双掺聚合物水泥混凝土声学特性试验研究.pdf

2 0 1 1年 第 9期 (总 第 2 6 3期 ) N u mb e r 9i n2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 3 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AI AND AD I CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 9 0 2 9 双掺聚合物水泥混凝土声学特性试验研究 林军志 1 l ，杨洪武 。 。赵明阶 ( 1 重庆交通大学 河海学院，重庆 4 0 0 0 7 4 ； 2 重庆大学 土木工程学院，重庆 4 0 0 0 4 5 ； 3 山东港湾建设有限公司，山东 日照 2 7 6 8 2 6 ) 摘要： 对同时掺人两种不同聚合物乳液的 5 组 1 5 个混凝土试件进行单轴压力条件下的超声波测试， 研究了双掺聚合物水泥混凝土声 速和加权谱面积等声学参数与应力的相关关系。 研究发现， 低应力状态， 双掺聚合物水泥混凝土的声一 应力敏感性较普通水泥混凝土有所 增强， 而随着应力水平的增大， 其声一 应力敏感性都不同程度的减弱。 具体表现为： 双掺纯丙乳液和聚醋酸乙烯乳液， 在低应力状态， 混凝 土的声一 应力敏感性得到增强， 而在应力较大时， 敏感性变化不大； 双掺有机硅砂浆防水剂和聚醋酸乙烯乳液， 双掺苯丙乳液和纯丙乳液 ， 都表现为在低应力状态 ， 声一 应力敏感性略有增强， 而在应力较大时， 弱化效应较明显； 双掺苯丙乳液和有机硅砂浆防水剂， 双掺有机硅砂 浆防水剂和丙烯酸酯共聚物乳液， 都会使混凝土声一 应力敏感性大大减弱。 关键词： 双掺；聚合物乳液；混凝土；声速；加权谱面积；应力 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 9 0 0 9 3 0 3 Expe r i m e nt a l r e s e ar c h on a c ous t i c pr oper t i e s of doubl e -mi xe d pol ymer c e men t c onc r et e L I NJ u n - z h i ， Y ANGHo n g - w u 3 , Z H AOMin g -j i e ( 1 S c h o o l o f Ri v e r a n dO c e a nE n g i n e e ri n g， C h o n g q i n g J i a o t o n gUn i v e r s i tyC h o n g q i n g4 0 0 0 7 4 ， C h i n a ； 2 C o l l e g eo f Ci v i l E n g i n e e r i n g ， Ch o n g q i n gU n i v e r s i t y ， C h o n g q i n g4 0 0 0 4 5 ， C h i n a ； 3 S h a n d o n g Ha r b o r C o n s t ruc t i o nC o ， L t d ， R i z h a o 2 7 6 8 2 6 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Ul t r a s o u n d t e s t o f a t o t a l o f 5 g r o u ps o f 1 5 c o nc r e t e s pe c i me n s mi x e d wi t h 2 d i ffe r e n t k i n d s o f p oly me r e mu l s i o n a r e c o n d u c t e d u n d e r u n i a x i a l l o a d i n g c o n dit i o n a nd r e s e a r c h e s o n t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n a c o us t i c pa r a me t e r s a n d s t r e s s s u c h a s a c o u s t i c v e l oc i t i e s a n d we i g h t e d s p e c t r u m a r e a o f d o u b l e mi x e d p o l y me r c e me n t c o n c r e t e a r e d o n e R e s e a r c h e s fi n d t h a t t h e s e n s i t i v i ty o f u l t r a s o u n d and s t r e s s o f d o u b l e mi x e d p o l y - me r c e me n t c o n c r e t e h a s b e e n e n h anc e d c o mp a r e d wi th P o r t l and c e me n t c o n c r e t e i n l o w s t r e s s c o n d i t i o n， wh i l e i t i s r e d u c e d mo r e o r l e s s wi t h t h e i n c r e a s e o f s t r e s s l e v e l ， w h i c hd i s p l a y s t h a t w h e n d o u b l e - mi x e dwi th a c r y l i c e mu l s i o nandp o l y v i n y l a c e t a t e e mu l s i o n ， t h e s e n s i t i v i ty o f u l t r a s o u n d a n d s tr e s s o f c o n c r e t e i s e n h a n c e d i n l o w s t r e s s c o n d i t i o n b u t l i R l e c h ang e d i n h i ghe r s tr e s s c o n d i t i o n ； w h e th e r d o u b l e m i x e d w i t h s i l i c o n e m o r t a r wa t e r p r o o fi n g a g e n t a n d p o l y v i n y l a c e t a t e e mu l s i o n o r d o u b l e - mi x e d wi t h s t y r e n e a c r y l i c e mu l s i o n and p u r e a c ryl i c e mu l s i o n ， the s e n s i t i v i ty o f u l t r a s o und and s tr e s s i s s l i ght ly e nhanc e d i n l o w s t r e s s c o n d i t i o n b u t i n h i ghe r s tr e s s c o n d i t i o n i t s h o ws o b v i o u s we a k e n i n g e ff e c t ； t h e s e n s i t i v i ty o f u l t r a s o u n d a n d s tre s s i s mu c h we ake ne d wh e t h e r d o u b l e -mi x e d wi t h s t y r e n e -a c ryl i c e mu l s i o n an d s i l i c o n e mo r t ar wa t e r - p r o o fin g a g e n t o r d o u - b l e mi x e d wi th a c ryl i c e s t e r c o p o l y me r e mul s i o n and s i l i c o n e mo rta r wa t e r - p r o o fi ng a g e n t K e ywo r d s ： d o u b l e mi x e d ； p o l y me r e mu l s i o n ； c o n c r e t e ； u l tr a s o n i c p u l s e v e l o c i ty； w e i ght e d s p e c t r u m are a ； s t r e s s 0 引言 聚合物水泥混凝土是以少量聚合物对水泥混凝土进行改 性的混凝土， 体现了有机聚合物和无机胶凝材料相结合的优点 ， 从而克服了普通水泥混凝土抗拉强度低、 脆性大、 易开裂， 耐化 学腐蚀性能差等缺点1 】 ， 为扩大水泥混凝土的使用范围开辟 了 广阔的前景。 目前， 国内外对聚合物水泥混凝土的研究主要集中 在对其作用机理、 力学性能、 工作性能等方面的研究f 2 ， 而对其 超声波传播特性研究较少。 笔者曾对单一添加纯丙乳液、 苯丙乳 液、 有机硅砂浆防水剂 、 聚醋酸乙烯乳液 、 丙烯酸酯共聚物乳液 的聚合物水泥混凝土单轴压力下的声学特性进行了研究【 6 ， 发 现纯丙乳液和苯丙乳液能提高混凝土声一 应力的敏感性， 有机硅 砂浆防水剂和聚醋酸乙烯乳液对混凝土声一 应力敏感性有弱化 作用， 丙烯酸酯共聚物乳液对混凝土声一 应力敏感性影响不大。 为了进一步研究上述聚合物对混凝土声学特性的影响， 本次采 用同时掺人上述某两种聚合物， 分析其对混凝土声学特陛的影响。 1 试验方案设 计 在前次试验同 的基础上， 本次试验按表 1 所示配合比制作边长 7 0 7 rai n立方体试件， 进行单轴压力下的超声波测试。 测试简图见 图 1 所示， 以试件的捣制侧面为测试面， 将另一对侧面作为承压面 置于R MT 1 5 0 岩石力学试验系统的上下承压钢板之间， 采用分 级匀速加载方式， 每级荷载 1 0 k N， 加荷速率为 0 0 5 k N s ， 直至试 件破坏。 首先采集试件在自然状态下的超声波信号， 在每级荷载加 载完毕， 待变形稳定后， 采集该级荷载下的声波信号。 2试验数据处理 对采集到的声波信号进行分析处理， 通过与普通水泥混凝土 收稿 日期 ：2 0 1 1 J 0 3 一 1 0 基金项目：国家自然科学基金资助项 目( 5 0 8 0 9 0 7 9 ) ； 重庆市教委科学技术研究项目( K J 1 0 0 4 2 0 ) 9 3 表 1 混凝土组分参数表 图 1 测试简图 的声学特眭 进行比较， 分析聚合物对混凝土超声传播特f生 的影响。 根据文献【 7 8 】 的研究成果， 对超声测试信号进行小波分 析， 得到不同尺度下的小波分量及相应的频谱， 略去 2 及 2 尺 度下的小波分量( 为高频干扰) ， 对 2 - 3 2 和 2 尺度下小波分 量的频域谱面积进行 自身加权， 得到加权谱面积： Md 。 Md Mo = U - 3 ， 一 4 ， 一 5 ) ( 1 ) Md 式中： 删 第 2 J 尺度下的小波分量的谱面积。 加权谱面积是超声波在各个频带上的能量的加权平均 ， 因 此是超声波在各个频带上的能量的一种综合反映。 超声波穿过混凝土后携带出丰富的信息， 能够反映出混凝 土的内部结构和应力状态。 根据文献 8 的研究成果， 声速和加 权谱面积对应力较为敏感 ， 因此主要选取声速和加权谱面积， 分 析其相对变化率和混凝土受载应力的关系。 根据声弹性理论 ， 超声纵波声学参数与应力有以下关系【9 ： P- Po： ( 2 ) P 0 式中： P 纵波声学参数 ， 这里为波速和加权谱面积 ； 无应力状态纵波声学参数 ； 混凝土受载应力 ； 混凝土纵波声弹性系数。 为了便于比较分析， 以下在分析聚合物对混凝土超声传播 特性的影响时， 对应力作归一化处理 ； 一( 以下称 为相对 应力) ， 分析声速相对变化率 V = ( V 一 ) 、 加权谱面积相对 变化率 眠 ( 一 ) 懈 和相对应力 的变化关系。 3 试验结果分析 3 1 双掺纯丙乳液和聚醋酸乙烯乳液混凝土声学特性 双掺纯丙乳液和聚醋酸乙烯乳液， 制作立方体试件， 即试 1 ， 对该试件进行单轴受载下的声波测试， 并对其声波信号进行处 理后， 得到 Y 一 、 i o 一 关系曲线如图 2 、 3 所示。 图中， 试- J 0 6 为 普通水泥混凝土。 94 槲 簧 缸 惜 莨 罂 嚏 拯 是 相对应力 相对应 力 图 3 混凝土 f 一 关系图 图 2给出了以纯丙乳液和聚醋酸乙烯乳液作为改性材料的 混凝土试件 ， _ 关系曲线， 由图可知， 在低应力状态下( 0 2以后 ， 曲线进入下降段 ， 而普通混凝土曲线 下降速度略快。 从图 3所示的 一 关系曲线也能得到同样的 结果。 以上分析表明： 混凝土中掺入纯丙乳液和聚醋酸乙烯乳液 后， 在低应力状态下， 声速和加强谱面积对应力变化的敏感程 度增强了； 而在应力较大时， 敏感性有所减弱， 但减弱不明显。 3 2 双掺有机硅砂 浆防水剂和聚醋酸 乙烯乳液混凝 土 声学特性 双掺有机硅砂浆防水剂和聚醋酸乙烯乳液， 制作立方体试 件， 即试 0 2 ， 试验结果如图4 、 5所示。 前次试验6 1 结果表明， 单独掺人有机硅砂浆防水剂和聚醋 酸乙烯乳液， 会减弱混凝土声一 应力敏感性。 而同时掺入该两种 聚合物后， 如图4 、 5 所示 ， 在低应力状态， 敏感性略有增强， 而 在应力较大时， 弱化效应则非常明显。 糌 霞 粗 糌 蕊 喧 是 O 2 O 一0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 一 l 、 2 相对 应力 图 4 混凝土 一 关 系曲线 0 0 2 0 4 0 6 08 1 0 相对 应力 图 5 混凝土 M0 一 关系图 3 3 双掺苯丙乳液和有机硅砂浆防水剂混凝土声学 特性 双掺苯丙乳液和有机硅砂浆防水剂， 制作立方体试件， 即 试一 0 3 ， 试验结果如 图 6 、 7所示 。 褥 靛 帆 斛 靛 恒 拯 器 相对应 力 图 6混凝土 一 关 系 曲线 相 对应力 图 7混凝土 M0 一 关 系图 从图 6 的 一 曲线可知， 低应力状态 ， 两条曲线近于重合 ， 而在应力较大时， 掺有聚合物乳液的曲线下降速度小于普通混 凝土的曲线。 图 7所示的掺人聚合物乳液后 眠 一 的曲线在低 应力阶段较为平缓 ， 只有当应力很大的时候( 0 8 ) 才出现明 显的下降段。 以上分析表明： 掺入苯丙乳液和有机硅砂浆防水剂 后， 低应力状态， 声速同应力的敏感性几乎未变化， 而应力较大 时， 敏感性减弱； 在整个加载阶段 ， 加权谱面积变化不大， 只有 当临近破坏时， 才显现一定的敏感性。 3 4 双掺苯丙乳液和纯丙乳液混凝土声学特性 双掺苯丙乳液和纯丙乳液， 制作立方体试件 ， 即试一 0 4 ， 试 验结果如图 8 、 9所示。 褂 拓 缸 褂 霞 暄 按 暑 相对应 力 图 8 混凝 土 一 关 系曲线 相对 应力 图 9混凝土 M0 一 硖系图 从图 8 、 9可知 ， 掺有苯丙乳液和纯丙乳液后 ， 在低应力阶 段( 0 2 ) ， 声速与应力的敏感性增强了， 应力较大时， 敏感性 有所减弱。 加权谱面积在低应力状态同样变得敏感， 但在应力较 大时相关关系则变得紊乱。 3 5 双掺有机硅砂浆防水剂和丙烯酸酯共聚物乳液 混凝土声学特性 双掺有机硅砂浆防水剂和丙烯酸酯共聚物乳液， 制作立方 体试件 ， 即试一 0 5 ， 试验结果如图 1 0 、 l 1 所示。 褂 靛 罂 制 缸 褂 靛 恒 舞 相对应 力 图 1 0 混凝土 一 I 关系曲线 相 对应力 图 1 1 混凝土 M0 一 嗾系图 从图 1 0 、 1 1 可以看出， 掺人有机硅砂浆防水剂和丙烯酸酯 共聚物乳液后， 一 、 Mo 一 曲线变得较为平缓， 表明掺入聚合物 乳液后， 声一 应力敏感性大为降低。 综合分析图2 1 1 ， 我们还可以看出， 随着聚合物乳液的掺入， 在低应力状态( ： 0 2 ) ， 混凝土声一 应力敏感性都或多或少的有所 增强， 而随着应力水平的提高， 混凝土声一 应力敏感性都不同程度 的减弱。 结合混凝土应力应变曲线进行分析， 在低应力阶段， 混凝 土处于弹性阶段， 聚合物乳液的掺人增强了水泥砂浆和骨料间的 黏结， 使混凝土弹性 生 质更为明显， 故声速和加强谱面积与应力的 关系曲线出现较明显的上升段； 而随着应力的增大， 黏结裂缝的扩 展使混凝土呈现出塑性特征， 此时， 声学参数的变化取决于裂缝的 分布和扩展隋况， 而聚合物乳液抑制了裂纹的扩展， 应力变化引起 的裂纹变化较普通混凝土小， 因此， 掺有聚合物乳液的混凝土进入 塑性阶段后， 声 应力敏感陛较普通混凝土有所降低。 4结 论 根据以上对同掺两种聚合物乳液的混凝土试件的声学特 性试验研究分析， 我们发现， 随着聚合物乳液的掺人 ， 在低应力 状态( 2 5 0 mm， 扩展度 5 5 0 mm， 工作性能良 好。 配合比如表 7 。 表 7 C5 0自密实混凝土配合比 k g m 混凝土的工作性 、 保持性 良好 ， 坍落度 2 6 5 mm， 扩展度 7 3 0 mm。 混凝土外观光洁、 密实 、 无裂缝， 2 8 d强度全部达到设 计要求。 4 2 C 6 0自密实混凝土 某工程要求用 C 6 0自密实混凝土， 配合 比如下： 表 8 C 6 0自密实混凝- I- g 合 比 k g m 采用 P 0 4 2 5级水泥， 复合掺合料。 浇筑后 3 d强度达到 上接第 9 5页 ( 3 ) 双掺苯丙乳液和有机硅砂浆防水剂， 双掺有机硅砂浆防水 剂和丙烯酸酯共聚物乳液， 都会使混凝土声勘敏感生 大大减弱。 参考文献 ： f 1 】 戴剑锋 ， 刘晓红 ， 龚俊， 等 混杂复合材料胶结机理的探讨 J 甘肃工 业大学学报， 2 0 0 0 ， 2 6 ( 3 ) ： 2 6 3 0 【 2 】 何娟， 杨长辉 聚合物改性混凝土的研究【 J J j 昆 凝土， 2 0 0 9 ( 5 ) ： 6 5 6 7 3 】 张岩 ， 张浩博 ， 禹亮， 等 WS P 聚合物混凝土力学性能试验研究 混 凝土， 2 0 0 8 ( 1 2 ) ： 7 7 7 8 ， 8 1 4 肖力光， 周强， 丁锐， 等 聚合物对轻集料混凝士性能的影响J 】 混凝 土， 2 0 0 7 ( 1 0 ) ： 7 1 7 3 【 5 】潘永灿， 荀勇碳纤维织物网一 聚合物砂浆加固混凝土梁受力,tO 能研 究们 混凝土， 2 0 1 0 ( 2 ) ： 1 3 3 1 3 5 6 l 林军志， 赵明阶， 杨洪武 改性混凝土声学参数与应力相关性试验研 9 8 5 7 MP a ， 7 d强度达到 6 9 MP a ， 拆模后外表光洁、 密实。 5结 论 ( 1 ) 用尾矿废石代替部分细骨料 ， 代替全部粗骨料配制的 自密实? 昆 凝土工作性能、 黏聚性能 、 自密实性能优良， 混凝土拌 合物可泵性好。 ( 2 ) 在胶材总量仅为 4 0 0 k g m 的情况下， 混凝土 2 8 d 标养 强度仍能满足 C 4 5自密实7 昆 凝土试配强度要求。 ( 3 ) 现有技术中的自密实混凝土胶凝材料用量般在 5 0 0 k m 以上， 水泥用量一般在 3 5 0 k g m 以上。 使用尾矿废石代替部分 细骨料和粗骨料制备 自密实混凝土减低了水泥用量。 ( 4 ) 在相同的原材料量下， 使用聚羧酸高效外加剂与脂肪 族( 羟基) 磺酸盐高效减水剂复合的外加剂， 2 8 d强度提高了2 0 以上 ， 3 d强度提高 了 4 0 以上 。 ( 5 ) 使用聚羧酸高效外加剂与脂肪族( 羟基 ) 磺酸盐高效减 水剂复合的外加剂 ， 更适合配制高强度的自密实混凝土 ， 且大 掺量使用固体废弃物( 每立方米混凝土至少使用 4 0 0 k g ) ， 大幅 度降低了高强自密实混凝土的成本( 每立方米至少降低成本 3 0 元 以上) ， 有利于高强自密实混凝土的推广利用。 参考 文献 ： f 1 1 O K A NU R A H， O U C HI M S e l f - c o m p a c t i n g c o n c r e t e J J o u r n a l o f Ad v m me d C o n c r e t e T e c h n o l o g y ， 2 0 0 3 ， 1 ( 1 )： 5 - 1 5 【 2 】赵芸平， 孙玉良， 于涛， 等尾 矿砂石混凝土施工性能的试验研究l J 1 混凝土 ， 2 0 0 9 ( 6 ) ： 9 4 1 0 2 【 3 赵芸平， 孙玉良， 于涛， 等 尾矿砂石混凝土配合比设计研究f J f _混凝 土 ， 2 0 0 9 ( 8 )： 9 1 9 3 4 1田景松， 杨荣俊 ， 王海波 北京地区铁尾矿砂在水泥混凝土中的资源 化利用技术研究l J I 建筑装饰材料世界， 2 0 0 9 ( 2 ) ： 3 3 4 5 5 】 陈家珑尾矿利用与建筑用砂 J 】 金属矿山， 2 o o 5 ( i ) ： 7 1 7 5 6 杜林华 我国矿山尾矿、 废石综合利用聊状及其管理制度建设研究【 D 中国优秀硕士学位论文全文数据库， 2 0 0 8 ( 9 ) 作 者简介 联系地址 ： 联系电话 ： 武俊宇( 1 9 7 7 一 ) ， 女， 博士， 主要从事混凝土技术管理及混 凝土技术研究工作。 北京市海淀区北四环西路 9 号 银谷大厦 1 7 0 8 室( 1 0 0 1 9 0 ) O1 0 8 2 5 2 5 3 61 究岩土力学 ， 2 0 0 9 ， 3 0 ( s 1 ) ： 6 9 7 4 7 赵明阶， 吴德伦 小波变换理论及其在岩石声学特性研究中的应用I J J _ 岩土工程学报 1 9 9 8 ， 2 0 ( 6 ) ： 4 7 5 1 【 8 】 林军志， 赵明阶， 许锡宾 混凝土声学参数与应力相关性的试验研 究 岩石力学与工程学报， 2 0 0 5 ， 2 4 ( s 1 ) ： 4 9 8 8 4 9 9 6 【 9 9 L I N J u n - z h i ， Z H AO Mi n g - j i e ， wu D e l u n ， e t a 1 U s i n g l o n g i t u d i n a l w a v e o f u l t r a s o u n d t o t e s t s e r v i c e s t r e s s o f c o n c r e t e J 2 0 1 1 I n t e ma t i o n ,d C o n f e r e nc e o n F u z z y S y s t e ms a n d Ne u r a l C o mp u t ing ， Ho n g Ko n g， Ch i n a ， 2 0 1 1 ( 2 0 2 1 ) ： 2 4 2 7 作者简介： 林军志( 1 9 8 0 一 ) ， 男， 讲师 ， 博士研究生， 主要从事混凝土材 料研发与结构检测方面的教学和科研工作。 联系地址： 重庆市南岸区学府大道 6 6 号 重庆交通大学河海学院 ( 4 0 0 0 7 4 ) 联 系电话 ： 1 3 3 2 0 2 3 5 1 1 0