■曹潔梅 林愛萍

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州 350007）

混凝土被廣泛應(yīng)用于道路橋梁、工業(yè)與民用建筑等工程領(lǐng)域。 隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展，利用早強(qiáng)水泥拌制混凝土，具有早期強(qiáng)度高，后期強(qiáng)度持續(xù)增長，凝結(jié)時(shí)間可調(diào)，耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，其工程實(shí)用價(jià)值和意義重大， 應(yīng)是今后的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。但幾乎所有的混凝土表面都處在碳化的過程中，進(jìn)而造成混凝土的堿度下降[1]，碳化已是影響混凝土耐久性的重要因素。 混凝土的碳化使鋼筋鈍化膜遭到破壞，伴隨著水和空氣等因素的共同作用，碳化深度超過鋼筋保護(hù)層厚度時(shí)使鋼筋產(chǎn)生銹蝕，甚至構(gòu)件的截面減小、承載能力降低，最終將使結(jié)構(gòu)構(gòu)件破損或者失效[2]。 另外，大氣中CO2的濃度呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，必將加劇混凝土的碳化，給鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性帶來更為不利的影響[3]，因此研究混凝土的碳化規(guī)律及檢測方法十分必要。 本文采用酚酞試劑法和超聲波法對自然碳化的混凝土進(jìn)行檢測， 分析聲波參數(shù)與碳化深度的關(guān)系， 以便更有效地評估預(yù)測早強(qiáng)混凝土碳化深度變化規(guī)律。

1 混凝土碳化機(jī)理

和普通混凝土一樣，早強(qiáng)混凝土也是將4 種水泥熟料礦物硅酸三鈣C3S(3CaO·SiO2)、硅酸二鈣C2S(2CaO·SiO2)、鐵鋁酸四鈣C4AF(4CaO·Al2O3·Fe2O3)和鋁酸三鈣C3A(3CaO·Al2O3)等與水反應(yīng)，生成氫氧化鈣Ca(OH)2晶體和水化硅酸鈣（3CaO·2SiO2·3H2O）膠體等，把砂、石子等松散物質(zhì)粘結(jié)在一起，保溫保濕養(yǎng)護(hù)后形成的具有一定強(qiáng)度的人造石材。 相較普通水泥來說，早強(qiáng)水泥提高了C3S 含量，加快了水泥顆粒的水化反應(yīng)。 混凝土硬化后其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中混凝土體積中水泥石約占25%，砂和石子占70%以上，孔隙和自由水占1%～5%。

圖1 硬化后混凝土結(jié)構(gòu)

混凝土碳化是一個(gè)非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程。大氣中的CO2通過孔隙向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散，并溶解于孔隙內(nèi)的液相。 CO2與溶解于孔隙水中的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，生成CaCO3，且水化的硅酸鈣、未水化的硅酸三鈣、硅酸二鈣在有水分的條件下也參與碳化反應(yīng)。 混凝土碳化的主要化學(xué)反應(yīng)式如下[4]：

2 試驗(yàn)材料

采用早強(qiáng)硅酸鹽水泥（P.O42.5R）、河砂、4.75～31.5 mm 連續(xù)級配碎石及飲用水拌制工程中常用的C30 混凝土，配合比為：水泥412 kg、水210 kg、砂子605 kg、石子1173 kg、水灰比0.51、立方體抗壓強(qiáng)度32.05 MPa。

3 混凝土碳化深度檢測

3.1 混凝土試件的制備與養(yǎng)護(hù)

3.1.1 混凝土拌合物攪拌

混凝土拌合物攪拌流程如圖2 所示。

圖2 混凝土拌制流程

3.1.2 混凝土制模

將新拌混凝土加入150 mm×150 mm×150 mm試模中，用振搗棒充分適當(dāng)振搗，使得混凝土充分密實(shí)。 混凝土試件成型完畢后，將試件放置在平整背陰的地方，自然養(yǎng)護(hù)，持續(xù)養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)時(shí)間。

3.2 碳化層與未碳化層聲波波場模擬

為了解不同介質(zhì)中聲波的傳播特征，利用黏彈性聲波方程， 基于有限差分法完全匹配(perfectly matched layer ，PML）邊界條件，激發(fā)換能器采用雷克子波（圖3），對雙層介質(zhì)進(jìn)行聲波波場數(shù)值模擬。 震源位于中心， 以防PML 在對薄層介質(zhì)、 震源位置靠近網(wǎng)格邊緣或者檢波器處于遠(yuǎn)偏移距的模型的數(shù)值模擬效果不理想[5]。 震源主頻為30 Hz，采樣間隔為1 ms，空間采樣步長為5，初始時(shí)刻波場為0。

圖3 Ricker 子波波形圖

由圖4 可以看出，隨時(shí)間的推進(jìn)，子波產(chǎn)生，然后逐漸衰減，波場能量向四周外推。 在同一介質(zhì)中，聲波傳播至邊界產(chǎn)生反射， 當(dāng)聲波遇到介質(zhì)分界面，在介質(zhì)界面產(chǎn)生反射。 從混凝土碳化反應(yīng)機(jī)理分析，碳化部分和未碳化部分的結(jié)構(gòu)和成分存在差異，造成介質(zhì)聲阻抗差異，聲阻抗差異大時(shí)聲波傳播途徑發(fā)生變化。

圖4 聲波波場快照

3.3 碳化深度實(shí)驗(yàn)

自然條件下混凝土的碳化試驗(yàn)，能真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)在環(huán)境中的碳化情況，但碳化時(shí)間較長，且自然條件下，空氣中CO2濃度為0.03%～0.04%，溫度和濕度時(shí)有變換，混凝土碳化深度的差異較大[6]。

試驗(yàn)時(shí)，對混凝土試塊脫模，采用超聲波對測法檢測9 個(gè)混凝土試塊（編號為1～9）的密封未碳化面聲學(xué)狀況。 然后用酚酞酒精試劑法檢測自然碳化面碳化深度，用鑿子在碳化測試面開鑿一個(gè)直徑為15 mm，深度達(dá)到未碳化部分的孔洞，均勻噴灑酚酞酒精試劑。 混凝土碳化部分不變色，未碳化部分顯現(xiàn)為紫紅色，存在一個(gè)分界線，用直尺測讀3 次分界線至試件表面的垂直距離，取平均值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 不同齡期混凝土聲波參數(shù)及碳化深度

一般情況下，混凝土構(gòu)件強(qiáng)度越大，結(jié)構(gòu)越致密，那么聲時(shí)越小，聲速越高，主頻和波幅穩(wěn)定。 碳化深度檢測時(shí)，2.0 mm 是重要臨界值，《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度枝術(shù)規(guī)程》（JGJ/T23-2011）中規(guī)定：當(dāng)碳化深度值極差大于2.0 mm 時(shí)， 應(yīng)在每一測區(qū)測量碳化深度值[7]。 從表中數(shù)據(jù)可以看出，養(yǎng)護(hù)31、36、41 d 后，混凝土碳化深度不超過2.0 mm。 碳化程度較小時(shí)，混凝土試塊3 個(gè)齡期內(nèi)的各聲學(xué)參數(shù)均較穩(wěn)定，未見明顯差異。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證自然碳化時(shí)間對混凝土碳化深度的影響， 以碳化224 d 的2 個(gè)試塊為例進(jìn)行分析。以試塊編號分別為D-1、D-2 混凝土碳化面作為測試面，測試混凝土碳化深度。用酚酞試劑法和超聲波法進(jìn)行測試， 先用超聲儀在試件表面選擇較為平整的測試面， 在換能器上涂抹凡士林作為耦合劑，發(fā)射換能器T 耦合好保持不動(dòng)，將接收換能器R 依次耦合在間距為30 mm 的測點(diǎn)1、2、3、4…位置上，讀取相應(yīng)的聲時(shí)值t1、t2、t3、…，并測量每次T、R 內(nèi)邊緣之間的距離L1、L2、L3、L4…，如圖5所示。

圖5 超聲法檢測示意圖

從表2 可知， 養(yǎng)護(hù)224 d 混凝土碳化深度為2.67～3.00 mm。 一方面，與養(yǎng)護(hù)早期混凝土相比，聲學(xué)參數(shù)相對降低，其中聲波速度大幅度降低。 原因在于混凝土均勻性、密實(shí)度、組成成分變化、測距等，導(dǎo)致混凝土波阻抗發(fā)生變化，波場模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這將改變聲波傳播途徑，進(jìn)而可能使得接收信號聲時(shí)，振幅、主頻等參數(shù)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。 另一方面，試件在此碳化深度條件下，隨著測點(diǎn)距離增加，聲速增加，聲幅、主頻雖然存在波動(dòng)，但較穩(wěn)定。 一般而言，振幅和主頻對缺陷比較敏感，由此可推測混凝土碳化部分與未碳化部分存在差異，但差異較小，不存在明顯缺陷，說明應(yīng)用超聲波反射規(guī)律來評估混凝土碳化深度具有可行性。

表2 養(yǎng)護(hù)224 d 混凝土聲波參數(shù)與碳化深度

4 結(jié)論

在本文的研究條件下，結(jié)合酚酞試劑法和超聲波法對C30 早強(qiáng)混凝土進(jìn)行碳化深度測試。通過建立雙層介質(zhì)模型模擬聲波傳播情況，當(dāng)介質(zhì)波阻抗發(fā)生變化，聲波在波阻抗界面將產(chǎn)生反射波。 實(shí)際試驗(yàn)中，當(dāng)試件碳化深度小于2.0 mm 時(shí)，聲速、幅度、主頻等參數(shù)，未見明顯差異。 當(dāng)碳化深度超過2.0 mm，聲速大幅降低，振幅和主頻在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，但較穩(wěn)定。 由此可知碳化沒有導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生明顯缺陷，應(yīng)用超聲波反射規(guī)律來輔助評估混凝土碳化深度具有可行性。 可以預(yù)見，測試足夠數(shù)量樣本，加深對聲信號的分析和處理，將是提高碳化深度檢測質(zhì)量的有效手段之一。