C30 早強混凝土自然碳化聲波響應信號特征的分析

■曹潔梅 林愛萍

（福建船政交通職業學院，福州 350007）

混凝土被廣泛應用于道路橋梁、工業與民用建筑等工程領域。 隨著混凝土技術的發展，利用早強水泥拌制混凝土，具有早期強度高，后期強度持續增長，凝結時間可調，耐久性好等優點，其工程實用價值和意義重大， 應是今后的重點發展方向之一。但幾乎所有的混凝土表面都處在碳化的過程中，進而造成混凝土的堿度下降[1]，碳化已是影響混凝土耐久性的重要因素。 混凝土的碳化使鋼筋鈍化膜遭到破壞，伴隨著水和空氣等因素的共同作用，碳化深度超過鋼筋保護層厚度時使鋼筋產生銹蝕，甚至構件的截面減小、承載能力降低，最終將使結構構件破損或者失效[2]。 另外，大氣中CO2的濃度呈現逐年上升的趨勢，必將加劇混凝土的碳化，給鋼筋混凝土結構的安全性和耐久性帶來更為不利的影響[3]，因此研究混凝土的碳化規律及檢測方法十分必要。 本文采用酚酞試劑法和超聲波法對自然碳化的混凝土進行檢測， 分析聲波參數與碳化深度的關系， 以便更有效地評估預測早強混凝土碳化深度變化規律。

1 混凝土碳化機理

和普通混凝土一樣，早強混凝土也是將4 種水泥熟料礦物硅酸三鈣C3S(3CaO·SiO2)、硅酸二鈣C2S(2CaO·SiO2)、鐵鋁酸四鈣C4AF(4CaO·Al2O3·Fe2O3)和鋁酸三鈣C3A(3CaO·Al2O3)等與水反應，生成氫氧化鈣Ca(OH)2晶體和水化硅酸鈣（3CaO·2SiO2·3H2O）膠體等，把砂、石子等松散物質粘結在一起，保溫保濕養護后形成的具有一定強度的人造石材。 相較普通水泥來說，早強水泥提高了C3S 含量，加快了水泥顆粒的水化反應。 混凝土硬化后其結構如圖1 所示，其中混凝土體積中水泥石約占25%，砂和石子占70%以上，孔隙和自由水占1%～5%。

圖1 硬化后混凝土結構

混凝土碳化是一個非常復雜的物理化學過程。大氣中的CO2通過孔隙向混凝土內部擴散，并溶解于孔隙內的液相。 CO2與溶解于孔隙水中的Ca(OH)2發生反應，生成CaCO3，且水化的硅酸鈣、未水化的硅酸三鈣、硅酸二鈣在有水分的條件下也參與碳化反應。 混凝土碳化的主要化學反應式如下[4]：

2 試驗材料

采用早強硅酸鹽水泥（P.O42.5R）、河砂、4.75～31.5 mm 連續級配碎石及飲用水拌制工程中常用的C30 混凝土，配合比為：水泥412 kg、水210 kg、砂子605 kg、石子1173 kg、水灰比0.51、立方體抗壓強度32.05 MPa。

3 混凝土碳化深度檢測

3.1 混凝土試件的制備與養護

3.1.1 混凝土拌合物攪拌

混凝土拌合物攪拌流程如圖2 所示。

圖2 混凝土拌制流程

3.1.2 混凝土制模

將新拌混凝土加入150 mm×150 mm×150 mm試模中，用振搗棒充分適當振搗，使得混凝土充分密實。 混凝土試件成型完畢后，將試件放置在平整背陰的地方，自然養護，持續養護至試驗時間。

3.2 碳化層與未碳化層聲波波場模擬

為了解不同介質中聲波的傳播特征，利用黏彈性聲波方程， 基于有限差分法完全匹配(perfectly matched layer ，PML）邊界條件，激發換能器采用雷克子波（圖3），對雙層介質進行聲波波場數值模擬。 震源位于中心， 以防PML 在對薄層介質、 震源位置靠近網格邊緣或者檢波器處于遠偏移距的模型的數值模擬效果不理想[5]。 震源主頻為30 Hz，采樣間隔為1 ms，空間采樣步長為5，初始時刻波場為0。

圖3 Ricker 子波波形圖

由圖4 可以看出，隨時間的推進，子波產生，然后逐漸衰減，波場能量向四周外推。 在同一介質中，聲波傳播至邊界產生反射， 當聲波遇到介質分界面，在介質界面產生反射。 從混凝土碳化反應機理分析，碳化部分和未碳化部分的結構和成分存在差異，造成介質聲阻抗差異，聲阻抗差異大時聲波傳播途徑發生變化。

圖4 聲波波場快照

3.3 碳化深度實驗

自然條件下混凝土的碳化試驗，能真實地反映結構在環境中的碳化情況，但碳化時間較長，且自然條件下，空氣中CO2濃度為0.03%～0.04%，溫度和濕度時有變換，混凝土碳化深度的差異較大[6]。

試驗時，對混凝土試塊脫模，采用超聲波對測法檢測9 個混凝土試塊（編號為1～9）的密封未碳化面聲學狀況。 然后用酚酞酒精試劑法檢測自然碳化面碳化深度，用鑿子在碳化測試面開鑿一個直徑為15 mm，深度達到未碳化部分的孔洞，均勻噴灑酚酞酒精試劑。 混凝土碳化部分不變色，未碳化部分顯現為紫紅色，存在一個分界線，用直尺測讀3 次分界線至試件表面的垂直距離，取平均值，試驗數據如表1 所示。

表1 不同齡期混凝土聲波參數及碳化深度

一般情況下，混凝土構件強度越大，結構越致密，那么聲時越小，聲速越高，主頻和波幅穩定。 碳化深度檢測時，2.0 mm 是重要臨界值，《回彈法檢測混凝土抗壓強度枝術規程》（JGJ/T23-2011）中規定：當碳化深度值極差大于2.0 mm 時， 應在每一測區測量碳化深度值[7]。 從表中數據可以看出，養護31、36、41 d 后，混凝土碳化深度不超過2.0 mm。 碳化程度較小時，混凝土試塊3 個齡期內的各聲學參數均較穩定，未見明顯差異。

為了進一步驗證自然碳化時間對混凝土碳化深度的影響， 以碳化224 d 的2 個試塊為例進行分析。以試塊編號分別為D-1、D-2 混凝土碳化面作為測試面，測試混凝土碳化深度。用酚酞試劑法和超聲波法進行測試， 先用超聲儀在試件表面選擇較為平整的測試面， 在換能器上涂抹凡士林作為耦合劑，發射換能器T 耦合好保持不動，將接收換能器R 依次耦合在間距為30 mm 的測點1、2、3、4…位置上，讀取相應的聲時值t1、t2、t3、…，并測量每次T、R 內邊緣之間的距離L1、L2、L3、L4…，如圖5所示。

圖5 超聲法檢測示意圖

從表2 可知， 養護224 d 混凝土碳化深度為2.67～3.00 mm。 一方面，與養護早期混凝土相比，聲學參數相對降低，其中聲波速度大幅度降低。 原因在于混凝土均勻性、密實度、組成成分變化、測距等，導致混凝土波阻抗發生變化，波場模擬實驗發現這將改變聲波傳播途徑，進而可能使得接收信號聲時，振幅、主頻等參數在一定范圍內波動。 另一方面，試件在此碳化深度條件下，隨著測點距離增加，聲速增加，聲幅、主頻雖然存在波動，但較穩定。 一般而言，振幅和主頻對缺陷比較敏感，由此可推測混凝土碳化部分與未碳化部分存在差異，但差異較小，不存在明顯缺陷，說明應用超聲波反射規律來評估混凝土碳化深度具有可行性。

表2 養護224 d 混凝土聲波參數與碳化深度

4 結論

在本文的研究條件下，結合酚酞試劑法和超聲波法對C30 早強混凝土進行碳化深度測試。通過建立雙層介質模型模擬聲波傳播情況，當介質波阻抗發生變化，聲波在波阻抗界面將產生反射波。 實際試驗中，當試件碳化深度小于2.0 mm 時，聲速、幅度、主頻等參數，未見明顯差異。 當碳化深度超過2.0 mm，聲速大幅降低，振幅和主頻在一定范圍內波動，但較穩定。 由此可知碳化沒有導致混凝土產生明顯缺陷，應用超聲波反射規律來輔助評估混凝土碳化深度具有可行性。 可以預見，測試足夠數量樣本，加深對聲信號的分析和處理，將是提高碳化深度檢測質量的有效手段之一。