混凝土凍融試驗和表面剝落的無損檢測

張麗輝

(中鐵十八局集團 市政工程有限公司，天津 300202)

在溫帶大陸性氣候的地區(qū)，混凝土中孔隙水的凍結(jié)可能導致混凝土的嚴重損壞[1]。有些工程使用除冰鹽清除混凝土結(jié)構(gòu)表面的積雪，鹽分通過細小的空隙進入混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，

進一步加劇了混凝土的損壞[2]。暴露在野外條件下的混凝土工程，最初在外部看不到任何損壞，隨著時間的推移，我們很容易觀察到表面剝落現(xiàn)象，而這些裂紋很有可能是從內(nèi)部的結(jié)構(gòu)破壞開始的[3]。凍融效應是一個復雜的現(xiàn)象，國內(nèi)外學者已經(jīng)對其進行了多年的研究，但尚未研究充分[4]。前人的工作建立了凍結(jié)作用機理的主要理論，這些理論與凍融循環(huán)期間混凝土中液體和固體孔隙溶液狀態(tài)的運動和變化有關(guān)，它們會導致材料的膨脹和收縮。

大多數(shù)凍融加速試驗通過稱重來測量混凝土表面剝落的部分[5]。該方法簡單易行，但也有一些缺點，在進行重量測量的時候必須停止試驗，并且在出現(xiàn)明顯的縮放比例時才能感知到混凝土劣化的存在。本文引入無損檢測技術(shù)，該方法可以在不停止試驗的情況下對破壞進行連續(xù)監(jiān)測，并在材料出現(xiàn)損壞前也可以進行檢測，從而達到預防的目的。主要過程如下：使用應變儀，放置在混凝土標本不同的區(qū)域，并評估超聲波脈沖速度(UPV)。使用應變片來監(jiān)測混凝土的表面損傷，UPV的變化顯示出混凝土標本的內(nèi)部損傷。這兩個方案同時在兩種混凝土中(一種易受凍融損傷，另一種不易受凍融損傷)進行凍融加速試驗。

1 材料來源和UPV簡介

1.1 材料來源

山西省呂梁市位于我國西北部，該地區(qū)的水利工程常年要受到凍融破壞的影響。本文所用的混凝土標本是仿照山西中部引黃工程施工用混凝土結(jié)構(gòu)配比制作的。這樣做的目的是為了能夠在實驗室中最大限度還原真實工程場景。

1.2 超聲波脈沖反射法工作原理簡介

超聲波脈沖反射法的工作原理是當由儀器發(fā)出的超聲波遭遇到不同介質(zhì)時，將會反射出不同頻率的波。該儀器主要有三個結(jié)構(gòu)組成：分別是發(fā)射超聲波的探頭、接收返回波的接收器與探傷儀，當混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞時，接收器就會收到明顯的信號，并在探傷儀的屏幕上顯示出來，顯示的內(nèi)容有：缺陷存在與否、缺陷的方位與缺陷的程度。該方法主要有以下3個優(yōu)點：(1)具有很高的靈敏度高，當反射聲波與發(fā)射聲波的頻率相差1%時，儀器就能產(chǎn)生反應，故可以找到很小的缺陷；(2)定位精度較高，由于探測面至缺陷的聲程距離可用缺陷波在熒光屏時基軸上的位置表示，據(jù)此可對缺陷進行定位。多組實驗表明，通常儀器產(chǎn)生的定位誤差不會超過2%，故該儀器精度較高；(3)具有廣泛的適用范圍，可以通過簡單的操作實現(xiàn)不同情境下的檢測。

2 實驗方案

2.1 材料

本研究測試了兩種不同混合料配比的混凝土，差別包括水泥含量、水灰比以及是否使用引氣劑。表1展示了混凝土混合料的比例和其部分性能。

表1 混合比例(kg/m3)和混凝土性能

2.2 試驗測試過程和方法

混凝土試件的形狀為長方體，面積為150×150 mm2，厚度為70 mm。根據(jù)國家凍融標準對每種混凝土進行五個試件的測試。將它們放入實驗室中(圖1a)，并根據(jù)圖1b所示的溫度-時間圖進行28次凍融循環(huán)過程。

該試驗使用標準除冰溶液(97%蒸餾水和3%氯化鈉)進行。在開始循環(huán)之前，需要對樣品進行特殊的處理，包括以下四個步驟：在20±2 ℃的水中儲存6天，在實驗室中(20 ℃/65%相對濕度)中干燥儲存21天進行表面干燥；在28天齡期之前，用環(huán)氧樹脂在側(cè)面密封樣品。便面干燥過程后，將樣品在測試容器中放置7天，通過毛細抽吸使測試表面和底部預飽和。在35天齡期，混凝土標本已經(jīng)具備了實驗條件。

在4、6、14和28次凍融循環(huán)后通過稱重測量表面剝落情況。在每次測量前，通過超聲波處理，以去除試樣表面松散粘附的顆粒。然后，收集，并在100 ℃下干燥24 h。冷卻后，測量剝落結(jié)構(gòu)的重量。

2.3 無損測試測量

為了測量混凝土試件內(nèi)部的溫度和濕度，在混凝土澆筑過程中，將數(shù)字濕度傳感器嵌入每個試樣中。在每個混凝土試件的所有凍融循環(huán)過程期間，使用三個傳感器連續(xù)記錄測量值，傳感器放置在混凝土內(nèi)部40 mm處，這與試驗液體接觸的表面不同高度(圖2a)用兩個應變計，以試樣測量混凝土試件的表面應變，將儀器粘在混凝土試件橫向表面的中上部，如圖2b(H1=30 mm，H2=55 mm)。

對于每個混凝土試件，將兩個縱波傳感器(500 kHz)粘在混凝土試件表面。傳感器的位置如圖2c所示。根據(jù)國家標準，根據(jù)超聲波脈沖傳輸時間(UPTT)測量值計算的混凝土相對動態(tài)彈性模量(RUPTT)得到了混凝土試件的內(nèi)部損傷情況。

3 實驗結(jié)果和分析

3.1 重量損失—稱重

表面剝落情況的結(jié)果如圖3a所示。無引氣外加劑混凝土試樣在28次凍融循環(huán)未結(jié)束前就產(chǎn)生了破壞。該試件在第17凍融循環(huán)時累積剝落1.5 kg/m2，28次凍融循環(huán)后累積剝落3.23 kg/m2。相比之下，引氣外加劑混凝土試樣在28次循環(huán)后的累積剝落僅為0.10 kg/m2。圖3b、c、d、e所示為試驗前和28次凍融循環(huán)后兩種混凝土的試樣表面。

3.2 溫度和濕度

經(jīng)歷28次凍融循環(huán)的混凝土試件內(nèi)部溫度如圖4a所示，兩種混凝土試件的溫度幾乎相同。試件內(nèi)部不同位置的溫度變化可以忽略不計。

3.3 應變測量

圖5顯示了應變計的測量值。在28次凍融循環(huán)后，無引氣外加劑混凝土試樣的殘余應變?yōu)? 150 um/m，引氣外加劑混凝土試樣的殘余應變?yōu)?5 um/m。無引氣外加劑混凝土試樣中殘余應變的增長顯示出結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷正在擴張。放置在上部(H2)的應變計顯示出較低的劣化水平，這表明隨著遠離浸入面，破壞程度降低。

在每一次凍融循環(huán)中，溫度降低時應變是壓縮的，而溫度升高時混凝土膨脹。當溫度最低(-20 ℃)時，觀察到混凝土達到最大收縮值，最大值繼續(xù)保持不變，直到開始加熱。一旦溫度上升到-15 ℃以上，應變增加，混凝土膨脹，直到循環(huán)結(jié)束。正應變一直持續(xù)到下一個循環(huán)溫度低于5 ℃，隨著冷卻會再次收縮。

在無引氣外加劑混凝土試樣中，應變隨著產(chǎn)生殘余應變的循環(huán)次數(shù)而逐漸增加。這種現(xiàn)象表明殘余應變隨著惡化的進展而逐漸增加。

3.4 超聲波脈沖速度

在解凍(20 ℃)和冷凍(-20 ℃)條件下測量每個樣品的UPV。圖6顯示了28次凍融循環(huán)期間的UPV測量結(jié)果。如圖所示，在解凍條件下，混凝土的逐漸破壞會導致UPV值降低。在凍結(jié)條件下，微裂縫中的冰導致UPV值增加，曲線的正斜率表示混凝土的逐漸劣化過程。

在兩種混凝土中，混凝土的相對動態(tài)彈性模量值都比凍融循環(huán)值低，這是混凝土內(nèi)部劣化的證據(jù)。與引氣外加劑混凝土試樣相比，無引氣外加劑混凝土試樣損失了更多的相對動態(tài)彈性模量值。

4 結(jié)論

正如預測的那樣，引氣外加劑混凝土試樣經(jīng)凍融循環(huán)所造成的破壞與無引氣外加劑混凝土試樣的劣化程度相比微不足道。這一結(jié)果通過定標試驗以及對試樣應變和VPU的連續(xù)測量得到了證實，應變作為長度變化的量度，是凍融混凝土表面劣化的重要指標。應變計可以取代傳統(tǒng)的標度測量。28次凍融循環(huán)前后混凝土試件的UPV測量值差異很小，這意味著凍融循環(huán)不會導致混凝土試件出現(xiàn)大的內(nèi)部損傷，這與前人研究結(jié)果相似，本研究為實際工程提供了一種檢測混凝土損壞的新思路。