王瑋
摘要:混凝土的養(yǎng)護(hù)周期對其強度和耐久性具有很大的影響,而含水率是決定混凝土養(yǎng)護(hù)效果的一個重要因素。以標(biāo)準(zhǔn)塊狀混凝土為研究對象,測試了不同養(yǎng)護(hù)時間下的縱波波速和含水率特征,并對縱波信號進(jìn)行了傅里葉變換,研究發(fā)現(xiàn):(1)隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加,試件的縱波波速逐漸增加,含水率逐漸降低,二者均呈現(xiàn)出了“S”型變化規(guī)律,即:初期變化慢,中期變化快,后期變化慢;(2)含水率與縱波波速呈線性關(guān)系,含水率越大,縱波波速越慢;(3)混凝土的養(yǎng)護(hù)是一個能量積累的過程,隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加,混凝土的強度逐漸增加。
關(guān)鍵詞:混凝土;養(yǎng)護(hù)周期;含水率;縱波波速;頻譜特征
1 ?引 ?言
混凝土是一種主要的建筑材料,由骨料、水和水泥按照一定比例,拌和均勻得到?;炷恋脑牧县S富,不受地域限制,耐久性好,成本較低,并且可依據(jù)不同要求,進(jìn)一步進(jìn)行加工,具有非常廣泛的用途。在工程中,混凝土澆筑完成后,需要養(yǎng)護(hù)一段時間,才能達(dá)到預(yù)定的強度?;炷恋酿B(yǎng)護(hù)歸根結(jié)底,就是水分散失,骨料硬化膠結(jié)的過程,因此在養(yǎng)護(hù)過程中,溫度、濕度對混凝土有非常重要的影響,混凝土的含水量決定了其強度特征。
基于此很多學(xué)者開展了關(guān)于含水量對混凝土特征的影響研究。劉保東[1]等人,通過對不同尺寸的混凝土塊進(jìn)行自由浸泡吸水試驗,得到了不同含水率的試件,并測試了抗壓強度,得到了含水率與抗壓強度的關(guān)系;馮德成[2]等人認(rèn)為混凝土含水率對防水層的粘結(jié)性質(zhì)有一定的影響,開展了相應(yīng)的直剪試驗研究,發(fā)現(xiàn)隨著溫度和含水率的增加,防水層的抗剪強度逐漸降低;張海燕[3]等人研究了含水率對混凝土碳化深度的影響,研究發(fā)現(xiàn),相比于空氣相對濕度,混凝土的含水率對碳化深度的影響更強;閆國亮[4]等人,利用超聲波監(jiān)測手段,研究了含水率對混凝土的影響,研究發(fā)現(xiàn),1.5%為界限含水率,當(dāng)含水率高于1.5%時,超聲波的響應(yīng)更為明顯;沙玲[5]等人,對比了超聲波法、低應(yīng)變法兩種混凝土樁基檢測方法,建立了二者的轉(zhuǎn)換關(guān)系;李美利[6]等人,通過電阻率法來測試混凝土的含水率,并以此來表征混凝土的養(yǎng)護(hù)效果。
目前超聲波法由于其無損、快捷的特點,已經(jīng)在巖土工程領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。超聲波可以探測到構(gòu)件內(nèi)部的裂隙、空洞,可以用于判斷構(gòu)件是否完整。很多研究局限于波速的變化,忽視了聲波信號中的其他有用信息,于是,一些學(xué)者通過對聲波信號進(jìn)行數(shù)值計算[7][8],可以得到聲波能量在構(gòu)件中的變化規(guī)律,對評價混凝土的耐久性和結(jié)構(gòu)損傷程度具有很強的實踐價值。
本文在前人的基礎(chǔ)上,通過對不同養(yǎng)護(hù)周期的混凝土進(jìn)行超聲波檢測,得到了不同含水率下的混凝土塊波速特征,并借助傅里葉變換得到了聲波的頻譜特征以及在養(yǎng)護(hù)過程中混凝土的能量變化規(guī)律,可用于評價混凝土的養(yǎng)護(hù)效果。
2 ?試驗方法與儀器
分別稱取一定質(zhì)量的砂、卵礫石、水泥和水,按照一定的配比,拌和均勻,制備若干5×5×5cm的混凝土塊體,將所有試樣置于溫度為:25±3℃,濕度為35%-45%的條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù),每隔4天測試一次聲波波速,并敲取部分試樣,測得其質(zhì)量后,置于105℃的烘箱中烘干24h,隨后測試烘干后質(zhì)量,最終通過計算得到試樣的含水率。
聲波波速測試儀器采用湖南湘潭市天鴻電子研究所生產(chǎn)的HS-SB1W型聲波測試儀,最高發(fā)射頻率為20MHz,可測量非金屬材料的縱波和橫波,本次試驗測試了混凝土的縱波波速。在測試時,為了防止聲波能量的耗散,在換能器和試樣接觸位置涂抹一層凡士林。
Fig1. ?Wave tester
3 ?試驗結(jié)果分析
按照相關(guān)建筑規(guī)范,一般混凝土的養(yǎng)護(hù)周期為28d,因此本次試驗在第28d時終止。通過試驗研究,得到了在不同的養(yǎng)護(hù)周期下混凝土的縱波波速和含水率的變化規(guī)律,如圖2所示。
從圖2中可以看出,隨著養(yǎng)護(hù)周期的增加,混凝土的縱波波速逐漸增大,在試樣制備初期縱波波速為2800m/s,呈非線性增長,最終達(dá)到3800m/s。同時,含水率也呈非線性下降,從初始的9%降為2%。含水率的變化趨勢與縱波波速的變化趨勢相似,均經(jīng)過了初期穩(wěn)定變化階段、中期加速變化、后期穩(wěn)定3個階段。由此可知,含水率的降低,是導(dǎo)致縱波波速增加的一個原因。基于此,得到了含水率與縱波波速的關(guān)系曲線,如圖3所示。
在圖3的基礎(chǔ)上進(jìn)行了線性回歸,發(fā)現(xiàn)含水率與縱波波速呈一定的線性關(guān)系,含水率越高,縱波波速越小。這是由于聲波在傳播的過程中,發(fā)生了能量損耗。聲波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)中時,會發(fā)生反射、折射。并且縱波是一種彈性波,其本質(zhì)是壓縮產(chǎn)生能量并進(jìn)行傳遞,由于水的密度大大低于混凝土塊體的密度,在壓縮過程中,水會吸收大部分能量,造成波速降低。
聲波譜圖中蘊含的信息非常多,僅靠波速來反映混凝土試樣的特征顯然具有局限性,因此參考一些學(xué)者的研究,本文利用傅里葉變換對縱波進(jìn)行進(jìn)一步分析。聲波信號是由不同頻率的信號迭加,傅里葉變換是一種濾波方法,可以將測得的聲波信號進(jìn)行拆分,得到不同頻率的原始信號,通過進(jìn)一步計算,可以得到物體的頻譜曲線,可用來反映不同頻率的信號特征。一般來講,高頻率的信號可以反映被測物體的共有性質(zhì),低頻率的信號則可以表示被測物體的細(xì)節(jié)特征。在通過這些原始信號,可以得到被測物體的詳細(xì)信息。
通過Matlab軟件對不同養(yǎng)護(hù)周期下混凝土的縱波信號進(jìn)行傅里葉變換,得到了頻譜特征曲線,如圖4所示,橫坐標(biāo)表示信號頻率,縱坐標(biāo)表示信號幅值,幅值高低表示能量大小。
從圖4中提取不同養(yǎng)護(hù)周期下混凝土的頻譜信息,得到了主頻率及其對應(yīng)幅值的變化規(guī)律,見圖5。圖5可以明確反映隨著養(yǎng)護(hù)周期的增加,縱波信號的幅值逐漸增大,說明通過混凝土的聲波信號能量增強,混凝土的性質(zhì)逐漸變好。主頻率集中在300kHz附近說明本次試驗研究的混凝土的主頻率特征值為300kHz,這是區(qū)別于其他材料的一個特征。
4 ?結(jié) ?論
通過對不同養(yǎng)護(hù)周期的混凝土進(jìn)行超聲波檢測,得到了以下認(rèn)識:
(1)混凝土的含水率隨著養(yǎng)護(hù)周期的增加而減小,縱波波速逐漸增大,養(yǎng)護(hù)初期含水率較大,表層水分散失,變化緩慢,隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加,含水率變化速率加快,最后又趨于穩(wěn)定;
(2)含水率與縱波波速呈線性關(guān)系,含水率越大,縱波波速越小;
(3)在混凝土養(yǎng)護(hù)過程中,水分逐漸喪失,穿過混凝土的聲波信號能量逐漸增加,說明混凝土完整性逐漸變好,強度逐漸增加。
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(作者單位:1. 甘肅省建筑科學(xué)研究院)