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        縱波波速與混凝土坍落度及貫入阻力之間相關(guān)性試驗研究

        2020-07-07 06:26:44龍士國
        聲學(xué)技術(shù) 2020年3期
        關(guān)鍵詞:經(jīng)時縱波水灰比

        龍士國,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)

        0 引 言

        預(yù)拌混凝土在工程中的應(yīng)用越來越廣泛,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)攪拌出售并采用運輸車在規(guī)定時間運至使用地點[1]。與現(xiàn)場攪拌混凝土相比,預(yù)拌混凝土雖然節(jié)省了資源,減少了施工現(xiàn)場廢料的產(chǎn)生,但由于攪拌站和施工現(xiàn)場的距離,混凝土在運輸過程中,會造成坍落度的損失,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。實際工程中往往由于對坍落度損失考慮不周,在現(xiàn)場澆筑時,導(dǎo)致泵送或密實成型困難,從而影響施工效率和混凝土質(zhì)量,而目前對于混凝土坍落度的控制采用的是坍落度法。凝結(jié)時間是混凝土拌合物的一項重要指標(biāo),它對混凝土的攪拌、運輸、施工以及早齡期混凝土結(jié)構(gòu)開裂控制與風(fēng)險評估具有重要的參考和指導(dǎo)作用[2]。初凝、終凝時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,對應(yīng)于混凝土的初、終凝時間。無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。

        超聲波波速法是過去幾十年來發(fā)展的一種混凝土早期水化過程監(jiān)測方法。通過監(jiān)測超聲波速度隨時間的變化,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]。國內(nèi)外學(xué)者在利用超聲波監(jiān)測混凝土早期凝結(jié)硬化方面做了一系列工作。蘇安雙[4]利用NM-4A非金屬超聲檢測分析儀監(jiān)測了不同水灰比、不同礦物摻料等高性能混凝土的波速隨時間的變化關(guān)系,并將波速由快速增長轉(zhuǎn)為緩慢增長的時刻定義為漿體終凝時間。楊曉星[5]利用超聲波對早齡期混凝土凝結(jié)硬化過程進行了監(jiān)測,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)與初終凝時間聯(lián)系起來。Lu等[6]進行了實驗測試,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]類似,他們將超聲波速度的變化分為三個階段,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凝結(jié)硬化的過程,沒有在聲波波速與早期混凝土經(jīng)時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,而橫波無法傳播,因此在監(jiān)測混凝土凝結(jié)硬化過程時,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。對今后預(yù)拌混凝土坍落度控制以及初凝、終凝時間的確定具有一定的參考價值。

        1 試驗方案

        1.1 試驗原材料

        (1) 水泥。根據(jù)試驗的需要,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) 細骨料。砂子的選取應(yīng)該滿足GB/T 14684-2011《建筑用砂》[8]的要求。

        (3) 粗骨料。顆粒級配為5~20 mm連續(xù)級配,粒型為不規(guī)則的多邊形。其各項指標(biāo)符合GB/T 14685-2011《建設(shè)用卵石、碎石》[9]的要求。

        (4) 水。實驗所用的水為湘潭地區(qū)來自于湘江的自來水。

        1.2 試樣配比與制備

        試驗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,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臺上,開啟振動臺,設(shè)置振動時間為60 s。振動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。

        表1 不同水灰配合比的混凝土Table1 Concrete mixture with different water-cement ratios

        1.3 測試原理和裝置

        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。為減小壁對聲波傳播的影響,在試模中心兩側(cè)處挖一個直徑為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,然后固定試驗裝置。試驗裝置如圖1所示,利用多功能聲波測試儀對聲波信號進行采集和分析。當(dāng)對硬化混凝土結(jié)構(gòu)進行健康監(jiān)測時,因為硬化混凝土的聲衰減系數(shù)較低,采用頻率20 kHz以上的超聲波效果非常好。然而,對于新拌的混凝土,聲波在傳播過程中衰減系數(shù)非常大,信號隨著測試頻率的增加而降低[8]。尤其在前幾個小時內(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得第一個波形,其間大概經(jīng)歷了30 min,以此時時間作為0時,從采集到的第一個波形開始將數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)置成每30 min一次。

        圖1 試驗裝置圖Fig.1 Test device diagram

        2 試驗結(jié)果與分析

        2.1 縱波波速變化規(guī)律

        不同齡期混凝土縱波波速如圖2所示。其中波速v的計算是由波傳播的距離L以及接收到第一個波形的時間t確定,在這里取L=10 cm,波速計算公式為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,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;(2) 根據(jù)Keating等[10]和Sayers等[11]的觀點,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從1 500 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),聲波穿過水泥漿體與骨料之間時,由于兩者聲阻抗的不同,會不斷地發(fā)生反射、折射,這也是造成波速比較低的另一個原因。

        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,其縱波波速增長分別為33.3%、34.1%和32.9%,縱波波速變化較小,主要是因為此階段處于水泥水化反應(yīng)的潛伏期,此時水化反應(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)。而隨著時間的進行,水灰比為0.40、0.50和0.60的混凝土縱波波速的增長呈現(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。一方面是因為水泥加水拌合后,水灰比大的其固相顆粒的含量比水灰比小的要少。另一方面是因為水灰比的增加,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。

        2.2 混凝土經(jīng)時坍落度與經(jīng)時坍落度損失率

        坍落度是指混凝土的和易性,具體來說是保證施工的正常進行,其中包括混凝土的保水性、流動性以及粘聚性,坍落度的測試主要采用坍落度法。測試方法如下:用一個上口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高度,即為坍落度。隨著時間的延遲,混凝土拌合物中的水泥水化,坍落度值將逐漸減小,這個過程稱為坍落度損失,坍落度的損失值與初始坍落度的比值稱為坍落度經(jīng)時損失率。

        圖3為不同水灰比的混凝土坍落度經(jīng)時損失曲線。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。隨著時間的延長,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) 因為水泥的水化反應(yīng),吸收和蒸發(fā)消耗了較多的拌合用水。(2) 因為粗細骨料的吸水作用使得拌合水減少。(3) 因為水泥水化產(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,較難運動,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),同一時刻,水灰比越大,坍落度越大,這主要是因為當(dāng)水泥量一定時,用水量越大時,骨料可以被水覆蓋,使得砂石之間有較好的潤滑。同時水泥漿體越稠,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)時損失率曲線。

        不同水灰比混凝土的坍落度損失率隨時間的延長而增加,時間越長,坍落度損失率就越大,并且在同一時間,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)時損失率達到了68%,大于水灰比為0.50時的61.43%和水灰比為0.60時的57.65%。

        圖3 不同水灰比經(jīng)時坍落度曲線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)時損失率曲線Fig.4 Variations of the concrete slump loss rate with time for different water-cement ratios

        2.3 混凝土拌合物初終凝時間的確定

        通常情況下,可以用貫入阻力法來確定初凝、終凝時間。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后開始進行貫入度試驗,測試前將筒底側(cè)墊高約50 mm,使筒傾斜一定角度以吸去表面泌水。測試時將筒置于測試平臺上讀取砂漿與筒的合重作為基數(shù),然后將測針與砂漿表面接觸,按動貫入阻力儀的手柄,緩慢加壓約10 s,使得測針貫入砂漿深度為25 mm時讀取表盤壓力值,此值減去砂漿與筒的合重后即為貫入壓力(F)。從測得第一個貫入阻力值后,以后每隔30 min測一次貫入阻力值,如此反復(fù)直至貫入阻力大于28 MPa為止。

        貫入阻力值的計算公式為

        式中:P為貫入阻力(MPa);F為貫入深度達25 mm時的壓力;S為貫入測針截面積(mm2)。

        以貫入阻力為縱坐標(biāo),時間為橫坐標(biāo),繪制貫入阻力與時間關(guān)系曲線,以3.5 MPa及28 MPa畫兩條平行橫坐標(biāo)的直線,直線與曲線交點橫坐標(biāo)即為初凝與終凝時間。不同水灰比時貫入阻力與時間關(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,說明在時間一定時,所對應(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,但其值相差并不大,即水灰比相差不大的情況下,初凝和終凝時間都比較接近。隨著水灰比的增加,同一時刻的貫入阻力值減小,混凝土的凝結(jié)時間呈現(xiàn)出增長的趨勢。從圖5中可以看出,混凝土的凝結(jié)時間隨著水灰比的增大,凝結(jié)時間有所延長。當(dāng)水灰比從0.40增至0.60時,初凝時間從4.51 h延長到6.23 h,延長了38.14%;終凝時間從7.96 h延長到9.12 h,延長了14.57%。這主要是因為隨著水灰比提高,單位混凝土拌合物中用水量增加,水泥顆粒相對濃度下降,水泥熟料水化反應(yīng)產(chǎn)物需較長時間在漿體中累計達到一定濃度,從而導(dǎo)致混凝土凝結(jié)時間延遲[14]。

        圖5 不同水灰比時貫入阻力與時間關(guān)系圖Fig.5 The relationship between concrete penetration resistance and time for different water-cement ratios

        2.4 混凝土縱波波速與經(jīng)時坍落度之間關(guān)系

        為了更好說明縱波波速與坍落度之間的關(guān)系,對水灰比為0.40、0.50和0.60時的縱波波速與坍落度之間關(guān)系選擇合適的曲線進行擬合,采用二次函數(shù)進行擬合:

        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,隨著時間的增長,坍落度損失率與波速之間具有負相關(guān)關(guān)系,且相關(guān)系數(shù)R2達到了0.980以上。

        圖6 水灰比為0.40時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

        對于水灰比為0.40時的混凝土拌合物,擬合結(jié)果為

        對于水灰比為0.50時的混凝土拌合物,擬合結(jié)果為

        對于水灰比為0.60時的混凝土拌合物,擬合結(jié)果為

        2.5 縱波波速與混凝土經(jīng)時坍落度損失率之間關(guān)系

        為了更好地說明縱波波速與混凝土經(jīng)時坍落度損失率之間的關(guān)系,對水灰比為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行擬合,主要采用二次函數(shù)進行擬合:

        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達到了0.980以上。

        對于水灰比為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

        對于水灰比為0.50的混凝土拌合物,其擬合結(jié)果為

        對于水灰比為0.60的混凝土拌合物,擬合結(jié)果為

        2.6 縱波波速與貫入阻力關(guān)系

        混凝土拌合物不同時間波速與貫入阻力之間并沒有統(tǒng)一的理論關(guān)系,本文依據(jù)混凝土不同時間波速與貫入阻力關(guān)系曲線,采用冪函數(shù)模型進行擬合,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,相關(guān)系數(shù)R2均在0.950以上。

        圖12 水灰比為0.40時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

        3 結(jié) 論

        (1) 混凝土固化時,縱波波速隨時間增長而不斷變大,并且在同一時間,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,波速增長分別為33.3%、34.1%、32.9%;

        (2) 隨著時間的增長,不同水灰比的混凝土坍落度都明顯呈減小的趨勢,并且時間越長,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到60%以上;

        (3) 貫入阻力法測得的初凝、終凝時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,初凝時間從4.51 h延長到6.23 h,延長了38.14%;終凝時間從7.96 h延長到9.12 h,延長了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) 通過建立混凝土不同時間縱波波速與貫入阻力的關(guān)系,并采用冪函數(shù)模型進行擬合,發(fā)現(xiàn)波速與貫入阻力間擬合效果良好。

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