混凝土硫酸盐腐蚀层厚度的超声对测法研究.pdf

2 0 1 5年 第 1 0期 (总 第 3 1 2 期 ) Nu mb e r 1 0 i n 2 0 1 5( T o t a l No 3 1 2 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 1 0 0 1 3 混凝 土硫酸盐腐蚀层厚 度 的超声 对测法研 究 杜健 民， 李再婷 ， 于贵霞 ， 姬 永生 ( 中国矿业大学 力学与建筑工程学院 江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室 ， 江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 ) 摘要： 利用无损检测的方法快速准确的测量混凝土硫酸盐腐蚀层的厚度对于评价混凝土的腐蚀程度是至关重要的。 利用应变 等效性假说推导出超声对测混凝土腐蚀层厚度的“ ” 方法。 并且通过两种不同配合比的混凝土试块进行了为期 2 7 0 d的硫 酸盐腐蚀试验 ， 在不同的腐蚀龄期分别利用超声对测法和强度退化法进行腐蚀层厚度的测量， 通过两种方法测量结果的对比可 以看出， 随着腐蚀龄期 的增大， 超声对测法得到的腐蚀层厚度随时间的发展趋势与强度退化法一致 ， 并且各龄期这两种方法得到 的腐蚀层厚度值较接近 ， 从而验证了超声对测法测量混凝土腐蚀层厚度的可行性。 关键词 ： 混凝土 ； 硫酸盐腐蚀 ； 超声对测法； 腐蚀层厚度 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 1 0 0 0 5 2 0 4 Ul t r a s o n i c op p o s i t e t e s t i n g me t h o d f or me a s u r i n g s u lf a t e c or r o s i o n t h i c k n e s s o f c o n c r e t e DU J i a nmi n， LIZfi n g，yU Gu i x i a， J I Yo n gs he n g ( J i a n g s u Ke y La b o r a t o r y o f E n v i r o n me n t a l I mp a c t a n d S t r u c t u r a l Re l i a b i l i t y i n E n g i n e e ri n g， S c h o o l o f Me c h a n i c s a n d Ci v i l E n g i n e e ri n g Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y， X u z h o u 2 2 1 1 1 6 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： M e a s u r e s u ffa t e c o r r os i o n t h i c k ne s s f a s t a n d a c c u r a t e l y wi t h no nd e s t r u c ti v e t e s t i ng me t h o d i s e s s e n tia l t O e v a l ua t h e de g r e e o f c o nc r e t e c o r r o s i o n W e d e d u c e“ ”me tho d t o c or r o s i o n thi c k n e s s o f c o n c r e t e t e s t e d by u l t r a s o n i c o p p o s i t e t e s t i ng me tho d b a s e d o n the s tr a i n e q ui v ale nc e h y p o t h es i s Ad o p t c o n c r e t e wi t h t wo d i f f e r e n t mi x t u r e r a ti o， s u l f a t e c o r r o s i o n t e s t l a s t i n g 2 7 0 d i s d o n e， the n me a s u r e c o r r o s i o n t h i c kn e s s o f c o nc r e t e b y u l t r a s o n i c me tho d a n d s tre n g t h d e g r a d a tio n me t h o d i n d i f f e r e n t a g e s Ex p e rime n t a l c o m pa r i s o n r e s u l t s s h o w t h a t a s c o r r os i o n t i me g oe s o n， wh e the r ul tra s ou n d o p p os i t e s t i n g me t h o d o r s e n g th d e g r a d a ti o n me t h o d， the va l u e o f c o r r os i o n thi c kn e s s me a s ure d s ho ws t h e s a me t e n d e n c y a n d the v a l u e s o f the t wo me t h o d s a r e c l o s e r ， thus p r o v i n g the f e a s i b i l i t y o f u l t r a s on i c m e a s u r e me n t me tho d to t e s t c o r r o s i o n th i c kn e s s o f c o n c r e t e Key wor ds： c o n c r e t e； s u l f a t e c o r r o s i o n； u l t r a s o un d o p p o s i t e t es t i n g me tho d； c o r r os i o n thi c k n e s s 0 引言 和正确性。 硫酸盐腐蚀是混凝土结构耐久性腐蚀 环境 中最 复杂 和危害性最大 的一种 。 ， 腐 蚀离子来源广且有 多种 腐蚀 类型 ， 但 总体还是 由表 面向内部逐渐腐蚀混凝 土， 因而对 混凝土的腐蚀层厚度简单而准确的测定便显得尤为重要。 现阶段对混凝 土腐蚀层厚度 的检测 方法主要有 立方 体试块的强度退化法 、 棱柱体 混凝土试块 的超声 平测法 ， 以及更为复杂 的化学分析和微观检测方法等 。 但强度 退化法是一种破损性试验方法 ， 必须 同条件预 留足够多的 立方体试块； 而超声平测法虽然是无损检测方法， 但测量 的误差较大 ； 而化学分 析法 和微 观 检测法 则分析 成本 较 高 ， 同时也无法实现无损检测 。 超声对测 法 具 有 可 操 作 性 强 ， 检 测 数 据 可 靠 等 优 点 ， 因此在本研究中对超声对测法检测混凝土硫酸盐 腐蚀层厚度进行理论分析 ， 并将检测结 果同强度退化法进 行对 比， 验证超声对测法测量混凝土硫 酸盐腐蚀 的可行性 1 混凝土腐蚀层厚度 测量的“ 一 ” 方法 1 1 混凝土硫 酸盐腐蚀特 点 在混凝土硫酸盐腐蚀过程中 ， 由于腐蚀介质由外 向内逐渐 的渗透和腐蚀 ， 最先发生腐蚀反应的是最外侧 的 混凝土 ， 然后随着腐蚀 时间的增加 ， 腐蚀层厚度逐渐增 大， 如图 1 所示。 腐蚀层混凝土由于硫酸盐腐蚀 的物理和化学 反应 ， 混凝土的密实度 和强度与未腐蚀混凝土相 比显著降 低 ， 所 以超声波穿过腐蚀混凝 土的声速降低 ， 通过 超声对 测 ， 对 比有腐蚀层混凝土超声声速 的变化测量 出腐蚀层厚 度的大小 。 1 2 超声对测法测腐蚀层厚度 超声波在受腐蚀的 昆 凝 土中传播速度 随密度 、 弹性模 量以及混凝土内部结构而有所改变 ， 超声检测技术正 是根据声波传播速度来判断混凝土损伤的一种方法 ， 当混 凝土越密实时 ， 超声 波的传播速度则越快 ， 其 检测方法是 收 稿 日期 ： 2 0 1 5 一 O 卜 0 7 基 金 项 目 ： 国家 自然科学基金项 目( 5 1 1 7 8 4 5 5 ) ； 国家“ 8 6 3 ” 计划课题( 2 0 1 2 A A 0 6 A 4 0 2 ) 5 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 通过凡士林对换能器与混凝土接触面进行声耦合 ， 将换 能 器置于被测混凝土试件 的一对相互平行 的测试面上 ， 并确 保换能器处于同一直线上 ， 依据实测超声传播 参数确定混 凝土表 面腐蚀层厚度。 基 于混凝 土是均质 、 连续的材料的假 定 ， 本研究采 用“ ” 方法对腐蚀层厚度 d 进行推导。 未腐 腐 蚀 鼍 I 0 l 7 f b 1 图 1 全浸泡立方体试件腐蚀层状划分 定义腐蚀损伤度 G为 ： G：1 一 丁a s ( 1 ) 式中 ： S o 损伤前截面面积 ； 损伤后截面面积 。 假定 单位面积上 的应力为 ， 则损伤后 截面 。 单 位 面积上的应力 O - 为 ： ( 2 ) 根据应变等 效性假说 ， 应力作用 于受损 材料 引 起的变形等效 于作用在一虚拟 的无损材料的变形 ， 虚拟无 损材料 的承载 面积等 于受损材 料 的实 际有 效承 载面 积 ， 则 ： s =詈 = 詈 ( 3 ) i L j 联立式 ( 1 ) 、 ( 2 ) 、 ( 3 ) 可得 ： G=1一 ( 4 ) 根据 P r a s s i a n a k i s 等 提出的超声波纵波采样频率高 于 2 0 k H z时介质弹性模 量 E与介 质密度 、 泊松 比以及 超 声波声速之间的关系有 ： E= ( 5) 假定损伤各 向同性 ， 且主要 由微裂缝组成或 只考虑小 孔洞情况， 故泊松比及损伤前后密度近似相等， 依据式( 5 ) 可将超声声速关 系转化 为损伤前后混凝土弹性模量 之间 的关 系， 即 ： = 爱 一 式中 ： V s 穿过损 伤层与未损 伤层的声速 ， 由腐蚀 混凝 土试件测得， = 詈； 未损伤混凝 土声 速 ， 由未腐蚀? 昆 凝土试 件测 得， V a = 詈。 综合以上式子 ， 得 ： G = 一 S s= 一 i E s = 一 ( 7 ) 即 ： s s = ( 8 ) 0 、 根据上述混凝 土腐蚀层的划分 ， 声波在腐蚀组与清水 组 中传播如 图2 ， 则有 ： 妾S = L ： 0 、 即 ： = ( 一 V s ) ( 。 ) - l 0 j 07 。0 一 j j 一 一 ； 5 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2腐蚀层厚度 的测量与验证 为了验证超声对测法测量腐蚀层厚度的正确性 ， 本研 究设计了两组不同配合 比的混凝土试 件 ， 在相 同腐蚀环境 下进行了为期 2 7 0 d的完全浸泡腐蚀 ， 在不同的腐 蚀龄期 对 同一组试块先采用超声对测 法测 试后再进行强度退 化 法测量 ， 比较相同试件两种测试方法得到的腐蚀层厚度 的 差别 ， 从而验证超声对测法的可行性 。 2 1 试件设计 与分组 试验采用两组 配合 比的 1 0 0 m m X 1 0 0 m m 1 0 0 l i l i n 立方体混凝土试块 ， 分别浸泡于硫酸盐腐蚀溶 液( A) 和清 水( A O) 中， 其中 N a ： S O 溶液浓度为 5 ， 控制溶液温度为 2 0 ， 并每隔 3 0 d更换一次溶液 以保证 N a ： S O 溶液浓度 及 p H值的相对稳定。 两组试件的配合 比见表 1 。 2 2 试验步骤 ( 1 ) 浇筑并养护立 方体混凝 土试块 ， 拆模 后进行逐一 表 1 混凝土配合比 ( 2 ) 经标准养护 5 6 d后 ， 拿 出晾干后 ， 观察并 检测相 关量 ， 如抗压强度以及超声声速 ； ( 3 ) 将试件 完全浸泡于 质量 浓度 为 5 的 N a ： S O 溶 液 中， 控制温度为 2 0以及溶液浓度和 p H值相对稳定 ； ( 4 ) 每 3 0 d 检测一次 ， 采用 自然晾干方式 除去试件表 面水分 ， 观察并测量超声声速及立方体抗压强度 ； ( 5 ) 记录试验数据 ， 分析腐蚀层变化。 2 3 超 声对测法检 测腐蚀层厚度 检测时将发射与接收换能器置于相互平行 的被测面 ， 确保换能器中心在同一直线上 ， 测定声波穿透混凝土所用 时间。 考虑到声波在穿透混凝 土过程 中经历 了“ 损伤层 一 未损伤层 ” ， 利用 方法求出腐蚀层厚度 d 。 试验测 编号； 得 的 及 数据值如表 2所示 。 表 2各组试件不同腐蚀时间的对测声速 k m s 表 2 表 明， 腐蚀组超声对测声速随腐蚀时间先增大后 减小 ； 而清水组混凝 土对测 声速则不断增大 ， 后期 呈现平 稳趋势 。 根据表 2声速值 ， 由式( 1 0 ) 计算的混凝土腐蚀层厚度 结果列于表 3及 图 3 。 2 4 强度退化法检 测腐蚀层厚度 强度退化法是根据立方体抗压 强度 的退化 程度表示 腐蚀损伤层厚度的一种方法。 混凝土强度因s o l 一 与水泥 表3超声波法计算各组试件的腐蚀层厚度 mm 水化产物及粗骨料自身反应而大幅下降， 可认为其强度的 退化深度即为混凝 土 的腐蚀层 厚度 ， 参 照清水 组试 件压 力， 推算出强度法计算腐蚀层的公式为： 5 o ( 一 ) ， 精确至 0 0 l MP a ； F 。 同期 清水 中混凝 土 立方体 试 件抗压 强 度 ， MP a ， 精确至 0 叭 MP a 。 依据 不 同龄 期 测 得 的 立 方体 抗 压 强 度值 ， 推算 出 腐蚀组各组试件在不 同腐蚀期 的腐蚀层 厚度如表 4 、 图 3 式中 ： F 腐蚀 g 天混凝土立方体试件抗压强度 ， MP a ， 所示 。 表 4 强度法计算各组试件的腐蚀层厚度 mm 3 超声对测法与强度退化法对比分析 由图 3可以看 出， 无论是超声对测法还是强度退化法 测得的混凝土腐蚀层 厚度随腐蚀 时间的发展规律基本相 同 ， 主要分成两个阶段 ： ( 1 ) 腐蚀初期 ， 在腐蚀龄期小于 1 2 0 d前 ， 两种方法测 出的腐蚀层厚度均为负值 ， 主要原因在 于腐蚀前期混凝土 54 因腐蚀产物填充孔隙而变得密实； ( 2 ) 腐蚀后期 ， 在腐蚀龄期大于 1 2 0 d之后， 逐渐开始 出现腐蚀层 ， 并且随着腐蚀 时间的增加腐 蚀层厚度逐渐增 大。 从具体测量得到 的腐蚀层厚度看 ， 理论上按照强度损 伤法及超声对测法检测 的结果应该一致 ， 但由于试验 多种 因素影响 ， 二者不完全相 同， 有一定的差异 。 为比较两种方 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 昌 鲁 嗵 蝗 法检测的正确性 ， 定义两种检测结果 的相对误差值为 ： l J l ： l 坚二 盟 l 1 0 0 ( 1 2 ) 1 f c 强度 1 相同腐蚀龄期的腐蚀层厚度误差值列于表5 。 由表 5可知 ， 两种方法测试 的结果值误差基本保持在 1 5 以内， 可认为超声对测法进行混凝土硫酸盐腐蚀层厚 度的测量是可行 的， 检测结果与强度退化法基本一致 。 腐蚀时间， d 4 图 3 两种方法计算所得腐蚀层厚度 结 论 ( 1 ) 通过应变等效性假说推导出超声对测法检测混凝 表 5 两种方法计算所得腐蚀层厚度的相对误差 土腐蚀层厚度 的理论公式。 ( 2 ) 通过超声对测法和强度退化法对同条件硫酸盐腐 蚀试块的腐蚀层厚度进行了检测 ， 二者的检测检测结果基 本一致 ， 因而利用超声对测法用 以检测受腐蚀混凝土 的腐 蚀层厚度是可行的。 ( 3 ) 超声对测法与强度退化法均可用来检测混凝土腐 蚀层厚度 ， 但超声对测法 为无 损检测 ， 因而超声对测 法适 用性更广 。 参考文献 ： 1 张光辉 混凝土结构硫酸盐腐蚀研究综述 J 混凝土， 2 0 1 2 ( 1 ) ： 2 8 3 O 2 L I U Z a n q u n ， D E N G D e h u a ， D E S C H U T T E G， e t a 1 C h e m i c a l s u l f a t e a t t a c k p e r f o r ma n c e o f p a r t i a l l y e x po s e d c e me n t a n d c e m e n t + fl y a s h p a s t e J C o n s t r B u i l d Ma t e r ， 2 0 1 2 ， 2 8 ( 1 ) ： 2 3 0 2 3 7 3 Z H A N G F e n g j i e ， Y U A N Y i n g s h u ， D U J i a n mi n U l t r a s o n i c d e m c t i o n i n c o n c r e t e s t r u c t u r e s o f d a ma g e f r o m s u l f a t e a t t a c k J J o u r n a l o f Chi n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g & Te c h n ol o g y， 2 01 1， 4 0 ( 3 ) ： 3 7 3 3 7 8 4 O S H I T A H， N A G A S A K A S ， e t a 1 D E V E L O P E ME N T O F E S T I M ATI ON M ETHOD FOR REI NFORCEM ENT CORROSI ON THI CKNES S I N CONCRETE BAS ED 0N TEM P ERATURE H I S T O R Y O F C O N C R E T E S U R F A C E J D o b o k u G a k k a i R o n b u n s h u u E， 2 0 0 9 ， 6 5 ( 4 ) ： 4 4 2 4 5 8 5 3周凯 超声波混凝土构件检测系统的研究及试验分析 D 长 沙 ： 中南大学， 2 0 0 7 ( 5 ) 6 H A R V E Y H A Y N E S ， R O B E R O N E I L L， MI C H A E L N E F F ， e t a 1 Sa l t W e a t he rin g Di s tre s s o n Co n e r e t e Ex p o s e d t o So d i u m S u l f a t e E n v i r o n m e n t J A C I Ma t e ri a l s J o u rna l ， 2 0 0 8 ， 1 0 5 ( 1 ) ： 3 5 4 3 7 T H A U L O W ， N I E L S ， S a h u ， S a d a n a n d a Me c h ani s m o f c o n c r e t e d e t e ri o r a t i o n d u e to s a l t c r y s t a l l i z a t i o n J Ma t e ri a l s C h a r a c t e r - i z a t i o n， 2 0 0 4， 53： 1 2 3 1 2 8 8 N e v i l l e A d a m T h e c o n f u s e d w o r l d o f s u l f a t e a t ta c k a n c o n c r e t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e ar c h ， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 8 ) ： 1 2 7 51 2 9 6 9 马振波， 董建雄 超声波测定混凝土结构强度及厚度 J 工程 地球物理学报 ， 2 0 0 5 ， 2 ( 6 ) ： 4 3 7 4 3 8 1 0 梁咏宁， 袁迎曙 超声检测混凝土硫酸盐侵蚀的研究 J 混凝 土， 2 0 0 4 ( 8 ) ： 1 5 1 7 1 1 邱一平， 付博， 等 混凝土材料基本力学性质的声弹性试验结 果及分析 J 岩土力学， 1 9 9 0 ， 3 1 2 谢和平 岩石混凝土损伤力学 M 徐州： 中国矿业大学出版 社， 1 9 9 0 1 3 鞠杨， 谢和平 基于应变等效性假说的损伤定义的适用条件 J 应用力学学报 ， 1 9 9 8 ， 1 5 ( 1 ) 1 4 K a c h a n o v L M I n t r o d u c t i o n t o c o n t i n u u m d a m a g e m e c h a n i c s T h e N e t h e l a n d s ： M a r t i n u s N ij b o ff D o r d r e c h t ， 1 9 8 6 1 5 P r a s s i a n a k i s I N， P r a s s i a n a k i s N I U l t r a s o n i c t e s t i n g o f n o n me t a l l i c m a t e ri a l s ： c o n c t e m and m ar b l e J T h e o r e t i c a l a n d A p p l i e d F r a c t u r e Me c h a n i c s ， 2 0 0 4 ( 4 2 ) ： 1 9 1 1 9 8 第一作者 联 系地 址 联 系 电话 通讯作者 联 系 电话 ： 杜健民( 1 9 7 5一) ， 男， 副教授 ， 工学博士 ， 从事混凝土 耐久性等方面的研究。 江苏省徐州市泉山区中国矿业大学文 昌校区结构 实 验室( 2 2 1 1 1 6 ) 1 5 0 05 2 001 3 2 李再婷( 1 9 9 1 一) ， 女 ， 硕士研究生 ， 从事混凝土硫酸盐 腐蚀等方面的研究。 】 8 0 5 】 3 7 3】 2 O 5 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m