王瑋

摘要：混凝土的養(yǎng)護(hù)周期對(duì)其強(qiáng)度和耐久性具有很大的影響，而含水率是決定混凝土養(yǎng)護(hù)效果的一個(gè)重要因素。以標(biāo)準(zhǔn)塊狀混凝土為研究對(duì)象，測(cè)試了不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的縱波波速和含水率特征，并對(duì)縱波信號(hào)進(jìn)行了傅里葉變換，研究發(fā)現(xiàn)：（1）隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)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(xiàn)出了“S”型變化規(guī)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(guān)系，含水率越大，縱波波速越慢;（3）混凝土的養(yǎng)護(hù)是一個(gè)能量積累的過(guò)程，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，混凝土的強(qiáng)度逐漸增加。

關(guān)鍵詞：混凝土;養(yǎng)護(hù)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(jù)不同要求，進(jìn)一步進(jìn)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(yǎng)護(hù)一段時(shí)間，才能達(dá)到預(yù)定的強(qiáng)度。混凝土的養(yǎng)護(hù)歸根結(jié)底，就是水分散失，骨料硬化膠結(jié)的過(guò)程，因此在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，溫度、濕度對(duì)混凝土有非常重要的影響，混凝土的含水量決定了其強(qiáng)度特征。

基于此很多學(xué)者開(kāi)展了關(guān)于含水量對(duì)混凝土特征的影響研究。劉保東[1]等人，通過(guò)對(duì)不同尺寸的混凝土塊進(jìn)行自由浸泡吸水試驗(yàn)，得到了不同含水率的試件，并測(cè)試了抗壓強(qiáng)度，得到了含水率與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系;馮德成[2]等人認(rèn)為混凝土含水率對(duì)防水層的粘結(jié)性質(zhì)有一定的影響，開(kāi)展了相應(yīng)的直剪試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)隨著溫度和含水率的增加，防水層的抗剪強(qiáng)度逐漸降低;張海燕[3]等人研究了含水率對(duì)混凝土碳化深度的影響，研究發(fā)現(xiàn)，相比于空氣相對(duì)濕度，混凝土的含水率對(duì)碳化深度的影響更強(qiáng);閆國(guó)亮[4]等人，利用超聲波監(jiān)測(cè)手段，研究了含水率對(duì)混凝土的影響，研究發(fā)現(xiàn)，1.5%為界限含水率，當(dāng)含水率高于1.5%時(shí)，超聲波的響應(yīng)更為明顯;沙玲[5]等人，對(duì)比了超聲波法、低應(yīng)變法兩種混凝土樁基檢測(cè)方法，建立了二者的轉(zhuǎn)換關(guān)系;李美利[6]等人，通過(guò)電阻率法來(lái)測(cè)試混凝土的含水率，并以此來(lái)表征混凝土的養(yǎng)護(hù)效果。

目前超聲波法由于其無(wú)損、快捷的特點(diǎn)，已經(jīng)在巖土工程領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。超聲波可以探測(cè)到構(gòu)件內(nèi)部的裂隙、空洞，可以用于判斷構(gòu)件是否完整。很多研究局限于波速的變化，忽視了聲波信號(hào)中的其他有用信息，于是，一些學(xué)者通過(guò)對(duì)聲波信號(hào)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[7][8]，可以得到聲波能量在構(gòu)件中的變化規(guī)律，對(duì)評(píng)價(jià)混凝土的耐久性和結(jié)構(gòu)損傷程度具有很強(qiáng)的實(shí)踐價(jià)值。

本文在前人的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)不同養(yǎng)護(hù)周期的混凝土進(jìn)行超聲波檢測(cè)，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(yǎng)護(hù)過(guò)程中混凝土的能量變化規(guī)律，可用于評(píng)價(jià)混凝土的養(yǎng)護(hù)效果。

2 ?試驗(yàn)方法與儀器

分別稱取一定質(zhì)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(jìn)行養(yǎng)護(hù)，每隔4天測(cè)試一次聲波波速，并敲取部分試樣，測(cè)得其質(zhì)量后，置于105℃的烘箱中烘干24h，隨后測(cè)試烘干后質(zhì)量，最終通過(guò)計(jì)算得到試樣的含水率。

聲波波速測(cè)試儀器采用湖南湘潭市天鴻電子研究所生產(chǎn)的HS-SB1W型聲波測(cè)試儀，最高發(fā)射頻率為20MHz，可測(cè)量非金屬材料的縱波和橫波，本次試驗(yàn)測(cè)試了混凝土的縱波波速。在測(cè)試時(shí)，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(yàn)結(jié)果分析

按照相關(guān)建筑規(guī)范，一般混凝土的養(yǎng)護(hù)周期為28d，因此本次試驗(yàn)在第28d時(shí)終止。通過(guò)試驗(yàn)研究，得到了在不同的養(yǎng)護(hù)周期下混凝土的縱波波速和含水率的變化規(guī)律，如圖2所示。

從圖2中可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)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(zhǎng)，最終達(dá)到3800m/s。同時(shí)，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(shì)與縱波波速的變化趨勢(shì)相似，均經(jīng)過(guò)了初期穩(wěn)定變化階段、中期加速變化、后期穩(wěn)定3個(gè)階段。由此可知，含水率的降低，是導(dǎo)致縱波波速增加的一個(gè)原因。基于此，得到了含水率與縱波波速的關(guān)系曲線，如圖3所示。

在圖3的基礎(chǔ)上進(jìn)行了線性回歸，發(fā)現(xiàn)含水率與縱波波速呈一定的線性關(guān)系，含水率越高，縱波波速越小。這是由于聲波在傳播的過(guò)程中，發(fā)生了能量損耗。聲波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)中時(shí)，會(huì)發(fā)生反射、折射。并且縱波是一種彈性波，其本質(zhì)是壓縮產(chǎn)生能量并進(jìn)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(guò)程中，水會(huì)吸收大部分能量，造成波速降低。

聲波譜圖中蘊(yùn)含的信息非常多，僅靠波速來(lái)反映混凝土試樣的特征顯然具有局限性，因此參考一些學(xué)者的研究，本文利用傅里葉變換對(duì)縱波進(jìn)行進(jìn)一步分析。聲波信號(hào)是由不同頻率的信號(hào)迭加，傅里葉變換是一種濾波方法，可以將測(cè)得的聲波信號(hào)進(jìn)行拆分，得到不同頻率的原始信號(hào)，通過(guò)進(jìn)一步計(jì)算，可以得到物體的頻譜曲線，可用來(lái)反映不同頻率的信號(hào)特征。一般來(lái)講，高頻率的信號(hào)可以反映被測(cè)物體的共有性質(zhì)，低頻率的信號(hào)則可以表示被測(cè)物體的細(xì)節(jié)特征。在通過(guò)這些原始信號(hào)，可以得到被測(cè)物體的詳細(xì)信息。

通過(guò)Matlab軟件對(duì)不同養(yǎng)護(hù)周期下混凝土的縱波信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到了頻譜特征曲線，如圖4所示，橫坐標(biāo)表示信號(hào)頻率，縱坐標(biāo)表示信號(hào)幅值，幅值高低表示能量大小。

從圖4中提取不同養(yǎng)護(hù)周期下混凝土的頻譜信息，得到了主頻率及其對(duì)應(yīng)幅值的變化規(guī)律，見(jiàn)圖5。圖5可以明確反映隨著養(yǎng)護(hù)周期的增加，縱波信號(hào)的幅值逐漸增大，說(shuō)明通過(guò)混凝土的聲波信號(hào)能量增強(qiáng)，混凝土的性質(zhì)逐漸變好。主頻率集中在300kHz附近說(shuō)明本次試驗(yàn)研究的混凝土的主頻率特征值為300kHz，這是區(qū)別于其他材料的一個(gè)特征。

4 ?結(jié) ?論

通過(guò)對(duì)不同養(yǎng)護(hù)周期的混凝土進(jìn)行超聲波檢測(cè)，得到了以下認(rèn)識(shí)：

（1）混凝土的含水率隨著養(yǎng)護(hù)周期的增加而減小，縱波波速逐漸增大，養(yǎng)護(hù)初期含水率較大，表層水分散失，變化緩慢，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，含水率變化速率加快，最后又趨于穩(wěn)定;

（2）含水率與縱波波速呈線性關(guān)系，含水率越大，縱波波速越小;

（3）在混凝土養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，水分逐漸喪失，穿過(guò)混凝土的聲波信號(hào)能量逐漸增加，說(shuō)明混凝土完整性逐漸變好，強(qiáng)度逐漸增加。

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（作者單位：1. 甘肅省建筑科學(xué)研究院）