鄧 立，張遠軍

(四川升拓檢測技術(shù)股份有限公司，成都 610045)

基于沖擊彈性波的水泥水化趨勢分析研究

鄧 立，張遠軍

(四川升拓檢測技術(shù)股份有限公司，成都 610045)

水泥的水化過程是一個非常復(fù)雜的化學(xué)物理過程，水化反應(yīng)進行的程度會直接影響混凝土結(jié)構(gòu)的性能，一直是科研工作者研究的重點。水泥水化程度是指一定時間內(nèi)水泥水化量與水泥完全水化量之比。采用基于沖擊彈性波的方法對20世紀90年代的混凝土大壩芯樣進行彈性波波速測試，并對芯樣進行抗壓試驗，同時調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)資料，結(jié)果表明該混凝土經(jīng)過長時間的水化反應(yīng)導(dǎo)致其抗壓強度與設(shè)計相比，都有很大的增長。因此，經(jīng)過研究提出通過對混凝土芯樣彈性波波速測試，可間接判斷混凝土中水泥水化反應(yīng)情況，為跟蹤混凝土內(nèi)水化反應(yīng)提供了宏觀手段。

水化反應(yīng)；沖擊彈性波；波速

引 言

混凝土作為土木工程中用量最大、用途最廣的一種建筑材料，在結(jié)構(gòu)的安全、可靠度和耐久性方面起絕對的作用，因此，對混凝土質(zhì)量的研究與控制是非常重要的。

一般混凝土在水泥配比拌合以后，水將水泥顆粒包裹，水泥表面的礦物成分將與水發(fā)生相關(guān)水化反應(yīng)[1]，并產(chǎn)生水化熱[2]。水化反應(yīng)的快慢程度決定混凝土早期強度，同時也影響混凝土早期水化熱的強弱。

水泥混凝土的各項性能的發(fā)展均是基于水泥水化過程開始的，水化機制直接影響水化速率，并影響著混凝土的各項物理力學(xué)性能的發(fā)展。相關(guān)研究表明[3]，對混凝土結(jié)構(gòu)的強度指標測試可評定混凝土的抗破壞性能。

近年來，沖擊-回波無損檢測技術(shù)在混凝土無損檢測中扮演著重要角色。在水工混凝土結(jié)構(gòu)檢測應(yīng)用中，沖擊彈性波(P波)波速被普遍用于評定混凝土的質(zhì)量、強度及內(nèi)部缺陷等。吳家曄等在彈性波方面的研究表明，彈性波波速與混凝土的強度及彈性模量之間存在一定的相關(guān)關(guān)系[4-5]，但不同彈性波波速所對應(yīng)的混凝土強度關(guān)系不盡相同。

本文在綜合目前常用混凝土檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了采用沖擊彈性波的波速分析評定混凝土結(jié)構(gòu)在不同時期的抗破壞性能，同時可以分析水泥水化作用過程對混凝土性能的影響趨勢，為進一步研究28天后混凝土強度的變化趨勢提供依據(jù)。

1 水泥水化反應(yīng)

水泥的水化反應(yīng)是指水泥中各組分物質(zhì)與水所起的化合作用，及各物質(zhì)從無水狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楹Y(jié)合水狀態(tài)的反應(yīng)過程，其包含水解和水合反應(yīng)兩個階段。水化反應(yīng)過程極其復(fù)雜，反應(yīng)數(shù)目眾多，各個反應(yīng)可以大致分為化學(xué)反應(yīng)和物理化學(xué)反應(yīng)兩種。

水泥的水化反應(yīng)過程是水泥發(fā)揮其各項效能的基礎(chǔ)，正確地認知水泥的水化反應(yīng)對充分發(fā)揮水泥效能，選擇合適的水泥使用條件，解決現(xiàn)代混凝土在生產(chǎn)運營中各種問題具有十分重要的意義。

混凝土質(zhì)量隨著水泥生產(chǎn)技術(shù)的進步而提升，其28天強度大有改觀，能滿足水泥標準的相關(guān)評定標準，但28天后強度如何發(fā)展，并未給予相應(yīng)規(guī)定[6]。

現(xiàn)有大量檢測結(jié)果表明[7]，隨著時間的增長，傳統(tǒng)水泥的水化作用程度也有一定的增加。如：1995年利用已經(jīng)經(jīng)過抗壓試驗的試塊修筑小路，并在其上用5 cm的水泥砂漿壓光抹平。10年后，將試塊取出，并結(jié)合10年前的原始記錄，對試塊進行測試，發(fā)現(xiàn)較完整的試塊，強度增大幅度很大。部分完整試塊數(shù)據(jù)見表1。

表1 混凝土試壓強度比較

表1數(shù)據(jù)表明，隨著時間的繼續(xù)增長，同一試塊在水化作用的繼續(xù)反應(yīng)下，其試塊抗壓強度增長明顯，增長率甚至可達100%及以上?？箟簭姸鹊脑黾?，表征一定程度上水泥混凝土的水化程度增加。

近年來，國內(nèi)外已有大量學(xué)者對純水泥體系中的水泥水化程度做了相應(yīng)研究，并形成一些比較成熟的理論和相對可行方法，如：水化熱法、化學(xué)結(jié)合水法等[8]。但這些測試表征方法，均存在一些局限性：

(1)水化熱法雖對純水泥體系的早期水化程度有很好的表征效果，但該方法不適于長齡期水泥水化程度的測試。

(2)化學(xué)結(jié)合水法也僅適合于純水泥體系中水化程度的研究。

對于水泥基復(fù)合型體系的長齡期水化程度研究[9]，由于傳統(tǒng)研究分析方法自身不足，且沖擊彈性波檢測技術(shù)在混凝土無損檢測中扮演著重要的角色，沖擊彈性波波速被廣泛用于評定混凝土的質(zhì)量，強度和內(nèi)部缺陷等，為此，可根據(jù)彈性波波速對水泥水化程度進行一定表征。

2 沖擊彈性波檢測技術(shù)

吳佳曄[10]等根據(jù)檢測所用的信號媒質(zhì)不同，將混凝土無損檢測技術(shù)分為沖擊彈性波(包括沖擊、彈性波、超聲波、AE)/誘導(dǎo)振動、電磁波/電磁誘導(dǎo)、紅外線譜、放射線等方法。其中沖擊彈性波/誘導(dǎo)振動、電磁波/電磁誘導(dǎo)在工程現(xiàn)場無損檢測中應(yīng)用最廣泛。

沖擊彈性波能夠直接反映材料的力學(xué)特性，是工程檢測中最常用的媒介之一，沖擊彈性波通過沖擊錘或電磁擊振裝置沖擊產(chǎn)生，具有擊振能量大、操作簡單、便于頻譜分析等特點，是一種非常適合工程無損檢測的媒介。

沖擊彈性波已廣泛應(yīng)用于混凝土無損檢測中，如基礎(chǔ)工程中常用的低應(yīng)變法測樁長，LU X B[11]提出的沖擊回波法測試混凝土動彈性模量。彈性波有易于產(chǎn)生，且擊振能量大、操作簡單、便于頻譜分析等特點，也很適合應(yīng)用于混凝土強度分析。

評價混凝土質(zhì)量的指標有很多，但最重要的指標是其軸心抗壓強度Sc和彈性模量Ec。其中，軸心抗壓強度Sc一般采用立方體標準試件測得，概念明確，試件的測試方法較為簡單，應(yīng)用最為廣泛。但對于實體結(jié)構(gòu)，難以直接測試其強度?；炷恋膹椥阅Ａ繘Q定了結(jié)構(gòu)的變形特性，而且與強度、耐久性均有非常密切的關(guān)系。

采用沖擊彈性波作為測試媒介，通過測試彈性波的波速，據(jù)此計算材料的動切線彈性模量和推算相應(yīng)的混凝土彈性模量Ec，進而根據(jù)Ec與抗壓強度的相關(guān)關(guān)系推算混凝土的抗壓強度。其核心在于精確地測試混凝土材料的彈性模量Ec。

重復(fù)反射法(沖擊回波法，也稱IE法)：在被測混凝土結(jié)構(gòu)的壁厚已知的前提下，利用彈性波的重復(fù)反射，可測出彈性波在被測混凝土試件的傳播時間和彈性波波速，從而計算出混凝土的彈性模量，進而能夠推算混凝土的強度指標。該方法也稱“沖擊回波法”，具有測試效率高、測試結(jié)果客觀性強的特點，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

針對構(gòu)件(試件)的形狀與測試的位置，該方法又可分為縱向測試與橫向測試：

(1)縱向測試：測試彈性波的傳播/反射方向與結(jié)構(gòu)的長軸平行(如基樁)。

(2)橫向測試：測試彈性波的傳播/反射方向與結(jié)構(gòu)的短軸平行(如樓板)。

波速Vpr可由板厚H與反射時間Tr求出：

3 彈性波應(yīng)用

應(yīng)相關(guān)單位邀請委托，對修建于20世紀90年代的四川省某大型水壩進行混凝土取芯及混凝土芯樣彈性波波速/部分力學(xué)性能測試，據(jù)提供資料，該大壩壩體設(shè)計強度為C25。

現(xiàn)場測試采用沖擊回波法對所取芯樣進行波速測試，現(xiàn)場測試如圖1所示，測試結(jié)果見表2。

圖1 現(xiàn)場測試圖

表2 芯樣彈性波波速/部分力學(xué)性能

根據(jù)測試結(jié)果表明：

(1)混凝土經(jīng)過20年后，混凝土的強度存在不同程度的增長，均大于C25的設(shè)計強度，混凝土強度增長均在50%以上。

(2)根據(jù)彈性波波速與水泥土強度關(guān)系的試驗研究[12]，對彈性波波速與強度擬合出相關(guān)曲線(圖2)。

圖2 彈性波波速與強度關(guān)系圖

通過對P波波速的測試，能夠準確反應(yīng)混凝土強度的變化；同時根據(jù)相關(guān)關(guān)系，可推算其他未壓載試件的強度均一定程度上大于設(shè)計強度。

(3)波速測試結(jié)果分析，經(jīng)過近30年的時間，混凝土強度(波速)的增長與其所處的環(huán)境(上游干燥區(qū)、水位變化區(qū)、上游水下區(qū))關(guān)系不明顯。

4 原因分析

為了深入分析混凝土的強度變化的原因，業(yè)內(nèi)研究者對不同時期的混凝土試件進行持續(xù)一百年的強度測試[13]。

始建于1897年的小樽港，在建設(shè)初期制作了6萬多個試件，放在海水中、大氣中、淡水中分別進行長期耐久性試驗，試驗結(jié)果表明，三者的長期強度發(fā)展趨勢基本一致，其中，試件在自然的大氣環(huán)境中存放30～40年強度達到最高，大約提高100%，然后逐年下降，存放95年，強度從最高點下降約40%，但仍高于28天強度20%，表明早期混凝土的強度壽命在百年以上，水化反應(yīng)過程持續(xù)周期長，使其混凝土后期強度滿足結(jié)構(gòu)長期耐久性的使用。

現(xiàn)代混凝土使用的水泥大部分為“瘦身水泥”，造成混凝土水化過程過早完成。具體特征大致為兩個方面：一是水泥顆粒粒徑越來越小，比表面積增大[14]。二是用礦物摻合料[15]替代部分水泥以后，單位體積中的水泥用量越來越少，而礦物摻合料用量越來越多。

據(jù)相關(guān)研究表明[16]，熟料顆粒的水化程度有相應(yīng)規(guī)律：與組成相同的普通波特蘭水泥相比，微細水泥在2 h前的水化活性顯著提高，隨著水泥顆粒粒徑的變化增大，強度達到50%所需的時間相應(yīng)會增加。造成微細化水泥水化速率提高的原因有[17]：

(1)比表面積大幅增加，相應(yīng)的與水接觸的面積增加，礦物質(zhì)溶解迅速。

(2)微細化過程造成比表面積增加的同時，顆粒表面的組分更利于水化。

(3)在微細化過程中可能發(fā)生了選擇性粉磨效應(yīng)，從而造成在微小顆粒中反應(yīng)活性高的物質(zhì)含量相對富余。

(4)大量應(yīng)用礦物摻合料及有機化學(xué)外加劑[18]等，也是影響水泥水化反應(yīng)的重要因素。

5 結(jié) 論

(1)水泥水化反應(yīng)是一個相對持續(xù)的過程，在不同的影響環(huán)境下，其反應(yīng)程度隨時間的增長不盡相同；沖擊彈性波能夠高效便捷地對水泥水化作用程度進行檢測，并區(qū)分不同的水化作用程度。

(2)水泥水化反應(yīng)過程是相當復(fù)雜的過程，很難準確地跟蹤反應(yīng)研究。利用沖擊回波法對混凝土波速進行測試，可以大致把握混凝土水化反應(yīng)進行的程度，判斷混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的“自愈能力”。根據(jù)相關(guān)研究，混凝土具有很強的自愈能力，其來源就是混凝土中水泥水化反應(yīng)的持續(xù)能力。

(3)為了使混凝土具有較強的“自愈能力”，明確影響水泥水化反應(yīng)的因素非常有必要。其中原材料的影響是不可忽略的，原材料本身具有的性質(zhì)對水化反應(yīng)的進行具有復(fù)雜的影響，需進一步進行機理研究。

(4)沖擊彈性波作為無損檢測媒介，具有易于產(chǎn)生、能量強、適用范圍廣等特征，可方便地對混凝土波速進行跟蹤測試，對研究混凝土內(nèi)部水泥的水化反應(yīng)速度提供了重要手段。

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Trend Analysis of Cement Hydration Based on Impact Elastic Wave

DENGLi,ZHANGYuanjun

(Sichuan Central Inspection Technology Inc., Chengdu 610045, China)

The hydration process of cement is a very complicated chemical and physical process. The performance of concrete structure will be directly affected by the degree of hydration reaction which has been the focus of scientific researchers. The degree of hydration of cement refers to the ratio of the amount of cement hydration to the amount of cement in a certain period of time. The method in this paper is based on impact elastic wave of last century 90s concrete dam core samples for elastic wave velocity test and compression test of core samples, and relevant literatures at home and abroad. The results show that after a long time of hydration reaction, the compressive strength of concrete has greatly increased compared with the design. Therefore, by studying the elastic wave velocity test of concrete core sample, the hydration reaction of cement in concrete can be indirectly judged, which provides a macroscopic means for tracking the hydration reaction of concrete.

hydration reaction; impact elastic wave; wave velocity

2017-06-19

四川省科技廳項目(2016GFW0137)

鄧 立(1992-)，男，四川中江人，助理工程師，主要從事沖擊彈性波無損檢測方面的研究，(E-mail)1036885296@qq.com

1673-1549(2017)04-0064-05

10.11863/j.suse.2017.04.12

TU4

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