装配式建筑物中轻质高强抗蚀性能研究

曹婷

摘 要：为增强建筑物的抗蚀能力，以轻质高强型材料为例，针对装配式建筑物的抗蚀性能展开研究。采用温升控制法，分别从热惰性指标、硬度指标两个方向着手，研究腐蚀作用的完整表现过程，并以此为基础，分析轻质高强型建筑物材料的抗腐蚀能力。结果表明，在酸性溶液濃度相同的情况下，所选材料的热惰性越强、硬度水平越高，其对于腐蚀性作用的抵抗能力就越强，在腐蚀反应过程中的放热量也就越少。

关键词：装配式建筑物;轻质材料;高强材料;抗蚀性能;热惰性指标;硬度指标

中图分类号：TU391       文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2022）02-0120-05

装配式建筑施工可将大量现场作业转移到工厂等加工单位进行，构件、配件等设备结构在工厂完成生产与打磨后，可被直接运输到建筑施工现场，再经由工人的安装，形成完整的建筑结构。通常情况下，钢结构、混凝土结构、木结构等建筑型材都是装配式建筑的主要发展方向，但由于施工与生产方式的不同，每一类建筑材料所适用的施工作业范围也有所不同。近年来，随着金属、非金属类轻质高强型材料的出现，装配式建筑的整体适用能力也在不断增强[1]。其中，金属类轻质高强型材料包含钛合金、钛铝合金、铝锂合金等多种组成形式，主要可被应用于楼群建筑、装配式建筑等多种施工工程之中。与传统合金材料相比，轻质高强型建筑材料的物化性能均出现了不同程度的改变，这也对其耐腐蚀性作用能力产生了较大影响。基于上述发展背景，针对装配式建筑物中轻质高强型材料的抗蚀性能展开研究。

1 轻质高强型建筑物材料的抗腐蚀能力分析

在建筑材料被腐蚀的过程中，随着化学反应的进行，结构体表面的温度水平会不断提升，而这种升温变化则会对腐蚀反应速率起到促进影响。温升控制法认为在确定材料热惰性与硬度表现水平的情况下，如果能够适度控制腐蚀反应的水平，则可以避免酸性物质对于高强型建筑物材料的腐蚀性影响。

1.1 热惰性指标

对于轻质高强型建筑材料而言，热惰性指标是描述周期性温度波在材料结构体内部衰减快慢程度的无量纲型指标，是装配式建筑过程中，材料热阻性与腐蚀性蓄热系数乘积的累加形式，其数值计算结果越大，就表示周期性温度波在建筑材料内部的衰减变化速率越快，即轻质高强型建筑材料所具有的抗腐蚀性能力越强。一般来说，同一种建筑材料的热惰性指标参数始终保持为定值状态。

建筑材料热惰性指标的计算同时涉及蓄热系数、温度波延迟周期、腐蚀作用衰减时长3项物理指标，且无论哪一个指标的数值变化情况都受到腐蚀温升作用的直接影响。

蓄热系数（I）是指当轻质高强型建筑材料的一侧承担谐波热作用效果时，材料表面热流波幅指标与温度波幅指标之间的物理比值，能够表现材料结构抗腐蚀性能的优劣程度，W/（m2·K）。具体计算表达式：

式中：E表示腐蚀作用过程中的放热温度波动周期，s;ρ0表示建筑材料的初始密度，kg/m3;q表示建筑材料的比热数值，kJ/ （kg·K）;φ表示腐蚀作用的放热系数。

温度波延迟周期T0是指在腐蚀放热过程中，建筑材料内侧温度水平由初始温度上升到反应温度所需时长。对于轻质高强型建筑材料来说，由于其自身物化性能具有较强的稳定性，所以其初始温度总是保持较低的数值水平，但随着腐蚀反应的进行，建筑物外表面材料受到放热作用的影响，其表现温度会不断上升，此时内表面材料也会在高温作用下，进入升温状态，而这种温度变化行为就是导致温度波延迟效应存在的主要原因[2]。具体计算表达式：

式中：ω表示轻质高强型建筑材料阻热层个数;λ表示腐蚀反应的放热系数;t0表示建筑材料内侧温度初始值，℃;tn表示腐蚀放热反应的表现温度，℃;cn表示理想温差数值，℃;n表示腐蚀放热反应的作用强度;ΔS表示单位时间内的蓄热量，W。

腐蚀作用衰减时长T是指从腐蚀作用强度减弱到其完全停止的阶段性反应时间，能够直接影响轻质高强型建筑材料热惰性指标数值的最终计算结果。设c1、c2、…、cn表示n个与腐蚀放热反应相关的温感系数，ε表示衰减特征，A表示轻质高强型建筑材料的衰减倍数，β表示阶段性腐蚀反应强度，l表示轻质高强型建筑材料在腐蚀反应中表现出来的温感系数，h-表示单位时间内腐蚀放热反应对于建筑材料的消耗能力均值。联立上述物理量，可将T表示为：

式中：δ为腐蚀反应进行时放热作用在建筑材料内的扩散速率。对于轻质高强型建筑材料来说，热惰性指标属于外因性干扰条件，因此该项指标能够直接影响腐蚀性反应的实际表现强度。

1.2 硬度指标

与热惰性指标不同，硬度指标始终在轻质高强型建筑材料局部位置受到硬物压入作用时，其结构表面所表现出来的抵抗性能力，由于材料结构所处的建筑位置不同，所以其表现出来的硬度水平也会有所不同。图1为两种硬度水平不同的轻质高强型建筑材料。

图1（a）类建筑材料的内部密度水平更均匀，明显具有更高的硬度水平。在腐蚀性物质作用于该类型材料外表面时，很难透过其坚硬的外部表皮结构而渗透到材料内部，所以该类型材料总是具有较强的抗腐蚀性能力。

图1（b）类建筑材料的内部密度水平较为不规律，故其硬度水平与图1（a）类材料相比则相对更低。在腐蚀性物质作用于该类型材料外表面时，能够较为快速穿透外部表皮结构进而对内部物质起到腐蚀性影响，所以该类型材料的抗腐蚀性能力相对较弱。

综合上述研究可知，在考虑腐蚀反应放热行为的情况下，轻质高强型建筑材料的硬度能力受到材料结构内部密度均值、外表面属性、材料体厚度3项指标参量的直接影响。

建筑材料的内部密度均常表示为ρ-，作为材料结构体的自身物理密度，该项指标参量只与建筑施工所选取材料的具体类型相关，随着外界温度、腐蚀性作用强度等反应条件的改变，该项指标参量的数值水平也始终保持不变。gzslib202204012308

轻质高强型装配式建筑材料的外表面属性由硬度系数、腐蚀性抵抗系数两部分共同组成。其中，硬度系数可表示为D0，对于质地均匀的建筑物材料来说，其硬度系数值也始终保持相对规律的存在状态，且作为材料结构体自身物理属性的定义项，随着腐蚀放热反应温度等外界条件的变化，该项指标参量的物理数值水平也不会发生改变[3]。腐蚀性抵抗系数可表示为μ0，由于建筑材料自身物化性能的不同，该项指标参量的表现数值也会有所不同。一般来说，与轻质高强型材料匹配的系数值水平相对较高，这就表示该类型材料对于外界腐蚀作用的抵抗性能力较强。

材料体厚度常表示为L，在建筑施工过程中，由于建筑物使用需求的不同，其厚度水平也会所有不同。但一般来说，由于轻质高强型材料自身物化属性能力较强，所以应用该类型材料的建筑物结构体厚度也就相对较薄。

联立上述物理量，可得轻质高强型装配式建筑物材料的硬度指标（K）：

式中：P·表示装配式建筑过程中的施工作业强度;ΔH表示腐蚀性作用下材料结构体的单位消耗量。

与热惰性指标相比，硬度指标对于腐蚀性放热反应的抵抗能力更强，但受到装配式建筑材料自身物化属性的影响，该项指标参量的取值结果常处于既定的数值区间之内。

1.3 腐蚀作用过程

装配式建筑物的抗腐蚀过程是完全随时间而变化的，且在放热反应的进行过程中，材料结构体始终呈现出周期性变化的规律，且可认为这种变化特征属于非稳态腐蚀性导热。尽管建筑物内表面温度始终保持相对稳定的存在状态（建筑物内表面不会出现明显的腐蚀性反应），但随着其外表面腐蚀性反应的进行，已释放热量可经由材料间隙逐渐向着建筑物结构体内部扩散，并最终使得装配式建筑被完全腐蚀[4]。

设tmax表示建筑物外表面腐蚀反应的最大散热量;d-表示轻质高强型建筑材料的间隙宽度均值。联立公式（4）、公式（5），可将轻质高强型装配式建筑材料的抗腐蚀性能表达式定义为：

式中：ξ、λ表示两个不同的腐蚀性放热扩散量;b表示以热惰性指标为参考的判别系数;f表示以硬度指标为参考的判别系数;ζ表示腐蚀反应过程中的微分导热系数。

以轻质高强型装配式建筑物为例，图2表现了材料结构体在不同反应阶段中的具体被腐蚀情况。

（1）腐蚀性反应第一阶段：轻质高强型装配式建筑物内表面、外表面均保持原有物化性能，且其内、外表面界线保持完全平整的存在状态，即外部放热反应并不会对内部材料结构造成腐蚀性影响[5];

（2）腐蚀性反应第二阶段：轻质高强型装配式建筑物内、外表面界线开始呈现部分模糊的存在状态，即外部放热反应对内部材料结构造成一定程度的腐蚀性影响;

（3）腐蚀性反应第三阶段：轻质高强型装配式建筑物内、外表面界线完全模糊，外部放热反应已经对内部材料结构造成了腐蚀性影响。

2 实例分析

为从根本上提升轻质高强型装配式建筑物的抗蚀性能，设计如下实验。本次实验可分为“热惰性能力对抗蚀性能的影响”和“硬度水平对抗蚀性能的影响”两部分。

2.1 热惰性能力对建筑物抗蚀性能影响

热惰性能力对建筑物抗蚀性能影响的具体实验步骤：

（1）在硬度水平相同的情况下，选取样本a、样本b、样本c、样本d 4组热惰性能力不同的材料样本作为实验对象（如图3所示）;

（2）分别取等量的材料样本，将其置于4个干净的试管之中，向其中滴入等量且浓度相同的稀盐酸溶液;

（3）充分振荡试管内的混合物，并将其置于室温环境下;

（4）记录试管内块状样本完全被腐蚀所需的消耗时长。

图3中，材料样本热惰性能力的大小排列顺序依次为：样本a、样本b、样本c、样本d。

图4记录了样本a、样本b、样本c、样本d 4份材料样本完全被腐蚀所需的作用时间。

由图4可知，本次实验对于建筑物样本的初始取值均为15 g，整个实验过程中，4条曲线的变化形式基本完全一致。样本a、样本b、样本c、样本d被完全腐蚀所需时长分别为11、7、6、4 s，即热惰性能力实验过程中，建筑物样本腐蚀耗时排列顺序大小依次为：样本a、样本b、样本c、样本d。

2.2 硬度水平对建筑物抗蚀性能影响

硬度水平对建筑物抗蚀性能影响的具体实验步骤：

（1）在热惰性能力相同的情况下，选取样本e、样本f、样本g、样本h 4组硬度水平不同的材料样本作为实验对象（如图5所示）;

（2）分别取等量的材料样本，将其置于4个干净的试管之中，向其中滴入等量且浓度相同的稀盐酸溶液;

（3）充分振荡试管内的混合物，并将其置于室温环境下;

（4）记录试管内块状样本完全被腐蚀所需的消耗时长。

在图5中，材料样本硬度水平的排列顺序大小依次为：样本e、样本f、样本g、样本h。

图6记录了样本e、样本f、样本g、样本h 4份材料样本完全被腐蚀所需的作用时间。

由图6可知，本次实验对于建筑物样本的初始取值也为15 g，整个实验过程中，4条曲线的变化形式也始终保持一致。样本e、样本f、样本g和样本h被完全腐蚀所需时长分别为12、10、8和7 s，即硬度水平实验过程中，建筑物样本腐蚀耗时排列顺序大小依次为：样本e、样本f、样本g、样本h。

由此可知，对于轻质高强型建筑材料来说，热惰性指标、硬度指标均会对其抗蚀性能力造成影响，且通常情况下，材料结构体的热惰性能力越强、硬度水平越高，其所具备的抗蚀性能力也就越强。因此，为增强建筑物的抗蚀能力，应选取热惰性能力强、硬度水平高的轻质高强型材料作为主要装配结构。

3 结语

增强建筑物抗蚀能力作为困扰施工单位的关键性问题，早已成为建筑施工领域中的重点研究方向。近年来，随着轻质高强型材料的出现，原有装配构建的热惰性能力与硬度水平得到不断提升。在高强度酸性物质的作用下，装配式建筑的外表面结构虽然会出现一定程度的腐蚀情况，但由于其整体密度水平较高，酸性物质难以向内扩散，整个结构体依然能够保持其原有的物化属性，从而使得建筑物的抗蚀能力得以大幅提升。

【参考文献】

[1] 邢霖，黄杉，于洪江.装配式建筑用钢纤维增强泡沫混凝土填充墙性能研究[J].新型建筑材料，2019，46（3）：114-117.

[2] 浦华勇，孔祥忠，李丛笑，等.基于被动式策略的装配式建筑外围护体系研究[J].施工技術，2020，49（8）：36-39.

[3] 李传浩，王二成，张京军，等.装配式型钢骨架轻质混凝土组合剪力墙抗震性能研究[J].四川建筑科学研究，2019，45（2）：37-41.

[4] 沈华，翁大根，沈宏生.基于OpenSEES的新型装配式SPC框架节点的抗震性能研究[J].结构工程师，2020，36（1）：79-87.