結(jié)構(gòu)因素對(duì)碾壓混凝土聲發(fā)射特征的影響研究

靳 璐

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 檢測(cè)試驗(yàn)研究中心，烏魯木齊 830000)

1 研究背景

混凝土是世界上運(yùn)用最為普遍的水工建筑材料，廣泛應(yīng)用于各種水利工程。其中，碾壓混凝土屬于超干硬性、零坍落度混凝土，具有施工方便、成本低、安全以及對(duì)環(huán)境影響小等諸多優(yōu)勢(shì)，在上世紀(jì)80年代以來，被廣泛應(yīng)用于大壩建設(shè)。由于碾壓混凝土是由水泥、骨料以及外加劑材料按照一定比例組成的非均質(zhì)材料，在施工過程中受到碾壓夯實(shí)等因素的影響，其內(nèi)部存在許多細(xì)小的裂縫和孔洞[1]。在凍融、振動(dòng)等外部荷載的作用下，這些內(nèi)部缺陷會(huì)逐漸發(fā)展，進(jìn)而對(duì)大壩等水工結(jié)構(gòu)的安全性造成不可預(yù)估的影響[2]。

聲發(fā)射技術(shù)是試驗(yàn)應(yīng)力分析的重要工具，可以用來檢測(cè)各種材料與結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裂紋以及研究腐蝕斷裂過程，從而評(píng)價(jià)構(gòu)件的完整性，判斷結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)程度[3]。聲發(fā)射技術(shù)在混凝土材料領(lǐng)域的研究和應(yīng)用相對(duì)較晚，但是具有極為廣闊的應(yīng)用發(fā)展空間[4]?；诖?，本文通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式，對(duì)不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的碾壓混凝土發(fā)聲特征進(jìn)行研究，為聲發(fā)射技術(shù)在碾壓混凝土質(zhì)量評(píng)價(jià)領(lǐng)域的應(yīng)用提供支持和借鑒。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料

在碾壓混凝土中適宜采用水化熱較低、活性較高的水泥，其主要技術(shù)指標(biāo)應(yīng)該符合國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5]。此次研究中選用的是大連市水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥；為實(shí)現(xiàn)碾壓混凝土的連續(xù)施工要求，需要在拌和料中摻入一定量的粉煤灰，以減少施工過程中水化熱的釋放，同時(shí)有效改善混凝土材料的施工性能。試驗(yàn)中選擇的是大連華能熱電廠生產(chǎn)的國家Ⅱ級(jí)粉煤灰，其燒失量不大于8%，蓄水比不大于105%，相關(guān)指標(biāo)滿足國家要求。試驗(yàn)中使用的細(xì)骨料為普通天然河沙，其細(xì)度模數(shù)在2.60～2.80之間，粗骨料為人工碳酸巖碎石，相關(guān)指標(biāo)滿足要求；試驗(yàn)用外加劑為大連建筑科學(xué)院研制的DK-5型低引氣高效復(fù)合減水劑，可以有效減水15%～18%，同時(shí)還具有一定的超塑化性能，可以顯著改善碾壓混凝土的和易性；試驗(yàn)中使用EPS顆粒調(diào)整混凝土的孔隙率，其表觀密度為20 kg/m3；試驗(yàn)用水為普通自來水。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中以《水工碾壓混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 48-1994)中的相關(guān)規(guī)定為依據(jù)，同時(shí)參照碾壓混凝土大壩施工的工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)碾壓混凝土的配合比。其中，水泥用量為91 kg/m3，粉煤灰用量為91 kg/m3，用水量為91 kg/m3，水膠比為0.5，用砂量為700 kg/m3、骨料為1 398 kg/m3，外加劑摻量為0.75%。

2.3 試件的制作

根據(jù)研究的需要，試件制作過程中選擇150 mm×150 mm×150 mm和200 mm×200 mm×200 mm等兩種不同的模具尺寸。碾壓混凝土材料使用HJL60型強(qiáng)制攪拌機(jī)攪拌成型，裝模后利用ZW-5型平板振揭器淺筑碾壓振實(shí)。由于試件在制作和養(yǎng)護(hù)過程中會(huì)不可避免的產(chǎn)生一些損傷，為了最大限度減少這些客觀因素的影響，試件制作必須要嚴(yán)格按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352-2006)的要求開展。碾壓混凝土的拌制需要在室內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境溫度控制在15℃～25℃之間[6]。在拌制過程中，首先加入水泥和粉煤灰，攪拌2 min，然后加入粗骨料和細(xì)骨料再攪拌2 min，最后加入減水劑、EPS顆粒和水?dāng)嚢? min完成。在試件裝模之前，首先需要將模具內(nèi)部擦拭干凈，并均勻涂刷一層有機(jī)脫模劑，然后將模具放在振搗臺(tái)的工作面上，并將拌制好的碾壓混凝土裝入模具，在其表面放置壓重塊并振搗成型，再用灰刀將表面抹平。在試件成型之后，靜置48 h脫模，然后轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。在試件的養(yǎng)護(hù)過程中，需要對(duì)室內(nèi)濕度進(jìn)行嚴(yán)格控制，保證混凝土中的水泥和粉煤灰能夠充分反應(yīng)[7]。

由于碾壓混凝土結(jié)構(gòu)中的孔隙分布是復(fù)雜的，因此沒有一種檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)碾壓混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)有效的描述。因此，在研究孔隙率對(duì)混凝土力學(xué)性能影響時(shí)，一般采用引氣劑和顆粒預(yù)制的方式。結(jié)合此次研究的實(shí)際需要和兩種方法的特點(diǎn)，此次研究選擇顆粒預(yù)制的方式來定量預(yù)制孔隙。

2.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中使用一臺(tái)DS2-8B 型聲發(fā)射信號(hào)分析儀和一臺(tái)GF3000萬能伺服試驗(yàn)機(jī)。該型號(hào)的分析儀可以支持8通道信號(hào)檢測(cè)，由于試件的尺寸較小，因此試驗(yàn)中選擇4個(gè)傳感器，并將其交叉布置于試件的左右兩側(cè)。在傳感器安裝之前，先將試件表面的擦拭干凈，然后利用鉛筆在試件表面標(biāo)定具體的位置，再用硅脂將傳感器探頭黏結(jié)在試件表面的預(yù)設(shè)位置[8]。

聲發(fā)射試驗(yàn)和抗壓試驗(yàn)同步進(jìn)行。在試驗(yàn)開始之前，通過人為敲擊的方式檢查儀器是否完好連接；在試驗(yàn)開始之后，應(yīng)盡量保持試驗(yàn)環(huán)境的安靜，避免噪聲對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響；在試驗(yàn)結(jié)束之后，應(yīng)該迅速暫停儀器并保存好相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)中要多次試驗(yàn)，每組試件獲得9組數(shù)據(jù)，并以各組數(shù)據(jù)的均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 孔隙率

試驗(yàn)中，對(duì)0%、2%、4%和6%等4種不同預(yù)設(shè)孔隙率，尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm的試件進(jìn)行聲發(fā)射試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制聲發(fā)射撞擊次數(shù)及應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線，結(jié)果見圖1。由圖1可知，隨著碾壓混凝土內(nèi)部孔隙含量的增大，試件本身的均質(zhì)性和密實(shí)度會(huì)有十分明顯的降低，主要表現(xiàn)為試件從受力到發(fā)生破壞的時(shí)間明顯變短，同時(shí)整個(gè)過程中有大量的聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生。具體來看，在加載初期，荷載水平相對(duì)較低，并不足以造成內(nèi)部裂縫的明顯擴(kuò)展，因此內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的主要原因。隨著碾壓混凝土內(nèi)部孔隙率的增大，其在低應(yīng)力水平下的聲發(fā)射撞擊次數(shù)明顯增加，聲發(fā)射事件的概率也隨之增大。此外，隨著內(nèi)部孔隙率的增大，聲發(fā)射特征各個(gè)階段的劃分特征日漸模糊，初始階段明顯延長，在孔隙率為6%的情況下，初始階段的持續(xù)時(shí)間幾乎占到破壞過程時(shí)長的2/3左右，雖然穩(wěn)定段撞擊次數(shù)明顯增多，峰值特征日漸模糊。這說明在孔隙率增加的情況下，碾壓混凝土內(nèi)部損傷的演化更為激烈。

圖1 不同孔隙率聲發(fā)射撞擊次數(shù)及應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線

3.2 齡 期

試驗(yàn)中對(duì)7、14、28和60 d等4種不同齡期，孔隙率和尺寸均為2%以及150 mm×150 mm×150 mm的試件進(jìn)行聲發(fā)射試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制聲發(fā)射撞擊次數(shù)及應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線，結(jié)果見圖2。由圖2可知，齡期對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的特征也存在比較明顯的影響。試件的養(yǎng)護(hù)齡期越短，其聲發(fā)射的活動(dòng)性就越高。究其原因，主要是齡期較短情況下混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)并不充分，骨料本身難以充分發(fā)揮骨架的功能，其受壓破壞主要產(chǎn)生在界面過渡區(qū)，因此信號(hào)的三階段特征并不明顯。28 d齡期和60 d齡期的聲發(fā)射特征比較相似，同時(shí)也表現(xiàn)出比較顯著的三階段特點(diǎn)，且聲發(fā)射撞擊數(shù)的突變次數(shù)明顯偏少，穩(wěn)定段持續(xù)時(shí)間明顯增長，這說明此時(shí)的水化反應(yīng)比較充分，試件的密度較大，也基本穩(wěn)定。

圖2 不同齡期聲發(fā)射撞擊次數(shù)及應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線

3.3 試件尺寸

試驗(yàn)中對(duì)150 mm×150 mm×150 mm 和200 mm×200 mm×200 mm等兩種不同的試件尺寸以及孔隙率和齡期均為2%和28 d的試件進(jìn)行聲發(fā)射試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制聲發(fā)射撞擊次數(shù)及應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線，結(jié)果見圖3。由圖3可知，試件的尺寸也是影響碾壓混凝土聲發(fā)射特征的重要因素。一般來說，如果試件的尺寸較小，其聲發(fā)射活動(dòng)性會(huì)明顯偏高。究其原因，主要是小試件在試驗(yàn)過程中的大部分聲發(fā)射信號(hào)會(huì)以表面波的形式向傳感器傳遞，其衰減會(huì)明顯小于試件內(nèi)部發(fā)出的縱波，因而在試驗(yàn)過程中可以接收到更多表示原始振幅的事件。此外，在低應(yīng)力水平下，聲發(fā)射事件會(huì)隨著試件尺寸的增大而減少。究其原因，主要是小試件的局部峰值應(yīng)力分布范圍明顯偏小，因而造成表面的裂紋較多，出現(xiàn)的時(shí)間更早；大試件的局部峰值應(yīng)力分布范圍較大，因此在低應(yīng)力水平下僅會(huì)出現(xiàn)少量的裂紋。

圖3 不同尺寸試件聲發(fā)射撞擊次數(shù)及應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線

4 結(jié) 語

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討了結(jié)構(gòu)因素對(duì)碾壓混凝土聲發(fā)射特征的影響，主要結(jié)論如下：

1) 碾壓混凝土聲發(fā)射特點(diǎn)與孔隙率之間存在密切關(guān)系。隨著碾壓混凝土內(nèi)部孔隙率的增大，其內(nèi)部損傷的演化愈加劇烈，低應(yīng)力下的聲發(fā)射事件發(fā)生概率明顯增大。

2) 養(yǎng)護(hù)齡期也是碾壓混凝土聲發(fā)射特征的重要影響因素。養(yǎng)護(hù)齡期越短，其聲發(fā)射活動(dòng)性越高。

3) 碾壓混凝土聲發(fā)射特征也存比較顯著的尺寸效應(yīng)。試件的尺寸越小，試件的聲發(fā)射活動(dòng)性越高。