龍士國(guó),余 高,劉 佩,李 婷
(湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,湖南湘潭411105)
預(yù)拌混凝土在工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,其是由水泥、骨料、水,外加劑及摻合料按照一定比例混合的混凝土拌合物,在集中攪拌站經(jīng)攪拌出售并采用運(yùn)輸車(chē)在規(guī)定時(shí)間運(yùn)至使用地點(diǎn)[1]。與現(xiàn)場(chǎng)攪拌混凝土相比,預(yù)拌混凝土雖然節(jié)省了資源,減少了施工現(xiàn)場(chǎng)廢料的產(chǎn)生,但由于攪拌站和施工現(xiàn)場(chǎng)的距離,混凝土在運(yùn)輸過(guò)程中,會(huì)造成坍落度的損失,尤其是在摻入外加劑和在高溫天氣的情況下,坍落度損失更為嚴(yán)重。實(shí)際工程中往往由于對(duì)坍落度損失考慮不周,在現(xiàn)場(chǎng)澆筑時(shí),導(dǎo)致泵送或密實(shí)成型困難,從而影響施工效率和混凝土質(zhì)量,而目前對(duì)于混凝土坍落度的控制采用的是坍落度法。凝結(jié)時(shí)間是混凝土拌合物的一項(xiàng)重要指標(biāo),它對(duì)混凝土的攪拌、運(yùn)輸、施工以及早齡期混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂控制與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有重要的參考和指導(dǎo)作用[2]。初凝、終凝時(shí)間的確定采用貫入阻力法,并規(guī)定貫入阻力為3.5 MPa和28 Mpa,對(duì)應(yīng)于混凝土的初、終凝時(shí)間。無(wú)論是坍落度法和貫入阻力法都受人為因素的影響,操作不便且未能很好地反映混凝土的特征。
超聲波波速法是過(guò)去幾十年來(lái)發(fā)展的一種混凝土早期水化過(guò)程監(jiān)測(cè)方法。通過(guò)監(jiān)測(cè)超聲波速度隨時(shí)間的變化,可以確定早期的物理化學(xué)反應(yīng)和隨后的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展[3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在利用超聲波監(jiān)測(cè)混凝土早期凝結(jié)硬化方面做了一系列工作。蘇安雙[4]利用NM-4A非金屬超聲檢測(cè)分析儀監(jiān)測(cè)了不同水灰比、不同礦物摻料等高性能混凝土的波速隨時(shí)間的變化關(guān)系,并將波速由快速增長(zhǎng)轉(zhuǎn)為緩慢增長(zhǎng)的時(shí)刻定義為漿體終凝時(shí)間。楊曉星[5]利用超聲波對(duì)早齡期混凝土凝結(jié)硬化過(guò)程進(jìn)行了監(jiān)測(cè),獲得了超聲波聲學(xué)參數(shù)與齡期之間的關(guān)系,將聲學(xué)參數(shù)與初終凝時(shí)間聯(lián)系起來(lái)。Lu等[6]進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,以研究混凝土攪拌成型后最初1 000 min內(nèi)超聲波速度的演變,與Kong等[7]類(lèi)似,他們將超聲波速度的變化分為三個(gè)階段,即:階段I,緩慢增加(休眠)階段;階段II,快速增加階段;階段III,穩(wěn)定階段。但這些研究涉及的基本上都是混凝土的整個(gè)凝結(jié)硬化的過(guò)程,沒(méi)有在聲波波速與早期混凝土經(jīng)時(shí)坍落度之間建立起聯(lián)系。超聲波分為橫波(S 波)和縱波(P 波),在早期時(shí)候混凝土被認(rèn)為是粘滯的懸浮體,這種情況下只有縱波可以傳播,而橫波無(wú)法傳播,因此在監(jiān)測(cè)混凝土凝結(jié)硬化過(guò)程時(shí),采用的是縱波。本文配置了不同水灰比的混凝土,研究了混凝土自攪拌振搗成型后12 h內(nèi)縱波波速的變化,與坍落度、坍落度損失率、貫入阻力建立起聯(lián)系,并分析了它們之間的關(guān)系。對(duì)今后預(yù)拌混凝土坍落度控制以及初凝、終凝時(shí)間的確定具有一定的參考價(jià)值。
(1) 水泥。根據(jù)試驗(yàn)的需要,選用湖南湘鄉(xiāng)棋梓橋水泥有限公司生產(chǎn)P·O42.5(旋窯)生產(chǎn)的硅酸鹽水泥。
(2) 細(xì)骨料。砂子的選取應(yīng)該滿(mǎn)足GB/T 14684-2011《建筑用砂》[8]的要求。
(3) 粗骨料。顆粒級(jí)配為5~20 mm連續(xù)級(jí)配,粒型為不規(guī)則的多邊形。其各項(xiàng)指標(biāo)符合GB/T 14685-2011《建設(shè)用卵石、碎石》[9]的要求。
(4) 水。實(shí)驗(yàn)所用的水為湘潭地區(qū)來(lái)自于湘江的自來(lái)水。
試驗(yàn)中采用的材料每立方米中的用量如表1所示,改變用水量以獲得不同的配合比。
配置的原材料采用二次投料法(預(yù)拌水泥砂漿法)攪拌,先將準(zhǔn)備好的水、水泥、砂子投入攪拌機(jī),充分?jǐn)嚢柚了嗌皾{均勻后,再投入石子攪拌得到均勻的混凝土。將攪拌均勻的混凝土放入試模中,將試模放在混凝土振動(dòng)臺(tái)上,開(kāi)啟振動(dòng)臺(tái),設(shè)置振動(dòng)時(shí)間為60 s。振動(dòng)的目的是減少混凝土內(nèi)部的空隙,使得混凝土各成分之間更加密實(shí)。
表1 不同水灰配合比的混凝土Table1 Concrete mixture with different water-cement ratios
裝混凝土的試模由亞克力板制成,內(nèi)部尺寸為100 mm×100 mm×300 mm,壁厚為5 mm。為減小壁對(duì)聲波傳播的影響,在試模中心兩側(cè)處挖一個(gè)直徑為35 mm,厚度為5 mm的圓孔,用透明膠布封住圓孔,在膠布上涂上黃油進(jìn)行耦合,使得換能器與混凝土拌合物接觸良好,然后固定試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)裝置如圖1所示,利用多功能聲波測(cè)試儀對(duì)聲波信號(hào)進(jìn)行采集和分析。當(dāng)對(duì)硬化混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)時(shí),因?yàn)橛不炷恋穆曀p系數(shù)較低,采用頻率20 kHz以上的超聲波效果非常好。然而,對(duì)于新拌的混凝土,聲波在傳播過(guò)程中衰減系數(shù)非常大,信號(hào)隨著測(cè)試頻率的增加而降低[8]。尤其在前幾個(gè)小時(shí)內(nèi),聲波的衰減更大,故本文中采用頻率為5 kHz的換能器。從水泥加水?dāng)嚢柚翜y(cè)得第一個(gè)波形,其間大概經(jīng)歷了30 min,以此時(shí)時(shí)間作為0時(shí),從采集到的第一個(gè)波形開(kāi)始將數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置成每30 min一次。
圖1 試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Test device diagram
不同齡期混凝土縱波波速如圖2所示。其中波速v的計(jì)算是由波傳播的距離L以及接收到第一個(gè)波形的時(shí)間t確定,在這里取L=10 cm,波速計(jì)算公式為v=L/t。由圖2可知,剛拌制的混凝土其縱波波速很低,甚至低于在空氣中的傳播速度340 m·s-1。這主要有兩方面的原因:(1) 根據(jù)Rapoport等[9]的觀點(diǎn),由于新拌混凝土中存在懸浮水泥顆粒,使得波的傳播路徑變長(zhǎng);(2) 根據(jù)Keating等[10]和Sayers等[11]的觀點(diǎn),這種現(xiàn)象是由于拌合水中有一定量的氣泡,或者水泥顆粒中存在的大量微小氣孔而夾雜著氣泡,空氣阻礙了波的傳播,使波的傳播路線復(fù)雜化。根據(jù)Harker等[12]的理論模型,可以證明空氣含量對(duì)新拌混凝土縱波波速的影響。空氣泡的存在嚴(yán)重影響縱波波速,混凝土拌合物中 1% 的含氣量可以將波速?gòu)? 500 m·s-1降低至200 m·s-1左右。另一方面,骨料、水泥漿體之間與水分離,很少聚集在一起,水泥漿體與骨料之間處于分離狀態(tài),聲波穿過(guò)水泥漿體與骨料之間時(shí),由于兩者聲阻抗的不同,會(huì)不斷地發(fā)生反射、折射,這也是造成波速比較低的另一個(gè)原因。
圖2 不同水灰比混凝土拌合物縱波波速變化圖Fig.2 Variations of the longitudinal wave velocity of concrete mixture with different water-cement ratios
在前3 h內(nèi),水灰比為0.40、0.50、0.60時(shí),其縱波波速增長(zhǎng)分別為33.3%、34.1%和32.9%,縱波波速變化較小,主要是因?yàn)榇穗A段處于水泥水化反應(yīng)的潛伏期,此時(shí)水化反應(yīng)程度較低,大部分水泥顆粒仍舊處于懸浮狀態(tài),未能與骨料之間形成連通結(jié)構(gòu)。而隨著時(shí)間的進(jìn)行,水灰比為0.40、0.50和0.60的混凝土縱波波速的增長(zhǎng)呈現(xiàn)了同樣的規(guī)律,縱波波速都逐漸增大,這是由于水泥的快速固化,材料從懸浮液的狀態(tài)變?yōu)槎嗫讖椥怨腆w的狀態(tài),混凝土逐漸固化,聲波的傳遞路徑由液相轉(zhuǎn)變成固相。水泥產(chǎn)物的體積顯著增加,這不僅使得大塊糊狀物致密化,而且使得界面過(guò)渡區(qū)致密化,并在水泥漿體和骨料之間形成良好的連接。在同一時(shí)刻,隨著水灰比的增大,縱波波速逐漸減小,這主要有兩方面原因。一方面是因?yàn)樗嗉铀韬虾?,水灰比大的其固相顆粒的含量比水灰比小的要少。另一方面是因?yàn)樗冶鹊脑黾?,使得水泥的用量更少,水泥漿體與骨料之間的連接更加疏松,孔隙更大。
坍落度是指混凝土的和易性,具體來(lái)說(shuō)是保證施工的正常進(jìn)行,其中包括混凝土的保水性、流動(dòng)性以及粘聚性,坍落度的測(cè)試主要采用坍落度法。測(cè)試方法如下:用一個(gè)上口100 mm、下口200 mm、高300 mm喇叭狀坍落度筒,分3次裝入混凝土,每次填裝后用搗錘沿筒壁均勻由外向內(nèi)擊25下,搗實(shí)后抹平。由于混凝土自重產(chǎn)生坍落現(xiàn)象,用筒高減去坍落后混凝土的最高點(diǎn)高度,即為坍落度。隨著時(shí)間的延遲,混凝土拌合物中的水泥水化,坍落度值將逐漸減小,這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為坍落度損失,坍落度的損失值與初始坍落度的比值稱(chēng)為坍落度經(jīng)時(shí)損失率。
圖3為不同水灰比的混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失曲線。由圖3可知,水灰比為0.40、0.50和0.60的混凝土經(jīng)過(guò)3 h后,坍落度損失分別為34 mm、43 mm和49 mm。其坍落度損失與起始坍落度有關(guān),起始值越大,其損失量也越大。隨著時(shí)間的延長(zhǎng),混凝土逐漸凝結(jié)硬化,坍落度不斷減少。主要有以下幾方面原因:(1) 因?yàn)樗嗟乃磻?yīng),吸收和蒸發(fā)消耗了較多的拌合用水。(2) 因?yàn)榇旨?xì)骨料的吸水作用使得拌合水減少。(3) 因?yàn)樗嗨a(chǎn)生的氫氧化鈣、水化硅酸鈣等水化產(chǎn)物,這些產(chǎn)物為針狀晶體,較難運(yùn)動(dòng),使新拌混凝土的黏度增大[13]。坍落度的大小與水灰比有關(guān),同一時(shí)刻,水灰比越大,坍落度越大,這主要是因?yàn)楫?dāng)水泥量一定時(shí),用水量越大時(shí),骨料可以被水覆蓋,使得砂石之間有較好的潤(rùn)滑。同時(shí)水泥漿體越稠,水泥漿體與骨料之間的摩擦力越小。
圖4為不同水灰比的混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失率曲線。
不同水灰比混凝土的坍落度損失率隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,時(shí)間越長(zhǎng),坍落度損失率就越大,并且在同一時(shí)間,水灰比越小,混凝土坍落度損失率就越大。從圖4中可以看出:水灰比為0.40的混凝土3 h后坍落度經(jīng)時(shí)損失率達(dá)到了68%,大于水灰比為0.50時(shí)的61.43%和水灰比為0.60時(shí)的57.65%。
圖3 不同水灰比經(jīng)時(shí)坍落度曲線Fig.3 Variations of the concrete slump degree with time for different water-cement ratios
圖4 不同水灰比坍落度經(jīng)時(shí)損失率曲線Fig.4 Variations of the concrete slump loss rate with time for different water-cement ratios
通常情況下,可以用貫入阻力法來(lái)確定初凝、終凝時(shí)間。用孔徑為5 mm的篩從塑性混凝土拌合物中篩取出砂漿,并拌合均勻,將溫度控制在(20±3)℃。2 h后開(kāi)始進(jìn)行貫入度試驗(yàn),測(cè)試前將筒底側(cè)墊高約50 mm,使筒傾斜一定角度以吸去表面泌水。測(cè)試時(shí)將筒置于測(cè)試平臺(tái)上讀取砂漿與筒的合重作為基數(shù),然后將測(cè)針與砂漿表面接觸,按動(dòng)貫入阻力儀的手柄,緩慢加壓約10 s,使得測(cè)針貫入砂漿深度為25 mm時(shí)讀取表盤(pán)壓力值,此值減去砂漿與筒的合重后即為貫入壓力(F)。從測(cè)得第一個(gè)貫入阻力值后,以后每隔30 min測(cè)一次貫入阻力值,如此反復(fù)直至貫入阻力大于28 MPa為止。
貫入阻力值的計(jì)算公式為
式中:P為貫入阻力(MPa);F為貫入深度達(dá)25 mm時(shí)的壓力;S為貫入測(cè)針截面積(mm2)。
以貫入阻力為縱坐標(biāo),時(shí)間為橫坐標(biāo),繪制貫入阻力與時(shí)間關(guān)系曲線,以3.5 MPa及28 MPa畫(huà)兩條平行橫坐標(biāo)的直線,直線與曲線交點(diǎn)橫坐標(biāo)即為初凝與終凝時(shí)間。不同水灰比時(shí)貫入阻力與時(shí)間關(guān)系圖如圖5所示。
從圖5可知,在早期的5 h內(nèi),3種不同水灰比混凝土的貫入阻力曲線靠得很近,說(shuō)明在時(shí)間一定時(shí),所對(duì)應(yīng)的貫入阻力值很接近。而后雖然3種不同水灰比混凝土的貫入阻力曲線靠得較遠(yuǎn),但其值相差并不大,即水灰比相差不大的情況下,初凝和終凝時(shí)間都比較接近。隨著水灰比的增加,同一時(shí)刻的貫入阻力值減小,混凝土的凝結(jié)時(shí)間呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)。從圖5中可以看出,混凝土的凝結(jié)時(shí)間隨著水灰比的增大,凝結(jié)時(shí)間有所延長(zhǎng)。當(dāng)水灰比從0.40增至0.60時(shí),初凝時(shí)間從4.51 h延長(zhǎng)到6.23 h,延長(zhǎng)了38.14%;終凝時(shí)間從7.96 h延長(zhǎng)到9.12 h,延長(zhǎng)了14.57%。這主要是因?yàn)殡S著水灰比提高,單位混凝土拌合物中用水量增加,水泥顆粒相對(duì)濃度下降,水泥熟料水化反應(yīng)產(chǎn)物需較長(zhǎng)時(shí)間在漿體中累計(jì)達(dá)到一定濃度,從而導(dǎo)致混凝土凝結(jié)時(shí)間延遲[14]。
圖5 不同水灰比時(shí)貫入阻力與時(shí)間關(guān)系圖Fig.5 The relationship between concrete penetration resistance and time for different water-cement ratios
為了更好說(shuō)明縱波波速與坍落度之間的關(guān)系,對(duì)水灰比為0.40、0.50和0.60時(shí)的縱波波速與坍落度之間關(guān)系選擇合適的曲線進(jìn)行擬合,采用二次函數(shù)進(jìn)行擬合:
式中:a、b、c為待定的回歸系數(shù),LS為坍落度。其擬合結(jié)果分別如圖6~8所示,可以看出,隨著時(shí)間的增長(zhǎng),坍落度損失率與波速之間具有負(fù)相關(guān)關(guān)系,且相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到了0.980以上。
圖6 水灰比為0.40時(shí)的縱波波速與坍落度關(guān)系圖Fig.6 The relationship between longitudinal wave velocity and slump degree of the concrete with water-cement ratio of 0.40
圖7 水灰比為0.50時(shí)的縱波波速與坍落度關(guān)系圖Fig.7 The relationship between longitudinal wave velocity and slump degree of the concrete with water-cement ratio of 0.50
圖8 水灰比為0.60時(shí)的縱波波速與坍落度關(guān)系圖Fig.8 The relationship between longitudinal wave velocity and slump degree of the concrete with water-cement ratio of 0.60
對(duì)于水灰比為0.40時(shí)的混凝土拌合物,擬合結(jié)果為
對(duì)于水灰比為0.50時(shí)的混凝土拌合物,擬合結(jié)果為
對(duì)于水灰比為0.60時(shí)的混凝土拌合物,擬合結(jié)果為
為了更好地說(shuō)明縱波波速與混凝土經(jīng)時(shí)坍落度損失率之間的關(guān)系,對(duì)水灰比為0.40、0.50和0.60的縱波波速與坍落度之間關(guān)系選擇合適的曲線進(jìn)行擬合,主要采用二次函數(shù)進(jìn)行擬合:
式中:d、e、f為待定的回歸系數(shù)。其擬合結(jié)果分別如圖9~11所示,從圖中可以看出,波速與坍落度損失率之間具有正相關(guān)關(guān)系,且相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到了0.980以上。
對(duì)于水灰比為0.40的混凝土拌合物,擬合結(jié)果為
圖9 水灰比為0.40時(shí)的縱波波速與坍落度損失率關(guān)系圖Fig.9 The relationship between longitudinal wave velocity and slump loss rate of the concrete with water-cement ratio of 0.40
圖10 水灰比為0.50時(shí)的縱波波速與坍落度損失率關(guān)系圖Fig.10 The relationship between longitudinal wave velocity and slump loss rate of the concrete with water-cement ratio of 0.50
圖11 水灰比為0.60時(shí)的縱波波速與坍落度損失率關(guān)系圖Fig.11 The relationship between longitudinal wave velocity and slump loss rate of the concrete with water-cement ratio of 0.60
對(duì)于水灰比為0.50的混凝土拌合物,其擬合結(jié)果為
對(duì)于水灰比為0.60的混凝土拌合物,擬合結(jié)果為
混凝土拌合物不同時(shí)間波速與貫入阻力之間并沒(méi)有統(tǒng)一的理論關(guān)系,本文依據(jù)混凝土不同時(shí)間波速與貫入阻力關(guān)系曲線,采用冪函數(shù)模型進(jìn)行擬合,即:
其中:v為縱波波速;P為貫入阻力;a、b分別為回歸系數(shù)。
圖12分別為不同水灰比波速與貫入阻力間的關(guān)系曲線,從圖12~14中可以看出,貫入阻力越大,縱波波速越大,呈現(xiàn)出冪指數(shù)增加的趨勢(shì),相關(guān)系數(shù)R2均在0.950以上。
圖12 水灰比為0.40時(shí)的縱波波速與貫入阻力關(guān)系圖Fig.12 The relationship between longitudinal wave velocity and penetration resistance of the concrete with water-cement ratio of 0.40
圖13 水灰比為0.50時(shí)的波速與貫入阻力關(guān)系圖Fig.13 The relationship between longitudinal wave velocity and penetration resistance of the concrete with water-cement ratio of 0.50
圖14 水灰比為0.60時(shí)的波速與貫入阻力關(guān)系圖Fig.14 The relationship between longitudinal wave velocity and penetration resistance of the concrete with water-cement ratio of 0.60
(1) 混凝土固化時(shí),縱波波速隨時(shí)間增長(zhǎng)而不斷變大,并且在同一時(shí)間,水灰比越小波速越大。前3 h內(nèi),縱波波速變化基本上很小,水灰比分別為0.40、0.50和0.60時(shí),波速增長(zhǎng)分別為33.3%、34.1%、32.9%;
(2) 隨著時(shí)間的增長(zhǎng),不同水灰比的混凝土坍落度都明顯呈減小的趨勢(shì),并且時(shí)間越長(zhǎng),坍落損失率越大。在前3 h,混凝土坍落度的損失率甚至可以達(dá)到60%以上;
(3) 貫入阻力法測(cè)得的初凝、終凝時(shí)間隨著水灰比的增大而增大,當(dāng)水灰比從0.40增至0.60時(shí),初凝時(shí)間從4.51 h延長(zhǎng)到6.23 h,延長(zhǎng)了38.14%;終凝時(shí)間從7.96 h延長(zhǎng)到9.12 h,延長(zhǎng)了14.57%。
(4) 縱波波速與混凝土坍落度之間具有正相關(guān)關(guān)系,而縱波波速與混凝土坍落度損失率之間卻是負(fù)相關(guān)關(guān)系。采用二次函數(shù)擬合更能反映縱波波速與坍落度以及與坍落度損失率之間的關(guān)系。
(5) 通過(guò)建立混凝土不同時(shí)間縱波波速與貫入阻力的關(guān)系,并采用冪函數(shù)模型進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)波速與貫入阻力間擬合效果良好。