樣本h 4組硬度水平不同的材料樣本作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象（如圖5所示）;

（2）分別取等量的材料樣本，將其置于4個(gè)干凈的試管之中，向其中滴入等量且濃度相同的稀鹽酸溶液;

（3）充分振蕩試管內(nèi)的混合物，并將其置于室溫環(huán)境下;

（4）記錄試管內(nèi)塊狀樣本完全被腐蝕所需的消耗時(shí)長(zhǎng)。

在圖5中，材料樣本硬度水平的排列順序大小依次為：樣本e、樣本f、樣本g、樣本h。

圖6記錄了樣本e、樣本f、樣本g、樣本h 4份材料樣本完全被腐蝕所需的作用時(shí)間。

由圖6可知，本次實(shí)驗(yàn)對(duì)于建筑物樣本的初始取值也為15 g，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，4條曲線的變化形式也始終保持一致。樣本e、樣本f、樣本g和樣本h被完全腐蝕所需時(shí)長(zhǎng)分別為12、10、8和7 s，即硬度水平實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，建筑物樣本腐蝕耗時(shí)排列順序大小依次為：樣本e、樣本f、樣本g、樣本h。

由此可知，對(duì)于輕質(zhì)高強(qiáng)型建筑材料來(lái)說(shuō)，熱惰性指標(biāo)、硬度指標(biāo)均會(huì)對(duì)其抗蝕性能力造成影響，且通常情況下，材料結(jié)構(gòu)體的熱惰性能力越強(qiáng)、硬度水平越高，其所具備的抗蝕性能力也就越強(qiáng)。因此，為增強(qiáng)建筑物的抗蝕能力，應(yīng)選取熱惰性能力強(qiáng)、硬度水平高的輕質(zhì)高強(qiáng)型材料作為主要裝配結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語(yǔ)

增強(qiáng)建筑物抗蝕能力作為困擾施工單位的關(guān)鍵性問(wèn)題，早已成為建筑施工領(lǐng)域中的重點(diǎn)研究方向。近年來(lái)，隨著輕質(zhì)高強(qiáng)型材料的出現(xiàn)，原有裝配構(gòu)建的熱惰性能力與硬度水平得到不斷提升。在高強(qiáng)度酸性物質(zhì)的作用下，裝配式建筑的外表面結(jié)構(gòu)雖然會(huì)出現(xiàn)一定程度的腐蝕情況，但由于其整體密度水平較高，酸性物質(zhì)難以向內(nèi)擴(kuò)散，整個(gè)結(jié)構(gòu)體依然能夠保持其原有的物化屬性，從而使得建筑物的抗蝕能力得以大幅提升。

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