硫酸鹽侵蝕下超聲波檢測水工混凝土強(qiáng)度試驗探討

張曉翠

(大連金普新區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 大連 116100)

實踐表明，及時發(fā)現(xiàn)和診斷水工混凝土的受腐蝕程度，對合理選擇加固整治方案、預(yù)測剩余使用年限和評定水工結(jié)構(gòu)耐久性等具有重要意義[1]。目前，我國學(xué)者深入研究了現(xiàn)場無損檢測混凝土損傷和鋼筋銹蝕技術(shù)，其中超聲法憑借其經(jīng)濟(jì)性和便攜性得到廣泛的應(yīng)用[2-6]。文章研究了硫酸鹽侵蝕下水工混凝土強(qiáng)度超聲波無損檢測技術(shù)，并進(jìn)一步探討了超聲聲速與受腐蝕混凝土強(qiáng)度之間的函數(shù)關(guān)系。

1 試驗方法

1.1 試件制備

本試驗共制備75個水工混凝土試件，尺寸均為300mm×100mm×100mm，每組試件3個，各組試驗數(shù)據(jù)取平均值，編號如表1。試驗選用海螺牌P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，粗骨料選用5～20mm連續(xù)級配人工碎石，細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)2.6的天然河砂，依據(jù)《水工普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(DL-T 5330-2015)合理確定試驗配合比，水：水泥：碎石：河砂=0.58∶1∶1.60∶2.75。

水工混凝土試件編號，見表1。

表1 水工混凝土試件編號

水工混凝土配制主要包括攪拌時間、投料順序、原材料計量等過程，先按照配合比精準(zhǔn)稱量原材料，再按先骨料再凝膠材料、最后加水的順序投料。由于涉及組分較多，攪拌時間與方式是保證混凝土質(zhì)量及攪拌均勻的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，故試驗選用攪拌機(jī)配制混凝土，一般控制攪拌時間150s，以拌合均勻作為終止拌制的條件。拌制完成后倒入試模，室內(nèi)靜置24h后放入養(yǎng)護(hù)室標(biāo)養(yǎng)28d，經(jīng)檢測28d抗壓強(qiáng)度fcu達(dá)到25.18MPa。

1.2 硫酸鹽侵蝕

通過增加溶液濃度和干濕循環(huán)的方式加速侵蝕，在質(zhì)量百分比15%的硫酸鎂、硫酸鈉溶液中浸泡各組試件，以浸泡4d+烘干1d作為一個干濕循環(huán)，烘干溫度80℃，每循環(huán)3次測一次混凝土強(qiáng)度。

1.3 測試儀器

采用電液伺服試驗機(jī)和NM-4A非金屬超聲檢測儀測試水工混凝土抗壓強(qiáng)度，超聲檢測儀的工作頻率50kHz，探頭直徑3cm；聲時處于0.5～10000μs和20～30μs時測度精度達(dá)到0.1μs、0.2μs，選用凡士林作為耦合劑。

1.4 超聲檢測

目前，超聲脈沖測速法是無損檢測混凝土質(zhì)量的有效手段，該方法是在不破壞工程結(jié)構(gòu)完整性的情況下判定混凝土的強(qiáng)度狀況，其中超聲波穿過混凝土試件的時間是測量脈沖速度的關(guān)鍵[7-8]。在混凝土試件表面安裝換能器進(jìn)行直接測量，為保證測試精度必須把適量的耦合劑涂覆于混凝土與換能器之間的接合面上，確保穿過混凝土?xí)r聲波不發(fā)生反射，同時防止聲阻抗因傳播介質(zhì)的改變而減小的現(xiàn)象[9-10]。

采用超聲波系統(tǒng)直接測量聲波的穿透試件的時間，其工作流程為：①發(fā)生器發(fā)射超聲波脈沖信號并激勵換能器Tx；②換能器產(chǎn)生超聲波，示波器顯示產(chǎn)生的信號；③在聲波到達(dá)試件末端時換能器接收器Rx檢測聲波，通過轉(zhuǎn)化處理將超聲波編程電信號顯示在示波器上。每個試件均勻布設(shè)5個測點(diǎn)，以5個測點(diǎn)平均值作為超聲波聲時值t，如圖1所示。

通過同步示波器通道能夠獲取接受信號與脈沖發(fā)射之間的時間，即聲波穿透試件的時間，結(jié)合特定混凝土試件的聲時值t和厚度l，利用以下公式計算超聲波脈沖速度v，即：

v=l/t

(1)

圖1 超聲脈沖速度測量示意圖

2 結(jié)果分析

2.1 試驗結(jié)果

試件標(biāo)養(yǎng)28d后取出，然后以浸泡4d+烘干1d作為一個干濕循環(huán)，烘干溫度80℃，每循環(huán)3次檢測一次超聲聲時，并揭示超聲脈沖速度與混凝土抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系[11-14]。結(jié)合未受侵蝕前混凝土超聲檢測結(jié)果，平均初始聲時值為23.35μs，誤差不超過±0.5%，即受侵蝕前混凝土澆筑質(zhì)量較為均勻。水工混凝土在不同侵蝕條件下的超聲波脈聲時值t如表2所示，超聲波脈沖速度V如表3所示。

表2 不同侵蝕條件下的超聲波脈沖聲時值

表2 不同腐蝕條件下的超聲波脈沖速度

2.2 超聲聲速與混凝土強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系

一般采用非線性數(shù)學(xué)表達(dá)式fcuc=AeBv或fcuc=AvB反映v～fcu相關(guān)曲線，通過對比試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)超聲波脈沖速度V與侵蝕條件下混凝土強(qiáng)度之間符合fcuc=AvB關(guān)系，將初始數(shù)據(jù)歸一化處理后進(jìn)行擬合分析[15-16]，則有：

(2)

(3)

(a)v′≥v (b)v′

在硫酸鈉、硫酸鎂溶液中超聲波脈沖速度與混凝土強(qiáng)度的擬合曲線如下：

(4)

y=2.2156x+0.0085；v′≥v
y=0.9245x+0.0004；v′

(5)

經(jīng)轉(zhuǎn)換處理，確定超聲波脈沖速度與硫酸鈉、硫酸鎂侵蝕條件下混凝土抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，即：

(6)

(7)

3 結(jié) 論

1)受硫酸鹽侵蝕程度不同的混凝土中超聲波的傳播速度存在一定差異，侵蝕初期超聲波脈沖速度有所增大，隨著侵蝕時間的延長超聲波脈沖速度逐漸下降。硫酸鹽侵蝕條件下，水工混凝土的抗壓強(qiáng)度與超聲波脈沖速度之間存在回歸關(guān)系，擬合曲線符合fcuc=AvB的關(guān)系式。結(jié)合試驗數(shù)據(jù)建立侵蝕條件下混凝土強(qiáng)度與超聲波脈沖速度之間的函數(shù)關(guān)系，為侵蝕條件下水工混凝土強(qiáng)度超聲波無損檢測提供一定支持。

2)硫酸鎂和硫酸鈉侵蝕環(huán)境不同時，超聲脈沖波檢測的混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律不盡相同。采用超聲波法無損檢測混凝土強(qiáng)度具有精準(zhǔn)度高、操作簡單方便等優(yōu)勢，若綜合應(yīng)用回彈法等其他方法將會達(dá)到更好的應(yīng)用效果。