不同養護周期對混凝土波速特征的影響研究

王瑋

摘要：混凝土的養護周期對其強度和耐久性具有很大的影響，而含水率是決定混凝土養護效果的一個重要因素。以標準塊狀混凝土為研究對象，測試了不同養護時間下的縱波波速和含水率特征，并對縱波信號進行了傅里葉變換，研究發現：（1）隨著養護時間的增加，試件的縱波波速逐漸增加，含水率逐漸降低，二者均呈現出了“S”型變化規律，即：初期變化慢，中期變化快，后期變化慢;（2）含水率與縱波波速呈線性關系，含水率越大，縱波波速越慢;（3）混凝土的養護是一個能量積累的過程，隨著養護時間的增加，混凝土的強度逐漸增加。

關鍵詞：混凝土;養護周期;含水率;縱波波速;頻譜特征

1 ?引 ?言

混凝土是一種主要的建筑材料，由骨料、水和水泥按照一定比例，拌和均勻得到。混凝土的原材料豐富，不受地域限制，耐久性好，成本較低，并且可依據不同要求，進一步進行加工，具有非常廣泛的用途。在工程中，混凝土澆筑完成后，需要養護一段時間，才能達到預定的強度。混凝土的養護歸根結底，就是水分散失，骨料硬化膠結的過程，因此在養護過程中，溫度、濕度對混凝土有非常重要的影響，混凝土的含水量決定了其強度特征。

基于此很多學者開展了關于含水量對混凝土特征的影響研究。劉保東[1]等人，通過對不同尺寸的混凝土塊進行自由浸泡吸水試驗，得到了不同含水率的試件，并測試了抗壓強度，得到了含水率與抗壓強度的關系;馮德成[2]等人認為混凝土含水率對防水層的粘結性質有一定的影響，開展了相應的直剪試驗研究，發現隨著溫度和含水率的增加，防水層的抗剪強度逐漸降低;張海燕[3]等人研究了含水率對混凝土碳化深度的影響，研究發現，相比于空氣相對濕度，混凝土的含水率對碳化深度的影響更強;閆國亮[4]等人，利用超聲波監測手段，研究了含水率對混凝土的影響，研究發現，1.5%為界限含水率，當含水率高于1.5%時，超聲波的響應更為明顯;沙玲[5]等人，對比了超聲波法、低應變法兩種混凝土樁基檢測方法，建立了二者的轉換關系;李美利[6]等人，通過電阻率法來測試混凝土的含水率，并以此來表征混凝土的養護效果。

目前超聲波法由于其無損、快捷的特點，已經在巖土工程領域得到了非常廣泛的應用。超聲波可以探測到構件內部的裂隙、空洞，可以用于判斷構件是否完整。很多研究局限于波速的變化，忽視了聲波信號中的其他有用信息，于是，一些學者通過對聲波信號進行數值計算[7][8]，可以得到聲波能量在構件中的變化規律，對評價混凝土的耐久性和結構損傷程度具有很強的實踐價值。

本文在前人的基礎上，通過對不同養護周期的混凝土進行超聲波檢測，得到了不同含水率下的混凝土塊波速特征，并借助傅里葉變換得到了聲波的頻譜特征以及在養護過程中混凝土的能量變化規律，可用于評價混凝土的養護效果。

2 ?試驗方法與儀器

分別稱取一定質量的砂、卵礫石、水泥和水，按照一定的配比，拌和均勻，制備若干5×5×5cm的混凝土塊體，將所有試樣置于溫度為：25±3℃，濕度為35%-45%的條件下進行養護，每隔4天測試一次聲波波速，并敲取部分試樣，測得其質量后，置于105℃的烘箱中烘干24h，隨后測試烘干后質量，最終通過計算得到試樣的含水率。

聲波波速測試儀器采用湖南湘潭市天鴻電子研究所生產的HS-SB1W型聲波測試儀，最高發射頻率為20MHz，可測量非金屬材料的縱波和橫波，本次試驗測試了混凝土的縱波波速。在測試時，為了防止聲波能量的耗散，在換能器和試樣接觸位置涂抹一層凡士林。

Fig1. ?Wave tester

3 ?試驗結果分析

按照相關建筑規范，一般混凝土的養護周期為28d，因此本次試驗在第28d時終止。通過試驗研究，得到了在不同的養護周期下混凝土的縱波波速和含水率的變化規律，如圖2所示。

從圖2中可以看出，隨著養護周期的增加，混凝土的縱波波速逐漸增大，在試樣制備初期縱波波速為2800m/s，呈非線性增長，最終達到3800m/s。同時，含水率也呈非線性下降，從初始的9%降為2%。含水率的變化趨勢與縱波波速的變化趨勢相似，均經過了初期穩定變化階段、中期加速變化、后期穩定3個階段。由此可知，含水率的降低，是導致縱波波速增加的一個原因。基于此，得到了含水率與縱波波速的關系曲線，如圖3所示。

在圖3的基礎上進行了線性回歸，發現含水率與縱波波速呈一定的線性關系，含水率越高，縱波波速越小。這是由于聲波在傳播的過程中，發生了能量損耗。聲波從一種介質進入另一種介質中時，會發生反射、折射。并且縱波是一種彈性波，其本質是壓縮產生能量并進行傳遞，由于水的密度大大低于混凝土塊體的密度，在壓縮過程中，水會吸收大部分能量，造成波速降低。

聲波譜圖中蘊含的信息非常多，僅靠波速來反映混凝土試樣的特征顯然具有局限性，因此參考一些學者的研究，本文利用傅里葉變換對縱波進行進一步分析。聲波信號是由不同頻率的信號迭加，傅里葉變換是一種濾波方法，可以將測得的聲波信號進行拆分，得到不同頻率的原始信號，通過進一步計算，可以得到物體的頻譜曲線，可用來反映不同頻率的信號特征。一般來講，高頻率的信號可以反映被測物體的共有性質，低頻率的信號則可以表示被測物體的細節特征。在通過這些原始信號，可以得到被測物體的詳細信息。

通過Matlab軟件對不同養護周期下混凝土的縱波信號進行傅里葉變換，得到了頻譜特征曲線，如圖4所示，橫坐標表示信號頻率，縱坐標表示信號幅值，幅值高低表示能量大小。

從圖4中提取不同養護周期下混凝土的頻譜信息，得到了主頻率及其對應幅值的變化規律，見圖5。圖5可以明確反映隨著養護周期的增加，縱波信號的幅值逐漸增大，說明通過混凝土的聲波信號能量增強，混凝土的性質逐漸變好。主頻率集中在300kHz附近說明本次試驗研究的混凝土的主頻率特征值為300kHz，這是區別于其他材料的一個特征。

4 ?結 ?論

通過對不同養護周期的混凝土進行超聲波檢測，得到了以下認識：

（1）混凝土的含水率隨著養護周期的增加而減小，縱波波速逐漸增大，養護初期含水率較大，表層水分散失，變化緩慢，隨著養護時間的增加，含水率變化速率加快，最后又趨于穩定;

（2）含水率與縱波波速呈線性關系，含水率越大，縱波波速越小;

（3）在混凝土養護過程中，水分逐漸喪失，穿過混凝土的聲波信號能量逐漸增加，說明混凝土完整性逐漸變好，強度逐漸增加。

參考文獻

[1]劉保東，李鵬飛，李林，等. 混凝土含水率對強度影響的試驗[J]. 北京交通大學學報，2011，35（1）：9-12.

[2]馮德成，魏文鼎，詹蘇濤. 橋面水泥混凝土含水率對防水層粘結性能的影響[J]. 公路交通科技，2013，30（5）：47-51.

[3]張海燕，把多鐸. 混凝土含水率對碳化深度影響的試驗[J]. 水利水電科技進展，2007，27（S2）：92-93.

[4]閆國亮，趙慶新. 含水率對受損混凝土超聲波波速的影響[J]. 無損檢測，2009，31（1）：48-49.

[5]沙玲，杜時貴，陳龍珠. 不同檢測方法對混凝土波速的影響研究[J]. 工程地質學報，2007，15（1）：124-128.

[6]李美利，錢覺時，王立霞，等. 混凝土養護效果電阻率評價法探索[J]. 建筑材料學報，2011，14（4）：473-477.

[7]江萬哲，章成廣. 時頻分析方法在聲波測井信息提取中的應用[J]. 石油天然氣學報，2005，27（6）：736-738.

[8]楊慧娟，曲喜強，韓焱. 基于小波變換的聲波信號包絡提取[J]. 中北大學學報：自然科學版，2004，25（4）：300-302.

（作者單位：1. 甘肅省建筑科學研究院）