縱波波速與混凝土坍落度及貫入阻力之間相關性試驗研究

龍士國，余 高，劉 佩，李 婷

(湘潭大學土木工程與力學學院，湖南湘潭411105)

0 引 言

預拌混凝土在工程中的應用越來越廣泛，其是由水泥、骨料、水，外加劑及摻合料按照一定比例混合的混凝土拌合物，在集中攪拌站經(jīng)攪拌出售并采用運輸車在規(guī)定時間運至使用地點[1]。與現(xiàn)場攪拌混凝土相比，預拌混凝土雖然節(jié)省了資源，減少了施工現(xiàn)場廢料的產(chǎn)生，但由于攪拌站和施工現(xiàn)場的距離，混凝土在運輸過程中，會造成坍落度的損失，尤其是在摻入外加劑和在高溫天氣的情況下，坍落度損失更為嚴重。實際工程中往往由于對坍落度損失考慮不周，在現(xiàn)場澆筑時，導致泵送或密實成型困難，從而影響施工效率和混凝土質(zhì)量，而目前對于混凝土坍落度的控制采用的是坍落度法。凝結(jié)時間是混凝土拌合物的一項重要指標，它對混凝土的攪拌、運輸、施工以及早齡期混凝土結(jié)構(gòu)開裂控制與風險評估具有重要的參考和指導作用[2]。初凝、終凝時間的確定采用貫入阻力法，并規(guī)定貫入阻力為3.5 MPa和28 Mpa，對應于混凝土的初、終凝時間。無論是坍落度法和貫入阻力法都受人為因素的影響，操作不便且未能很好地反映混凝土的特征。

超聲波波速法是過去幾十年來發(fā)展的一種混凝土早期水化過程監(jiān)測方法。通過監(jiān)測超聲波速度隨時間的變化，可以確定早期的物理化學反應和隨后的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展[3]。國內(nèi)外學者在利用超聲波監(jiān)測混凝土早期凝結(jié)硬化方面做了一系列工作。蘇安雙[4]利用NM-4A非金屬超聲檢測分析儀監(jiān)測了不同水灰比、不同礦物摻料等高性能混凝土的波速隨時間的變化關系，并將波速由快速增長轉(zhuǎn)為緩慢增長的時刻定義為漿體終凝時間。楊曉星[5]利用超聲波對早齡期混凝土凝結(jié)硬化過程進行了監(jiān)測，獲得了超聲波聲學參數(shù)與齡期之間的關系，將聲學參數(shù)與初終凝時間聯(lián)系起來。Lu等[6]進行了實驗測試，以研究混凝土攪拌成型后最初1 000 min內(nèi)超聲波速度的演變，與Kong等[7]類似，他們將超聲波速度的變化分為三個階段，即：階段I，緩慢增加(休眠)階段；階段II，快速增加階段；階段III，穩(wěn)定階段。但這些研究涉及的基本上都是混凝土的整個凝結(jié)硬化的過程，沒有在聲波波速與早期混凝土經(jīng)時坍落度之間建立起聯(lián)系。超聲波分為橫波(S 波)和縱波(P 波)，在早期時候混凝土被認為是粘滯的懸浮體，這種情況下只有縱波可以傳播，而橫波無法傳播，因此在監(jiān)測混凝土凝結(jié)硬化過程時，采用的是縱波。本文配置了不同水灰比的混凝土，研究了混凝土自攪拌振搗成型后12 h內(nèi)縱波波速的變化，與坍落度、坍落度損失率、貫入阻力建立起聯(lián)系，并分析了它們之間的關系。對今后預拌混凝土坍落度控制以及初凝、終凝時間的確定具有一定的參考價值。

1 試驗方案

1.1 試驗原材料

(1) 水泥。根據(jù)試驗的需要，選用湖南湘鄉(xiāng)棋梓橋水泥有限公司生產(chǎn)P·O42.5(旋窯)生產(chǎn)的硅酸鹽水泥。

(2) 細骨料。砂子的選取應該滿足GB/T 14684-2011《建筑用砂》[8]的要求。

(3) 粗骨料。顆粒級配為5～20 mm連續(xù)級配，粒型為不規(guī)則的多邊形。其各項指標符合GB/T 14685-2011《建設用卵石、碎石》[9]的要求。

(4) 水。實驗所用的水為湘潭地區(qū)來自于湘江的自來水。

1.2 試樣配比與制備

試驗中采用的材料每立方米中的用量如表1所示，改變用水量以獲得不同的配合比。

配置的原材料采用二次投料法(預拌水泥砂漿法)攪拌，先將準備好的水、水泥、砂子投入攪拌機，充分攪拌至水泥砂漿均勻后，再投入石子攪拌得到均勻的混凝土。將攪拌均勻的混凝土放入試模中，將試模放在混凝土振動臺上，開啟振動臺，設置振動時間為60 s。振動的目的是減少混凝土內(nèi)部的空隙，使得混凝土各成分之間更加密實。

表1 不同水灰配合比的混凝土Table1 Concrete mixture with different water-cement ratios

1.3 測試原理和裝置

裝混凝土的試模由亞克力板制成，內(nèi)部尺寸為100 mm×100 mm×300 mm，壁厚為5 mm。為減小壁對聲波傳播的影響，在試模中心兩側(cè)處挖一個直徑為35 mm，厚度為5 mm的圓孔，用透明膠布封住圓孔，在膠布上涂上黃油進行耦合，使得換能器與混凝土拌合物接觸良好，然后固定試驗裝置。試驗裝置如圖1所示，利用多功能聲波測試儀對聲波信號進行采集和分析。當對硬化混凝土結(jié)構(gòu)進行健康監(jiān)測時，因為硬化混凝土的聲衰減系數(shù)較低，采用頻率20 kHz以上的超聲波效果非常好。然而，對于新拌的混凝土，聲波在傳播過程中衰減系數(shù)非常大，信號隨著測試頻率的增加而降低[8]。尤其在前幾個小時內(nèi)，聲波的衰減更大，故本文中采用頻率為5 kHz的換能器。從水泥加水攪拌至測得第一個波形，其間大概經(jīng)歷了30 min，以此時時間作為0時，從采集到的第一個波形開始將數(shù)據(jù)采集頻率設置成每30 min一次。

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Test device diagram

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 縱波波速變化規(guī)律

不同齡期混凝土縱波波速如圖2所示。其中波速v的計算是由波傳播的距離L以及接收到第一個波形的時間t確定，在這里取L=10 cm，波速計算公式為v=L/t。由圖2可知，剛拌制的混凝土其縱波波速很低，甚至低于在空氣中的傳播速度340 m·s-1。這主要有兩方面的原因：(1) 根據(jù)Rapoport等[9]的觀點，由于新拌混凝土中存在懸浮水泥顆粒，使得波的傳播路徑變長；(2) 根據(jù)Keating等[10]和Sayers等[11]的觀點，這種現(xiàn)象是由于拌合水中有一定量的氣泡，或者水泥顆粒中存在的大量微小氣孔而夾雜著氣泡，空氣阻礙了波的傳播，使波的傳播路線復雜化。根據(jù)Harker等[12]的理論模型，可以證明空氣含量對新拌混凝土縱波波速的影響?？諝馀莸拇嬖趪乐赜绊懣v波波速，混凝土拌合物中 1% 的含氣量可以將波速從1 500 m·s-1降低至200 m·s-1左右。另一方面，骨料、水泥漿體之間與水分離，很少聚集在一起，水泥漿體與骨料之間處于分離狀態(tài)，聲波穿過水泥漿體與骨料之間時，由于兩者聲阻抗的不同，會不斷地發(fā)生反射、折射，這也是造成波速比較低的另一個原因。

圖2 不同水灰比混凝土拌合物縱波波速變化圖Fig.2 Variations of the longitudinal wave velocity of concrete mixture with different water-cement ratios

在前3 h內(nèi)，水灰比為0.40、0.50、0.60時，其縱波波速增長分別為33.3%、34.1%和32.9%，縱波波速變化較小，主要是因為此階段處于水泥水化反應的潛伏期，此時水化反應程度較低，大部分水泥顆粒仍舊處于懸浮狀態(tài)，未能與骨料之間形成連通結(jié)構(gòu)。而隨著時間的進行，水灰比為0.40、0.50和0.60的混凝土縱波波速的增長呈現(xiàn)了同樣的規(guī)律，縱波波速都逐漸增大，這是由于水泥的快速固化，材料從懸浮液的狀態(tài)變?yōu)槎嗫讖椥怨腆w的狀態(tài)，混凝土逐漸固化，聲波的傳遞路徑由液相轉(zhuǎn)變成固相。水泥產(chǎn)物的體積顯著增加，這不僅使得大塊糊狀物致密化，而且使得界面過渡區(qū)致密化，并在水泥漿體和骨料之間形成良好的連接。在同一時刻，隨著水灰比的增大，縱波波速逐漸減小，這主要有兩方面原因。一方面是因為水泥加水拌合后，水灰比大的其固相顆粒的含量比水灰比小的要少。另一方面是因為水灰比的增加，使得水泥的用量更少，水泥漿體與骨料之間的連接更加疏松，孔隙更大。

2.2 混凝土經(jīng)時坍落度與經(jīng)時坍落度損失率

坍落度是指混凝土的和易性，具體來說是保證施工的正常進行，其中包括混凝土的保水性、流動性以及粘聚性，坍落度的測試主要采用坍落度法。測試方法如下：用一個上口100 mm、下口200 mm、高300 mm喇叭狀坍落度筒，分3次裝入混凝土，每次填裝后用搗錘沿筒壁均勻由外向內(nèi)擊25下，搗實后抹平。由于混凝土自重產(chǎn)生坍落現(xiàn)象，用筒高減去坍落后混凝土的最高點高度，即為坍落度。隨著時間的延遲，混凝土拌合物中的水泥水化，坍落度值將逐漸減小，這個過程稱為坍落度損失，坍落度的損失值與初始坍落度的比值稱為坍落度經(jīng)時損失率。

圖3為不同水灰比的混凝土坍落度經(jīng)時損失曲線。由圖3可知，水灰比為0.40、0.50和0.60的混凝土經(jīng)過3 h后，坍落度損失分別為34 mm、43 mm和49 mm。其坍落度損失與起始坍落度有關，起始值越大，其損失量也越大。隨著時間的延長，混凝土逐漸凝結(jié)硬化，坍落度不斷減少。主要有以下幾方面原因：(1) 因為水泥的水化反應，吸收和蒸發(fā)消耗了較多的拌合用水。(2) 因為粗細骨料的吸水作用使得拌合水減少。(3) 因為水泥水化產(chǎn)生的氫氧化鈣、水化硅酸鈣等水化產(chǎn)物，這些產(chǎn)物為針狀晶體，較難運動，使新拌混凝土的黏度增大[13]。坍落度的大小與水灰比有關，同一時刻，水灰比越大，坍落度越大，這主要是因為當水泥量一定時，用水量越大時，骨料可以被水覆蓋，使得砂石之間有較好的潤滑。同時水泥漿體越稠，水泥漿體與骨料之間的摩擦力越小。

圖4為不同水灰比的混凝土坍落度經(jīng)時損失率曲線。

不同水灰比混凝土的坍落度損失率隨時間的延長而增加，時間越長，坍落度損失率就越大，并且在同一時間，水灰比越小，混凝土坍落度損失率就越大。從圖4中可以看出：水灰比為0.40的混凝土3 h后坍落度經(jīng)時損失率達到了68%，大于水灰比為0.50時的61.43%和水灰比為0.60時的57.65%。

圖3 不同水灰比經(jīng)時坍落度曲線Fig.3 Variations of the concrete slump degree with time for different water-cement ratios

圖4 不同水灰比坍落度經(jīng)時損失率曲線Fig.4 Variations of the concrete slump loss rate with time for different water-cement ratios

2.3 混凝土拌合物初終凝時間的確定

通常情況下，可以用貫入阻力法來確定初凝、終凝時間。用孔徑為5 mm的篩從塑性混凝土拌合物中篩取出砂漿，并拌合均勻，將溫度控制在(20±3)℃。2 h后開始進行貫入度試驗，測試前將筒底側(cè)墊高約50 mm，使筒傾斜一定角度以吸去表面泌水。測試時將筒置于測試平臺上讀取砂漿與筒的合重作為基數(shù)，然后將測針與砂漿表面接觸，按動貫入阻力儀的手柄，緩慢加壓約10 s，使得測針貫入砂漿深度為25 mm時讀取表盤壓力值，此值減去砂漿與筒的合重后即為貫入壓力(F)。從測得第一個貫入阻力值后，以后每隔30 min測一次貫入阻力值，如此反復直至貫入阻力大于28 MPa為止。

貫入阻力值的計算公式為

式中：P為貫入阻力(MPa)；F為貫入深度達25 mm時的壓力；S為貫入測針截面積(mm2)。

以貫入阻力為縱坐標，時間為橫坐標，繪制貫入阻力與時間關系曲線，以3.5 MPa及28 MPa畫兩條平行橫坐標的直線，直線與曲線交點橫坐標即為初凝與終凝時間。不同水灰比時貫入阻力與時間關系圖如圖5所示。

從圖5可知，在早期的5 h內(nèi)，3種不同水灰比混凝土的貫入阻力曲線靠得很近，說明在時間一定時，所對應的貫入阻力值很接近。而后雖然3種不同水灰比混凝土的貫入阻力曲線靠得較遠，但其值相差并不大，即水灰比相差不大的情況下，初凝和終凝時間都比較接近。隨著水灰比的增加，同一時刻的貫入阻力值減小，混凝土的凝結(jié)時間呈現(xiàn)出增長的趨勢。從圖5中可以看出，混凝土的凝結(jié)時間隨著水灰比的增大，凝結(jié)時間有所延長。當水灰比從0.40增至0.60時，初凝時間從4.51 h延長到6.23 h，延長了38.14%；終凝時間從7.96 h延長到9.12 h，延長了14.57%。這主要是因為隨著水灰比提高，單位混凝土拌合物中用水量增加，水泥顆粒相對濃度下降，水泥熟料水化反應產(chǎn)物需較長時間在漿體中累計達到一定濃度，從而導致混凝土凝結(jié)時間延遲[14]。

圖5 不同水灰比時貫入阻力與時間關系圖Fig.5 The relationship between concrete penetration resistance and time for different water-cement ratios

2.4 混凝土縱波波速與經(jīng)時坍落度之間關系

為了更好說明縱波波速與坍落度之間的關系，對水灰比為0.40、0.50和0.60時的縱波波速與坍落度之間關系選擇合適的曲線進行擬合，采用二次函數(shù)進行擬合：

式中：a、b、c為待定的回歸系數(shù)，LS為坍落度。其擬合結(jié)果分別如圖6～8所示，可以看出，隨著時間的增長，坍落度損失率與波速之間具有負相關關系，且相關系數(shù)R2達到了0.980以上。

圖6 水灰比為0.40時的縱波波速與坍落度關系圖Fig.6 The relationship between longitudinal wave velocity and slump degree of the concrete with water-cement ratio of 0.40

圖7 水灰比為0.50時的縱波波速與坍落度關系圖Fig.7 The relationship between longitudinal wave velocity and slump degree of the concrete with water-cement ratio of 0.50

圖8 水灰比為0.60時的縱波波速與坍落度關系圖Fig.8 The relationship between longitudinal wave velocity and slump degree of the concrete with water-cement ratio of 0.60

對于水灰比為0.40時的混凝土拌合物，擬合結(jié)果為

對于水灰比為0.50時的混凝土拌合物，擬合結(jié)果為

對于水灰比為0.60時的混凝土拌合物，擬合結(jié)果為

2.5 縱波波速與混凝土經(jīng)時坍落度損失率之間關系

為了更好地說明縱波波速與混凝土經(jīng)時坍落度損失率之間的關系，對水灰比為0.40、0.50和0.60的縱波波速與坍落度之間關系選擇合適的曲線進行擬合，主要采用二次函數(shù)進行擬合：

式中：d、e、f為待定的回歸系數(shù)。其擬合結(jié)果分別如圖9～11所示，從圖中可以看出，波速與坍落度損失率之間具有正相關關系，且相關系數(shù)R2達到了0.980以上。

對于水灰比為0.40的混凝土拌合物，擬合結(jié)果為

圖9 水灰比為0.40時的縱波波速與坍落度損失率關系圖Fig.9 The relationship between longitudinal wave velocity and slump loss rate of the concrete with water-cement ratio of 0.40

圖10 水灰比為0.50時的縱波波速與坍落度損失率關系圖Fig.10 The relationship between longitudinal wave velocity and slump loss rate of the concrete with water-cement ratio of 0.50

圖11 水灰比為0.60時的縱波波速與坍落度損失率關系圖Fig.11 The relationship between longitudinal wave velocity and slump loss rate of the concrete with water-cement ratio of 0.60

對于水灰比為0.50的混凝土拌合物，其擬合結(jié)果為

對于水灰比為0.60的混凝土拌合物，擬合結(jié)果為

2.6 縱波波速與貫入阻力關系

混凝土拌合物不同時間波速與貫入阻力之間并沒有統(tǒng)一的理論關系，本文依據(jù)混凝土不同時間波速與貫入阻力關系曲線，采用冪函數(shù)模型進行擬合，即：

其中：v為縱波波速；P為貫入阻力；a、b分別為回歸系數(shù)。

圖12分別為不同水灰比波速與貫入阻力間的關系曲線，從圖12～14中可以看出，貫入阻力越大，縱波波速越大，呈現(xiàn)出冪指數(shù)增加的趨勢，相關系數(shù)R2均在0.950以上。

圖12 水灰比為0.40時的縱波波速與貫入阻力關系圖Fig.12 The relationship between longitudinal wave velocity and penetration resistance of the concrete with water-cement ratio of 0.40

圖13 水灰比為0.50時的波速與貫入阻力關系圖Fig.13 The relationship between longitudinal wave velocity and penetration resistance of the concrete with water-cement ratio of 0.50

圖14 水灰比為0.60時的波速與貫入阻力關系圖Fig.14 The relationship between longitudinal wave velocity and penetration resistance of the concrete with water-cement ratio of 0.60

3 結(jié) 論

(1) 混凝土固化時，縱波波速隨時間增長而不斷變大，并且在同一時間，水灰比越小波速越大。前3 h內(nèi)，縱波波速變化基本上很小，水灰比分別為0.40、0.50和0.60時，波速增長分別為33.3%、34.1%、32.9%；

(2) 隨著時間的增長，不同水灰比的混凝土坍落度都明顯呈減小的趨勢，并且時間越長，坍落損失率越大。在前3 h，混凝土坍落度的損失率甚至可以達到60%以上；

(3) 貫入阻力法測得的初凝、終凝時間隨著水灰比的增大而增大，當水灰比從0.40增至0.60時，初凝時間從4.51 h延長到6.23 h，延長了38.14%；終凝時間從7.96 h延長到9.12 h，延長了14.57%。

(4) 縱波波速與混凝土坍落度之間具有正相關關系，而縱波波速與混凝土坍落度損失率之間卻是負相關關系。采用二次函數(shù)擬合更能反映縱波波速與坍落度以及與坍落度損失率之間的關系。

(5) 通過建立混凝土不同時間縱波波速與貫入阻力的關系，并采用冪函數(shù)模型進行擬合，發(fā)現(xiàn)波速與貫入阻力間擬合效果良好。