楊 巧，李富民，李晟文，王 輝

（1． 江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院， 江蘇 揚州 225100； 2． 中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116；3． 九州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程系， 江蘇 徐州 221116； 4． 揚州新?lián)P建工程建設(shè)有限公司 合約部， 江蘇 揚州 225100）

0 引 言

近年來，自密實混凝土因其獨特優(yōu)勢而逐漸廣泛應(yīng)用于各類工程中。強度是混凝土性能評價的重要指標(biāo)，已有研究指出自密實混凝土強度與其自身拌合物原材料有著密切的關(guān)系[1-6]，得出其抗壓強度與水膠比和齡期[7]、等效水膠比的函數(shù)關(guān)系[8]。上述研究主要針對強度的影響因素展開，而關(guān)于自密實混凝土強度與波速關(guān)系的研究較少。有學(xué)者對普通混凝土強度與波速關(guān)系進(jìn)行了試驗研究[9-11]，得出了一些結(jié)論。自密實混凝土雖與普通混凝土拌合物采用的原材料相同，但其具有礦物添加比高（需添加高效減水劑）、砂率較大、骨料粒徑小等特點[12]，其內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)與普通混凝土有明顯區(qū)別。因此，能否用超聲波無損檢測自密實混凝土強度，還需要進(jìn)一步驗證。

針對上述問題，本文配制了水膠比分別為0．52、0．48、0．44、0．40 的自密實混凝土試件，在養(yǎng)護齡期 7、14、28、56、84、112 d 時分別進(jìn)行波速與強度測試，探討了自密實混凝土強度與波速隨齡期變化的規(guī)律，分析了一定齡期內(nèi)不同水膠比自密實混凝土的強度與波速的關(guān)系，且進(jìn)行曲線模擬，以期為發(fā)展適應(yīng)本地區(qū)工程實際的自密實混凝土強度無破損檢測技術(shù)提供參考。

1 試驗材料及方法

1．1 材料

水泥為揚州產(chǎn)亞東牌 P·O 42．5 級，密度3 000 kg/m3，燒失量 4．88 %，初凝 200 min，終凝255 min，3 d、28 d 抗折強度 5．5 MPa、8．2 MPa，3 d、28 d 抗壓強度為 27．9 MPa、46．5 MPa；粉煤灰采用鎮(zhèn)江產(chǎn)Ⅰ級灰，細(xì)度10．0 %，燒失量2．4 %，三氧化硫 1．15 %，表觀密度為 2 520 kg/m3；S95 級礦粉流動度比為98 %，含水量為0．17 %，表觀密度為2 870 kg/m3；粗骨料采用粒徑5 ～16 mm 連續(xù)級配的石子，表觀密度為2 720 kg/m3，壓碎值為9．99 %；細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為 2．584 、Ⅱ級配區(qū)砂，表觀密度為2 330 kg/m3；減水劑選用聚羧酸高效PCA-9；拌和水選用本地自來水。

1．2 試驗方法

水膠比分別為 0．52、0．48、0．44、0．40，粉煤灰摻量23 %，礦粉摻量18 %，砂率48．8 %，高效減水劑1．1 %，按表1 的配合比配制試件，試件尺寸為100 mm×100 mm ×100 mm。待試件養(yǎng)護（標(biāo)養(yǎng)）7 d、14 d、28 d、56 d、84 d、112 d 時，取出進(jìn)行超聲波速測定，然后測試抗壓強度。超聲波速采用NM—4B—1609 儀器進(jìn)行對測法測試。

表1 自密實混凝土配合比 （kg/m3）

2 試驗結(jié)果及分析

2．1 性能測試結(jié)果

依據(jù)JGJ/T 283-2012《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》測試了拌合物的各項性能，結(jié)果如表2 所示。

表2 性能試驗測試結(jié)果

四組拌合物外觀性能均表現(xiàn)為均勻，不泌水。由表2 可見，每組坍落擴展度達(dá)SF2 等級，擴展時間T500達(dá)到VS1 等級，填充性能好；間隙通過性指標(biāo)達(dá)到PA1 等級；中邊差小于2 cm。表明砂率選取合理，粗細(xì)骨料相互分散得比較好。以上指標(biāo)均表征四組拌合物對于一般混凝土結(jié)構(gòu)適用。從U型箱試驗數(shù)據(jù)看，試件N4 的流動性和通過性能弱于前三組，原因可能是膠凝材料用量比例增加，使其黏性增大。

2．2 抗壓強度、波速試驗結(jié)果及分析

測試了 7 d、14 d、28 d、56 d、84 d、112 d 時試件的抗壓強度與超聲波速，結(jié)果如表3 所示。

表3 不同齡期時的自密實混凝土強度及超聲波速

2．2．1 強度與齡期的關(guān)系

不同水膠比試件的抗壓強度隨齡期變化趨勢見圖1。從圖1 可知，試件強度均隨齡期延長不斷增大，前期增加趨勢明顯，后期增加緩慢；當(dāng)養(yǎng)護齡期達(dá)84 d 后，其數(shù)值幾乎保持穩(wěn)定，112 d 與84 d 相比，強度最大增幅為 3．45%，最小僅增 0．6%；由于齡期112 d、水膠比0．48 的試件缺棱，且中間有馬蜂面，故其強度有所降低。

圖1 自密實混凝土抗壓強度隨齡期的變化趨勢

由表3 可知，在同一齡期時，水膠比為0．52、0．48 的試件強度相差甚微，相差最大是齡期112 d時，水膠比 0．48 試件強度比 0．52 低 7．87 %，最小是28 d 時，僅低0．57 %，且增長趨勢基本一致。試件 N3（0．44）、N4（0．40） 的強度比 N1（0．52）、N2（0．48）強度高，但四組試件表現(xiàn)出一致的特征，強度相差最大是齡期 14 d 時，試件 N4（0．40）比 N3（0．44）低 6．31%，最小的是養(yǎng)護齡期 56 d 時，僅低0．21%。由此可見，自密實混凝土受性能影響，強度對水膠比反應(yīng)沒有普通混凝土靈敏。試件的水膠比相差值小于0．04 時，低水膠比的自密實混凝土強度未必高。

2．2．2 超聲波速與齡期的關(guān)系

試件超聲波速隨齡期的變化趨勢見圖2。從圖2 可以看出：在齡期56 d 前，水膠比為0．48、0．44、0．40 的試件波速均隨齡期的延長不斷增大，之后波速開始大幅下降，至齡期84 d 后下降趨勢轉(zhuǎn)向平穩(wěn)；水膠比為0．52 的試件在養(yǎng)護齡期84 d前，超聲波速不斷增大，84 d 后則開始大幅下降。超聲波在水和空氣中傳播速度比在固體中慢，早期試件中膠凝材料水化不完全，孔隙中含水較多，而隨著養(yǎng)護齡期的延長，試件中膠凝材料漸漸水化，在此過程中不斷消耗水分，且水化產(chǎn)物不斷充實孔隙，與砂石包裹在一起，使試件內(nèi)部越來越密實[13]。因此，早期波速不斷增大，但56 d 后膠凝材料水化基本完成，水分被消耗，試件孔隙被空氣或水化產(chǎn)物填充，這時超聲波在試件中因遇到氣相、固相發(fā)生反射或繞射，導(dǎo)致波速下降[14]。

圖2 自密實混凝土超聲波速隨齡期的變化趨勢

由圖2 還可見，齡期56 d 內(nèi)，在同一齡期時，水膠比為 0．40 的試件波速比 0．44 的大，水膠比為0．48 的試件波速比 0．52 的大，但是齡期超過 56 d后，水膠比0．52 的試件波速最大。這是因為用水量相同，膠凝材料用量少，孔隙水被消耗需要更長時間，所以波速下降較滯后。

2．3 強度與超聲波速關(guān)系

從圖1、圖2 看出，同一養(yǎng)護齡期時，水膠比為 0．40、0．44 的試件強度高于水膠比為 0．48、0．52的試件強度，而波速不一定高于其；在養(yǎng)護齡期56 d 前，試件的強度與波速皆隨齡期延長而增大，56 d 后強度增長緩慢，波速降低。由此可見，在合適的齡期內(nèi)，強度與波速有顯著的內(nèi)在聯(lián)系。

考慮利用波速預(yù)測強度。為提高預(yù)測的精確性，對水膠比為0．52 的試件分析齡期84 d 內(nèi)的情況，其余試件分析齡期56 d 內(nèi)的情況?；诖?，模擬出各水膠比試件的超聲波速與抗壓強度之間的函數(shù)關(guān)系，如表4 所示。通過對比函數(shù)系數(shù)發(fā)現(xiàn)，不同水膠比的自密實混凝土函數(shù)模型相同，系數(shù)不同?？梢姰?dāng)波速相同時，不同的水膠比試件對應(yīng)的強度數(shù)值不同。因此，需要分別對不同強度等級的自密實混凝土做回歸方程。

表4 自密實混凝土超聲波速與抗壓強度之間的函數(shù)關(guān)系

圖3—5 分別為試件波速與強度之間函數(shù)關(guān)系的相關(guān)系數(shù)（R2）、調(diào)整后相關(guān)系數(shù)和均方根誤差。圖3 表明，不同水膠比的試件，二次函數(shù)的相關(guān)系數(shù)相對較好。為消除因增加自變量而高估R2，則引入調(diào)整后的R2，增加評判模擬曲線精度的準(zhǔn)確性。從圖 4 可見，試件 N 1（0．52）冪函數(shù)調(diào)整后相關(guān)系數(shù)最大；試件 N 2（0．48）、N4（0．40）則是指數(shù)函數(shù)調(diào)整后相關(guān)系數(shù)最大；試件N3（0．44）是線性函數(shù)調(diào)整后系數(shù)最大?？梢?，不同水膠比對應(yīng)最優(yōu)的擬合曲線不同。為驗證以上模擬精度的最優(yōu)值，計算各模擬曲線的均方根誤差，如圖5 所示，也驗證了上述結(jié)論。

圖3 波速與強度函數(shù)的相關(guān)系數(shù)

圖4 波速與強度函數(shù)調(diào)整后的相關(guān)系數(shù)

圖5 波速與強度函數(shù)的均方根誤差

圖6 不同水膠比試件波速與強度的函數(shù)關(guān)系模擬曲線

圖6 是不同水膠比試件波速與強度的函數(shù)關(guān)系模擬曲線。圖6 表明，四組試件的波速均隨強度的增加而增大，齡期14 d 內(nèi)和28 d 后相對增長速率高于齡期14～28 d。由于增長速率不一致，模擬曲線用一次性函數(shù)表示，精度不是最高。雖然不同水膠比試件強度與波速關(guān)系表現(xiàn)出了一致的特征，但在不同齡期階段強度與波速兩者相對關(guān)系變化速率不同，因此對于不同水膠比要用不同的模擬曲線來表征。

3 結(jié) 論

（1）受性能影響，自密實混凝土在水膠比相差小于0．04 時，低水膠比的強度未必高；強度隨著齡期延長不斷增大，初期增長速率較后期大，在齡期84 d 后，強度基本保持穩(wěn)定，增長較緩慢。前期由于粉煤灰與礦粉兩種摻量的物理與化學(xué)疊加效應(yīng)，促使強度增長迅速，但是在齡期56 d 后，兩種協(xié)同效應(yīng)影響力降低，水化反應(yīng)也基本完成，從而強度趨于穩(wěn)定[15]。

（2）自密實混凝土波速隨著齡期增長表現(xiàn)出先增加后下降特征；在齡期56 d 后，水膠比為0．48、0．44、0．40 的自密實混凝土波速開始下降；在齡期84 d 后，水膠比為0．52 的自密實混凝土波速開始下降。

（3）在一定齡期內(nèi)，不同水膠比的自密實混凝土的超聲波速與強度呈強相關(guān)性。建立無損模擬曲線方程，為預(yù)測適用本地區(qū)低水膠比自密實混凝土強度提供了理論支持，也為檢測加固工程中的自密實混凝土質(zhì)量提供了參考依據(jù)。

（4）波速隨強度增大而增大，但是由于水膠比不同，粉煤灰與礦粉用量不同，其對強度與波速的影響效應(yīng)不同，造成其在齡期14～28 d 時，波速隨著強度增長的速率明顯不同。因此，不同水膠比的自密實混凝土的模擬曲線不同：水膠比為0．52 的自密實混凝土以冪函數(shù)的擬合性最好；對于水膠比為 0．48、0．40 的自密實混凝土，用指數(shù)函數(shù)擬合最佳；水膠比為0．44 自密實混凝土，線性函數(shù)擬合最優(yōu)。