復摻硅粉纖維砼超聲非線性系數(shù)研究

劉子睿

(重慶交通大學河海學院 重慶 400074)

隨著無損檢測技術的發(fā)展，超聲檢測在檢測混凝土損傷方面的應用越來越多。區(qū)別于依靠聲速，幅值等宏觀參數(shù)來表征材料損傷的傳統(tǒng)超聲檢測技術，非線性超聲檢測技術得到的非線性系數(shù)對混凝土在早期形成的微損傷的檢測更為敏感[1-3]。在水利工程中，施工單位常在水工混凝土中摻入硅粉或纖維，提升砼的抗沖磨性能。因此，本文對復摻硅粉及纖維后對混凝土超聲非線性系數(shù)的影響做了相關試驗研究，為水工混凝土質量檢測提供一定的理論依據(jù)。

一、超聲非線性系數(shù)

根據(jù)現(xiàn)有的研究，材料的超聲非線性系數(shù)與傳播時超聲波基波幅值以及二次諧波幅值有關，具體公式如下，

可用此參數(shù)來描述材料的非線性聲學特性，式中，A2為二次諧波幅值，A1為基波幅值，x為超聲波傳播距離，k與材料特性有關。

二、試驗概況

(一)試塊制備

本試驗中，我們在各組試塊中添加纖維或硅粉，具體纖維種類為聚丙烯纖維，摻量為0.05%(體積比)[4]，即0.45kg/m3。硅粉摻量為膠凝材料用量的10%，并在拌和時添加減水劑，摻量為膠凝材料用量的1%。試驗共設4組配合比，各組摻入外加劑情況如下表所示。

表1 各組試塊摻入外加劑情況

混凝土強度按C30設計, 水泥種類為普通硅酸鹽水泥，強度等級為32.5，細骨料為中砂，粗骨料為5～20mm粒徑碎石，拌和用水取自實驗室自來水。水∶水泥∶細骨料∶粗骨料的比例為0.38∶1∶1.41∶1.71，試塊尺寸為100mm立方體，澆筑完畢脫模后置于養(yǎng)護箱中28d，每3個試塊為一組。

(二)試驗儀器

圖1 非線性超聲檢測試驗

超聲波檢測儀器為產(chǎn)自康科瑞公司的非金屬超聲檢測分析儀，具體型號為NM-4A，發(fā)射端采用中心頻率為50KHz的壓電式平面縱波窄帶換能器，接收端則選用帶寬更寬的中心頻率為100KHz的壓電式平面縱波寬帶換能器，換能器與試塊之間用白凡士林耦合。

三、試驗結果及分析

考慮到混凝土材料的隨機性及非線性，為更好地分析試驗結果，本實驗對各組3個試塊的超聲非線性系數(shù)β(下文簡稱為非線性系數(shù))取平均值。實驗將超聲波時域數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換以得到相應的頻域曲線，由此提取基波幅值及二次諧波幅值，并根據(jù)上文公式計算非線性系數(shù)β。

基于上述測試系統(tǒng)與試驗安排，各組試塊非線性系數(shù)如下圖所示：

圖2 各組試塊非線性系數(shù)

摻入聚丙烯纖維的B組試塊非線性系數(shù)明顯高于普通混凝土A組。在混凝土中，存在骨料本身的微裂縫、水泥基體硬化之后水分散失形成的孔隙、水泥基體與骨料粘結界面的縫隙等，在摻入纖維后，與鋼筋在混凝土中發(fā)揮的作用類似，纖維本身幾乎不參與水化反應，其在混凝土中發(fā)揮作用是通過與水泥基體之間產(chǎn)生的粘結，在宏觀上可以增強材料的抗拉強度、韌性及抗裂性能等。然而，我們在現(xiàn)有對纖維混凝土進行電鏡掃描以探究其細觀結構的研究中發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維與水泥砂漿的粘結程度并不好，甚至在某些區(qū)域幾乎無粘結作用[5]。拌和混凝土時，纖維與集料均會在表面上形成一層水膜，大約有幾十微米厚(厚度與水灰比有關)，導致水膜的水灰比高于水泥基體本身，水化完成后，此層水膜便會形成更多的孔隙呈疏松網(wǎng)狀結構，進而降低纖維與水泥基體粘結力[6]。故根據(jù)摻入聚丙烯纖維后，便意味著引入了更多的微裂縫，微損傷程度增加，超聲波在試塊中傳播時產(chǎn)生更多的反射繞射等行為，試驗結果就呈現(xiàn)為非線性系數(shù)增大。

摻入硅粉的C組試塊非線性系數(shù)低于普通混凝土A組。摻入混凝土中的硅粉作為膠凝材料，在拌和過程中，主要發(fā)揮的是火山灰效應和微填料效應[7]，與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2發(fā)生反應，生成C—S—H凝膠，且強度高于前者。此外，硅粉顆粒的粒徑小于水泥各組分的粒徑，優(yōu)化了混凝土內(nèi)部顆粒級配，同時具有更活潑的化學性質，故使得混凝土的水化反應更完全，宏觀上，強度及耐久性得到加強。微觀上，骨料與水泥基體粘結更加緊密[8]，相比于普通混凝土，微損傷程度降低，故非線性系數(shù)也減小。

四、結論

在混凝土中摻入聚丙烯纖維，引入了更多的微損傷導致材料超聲非線性系數(shù)增大；在混凝土中摻入硅粉，可以加強骨料與水泥基體之間的粘結，減小材料內(nèi)部的微裂縫尺度及數(shù)量，損傷程度減小，導致材料超聲非線性系數(shù)減小；從非線性系數(shù)的數(shù)量關系來看，前者比后者對混凝土非線性系數(shù)影響更大。