應力-縱波-橫波同向同步聯合測試耦合劑研究

毛　舉， 劉　高,2， 王笑然， 張春峰， 羅澤華

(1. 蘭州大學 土木工程與力學學院, 甘肅 蘭州　730000; 2. 蘭州大學 西部災害與環境力學教育部重點實驗室,甘肅 蘭州　730000; 3. 中國電建西北勘測設計研究院有限公司, 陜西 西安　710000)

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應力-縱波-橫波同向同步聯合測試耦合劑研究

毛舉1， 劉高1,2， 王笑然1， 張春峰3， 羅澤華1

(1. 蘭州大學 土木工程與力學學院, 甘肅 蘭州730000; 2. 蘭州大學 西部災害與環境力學教育部重點實驗室,甘肅 蘭州730000; 3. 中國電建西北勘測設計研究院有限公司, 陜西 西安710000)

針對常規耦合劑不能很好適應特殊條件下的聲波測試問題,在綜合分析現有耦合劑特性及其適用條件的基礎上,以熟石膏為基礎原料配置耦合劑,通過系列實驗,研究了水膏比、促凝劑、緩凝劑和環境溫度等對其耦合效果的影響及變化規律。研究結果表明:凝結時間隨水膏比和緩凝劑添加量的升高逐漸增加,隨促凝劑添加量的升高呈先降低后增加的規律；黏結強度隨水膏比和促凝劑含量的升高先增加后降低,隨緩凝劑添加量的升高不斷降低；溫度對耦合效果基本不產生影響。耦合劑應用于聲波-應力同向同步聯合測試,對試件應力方向的變形影響很小,能獲得理想的縱波及橫波,可為聲波和地震波測試提供借鑒。

聲波測試; 耦合劑; 凝結速度; 黏結強度

聲波是一種理想的蘊含著豐富巖石(巖體)物理力學性質的信息載體[1],廣泛應用于巖土工程領域[2],如巖土體動彈性參數[3]、工程巖體分類和分級[4]、邊坡巖體研究[5]、硐室圍巖松弛帶探測[6]、地質缺陷探測[7]和地形地貌探測[8]等。聲波測試中,由于換能器與待測物之間介質變換,聲波通過兩者之間接觸面時會發生能量損耗,因此聲波測試中通常使用耦合劑,確保換能器與試件緊密接觸[9],以減少能量損耗。

在巖土工程領域,現場巖壁波速測試可以石膏作為耦合劑[10],但由于石膏的固結速度和強度與溫度、水膏比等因素密切相關[11],在多水潮濕地段及多探頭損傷探測系統聲波測試時,石膏作為耦合劑在固結速度、強度方面往往達不到要求。某些特殊試驗要求條件下,如在巖石波速與應力關系及動參數和靜參數關系研究中[12],即應力-縱波-橫波同向同步聯合測試,需要獲得應力方向上且與應力同步的縱波和橫波,這要求耦合劑能夠同時通過縱波和橫波,測試表明,采用現有流態耦合(如凡士林)或固態耦合劑(如錫箔),測試效果不佳,很難同時獲得理想的縱波和橫波。

為此，本文以熟石膏為基礎原料,通過試驗,探究水膏比、外加劑(促凝劑和緩凝劑)、溫度等對熟石膏凝結速度及粘結強度的影響。

1　耦合材料及耦合機理

理想的耦合劑兼具流態和固態的優點,即前期耦合劑為液態,隨后能夠轉變為固態。對常用耦合劑的使用情況及特征進行綜合分析,不難發現熟石膏(CaSO40.5H2O)作為耦合劑較為適合,其顆粒較細,粒徑100 μm左右[13],與水混合初期呈液態,流動性較好；然后逐漸轉變為固態,固結干燥后具有一定的黏結力,抗壓強度可達9.8MPa[14],符合理想耦合劑的要求,因此,本文以熟石膏作為聲波檢測耦合劑的基礎原料。

熟石膏通過與水發生水化固結反應后轉變為生石膏。根據晶體理論[15],熟石膏的凝結硬化是一個溶解—水化—結晶過程:

(1)

式(1)為放熱反應,其放熱量為17.17 J/mol。

2　耦合效果的影響因素

現場聲波測試(如巖壁聲波測試),測試面往往與水平面具有一定夾角,為方便換能器的固定,黏結力應大小適中,過大時測試結束后換能器不易取下,過小會造成換能器脫落。此外,在某些極端環境條件下,聲波檢測對耦合劑的固結速度也有一定要求,如多水潮濕地段要求耦合劑能快速固結耦合,多探頭損傷探測則要求慢速固結,以便有足夠時間安置探頭并使耦合條件基本相同。因此,必須根據檢測目的和需求的不同,使耦合劑具有適宜的耦合速度和黏結力。

研究表明,影響石膏的凝結速率和強度的因素有內因和外因[16],內因包括純度、相組成、顆粒尺寸與比表面積等,外因為水膏比、外加劑、溫度等,相比較而言,外因的作用更明顯[17],因此,本文探究水膏比、外加劑、溫度等外部因素的影響。為了細致地探究外因對熟石膏的影響,設計系列試驗見表1,以凝結時間和黏結力為指標,通過試驗檢測其效果。

表1　試驗方案設計

2.1水膏比

凝結速度可通過凝結時間表征,包括初凝時間和終凝時間,由于終凝時間一般較長,操作不便,在此以半水石膏的固結時間(具有一定強度,能夠進行聲波測試的時間)替代。黏結強度可用黏結力(Fc)表征。探究水膏比(W/P)對凝結速度及黏結力的影響。試驗方案:

(1) 室溫條件下稱取熟石膏等分為6組,依次按水膏比為0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.5配置(見表1)。

(2) 分別測試各組的初凝時間(tP)、固結時間(tS)及黏結力(Fc),測試時間使用秒表計量,黏結力測試采用圖1所示自制黏結力測試裝置。

圖1　黏結力測試裝置

初凝時間tP和固結時間tS隨水膏比的提高不斷增大(見圖2),根據增速的大小可分為兩個階段:W/P<1.0時,tP和tS隨水膏比的升高緩慢增加；W/P>1.0時,隨水膏比的不斷升高tP和tS增速逐漸加快,尤其當W/P>1.2后,tP和tS大幅增加。

黏結力(Fc)隨W/P的增加呈現先增加后降低的趨勢。當W/P<0.8時,Fc隨水膏比的升高快速增加；在0.8～1.0時,Fc的增大速率逐漸降低；當W/P=1.0時,黏結力達到最大值,之后逐漸減小。

圖2　水膏比對凝結時間及黏結力影響

2.2外加劑

在某些極端環境下進行聲波測試時,耦合劑在具備足夠黏結力的同時,還需快速或者慢速固結。從圖2可知,在黏結力較大時對應的水膏比范圍內,凝結時間變化幅度較小,而在凝結時間隨水膏比增加變化顯著的區間內,黏結力往往較低，因此僅僅通過調節水膏比控制凝結時間是不夠的,需通過其他途徑靈活控制凝結速度。通常使用外加劑能有效地控制熟石膏的凝結速率,主要有促凝劑和緩凝劑[17],仍以凝結時間和黏結力為指標,通過試驗檢驗其耦合效果。

2.2.1促凝劑

常用促凝劑有酸、一價到三價金屬鹽、復鹽和堿等[18]。其中,硫酸鹽是一種很有效的促凝劑,其通過提高溶液中硫酸根的離子濃度加快熟石膏的溶解速度,從而增加反應速率,縮短凝固時間[16]。

本文通過試驗探究K2SO4促凝劑對凝結時間和黏結力的影響,實驗方案:固定W/P=1.0不變,稱取相同質量的熟石膏9組,分別向各組添加不同的促凝劑,添加量依次為為0%、2%、4%、6%、8%、10%、12%、15%、20%,檢測各組凝結時間及黏結力隨添加量升高的變化情況。

測試表明,K2SO4的促凝效果顯著且與添加量密切相關(見圖3)。添加量較低時(<2%)時,凝結時間較不使用促凝劑時大幅降低,在2%～10%時,凝結時間基本保持不變；超過10%時,凝結時間隨添加量的增加急劇增加,即過量的K2SO4反而延緩凝結。

圖3　K2SO4對凝結時間和黏結力的影響

對于黏結力而言,少量的K2SO4(<4%)有助于提高黏結力；隨著添加量的增加,黏結力逐漸降低；添加量超過10%時,黏結力已降至較小值,15%時,黏結力接近于3 kPa,之后趨于穩定。

2.2.2緩凝劑

緩凝劑廣泛應用于水泥、石膏等建筑材料凝結時間的調節。通常磷酸鹽和含有羧基的聚合物被認為是非常有效的緩凝劑[19]。磷酸鹽類在熟石膏顆粒表面形成不溶性鈣鹽沉淀薄膜,阻礙熟石膏的溶解,降低液相過飽和度,使凝結硬化受阻[20]。Na6O18P6加入到熟石膏溶液中,易與溶液中Ca2+發生反應:

(2)

生成的CaNa4O18P6是一種絡合物,容易覆蓋在熟石膏和生石膏晶核表面,既阻礙了熟石膏的溶解,延緩了晶核的形成,又抑制了晶核的長大,表現為凝結速度的延緩。

Na6O18P6的緩凝效果的試驗方案:稱取8組等質量的熟石膏,分別向各組添加含量0%、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%、0.06%、0.07%、0.08%的Na6O18P6緩凝劑,各組W/P均為1,仍以凝結時間和黏結強度為指標其效果。

測試結果(見圖4)表明：凝結時間隨Na6O18P6添加量的增加而不斷增加；添加量低于0.02%時,凝結時間隨添加量的增加變化不明顯；在0.02%～0.05%時,凝結時間增速隨添加量的升高逐漸增加；超過0.05%,隨添加量的提高急劇增加。

圖4　Na6O18P6對凝結時間和黏結力的影響

總體上,黏結力隨添加量的增加逐漸降低(見圖4),微量(0.01%)的Na6O18P6存在即會造成黏結力的大幅下降,當添加量達到0.06%時,黏結力降至較小的值(約2 kPa),此后趨于不變。

2.3溫度

溫度對凝結速度的影響包括環境溫度及水溫。實際操作中,由于水溫不易控制且受環境溫度的影響較大,因此只需探究環境溫度對凝結速度及黏結力的影響。本文以不使用外加劑的熟石膏耦合劑為例,通過試驗探究環境溫度的影響。

試驗方案:稱取相同質量的10組熟石膏,各組均不添加外加劑,且W/P=1。通過調溫裝置設定恒定的溫度,依次將上述10組配置好的耦合劑置于-11、-8、-5、-2、0、2、7、12、17、22 ℃環境下自然凝結,測試各組凝結時間及黏結力的大小。

整體上,溫度對凝結時間和黏結力的影響不明顯(見圖5)。tP隨溫度升高按平均0.2 s/℃的速率降低,tS則為0.17 s/℃,無論是tP或tS,隨溫度升高其降低的幅度很小。黏結力隨溫度升高按0.03 kPa/℃的速率增加。環境溫度對凝結時間及黏結力的影響程度較低,表現為耦合劑對環境溫度具有很強的適應性。

圖5　凝結速度及黏結力隨溫度變化曲線

3　應用及效果

上述試驗結果表明,可通過調節材料配比實現對凝結速度和黏結力的控制,但耦合劑能對聲波的透過情況和壓力條件下對試件變形的具體影響尚不明確,為此需通過聲波-應力同步同向聯合測試(簡稱聯合測試),探究耦合劑的應用效果。

3.1試驗方案

(1) 試驗設備。聯合測試系統由美國GCTS公司

生產的ULT-100聲波測試系統和武漢研究所生產的RMT-301巖石力學系統共同構成。ULT-100系統使用快速脈沖發生器給超聲傳感器提供激勵,和一個超高速模數轉換器來存儲結果波形信號；采樣頻率可以從156 Hz～20 MHz中選擇。RMT系統使用5.0 mm位移傳感器測量軸向變形,精度為1.0×10-3mm；用1 000 kN的力傳感器測量軸向荷載,精度為1.0×10-3kN。

(2) 耦合劑。參考上述水膏比、外加劑、溫度對熟石膏凝結速度和黏結力的影響情況,通過控制單個影響因素,設置不同的材料配比,配置不同類型的耦合劑見表2。

表2　耦合劑類型

(3) 試件。試驗所用的鋁、花崗巖、砂巖試件統一采用直徑為50 mm、高度為100 mm的標準圓柱狀試件。為了盡可能減小試驗的離散性,花崗巖、砂巖試件分別采自同一地區同一批次,通過篩選,試件密度大致相同。

(4) 試驗方法。選取5組鋁、花崗巖、砂巖標準試件,依次使用1#—3#耦合劑對各組試件進行聲波-應力同步同向聯合測試。為增強對比效果,以使用凡士林和不使用耦合劑作為參照。為避免測試過程中試件損壞及便于分析,應保證測試試件只發生彈性變形。試驗時設置最大應力為20 MPa,以控制應力-位移的加載方式,按0.5 MPa/s的速率加載。

3.2實驗結果

3.2.1對波形的改善

應力為1 MPa時,分別檢測該壓力條件下3種試件的聲波透過情況,測試結果見圖6—圖8。

對于端面平整度較高的鋁試件(見圖6)和花崗巖試件(見圖7),使用凡士林測得的縱波尚能接受,但橫波較不理想；砂巖試件橫波波形較為嘈雜,不易分辨出準確的聲波初值,而花崗巖試件基本不能測得橫波。對于端面較為粗糙的砂巖試件(見圖8),使用凡士林不能獲得縱波和橫波；使用1#—3#耦合劑進行聲波測試能夠同時獲得縱波和橫波,相比凡士林,波形質量得到明顯改善,初至波的位置更清晰可判,便于波速的確定。

分析同種試件耦合劑和凡士林對應波形可知,總體上耦合劑對橫波改善較縱波更為明顯。

圖6　鋁試件對應不同耦合劑波形

圖7　花崗巖試件對應不同耦合劑波形

圖8　不同耦合劑耦合條件下砂巖聲波測試成果

耦合劑對3種試件波形的改善程度由大到小依次為砂巖試件、花崗巖及鋁試件。原因主要是由于砂巖試件端面最為粗糙,耦合劑能夠通過有效地改善端面的粗糙情況(見圖9右),進而提高波形的質量。

圖9　砂巖試件耦合前后端面平整情況

3.2.2對試件變形的影響

應變是巖體力學測試的基礎指標,通過應力和應變的關系可以得到巖體彈性模量、變形模量等,從而為研究巖體力學性質提供基礎參數。為分析耦合劑對試件變形的影響,分別對3種試件進行變形測試。

以砂巖為例,使用1#—3#耦合劑或凡士林進行測試,整體上與不使用耦合劑時砂巖試件的σ-ε曲線相似(見圖10)。

圖10　不同耦合劑耦合條件下砂巖的σ-ε曲線

由圖10可知,應力為20MPa時,與無耦合劑相比,使用凡士林和1#—3#耦合劑造成砂巖試件的應變增加分別為8.3%、6.5%、6.8%、7.9%,彈性模量分別升高5.6%、5.1%、5.9%及5.5%。與凡士林相比,1#—3#耦合劑對應試件的應變分別降低2.28%、1.28%和2.54%,彈性模量升高4.8%、6.3%和1.9%。耦合劑對試件實際變形影響很小,且隨著應力的降低,影響程度進一步降低。

4　結論

(1) 熟石膏遇水迅速溶解,通過發生水化固結反應轉化為生石膏,水化前期呈液態,后期隨著水化程度的不斷深化而轉變為固態。與之對應,以熟石膏為基礎原料的耦合劑在“溶解-水化-凝固”過程中存在液態和固態兩種形態的演化,液態時能有效地改善端面的粗糙情況,固態時能提供足夠黏結力,從而達到換能器與待測物表面緊密耦合的目的。

(2) 水膏比對耦合劑的耦合效果有一定影響。凝結時間隨水膏比的增大而增加,水膏比超過一定值時,凝結時間顯著增加；黏結力則隨水膏比增大呈現先增加后降低的趨勢。

(3) 外加劑對耦合效果影響較顯著。促凝劑添加量較小時,有利于縮短凝結時間且提高黏結力,過量反而延長凝結時間并使黏結力降低；對緩凝劑而言,凝結時間隨添加量的增加逐漸增加,黏結力隨添加量的增加而逐漸降低。

(4) 環境溫度對耦合效果影響較小。凝結時間和黏結力隨溫度的升高基本保持不變,即耦合劑具有較強的環境適應性。

(5) 耦合劑用于聲波-應力同步同向聯合測試中,應力方向上能夠同時獲得縱波和橫波,且對試件變形影響較小。耦合劑通過改善試件端面的粗糙情況促進聲波透過,尤其對于孔隙度較大的砂巖試件效果更為顯著,不僅能很好地提高波形質量,而且初至波的位置也更易分辨,有利于準確計算波速。應力條件下耦合劑對試件實際應變和彈性模量造成一定影響,但影響程度較低,基本和凡士林保持一致。

綜上所述,參考水膏比、外加劑和溫度對凝結速度和黏結力的變化規律,在滿足耦合黏結力要求的前提下,以熟石膏為基礎原料,選擇合適的水膏比,并根據測試要求及環境條件,確定合理的外加劑添加量,進而通過調節凝結時間,實現快速、中速或慢速固結,以適應特殊環境對耦合時間和耦合強度的要求。

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Study on coupling agent by using stress-compressional wave-shear wave synthetic synchronization joint test

Mao Ju1, Liu Gao1,2, Wang Xiaoran1, Zhang Chunfeng3, Luo Zehua1

(1. School of Civil Engineering and Mechanics, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China;2. Key Laboratory of Mechanics on Disaster and Environment in Western China of Ministry of Education of China,Lanzhou University, Lanzhou 730000, China; 3. HydroChina Xibei Engineering Co. Ltd, Xi’an 710000, China)

Aiming at the problem that the conventional coupling agent cannot adapt to ultrasonic test under some special conditions, the hemihydrate gypsum was used as a raw material to make coupling medium on the basis of its hydration mechanism, through the comprehensive analysis of the existing coupling characteristic and applicable condition, this paper probes into the change rule by analysing the effect of water paste ratio, coagulant, retarder and environmental temperature on the coupling quality. The results show that the condensation rate is increased with the increase of water paste ratio and retarder dosage, and decreased at the beginning but some time later increased with the coagulant dosage increase. Adhesive strength is increased first and then decreased with the increase of ratio of water to paste and coagulant dosage, which shows significantly lower trends with the retarder dosage increase. Temperature has little influence on coupling effect. Coupling agent was applied to acoustic-stress direction joint test, the impact of specimen deformation on stress direction is lesser, which can obtain the perfect compressional wave and shear wave at the same time, so it has good application effect and can provide references for the acoustic and seismic wave test.

ultrasonic test; coupling agent; condensation rate; adhesive strength

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.011

2015- 06- 26修改日期:2015- 07- 18

國家重點基礎研究發展計劃973項目(2014CB744701)

毛舉(1990—), 男,河南漯河, 碩士研究生,研究方向為地質工程

E-mail:maoj13@lzu.edu.cn

劉高(1970—),男，重慶，教授，主要致力于巖體力學的研究.

E-mail: liugaocf@lzu.edu.cn

P589

A

1002-4956(2016)1- 0040- 06