裝配式建筑物中輕質高強抗蝕性能研究

曹婷

摘 要：為增強建筑物的抗蝕能力，以輕質高強型材料為例，針對裝配式建筑物的抗蝕性能展開研究。采用溫升控制法，分別從熱惰性指標、硬度指標兩個方向著手，研究腐蝕作用的完整表現過程，并以此為基礎，分析輕質高強型建筑物材料的抗腐蝕能力。結果表明，在酸性溶液濃度相同的情況下，所選材料的熱惰性越強、硬度水平越高，其對于腐蝕性作用的抵抗能力就越強，在腐蝕反應過程中的放熱量也就越少。

關鍵詞：裝配式建筑物;輕質材料;高強材料;抗蝕性能;熱惰性指標;硬度指標

中圖分類號：TU391 ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2022）02-0120-05

裝配式建筑施工可將大量現場作業轉移到工廠等加工單位進行，構件、配件等設備結構在工廠完成生產與打磨后，可被直接運輸到建筑施工現場，再經由工人的安裝，形成完整的建筑結構。通常情況下，鋼結構、混凝土結構、木結構等建筑型材都是裝配式建筑的主要發展方向，但由于施工與生產方式的不同，每一類建筑材料所適用的施工作業范圍也有所不同。近年來，隨著金屬、非金屬類輕質高強型材料的出現，裝配式建筑的整體適用能力也在不斷增強[1]。其中，金屬類輕質高強型材料包含鈦合金、鈦鋁合金、鋁鋰合金等多種組成形式，主要可被應用于樓群建筑、裝配式建筑等多種施工工程之中。與傳統合金材料相比，輕質高強型建筑材料的物化性能均出現了不同程度的改變，這也對其耐腐蝕性作用能力產生了較大影響。基于上述發展背景，針對裝配式建筑物中輕質高強型材料的抗蝕性能展開研究。

1 輕質高強型建筑物材料的抗腐蝕能力分析

在建筑材料被腐蝕的過程中，隨著化學反應的進行，結構體表面的溫度水平會不斷提升，而這種升溫變化則會對腐蝕反應速率起到促進影響。溫升控制法認為在確定材料熱惰性與硬度表現水平的情況下，如果能夠適度控制腐蝕反應的水平，則可以避免酸性物質對于高強型建筑物材料的腐蝕性影響。

1.1 熱惰性指標

對于輕質高強型建筑材料而言，熱惰性指標是描述周期性溫度波在材料結構體內部衰減快慢程度的無量綱型指標，是裝配式建筑過程中，材料熱阻性與腐蝕性蓄熱系數乘積的累加形式，其數值計算結果越大，就表示周期性溫度波在建筑材料內部的衰減變化速率越快，即輕質高強型建筑材料所具有的抗腐蝕性能力越強。一般來說，同一種建筑材料的熱惰性指標參數始終保持為定值狀態。

建筑材料熱惰性指標的計算同時涉及蓄熱系數、溫度波延遲周期、腐蝕作用衰減時長3項物理指標，且無論哪一個指標的數值變化情況都受到腐蝕溫升作用的直接影響。

蓄熱系數（I）是指當輕質高強型建筑材料的一側承擔諧波熱作用效果時，材料表面熱流波幅指標與溫度波幅指標之間的物理比值，能夠表現材料結構抗腐蝕性能的優劣程度，W/（m2·K）。具體計算表達式：

式中：E表示腐蝕作用過程中的放熱溫度波動周期，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值，kJ/ （kg·K）;φ表示腐蝕作用的放熱系數。

溫度波延遲周期T0是指在腐蝕放熱過程中，建筑材料內側溫度水平由初始溫度上升到反應溫度所需時長。對于輕質高強型建筑材料來說，由于其自身物化性能具有較強的穩定性，所以其初始溫度總是保持較低的數值水平，但隨著腐蝕反應的進行，建筑物外表面材料受到放熱作用的影響，其表現溫度會不斷上升，此時內表面材料也會在高溫作用下，進入升溫狀態，而這種溫度變化行為就是導致溫度波延遲效應存在的主要原因[2]。具體計算表達式：

式中：ω表示輕質高強型建筑材料阻熱層個數;λ表示腐蝕反應的放熱系數;t0表示建筑材料內側溫度初始值，℃;tn表示腐蝕放熱反應的表現溫度，℃;cn表示理想溫差數值，℃;n表示腐蝕放熱反應的作用強度;ΔS表示單位時間內的蓄熱量，W。

腐蝕作用衰減時長T是指從腐蝕作用強度減弱到其完全停止的階段性反應時間，能夠直接影響輕質高強型建筑材料熱惰性指標數值的最終計算結果。設c1、c2、…、cn表示n個與腐蝕放熱反應相關的溫感系數，ε表示衰減特征，A表示輕質高強型建筑材料的衰減倍數，β表示階段性腐蝕反應強度，l表示輕質高強型建筑材料在腐蝕反應中表現出來的溫感系數，h-表示單位時間內腐蝕放熱反應對于建筑材料的消耗能力均值。聯立上述物理量，可將T表示為：

式中：δ為腐蝕反應進行時放熱作用在建筑材料內的擴散速率。對于輕質高強型建筑材料來說，熱惰性指標屬于外因性干擾條件，因此該項指標能夠直接影響腐蝕性反應的實際表現強度。

1.2 硬度指標

與熱惰性指標不同，硬度指標始終在輕質高強型建筑材料局部位置受到硬物壓入作用時，其結構表面所表現出來的抵抗性能力，由于材料結構所處的建筑位置不同，所以其表現出來的硬度水平也會有所不同。圖1為兩種硬度水平不同的輕質高強型建筑材料。

圖1（a）類建筑材料的內部密度水平更均勻，明顯具有更高的硬度水平。在腐蝕性物質作用于該類型材料外表面時，很難透過其堅硬的外部表皮結構而滲透到材料內部，所以該類型材料總是具有較強的抗腐蝕性能力。

圖1（b）類建筑材料的內部密度水平較為不規律，故其硬度水平與圖1（a）類材料相比則相對更低。在腐蝕性物質作用于該類型材料外表面時，能夠較為快速穿透外部表皮結構進而對內部物質起到腐蝕性影響，所以該類型材料的抗腐蝕性能力相對較弱。

綜合上述研究可知，在考慮腐蝕反應放熱行為的情況下，輕質高強型建筑材料的硬度能力受到材料結構內部密度均值、外表面屬性、材料體厚度3項指標參量的直接影響。

建筑材料的內部密度均常表示為ρ-，作為材料結構體的自身物理密度，該項指標參量只與建筑施工所選取材料的具體類型相關，隨著外界溫度、腐蝕性作用強度等反應條件的改變，該項指標參量的數值水平也始終保持不變。gzslib202204012308

輕質高強型裝配式建筑材料的外表面屬性由硬度系數、腐蝕性抵抗系數兩部分共同組成。其中，硬度系數可表示為D0，對于質地均勻的建筑物材料來說，其硬度系數值也始終保持相對規律的存在狀態，且作為材料結構體自身物理屬性的定義項，隨著腐蝕放熱反應溫度等外界條件的變化，該項指標參量的物理數值水平也不會發生改變[3]。腐蝕性抵抗系數可表示為μ0，由于建筑材料自身物化性能的不同，該項指標參量的表現數值也會有所不同。一般來說，與輕質高強型材料匹配的系數值水平相對較高，這就表示該類型材料對于外界腐蝕作用的抵抗性能力較強。

材料體厚度常表示為L，在建筑施工過程中，由于建筑物使用需求的不同，其厚度水平也會所有不同。但一般來說，由于輕質高強型材料自身物化屬性能力較強，所以應用該類型材料的建筑物結構體厚度也就相對較薄。

聯立上述物理量，可得輕質高強型裝配式建筑物材料的硬度指標（K）：

式中：P·表示裝配式建筑過程中的施工作業強度;ΔH表示腐蝕性作用下材料結構體的單位消耗量。

與熱惰性指標相比，硬度指標對于腐蝕性放熱反應的抵抗能力更強，但受到裝配式建筑材料自身物化屬性的影響，該項指標參量的取值結果常處于既定的數值區間之內。

1.3 腐蝕作用過程

裝配式建筑物的抗腐蝕過程是完全隨時間而變化的，且在放熱反應的進行過程中，材料結構體始終呈現出周期性變化的規律，且可認為這種變化特征屬于非穩態腐蝕性導熱。盡管建筑物內表面溫度始終保持相對穩定的存在狀態（建筑物內表面不會出現明顯的腐蝕性反應），但隨著其外表面腐蝕性反應的進行，已釋放熱量可經由材料間隙逐漸向著建筑物結構體內部擴散，并最終使得裝配式建筑被完全腐蝕[4]。

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

式中：ξ、λ表示兩個不同的腐蝕性放熱擴散量;b表示以熱惰性指標為參考的判別系數;f表示以硬度指標為參考的判別系數;ζ表示腐蝕反應過程中的微分導熱系數。

以輕質高強型裝配式建筑物為例，圖2表現了材料結構體在不同反應階段中的具體被腐蝕情況。

（1）腐蝕性反應第一階段：輕質高強型裝配式建筑物內表面、外表面均保持原有物化性能，且其內、外表面界線保持完全平整的存在狀態，即外部放熱反應并不會對內部材料結構造成腐蝕性影響[5];

（2）腐蝕性反應第二階段：輕質高強型裝配式建筑物內、外表面界線開始呈現部分模糊的存在狀態，即外部放熱反應對內部材料結構造成一定程度的腐蝕性影響;

（3）腐蝕性反應第三階段：輕質高強型裝配式建筑物內、外表面界線完全模糊，外部放熱反應已經對內部材料結構造成了腐蝕性影響。

2 實例分析

為從根本上提升輕質高強型裝配式建筑物的抗蝕性能，設計如下實驗。本次實驗可分為“熱惰性能力對抗蝕性能的影響”和“硬度水平對抗蝕性能的影響”兩部分。

2.1 熱惰性能力對建筑物抗蝕性能影響

熱惰性能力對建筑物抗蝕性能影響的具體實驗步驟：

（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驗對象（如圖3所示）;

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

（3）充分振蕩試管內的混合物，并將其置于室溫環境下;

（4）記錄試管內塊狀樣本完全被腐蝕所需的消耗時長。

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間。

由圖4可知，本次實驗對于建筑物樣本的初始取值均為15 g，整個實驗過程中，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被完全腐蝕所需時長分別為11、7、6、4 s，即熱惰性能力實驗過程中，建筑物樣本腐蝕耗時排列順序大小依次為：樣本a、樣本b、樣本c、樣本d。

2.2 硬度水平對建筑物抗蝕性能影響

硬度水平對建筑物抗蝕性能影響的具體實驗步驟：

（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驗對象（如圖5所示）;

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

（3）充分振蕩試管內的混合物，并將其置于室溫環境下;

（4）記錄試管內塊狀樣本完全被腐蝕所需的消耗時長。

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間。

由圖6可知，本次實驗對于建筑物樣本的初始取值也為15 g，整個實驗過程中，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被完全腐蝕所需時長分別為12、10、8和7 s，即硬度水平實驗過程中，建筑物樣本腐蝕耗時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，對于輕質高強型建筑材料來說，熱惰性指標、硬度指標均會對其抗蝕性能力造成影響，且通常情況下，材料結構體的熱惰性能力越強、硬度水平越高，其所具備的抗蝕性能力也就越強。因此，為增強建筑物的抗蝕能力，應選取熱惰性能力強、硬度水平高的輕質高強型材料作為主要裝配結構。

3 結語

增強建筑物抗蝕能力作為困擾施工單位的關鍵性問題，早已成為建筑施工領域中的重點研究方向。近年來，隨著輕質高強型材料的出現，原有裝配構建的熱惰性能力與硬度水平得到不斷提升。在高強度酸性物質的作用下，裝配式建筑的外表面結構雖然會出現一定程度的腐蝕情況，但由于其整體密度水平較高，酸性物質難以向內擴散，整個結構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。

【參考文獻】

[1] 邢霖，黃杉，于洪江.裝配式建筑用鋼纖維增強泡沫混凝土填充墻性能研究[J].新型建筑材料，2019，46（3）：114-117.

[2] 浦華勇，孔祥忠，李叢笑，等.基于被動式策略的裝配式建筑外圍護體系研究[J].施工技術，2020，49（8）：36-39.

[3] 李傳浩，王二成，張京軍，等.裝配式型鋼骨架輕質混凝土組合剪力墻抗震性能研究[J].四川建筑科學研究，2019，45（2）：37-41.

[4] 沈華，翁大根，沈宏生.基于OpenSEES的新型裝配式SPC框架節點的抗震性能研究[J].結構工程師，2020，36（1）：79-87.