王浩渺，盧曉春，陳 飛

(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)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(fā)生在水位變化區(qū)、溢流面、消力池等，嚴(yán)重威脅著大壩運(yùn)行安全[1-3]。砂漿是水工三級(jí)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(xiàng)性能，并且凍融循環(huán)對(duì)混凝土的損傷主要體現(xiàn)在對(duì)內(nèi)部水泥漿體的破壞。通過(guò)結(jié)合回彈法和超聲波檢測(cè)法2種方法的優(yōu)點(diǎn)對(duì)服役中的水工建筑物進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)，具有較小的誤差和較高的檢測(cè)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(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中最常用方法之一[7]。

近幾年超聲回彈法在國(guó)內(nèi)的應(yīng)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(duì)超聲波速和回彈值的影響規(guī)律。張顯軍[9]探究了混凝土粗骨料的品種和材質(zhì)、混凝土的含水率、養(yǎng)護(hù)方法對(duì)超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)有影響。

然而，盡管超聲回彈法被廣泛應(yīng)用于混凝土無(wú)損檢測(cè)方面，但大多數(shù)研究偏向于考慮混凝土配合比、養(yǎng)護(hù)環(huán)境以及及材料組成等影響因素[10-13]，但對(duì)于遭受凍融損傷后混凝土的無(wú)損檢測(cè)尚沒(méi)有明確的結(jié)論。因此，針對(duì)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(duì)無(wú)損檢測(cè)這一角度出發(fā)評(píng)價(jià)混凝土的強(qiáng)度變化。本文對(duì)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(jìn)行了0、25、50、75、100、125次凍融試驗(yàn)，對(duì)損傷試件進(jìn)行無(wú)損測(cè)試。建立了測(cè)強(qiáng)曲線，證明了超聲回彈綜合法對(duì)凍融循環(huán)下砂漿的適用性，可為其他服役環(huán)境中混凝土強(qiáng)度的無(wú)損檢測(cè)提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

Pundit Lab超聲波檢測(cè)儀，HDK-9凍融機(jī)，WAW-Y1000C型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，宇通時(shí)代YT225W全自動(dòng)數(shù)字式回彈儀。

1.2 試驗(yàn)試件

為開展水工三級(jí)配混凝土對(duì)應(yīng)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(xué)組成符合標(biāo)準(zhǔn)[14]的相關(guān)規(guī)定。試件的配合比按照表1進(jìn)行，只是在澆筑時(shí)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(cè)量抗壓強(qiáng)度、超聲波波速及回彈值。試件澆筑完成后盡快轉(zhuǎn)移到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，2 h后抹面，24 h之后拆模，編組排號(hào)后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)到90 d。

1.3 測(cè)試過(guò)程

凍融試驗(yàn)按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中抗凍性能試驗(yàn)的“快凍法”進(jìn)行。每次凍融循環(huán)要求控制在3～4 h內(nèi)完成[15]。進(jìn)行0、25、50、75、100、125次凍融循環(huán)之后，分別測(cè)量超聲回彈指標(biāo)，進(jìn)行抗壓力學(xué)性能試驗(yàn)。超聲測(cè)點(diǎn)布置見圖1，回彈測(cè)點(diǎn)布置見圖2。

圖1 超聲測(cè)點(diǎn)布置

圖2 回彈測(cè)點(diǎn)布置

2 結(jié)果分析

2.1 水灰比對(duì)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(shù)n之間的關(guān)系(圖3)。從圖3可以看出，在經(jīng)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(shuō)明在經(jīng)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(jīng)歷50次凍融循環(huán)后的損傷程度已經(jīng)相當(dāng)于M1組經(jīng)歷125次的損傷程度，M3經(jīng)歷100次凍融循環(huán)后的損傷程度已經(jīng)相當(dāng)于M2組經(jīng)歷125次的損傷程度。

圖3 超聲波波速損失率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

這是由于隨著凍融次數(shù)的增加，砂漿試件內(nèi)部的孔隙逐漸由微小、獨(dú)立變得連通和擴(kuò)大，形成的裂縫導(dǎo)致超聲波速下降較快。

整理數(shù)據(jù)，本實(shí)驗(yàn)中的變量包括水灰比w和凍融次數(shù)n，為了探究超聲波速vn與它們之間的相關(guān)關(guān)系，可設(shè)三者之間的函數(shù)解析式為：vn=(e1+e2+e3w)2,利用Excel軟件進(jìn)行多元回歸分析，可以得到系數(shù)e1、e2、e3。故所求vn與水灰比w和凍融次數(shù)n之間的函數(shù)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(guān)系數(shù)達(dá)0.998 6，結(jié)果對(duì)比分析見表2。通過(guò)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試值進(jìn)行比較，兩者差距較小，擬合度較好，因此式(1)可以對(duì)不同水灰比砂漿凍融后的波速進(jìn)行預(yù)測(cè)。

表2 凍融循環(huán)下超聲波檢測(cè)成果比較

2.2 水灰比對(duì)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(shù)n之間的關(guān)系(圖4)。由圖4可知，在經(jīng)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(shuō)明在經(jīng)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(jīng)歷50次凍融循環(huán)后的損傷程度已經(jīng)相當(dāng)于M1組經(jīng)歷125次的損傷程度，而M3經(jīng)歷100次凍融循環(huán)后的損傷程度已經(jīng)相當(dāng)于M2組經(jīng)歷125次的損傷程度。

圖4 回彈值損失率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

對(duì)于同一組試件，強(qiáng)度越高，那么它所對(duì)應(yīng)的回彈值也越高。結(jié)合凍融后砂漿外觀的變化后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷75次凍融循環(huán)后，水灰比最大的M3組的表層已經(jīng)脫落，其部分棱角已經(jīng)出現(xiàn)脫落甚至內(nèi)部出現(xiàn)斷裂，此時(shí)的回彈值損失率達(dá)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(zhì)量狀況。而隨著凍融循環(huán)次數(shù)的遞增，砂漿試件內(nèi)部的孔隙中的游離水隨外界環(huán)境溫度的不斷變化而出現(xiàn)凍結(jié)和融化，由此而產(chǎn)生的孔隙擴(kuò)展形成裂縫，產(chǎn)生了由表及里的剝蝕會(huì)極大地影響回彈值。

整理數(shù)據(jù)，整理數(shù)據(jù)采用2.1節(jié)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(guān)系數(shù)達(dá)0.995 6，結(jié)果對(duì)比分析見表3。

表3 凍融循環(huán)下回彈值檢測(cè)成果比較

通過(guò)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試值進(jìn)行比較，兩者差距較小，擬合度較好，因此上式可以對(duì)不同水灰比砂漿凍融后的回彈值進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.3 超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)曲線

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)采用CECS 02:2005《超聲回彈綜合法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》中專用曲線所使用的冪函數(shù)曲線的數(shù)學(xué)模型來(lái)確立抗壓強(qiáng)度與兩者之間的相關(guān)關(guān)系。根據(jù)CECS 02:2005《超聲回彈綜合法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》附錄A中標(biāo)明的方法，對(duì)抗壓強(qiáng)度f(wàn)、超聲波速V、回彈值R進(jìn)行多元誤差分析及回歸分析。通過(guò)兩邊取對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化為線性形式。進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的軟件為Excel程序，用其進(jìn)行多元回歸分析求得常數(shù)項(xiàng)A、回歸系數(shù)B、C的取值，得到了凍融循環(huán)下水泥砂漿的超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)曲線：

f=1.0942V1.0668R0.6575

(3)

式(3)相關(guān)系數(shù)達(dá)0.998 0，結(jié)果對(duì)比分析見表4。

表4 凍融循環(huán)下測(cè)強(qiáng)曲線結(jié)果對(duì)比分析

3 結(jié)論

本文針對(duì)凍融循環(huán)作用下的混凝土，開展了超聲波檢測(cè)以及抗壓測(cè)試，并建立了強(qiáng)度與波速的關(guān)系。主要得到以下結(jié)論。

a) 在凍融循環(huán)次數(shù)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(guān)趨勢(shì)，且規(guī)律良好，證明超聲波回彈綜合法對(duì)水灰比范圍內(nèi)(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(cè)凍融作用下的混凝土強(qiáng)度，操作簡(jiǎn)單可行。對(duì)比抗壓測(cè)試數(shù)據(jù)，得到的測(cè)強(qiáng)曲線誤差在3%以內(nèi)，具有較高的可信度。

c) 通過(guò)超聲波回彈法測(cè)試凍融循環(huán)下的混凝土強(qiáng)度簡(jiǎn)單可行，可為其他服役環(huán)境中混凝土強(qiáng)度的無(wú)損檢測(cè)提供參考。