基于沖擊彈性波的水泥水化趨勢(shì)分析研究

鄧 立，張遠(yuǎn)軍

(四川升拓檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，成都 610045)

基于沖擊彈性波的水泥水化趨勢(shì)分析研究

鄧 立，張遠(yuǎn)軍

(四川升拓檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，成都 610045)

水泥的水化過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的化學(xué)物理過(guò)程，水化反應(yīng)進(jìn)行的程度會(huì)直接影響混凝土結(jié)構(gòu)的性能，一直是科研工作者研究的重點(diǎn)。水泥水化程度是指一定時(shí)間內(nèi)水泥水化量與水泥完全水化量之比。采用基于沖擊彈性波的方法對(duì)20世紀(jì)90年代的混凝土大壩芯樣進(jìn)行彈性波波速測(cè)試，并對(duì)芯樣進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，同時(shí)調(diào)研國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，結(jié)果表明該混凝土經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的水化反應(yīng)導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度與設(shè)計(jì)相比，都有很大的增長(zhǎng)。因此，經(jīng)過(guò)研究提出通過(guò)對(duì)混凝土芯樣彈性波波速測(cè)試，可間接判斷混凝土中水泥水化反應(yīng)情況，為跟蹤混凝土內(nèi)水化反應(yīng)提供了宏觀手段。

水化反應(yīng)；沖擊彈性波；波速

引 言

混凝土作為土木工程中用量最大、用途最廣的一種建筑材料，在結(jié)構(gòu)的安全、可靠度和耐久性方面起絕對(duì)的作用，因此，對(duì)混凝土質(zhì)量的研究與控制是非常重要的。

一般混凝土在水泥配比拌合以后，水將水泥顆粒包裹，水泥表面的礦物成分將與水發(fā)生相關(guān)水化反應(yīng)[1]，并產(chǎn)生水化熱[2]。水化反應(yīng)的快慢程度決定混凝土早期強(qiáng)度，同時(shí)也影響混凝土早期水化熱的強(qiáng)弱。

水泥混凝土的各項(xiàng)性能的發(fā)展均是基于水泥水化過(guò)程開始的，水化機(jī)制直接影響水化速率，并影響著混凝土的各項(xiàng)物理力學(xué)性能的發(fā)展。相關(guān)研究表明[3]，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度指標(biāo)測(cè)試可評(píng)定混凝土的抗破壞性能。

近年來(lái)，沖擊-回波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在混凝土無(wú)損檢測(cè)中扮演著重要角色。在水工混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)應(yīng)用中，沖擊彈性波(P波)波速被普遍用于評(píng)定混凝土的質(zhì)量、強(qiáng)度及內(nèi)部缺陷等。吳家曄等在彈性波方面的研究表明，彈性波波速與混凝土的強(qiáng)度及彈性模量之間存在一定的相關(guān)關(guān)系[4-5]，但不同彈性波波速所對(duì)應(yīng)的混凝土強(qiáng)度關(guān)系不盡相同。

本文在綜合目前常用混凝土檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了采用沖擊彈性波的波速分析評(píng)定混凝土結(jié)構(gòu)在不同時(shí)期的抗破壞性能，同時(shí)可以分析水泥水化作用過(guò)程對(duì)混凝土性能的影響趨勢(shì)，為進(jìn)一步研究28天后混凝土強(qiáng)度的變化趨勢(shì)提供依據(jù)。

1 水泥水化反應(yīng)

水泥的水化反應(yīng)是指水泥中各組分物質(zhì)與水所起的化合作用，及各物質(zhì)從無(wú)水狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楹Y(jié)合水狀態(tài)的反應(yīng)過(guò)程，其包含水解和水合反應(yīng)兩個(gè)階段。水化反應(yīng)過(guò)程極其復(fù)雜，反應(yīng)數(shù)目眾多，各個(gè)反應(yīng)可以大致分為化學(xué)反應(yīng)和物理化學(xué)反應(yīng)兩種。

水泥的水化反應(yīng)過(guò)程是水泥發(fā)揮其各項(xiàng)效能的基礎(chǔ)，正確地認(rèn)知水泥的水化反應(yīng)對(duì)充分發(fā)揮水泥效能，選擇合適的水泥使用條件，解決現(xiàn)代混凝土在生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中各種問(wèn)題具有十分重要的意義。

混凝土質(zhì)量隨著水泥生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步而提升，其28天強(qiáng)度大有改觀，能滿足水泥標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，但28天后強(qiáng)度如何發(fā)展，并未給予相應(yīng)規(guī)定[6]。

現(xiàn)有大量檢測(cè)結(jié)果表明[7]，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，傳統(tǒng)水泥的水化作用程度也有一定的增加。如：1995年利用已經(jīng)經(jīng)過(guò)抗壓試驗(yàn)的試塊修筑小路，并在其上用5 cm的水泥砂漿壓光抹平。10年后，將試塊取出，并結(jié)合10年前的原始記錄，對(duì)試塊進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)較完整的試塊，強(qiáng)度增大幅度很大。部分完整試塊數(shù)據(jù)見表1。

表1 混凝土試壓強(qiáng)度比較

表1數(shù)據(jù)表明，隨著時(shí)間的繼續(xù)增長(zhǎng)，同一試塊在水化作用的繼續(xù)反應(yīng)下，其試塊抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯，增長(zhǎng)率甚至可達(dá)100%及以上?？箟簭?qiáng)度的增加，表征一定程度上水泥混凝土的水化程度增加。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外已有大量學(xué)者對(duì)純水泥體系中的水泥水化程度做了相應(yīng)研究，并形成一些比較成熟的理論和相對(duì)可行方法，如：水化熱法、化學(xué)結(jié)合水法等[8]。但這些測(cè)試表征方法，均存在一些局限性：

(1)水化熱法雖對(duì)純水泥體系的早期水化程度有很好的表征效果，但該方法不適于長(zhǎng)齡期水泥水化程度的測(cè)試。

(2)化學(xué)結(jié)合水法也僅適合于純水泥體系中水化程度的研究。

對(duì)于水泥基復(fù)合型體系的長(zhǎng)齡期水化程度研究[9]，由于傳統(tǒng)研究分析方法自身不足，且沖擊彈性波檢測(cè)技術(shù)在混凝土無(wú)損檢測(cè)中扮演著重要的角色，沖擊彈性波波速被廣泛用于評(píng)定混凝土的質(zhì)量，強(qiáng)度和內(nèi)部缺陷等，為此，可根據(jù)彈性波波速對(duì)水泥水化程度進(jìn)行一定表征。

2 沖擊彈性波檢測(cè)技術(shù)

吳佳曄[10]等根據(jù)檢測(cè)所用的信號(hào)媒質(zhì)不同，將混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)分為沖擊彈性波(包括沖擊、彈性波、超聲波、AE)/誘導(dǎo)振動(dòng)、電磁波/電磁誘導(dǎo)、紅外線譜、放射線等方法。其中沖擊彈性波/誘導(dǎo)振動(dòng)、電磁波/電磁誘導(dǎo)在工程現(xiàn)場(chǎng)無(wú)損檢測(cè)中應(yīng)用最廣泛。

沖擊彈性波能夠直接反映材料的力學(xué)特性，是工程檢測(cè)中最常用的媒介之一，沖擊彈性波通過(guò)沖擊錘或電磁擊振裝置沖擊產(chǎn)生，具有擊振能量大、操作簡(jiǎn)單、便于頻譜分析等特點(diǎn)，是一種非常適合工程無(wú)損檢測(cè)的媒介。

沖擊彈性波已廣泛應(yīng)用于混凝土無(wú)損檢測(cè)中，如基礎(chǔ)工程中常用的低應(yīng)變法測(cè)樁長(zhǎng)，LU X B[11]提出的沖擊回波法測(cè)試混凝土動(dòng)彈性模量。彈性波有易于產(chǎn)生，且擊振能量大、操作簡(jiǎn)單、便于頻譜分析等特點(diǎn)，也很適合應(yīng)用于混凝土強(qiáng)度分析。

評(píng)價(jià)混凝土質(zhì)量的指標(biāo)有很多，但最重要的指標(biāo)是其軸心抗壓強(qiáng)度Sc和彈性模量Ec。其中，軸心抗壓強(qiáng)度Sc一般采用立方體標(biāo)準(zhǔn)試件測(cè)得，概念明確，試件的測(cè)試方法較為簡(jiǎn)單，應(yīng)用最為廣泛。但對(duì)于實(shí)體結(jié)構(gòu)，難以直接測(cè)試其強(qiáng)度?；炷恋膹椥阅Ａ繘Q定了結(jié)構(gòu)的變形特性，而且與強(qiáng)度、耐久性均有非常密切的關(guān)系。

采用沖擊彈性波作為測(cè)試媒介，通過(guò)測(cè)試彈性波的波速，據(jù)此計(jì)算材料的動(dòng)切線彈性模量和推算相應(yīng)的混凝土彈性模量Ec，進(jìn)而根據(jù)Ec與抗壓強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系推算混凝土的抗壓強(qiáng)度。其核心在于精確地測(cè)試混凝土材料的彈性模量Ec。

重復(fù)反射法(沖擊回波法，也稱IE法)：在被測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的壁厚已知的前提下，利用彈性波的重復(fù)反射，可測(cè)出彈性波在被測(cè)混凝土試件的傳播時(shí)間和彈性波波速，從而計(jì)算出混凝土的彈性模量，進(jìn)而能夠推算混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)。該方法也稱“沖擊回波法”，具有測(cè)試效率高、測(cè)試結(jié)果客觀性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

針對(duì)構(gòu)件(試件)的形狀與測(cè)試的位置，該方法又可分為縱向測(cè)試與橫向測(cè)試：

(1)縱向測(cè)試：測(cè)試彈性波的傳播/反射方向與結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)軸平行(如基樁)。

(2)橫向測(cè)試：測(cè)試彈性波的傳播/反射方向與結(jié)構(gòu)的短軸平行(如樓板)。

波速Vpr可由板厚H與反射時(shí)間Tr求出：

3 彈性波應(yīng)用

應(yīng)相關(guān)單位邀請(qǐng)委托，對(duì)修建于20世紀(jì)90年代的四川省某大型水壩進(jìn)行混凝土取芯及混凝土芯樣彈性波波速/部分力學(xué)性能測(cè)試，據(jù)提供資料，該大壩壩體設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C25。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用沖擊回波法對(duì)所取芯樣進(jìn)行波速測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖1所示，測(cè)試結(jié)果見表2。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

表2 芯樣彈性波波速/部分力學(xué)性能

根據(jù)測(cè)試結(jié)果表明：

(1)混凝土經(jīng)過(guò)20年后，混凝土的強(qiáng)度存在不同程度的增長(zhǎng)，均大于C25的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)均在50%以上。

(2)根據(jù)彈性波波速與水泥土強(qiáng)度關(guān)系的試驗(yàn)研究[12]，對(duì)彈性波波速與強(qiáng)度擬合出相關(guān)曲線(圖2)。

圖2 彈性波波速與強(qiáng)度關(guān)系圖

通過(guò)對(duì)P波波速的測(cè)試，能夠準(zhǔn)確反應(yīng)混凝土強(qiáng)度的變化；同時(shí)根據(jù)相關(guān)關(guān)系，可推算其他未壓載試件的強(qiáng)度均一定程度上大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

(3)波速測(cè)試結(jié)果分析，經(jīng)過(guò)近30年的時(shí)間，混凝土強(qiáng)度(波速)的增長(zhǎng)與其所處的環(huán)境(上游干燥區(qū)、水位變化區(qū)、上游水下區(qū))關(guān)系不明顯。

4 原因分析

為了深入分析混凝土的強(qiáng)度變化的原因，業(yè)內(nèi)研究者對(duì)不同時(shí)期的混凝土試件進(jìn)行持續(xù)一百年的強(qiáng)度測(cè)試[13]。

始建于1897年的小樽港，在建設(shè)初期制作了6萬(wàn)多個(gè)試件，放在海水中、大氣中、淡水中分別進(jìn)行長(zhǎng)期耐久性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，三者的長(zhǎng)期強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)基本一致，其中，試件在自然的大氣環(huán)境中存放30～40年強(qiáng)度達(dá)到最高，大約提高100%，然后逐年下降，存放95年，強(qiáng)度從最高點(diǎn)下降約40%，但仍高于28天強(qiáng)度20%，表明早期混凝土的強(qiáng)度壽命在百年以上，水化反應(yīng)過(guò)程持續(xù)周期長(zhǎng)，使其混凝土后期強(qiáng)度滿足結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期耐久性的使用。

現(xiàn)代混凝土使用的水泥大部分為“瘦身水泥”，造成混凝土水化過(guò)程過(guò)早完成。具體特征大致為兩個(gè)方面：一是水泥顆粒粒徑越來(lái)越小，比表面積增大[14]。二是用礦物摻合料[15]替代部分水泥以后，單位體積中的水泥用量越來(lái)越少，而礦物摻合料用量越來(lái)越多。

據(jù)相關(guān)研究表明[16]，熟料顆粒的水化程度有相應(yīng)規(guī)律：與組成相同的普通波特蘭水泥相比，微細(xì)水泥在2 h前的水化活性顯著提高，隨著水泥顆粒粒徑的變化增大，強(qiáng)度達(dá)到50%所需的時(shí)間相應(yīng)會(huì)增加。造成微細(xì)化水泥水化速率提高的原因有[17]：

(1)比表面積大幅增加，相應(yīng)的與水接觸的面積增加，礦物質(zhì)溶解迅速。

(2)微細(xì)化過(guò)程造成比表面積增加的同時(shí)，顆粒表面的組分更利于水化。

(3)在微細(xì)化過(guò)程中可能發(fā)生了選擇性粉磨效應(yīng)，從而造成在微小顆粒中反應(yīng)活性高的物質(zhì)含量相對(duì)富余。

(4)大量應(yīng)用礦物摻合料及有機(jī)化學(xué)外加劑[18]等，也是影響水泥水化反應(yīng)的重要因素。

5 結(jié) 論

(1)水泥水化反應(yīng)是一個(gè)相對(duì)持續(xù)的過(guò)程，在不同的影響環(huán)境下，其反應(yīng)程度隨時(shí)間的增長(zhǎng)不盡相同；沖擊彈性波能夠高效便捷地對(duì)水泥水化作用程度進(jìn)行檢測(cè)，并區(qū)分不同的水化作用程度。

(2)水泥水化反應(yīng)過(guò)程是相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，很難準(zhǔn)確地跟蹤反應(yīng)研究。利用沖擊回波法對(duì)混凝土波速進(jìn)行測(cè)試，可以大致把握混凝土水化反應(yīng)進(jìn)行的程度，判斷混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的“自愈能力”。根據(jù)相關(guān)研究，混凝土具有很強(qiáng)的自愈能力，其來(lái)源就是混凝土中水泥水化反應(yīng)的持續(xù)能力。

(3)為了使混凝土具有較強(qiáng)的“自愈能力”，明確影響水泥水化反應(yīng)的因素非常有必要。其中原材料的影響是不可忽略的，原材料本身具有的性質(zhì)對(duì)水化反應(yīng)的進(jìn)行具有復(fù)雜的影響，需進(jìn)一步進(jìn)行機(jī)理研究。

(4)沖擊彈性波作為無(wú)損檢測(cè)媒介，具有易于產(chǎn)生、能量強(qiáng)、適用范圍廣等特征，可方便地對(duì)混凝土波速進(jìn)行跟蹤測(cè)試，對(duì)研究混凝土內(nèi)部水泥的水化反應(yīng)速度提供了重要手段。

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Trend Analysis of Cement Hydration Based on Impact Elastic Wave

DENGLi,ZHANGYuanjun

(Sichuan Central Inspection Technology Inc., Chengdu 610045, China)

The hydration process of cement is a very complicated chemical and physical process. The performance of concrete structure will be directly affected by the degree of hydration reaction which has been the focus of scientific researchers. The degree of hydration of cement refers to the ratio of the amount of cement hydration to the amount of cement in a certain period of time. The method in this paper is based on impact elastic wave of last century 90s concrete dam core samples for elastic wave velocity test and compression test of core samples, and relevant literatures at home and abroad. The results show that after a long time of hydration reaction, the compressive strength of concrete has greatly increased compared with the design. Therefore, by studying the elastic wave velocity test of concrete core sample, the hydration reaction of cement in concrete can be indirectly judged, which provides a macroscopic means for tracking the hydration reaction of concrete.

hydration reaction; impact elastic wave; wave velocity

2017-06-19

四川省科技廳項(xiàng)目(2016GFW0137)

鄧 立(1992-)，男，四川中江人，助理工程師，主要從事沖擊彈性波無(wú)損檢測(cè)方面的研究，(E-mail)1036885296@qq.com

1673-1549(2017)04-0064-05

10.11863/j.suse.2017.04.12

TU4

A