凍融循環下水泥砂漿超聲回彈綜合法試驗研究

王浩渺，盧曉春，陳 飛

(三峽大學水利與環境學院，湖北 宜昌 443002)

凍融破壞將引起水工建筑物混凝土大面積的由表至里的剝蝕，且主要發生在水位變化區、溢流面、消力池等，嚴重威脅著大壩運行安全[1-3]。砂漿是水工三級配混凝土的最主要的組成部分，其抗凍性能直接影響混凝土的各項性能，并且凍融循環對混凝土的損傷主要體現在對內部水泥漿體的破壞。通過結合回彈法和超聲波檢測法2種方法的優點對服役中的水工建筑物進行強度檢測，具有較小的誤差和較高的檢測精度[4-6]。超聲回彈法已漸漸取代單一的超聲法和回彈法并成為無損檢測領域中最常用方法之一[7]。

近幾年超聲回彈法在國內的應用研究較為廣泛。楊文慧[8]分析了不同輕骨料取代率和粉煤灰摻量對超聲波速和回彈值的影響規律。張顯軍[9]探究了混凝土粗骨料的品種和材質、混凝土的含水率、養護方法對超聲回彈綜合法測強有影響。

然而，盡管超聲回彈法被廣泛應用于混凝土無損檢測方面，但大多數研究偏向于考慮混凝土配合比、養護環境以及及材料組成等影響因素[10-13]，但對于遭受凍融損傷后混凝土的無損檢測尚沒有明確的結論。因此，針對混凝土凍融破壞的研究雖然廣泛且考慮變量較多，但很少有針對無損檢測這一角度出發評價混凝土的強度變化。本文對3種不同水灰比(水灰比分別為0.35、0.45和0.55)的砂漿試件進行了0、25、50、75、100、125次凍融試驗，對損傷試件進行無損測試。建立了測強曲線，證明了超聲回彈綜合法對凍融循環下砂漿的適用性，可為其他服役環境中混凝土強度的無損檢測提供參考。

1 試驗設計

1.1 試驗設備

Pundit Lab超聲波檢測儀，HDK-9凍融機，WAW-Y1000C型萬能試驗機，宇通時代YT225W全自動數字式回彈儀。

1.2 試驗試件

為開展水工三級配混凝土對應的濕篩混凝土砂漿的抗凍性研究，用砂漿試件反映濕篩混凝土的抗凍性能，試件配合比見表1。

表1 每立方米砂漿配合比

水泥材料物理性能、化學組成符合標準[14]的相關規定。試件的配合比按照表1進行，只是在澆筑時剔除粗骨料，其他原材料不變，所成型的試件均是砂漿試件。所成型的試件均是150 mm×150 mm×150 mm砂漿試件，分為3組，分別用于測量抗壓強度、超聲波波速及回彈值。試件澆筑完成后盡快轉移到標準養護室，2 h后抹面，24 h之后拆模，編組排號后在標準養護室養護到90 d。

1.3 測試過程

凍融試驗按照《水工混凝土試驗規程》中抗凍性能試驗的“快凍法”進行。每次凍融循環要求控制在3～4 h內完成[15]。進行0、25、50、75、100、125次凍融循環之后，分別測量超聲回彈指標，進行抗壓力學性能試驗。超聲測點布置見圖1，回彈測點布置見圖2。

圖1 超聲測點布置

圖2 回彈測點布置

2 結果分析

2.1 水灰比對超聲波波速的影響

不同水灰比下砂漿試件凍融后的波速損失率Δv與凍融次數n之間的關系(圖3)。從圖3可以看出，在經歷相同凍融損傷的情況下，水灰比依次增大的M1、M2、M3三者的損傷程度依次增大；說明在經歷相同凍融損傷的情況下，水灰比依次增大的M1、M2、M3三者的耐凍性依次減弱。M3組經歷50次凍融循環后的損傷程度已經相當于M1組經歷125次的損傷程度，M3經歷100次凍融循環后的損傷程度已經相當于M2組經歷125次的損傷程度。

圖3 超聲波波速損失率與凍融循環次數的關系

這是由于隨著凍融次數的增加，砂漿試件內部的孔隙逐漸由微小、獨立變得連通和擴大，形成的裂縫導致超聲波速下降較快。

整理數據，本實驗中的變量包括水灰比w和凍融次數n，為了探究超聲波速vn與它們之間的相關關系，可設三者之間的函數解析式為：vn=(e1+e2+e3w)2,利用Excel軟件進行多元回歸分析，可以得到系數e1、e2、e3。故所求vn與水灰比w和凍融次數n之間的函數解析式，得到：

vn=7.031+0.001n-10.67w-0.012nw+4.47×10-6n2+9.652w2

(1)

式(1)相關系數達0.998 6，結果對比分析見表2。通過計算結果與試驗測試值進行比較，兩者差距較小，擬合度較好，因此式(1)可以對不同水灰比砂漿凍融后的波速進行預測。

表2 凍融循環下超聲波檢測成果比較

2.2 水灰比對回彈值的影響

不同水灰比下砂漿試件凍融后的回彈值損失率Δr與凍融次數n之間的關系(圖4)。由圖4可知，在經歷相同凍融損傷的情況下，水灰比依次增大的M1、M2、M3三者的損傷程度依次增大；說明在經歷相同凍融損傷的情況下，水灰比依次增大的M1、M2、M3三者的耐凍性依次減弱；其中，M3組經歷50次凍融循環后的損傷程度已經相當于M1組經歷125次的損傷程度，而M3經歷100次凍融循環后的損傷程度已經相當于M2組經歷125次的損傷程度。

圖4 回彈值損失率與凍融循環次數的關系

對于同一組試件，強度越高，那么它所對應的回彈值也越高。結合凍融后砂漿外觀的變化后發現，經歷75次凍融循環后，水灰比最大的M3組的表層已經脫落，其部分棱角已經出現脫落甚至內部出現斷裂，此時的回彈值損失率達到17%，回彈值為22.6。M1、M2的回彈損失率大致呈拋物線形式上升，而M3的回彈率則大致呈線性上升。

這是由于回彈值的大小很大程度取決于試件表層質量狀況。而隨著凍融循環次數的遞增，砂漿試件內部的孔隙中的游離水隨外界環境溫度的不斷變化而出現凍結和融化，由此而產生的孔隙擴展形成裂縫，產生了由表及里的剝蝕會極大地影響回彈值。

整理數據，整理數據采用2.1節相同的方法，得到：

Rn=63.733+0.005n-121.679w-0.106nw-5.99×10-6n2+100.054w2

(2)

式(2)相關系數達0.995 6，結果對比分析見表3。

表3 凍融循環下回彈值檢測成果比較

通過計算結果與試驗測試值進行比較，兩者差距較小，擬合度較好，因此上式可以對不同水灰比砂漿凍融后的回彈值進行預測。

2.3 超聲回彈綜合法測強曲線

本實驗通過采用CECS 02:2005《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術規程》中專用曲線所使用的冪函數曲線的數學模型來確立抗壓強度與兩者之間的相關關系。根據CECS 02:2005《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術規程》附錄A中標明的方法，對抗壓強度f、超聲波速V、回彈值R進行多元誤差分析及回歸分析。通過兩邊取對數轉化為線性形式。進行數據處理的軟件為Excel程序，用其進行多元回歸分析求得常數項A、回歸系數B、C的取值，得到了凍融循環下水泥砂漿的超聲回彈綜合法測強曲線：

f=1.0942V1.0668R0.6575

(3)

式(3)相關系數達0.998 0，結果對比分析見表4。

表4 凍融循環下測強曲線結果對比分析

3 結論

本文針對凍融循環作用下的混凝土，開展了超聲波檢測以及抗壓測試，并建立了強度與波速的關系。主要得到以下結論。

a) 在凍融循環次數相同的情況下，超聲波波速損失率以及回彈值損失率與水灰比呈正相關趨勢，且規律良好，證明超聲波回彈綜合法對水灰比范圍內(從0.35增至0.55)砂漿的適用性良好。

b) 采用超聲波回彈法檢測凍融作用下的混凝土強度，操作簡單可行。對比抗壓測試數據，得到的測強曲線誤差在3%以內，具有較高的可信度。

c) 通過超聲波回彈法測試凍融循環下的混凝土強度簡單可行，可為其他服役環境中混凝土強度的無損檢測提供參考。