玄武岩纤维混凝土高温损伤的声学特性研究.pdf

2 0 1 6年 第 2期 (总 第 3 1 6 期 ) Nu mb e r 2 i n 2 0 1 6 ( T o t a l No 3 1 6 】 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEOR ETI CAL RES EARCH 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 6 0 2 0 1 4 玄武岩纤维混凝 土高温损伤 的声 学特性研究 刘俊 良 ， 许金余 ， 董宗戈。 ， 任韦波、 ( 1 空军工程大学 机场建筑工程系，陕西 西安 7 1 0 0 3 8 ； 2 西北工业大学 力学与土木建筑学院，陕西 西安 7 1 0 0 7 2 ； 3 空军装备部 ， 北京 1 0 0 0 8 1 ) 摘要： 通过超声波检测和抗压强度试验 ， 研究了在温度等级为 2 5 、 2 0 0 、 4 0 0 、 6 0 0 、 8 0 0 o C的加热环境下 ， 玄武岩纤维掺量分别为 0 、 0 1 、 0 2 、 O 3 的玄武岩纤维混凝土( B C) 试件的损失质量 、 抗压强度、 纵波波速和波形特征 的变化规律。 结果表明： 高温后 B C损失质量增大， 掺加玄武岩纤维减小了高温后 B C试件的质量损失 ， 增大了抗压强度 ， 改善效果随纤维掺量增大而增强。 高温 后 B C内部结构受损 ， 穿过 B C试件的纵波速减小， 波形畸变加剧 ； 不同温度等级下 ， B C的静态抗压强度与纵波波速具有较好的 正相 关性 。 关键词： 玄武岩纤维混凝土； 高温； 超声检测 中图分类号： T U 5 2 8 5 7 2 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 6 ) 0 2 0 0 5 6 0 4 St u d y o n t h e u lt r a s o n i c p r o p e r t i e s o f b a s a lt f i b e r r e i n f or c e d c o n c r e t e a f t e r e l e v a t e d t e mp e r a t u r e LI U J u n l i a n g ， X U J i n y u ， D ONG Zo n g g e ， PEN W e i b o ( 1 De p a r t me n t o f Ai r fi e l d a n d B u i l d i n g E n g i n e e ri n g ， Ai r F o r c e E n g i n e e rin g Un i v e r s i t y ， Xi 3 n 7 1 0 0 3 8 ， C h i n a 2 Co l l e ge o f M e c h a ni c s a n d Ci v i l Ar c h i t e c t u r e， No r t h we s t Po l y t e c h n i c Un i v e r s i t y， Xi hn 71 00 7 2， Ch i n a； 3 D e p a r t me n t o f A i r F o r c e E q u i p me n t ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 1 ， C h i n a ) Abs t r ac t： The c h a n g e l a ws o f s p e c i me n we i g ht ， c o mp r e s s i v e s e ng th， l o n gi t u d i na l wa v e v e l o c i t y a nd wa v e f o r m we r e s t u d i e d b y ul t r a s o n i c t e s t i n g a n d c o mp r e s s i v e s e n g t h t e s t i n g u n d e r v a r i o u s t e mp e r a t u r e s o f 2 5 ， 2 0 0， 4 0 0， 6 0 0， 8 0 0 a n d 0， 0 1 ， 0 2 ， 0 3 v o l u me t r i c f r a c t i o n s of b a s a l t f i b e r Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t he we J【g h t l o s s i n c r e a s e s wi t h the r i s i n g o f t e m p e r a t u r e we i g h t l o s s d e c r e a s e s a n d c o mp r e s s i v e s t r e n g t h i n c r e a s e s wi t h i n c r e a s i n g a d d i ti o n o f b a s a l t fib e r a f t e r e l e v a t e d t e mp e r a t u r e S i n c e t h e d a ma g e o f ba s a l t fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( B C)c a u s e d b y h i g h t e mp e r a t u r e e x p o s u r e， the l o n g i t u d i n a l wa v e v e l o c i t y d e c r e a s e s a n d t h e w a v e for m d i s t o r t T h e r e i s a p o s i t i v e c o r r e l a t i o n b e t we e n l o n g i t u d i n a l wa v e v e l o c i t y a n d s t a ti c c o mp r e s s i v e s t r e n g th u n d e r d i f f e r e n t t e mp e r a t u r e s Ke y WO r d s： b a s a l t f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ； e l e v a t e d t e mp e r a tur e ； u l t r a s o n i c t e s t 0 引言 纤维增强混凝土 由混凝土复掺纤 维制得 ， 具有拉 、 压 强度 高， 韧 性好 等优异 性能 ， 因此 在工 程 中得 到广 泛应 用 。 玄武岩纤维是一种具有优异力学性能 ， 耐高温性 、 耐腐蚀性较好 的高性能非金属纤维 ， 将 其掺入混凝土可制 得玄武岩纤维混凝土 ( B C ) 。目前 ， 学者对 B C的静 、 动力 学性能进行了大量研究 ， 而关于 B C高温下性 能的研 究较少 ， 尤其是针对 B C高温后损伤评估 的研究还未见报 道 。 实际应用中， 混凝 土材料 由于火灾 、 爆炸 、 武器打击等 因素往往需要承受高温作用 ， 为保证人员及财产 安全 ， 对 混凝土高温作用后内部劣化程度做出相应评估很有必要。 混凝土超声检测是混凝土无损检测技术的重要方面 ， 不少学者对超声波检测技术在混凝 土方 面的应 用进行 了 研究 。 Y i m 研究了受火后混凝 土声参数变化 ， 并 指 出超 声波对试件 内部损伤 的敏感性要强 于传统 的线性测试方 法 ， H a s s a n l l o 采用超声波检测技术测量 了钢纤维混凝土的 动弹模 ， 取得了较好 的效果 。 由于超声波检测 的原理是利 用超声波在混凝土介质 中传播时各项声学参数 的变化来 确定混凝土 内部缺陷的存在 、 位置 、 大小和性质 ， 进而对混 凝土的强度 、 破损度 、 完整性做 出判断 ， 所以超声波检测技 术同样适用于混凝土高温后的损伤探测 。 本试验 以纤维体积掺量分别 为 0 、 0 1 、 0 2 、 0 3 的 玄武岩纤维混凝土为研究对象 ， 通过超声波检测及抗压强 度试验 ， 研究其在不 同温度下声学特性 的变化规律及各类 声学参数指标与其内部损伤演化的关系 ， 分析 了不同玄武 岩纤维掺量对 B C受火损 伤的抑制效果 ， 为 B C耐高温设 计及火灾后的损伤检测评估提供了一定的科学依据 。 1试 验 概 况 1 1 原材料 基体材料 ： P O 4 2 5 R秦岭水泥 ； 韩城第 二发 电厂生 收 稿 日期 ： 2 0 1 5 0 4 1 4 基 金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 0 7 8 3 5 0 ) ； 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 2 0 8 5 0 7 ) 5 6 后 ， 随着玄武岩纤维掺量 的增大 ， 试件吸水能力下降 ， 也就 是说试件内部新生裂缝较少 ， 可见掺加玄武岩纤维能有效 阻止在水冷却过程 中 B C试件新生裂缝的开展。 2 2超 声 波速 分 析 图5给出了加热前及加热冷却后各组 B C试件纵波波 速的对 比关系。 可以看 出各组试件加热前的纵波波速 比较 接近， 都处于 4 3 0 0 m s 到 4 5 0 0 m s 之问， 随着加热温度 提升， 试件纵波波速急剧下降。 这是由于在加热冷却后， 试 件内部出现大量裂缝孔隙， 超声波在这些裂缝孔 隙处发生 反射 、 绕 行 等 现 象， 致 使 纵 波 波 速 减 小 。 温 度 处 于 2 0 0 oC 之下时， 添加玄武岩纤维对试件超声波速并无 明显 影响， 但随着温度上升 ， 添加玄武岩纤维对试件超 声波速 增幅明显 ， 这也说明掺加玄武岩纤维改善 了试件加热冷却 后的内部损伤 。 1 0 0 5 j 鹫 三0 0 一O 5 一1 0 4 5 0 0 4 0 0 0 3 5 O O 3 0 0 0 2 5 0 0 2 0 0 O 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 温度 图 5纵波 波速 随温度 变化 关系 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 4 0 0 0 4 5 0 0 纵波波 速 ( m s 1 图 6 纵 波波速 与静 压 强度强度 的 关系 l h I I J J f l 58 图 6是各组 B C试件静压强度 ( 短 圆柱体试件 ) 与纵 波波速之间的关系。 虽然短圆柱体因端面效应抗压强度较 高 ， 但试件的纵波波速与抗压强度之 间仍具有明显 的正相 关性。 同一温度下 ， 试件抗压强度与超声波速增大 ， 这也表 明掺人玄武岩纤维对试件高 温下裂缝 的发 展具有 约束作 用。 波阻抗是界面声压与该截面声通量 的比值 ， 是对试件 内部裂缝发展等损份情况的综合反映 ， 对于试件内部损伤 具有较高的敏感性 。 图 7是各组试件波阻抗在不同加热温 度下的变化规律。 可 以看出随加热温度升高 ， 各组试件 的 波阻抗不断减小 ； 相 同温度下 ， 随着纤维掺量的增大 ， 试件 具有较大的波阻抗 ， 反映出玄武岩纤维对试件损伤 的改善 效果随掺量的增大而增大。 言 山 蛊 U 2 UU 40U 6 0U O0 温 度 图7 试件波阻抗随温度变化关系 2 3超 声波 形 分析 超声波速是对试件 内部损伤情况 的客观反映 ， 而趟声 检测时的声波信号同样是试件内部裂缝、 孑 L 隙、 缺陷等的 有力表征。 高温冷却后 ， 试件 内部裂缝 开展， 缺陷增 多 ， 超 声波在穿透试件时会在缺陷处残生反射 、 绕行 、 叠加 、 衰减 等多种形式 ， 致使接收波的波形形式出现变化 ， 因此 ， 对波 形形状的分析有助于对混凝土内部损伤情况 的分析。 图 8给出了 P C试件在不同温度加热冷却后声波测试 信号在 时 域 内 的 典 型 波 形 图。 可 以看 出 ： 当 温 度 处 于 2 0 0 o C时 ， 信号波形具有较好规 律性 ， 振 幅改变较小且变 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 0 时间 s f a ) P C( 2 51 1 O 0 5 兰0 0 - 0 5 1 0 1 0 0 2 0 O 3 0 0 4 0 0 时 间 L L s ( b ) PC( 2 0 0 o C ) I 。 l l 00 200 3 00 400 时间 s ( d ) PC( 6 0 0) 图8高温后声波测试信号的时域波形 0 5 O 5 O 1 O O 0 l 肇靛 化均匀 ， 未出现明显突变， 同时波峰两侧具有较好对称性 ， 未 出现叠加干扰 ， 这说明 2 0 0的加热温度对试件影 响较 小 。 而当温度达到 4 0 0 6 0 0之 间时 ， 接收信号波形 出现 明显异常 ， 振幅减小明显且无 明显变化规律 ， 已经脱 离 了 正弦波形式 ， 出现 了波形叠加、 反射等形式。 而 当温度处于 8 0 0 o C时， 对接收波的频率已经不能有效辨别， 波形整体 杂乱 ， 干扰现象明显 ， 这也反 映出当温度达到 8 0 0时试 件 内部已经出现大量裂缝 、 孔洞等损伤 。 2 4 机 理分析 高温后 B C质量 及声学特性 的改变与其 内部缺 陷密 切相关 。 当加热温度处 于 2 0 0 o c时， 试件 内部 自由水 分的 蒸发致使 B C质量减 小 ， 此时温度较低 ， 试件 内部新 裂缝 开展 较 少 ， 超 声 波 速 无 明 显 变 化 。当加 热 温 度 处 于 2 0 0 8 0 0时， B C试件内部水泥基体结合水逐渐蒸发， C a ( O H) 开始分解 ， 质量损失增大 ， 微裂缝受热不断扩展 ， 骨料与基体的胶结面因热膨胀系数不 同而变形开裂 ， 试件 内部缺 陷不断增 多， 使超声 波速在 穿透试 件时 出现 反射、 绕行 、 叠加 、 衰减等现象 ， 致使超声波速明显下降。 掺加玄武岩纤维后， 纤维与水泥基体形成微加筋体 系 ， 三维乱向分布于水泥基体 中的纤维起到 了增强 、 阻裂 、 桥接作用 ， 改善 了基体 的微观结构 ， 在 一定 幅度上减小 了 试件高温中的裂缝开裂 ， 在试件水 冷却过程 中， 有效约束 了因试件内外温差形成的裂缝 ， 增大了超声波速。 3 结 论 ( 1 ) 随加热温度升高 ， 各组 B C试件损失 质量均不断 增大 。 水冷却后 ， 试件 内外温差较大致使裂缝进一步发展 ， 吸收水分使试件损失质量减小。 ( 2 ) 掺入玄武岩纤维对高温后试件 的损失质量改善作 用不明显 ， 但较好 的阻止 了水冷却过程 中 B C试件 内部裂 缝 的进一步开裂 ， 改善效果随纤维掺量增大而增强。 ( 3 ) 试件内部缺陷损伤随温度升高而增大 ， 纵波波速 出现明显下降。 不同温度等级下 B C的抗压强度与纵波波 速具有较好的正相关性 ， 可 以实现高温后 B C的损伤预测 评估。 ( 4 ) 试件时域波形对温度较为敏感 ， 随温度上升 ， 声波 测试信号 的时域 波形规律性降低 ， 出现多峰 、 毛刺 等不规 则形态 。 参考文献 ： 1 L 1 w M， X U J Y I mp a c t c h a r a c t e ri z a t i o n o f b a s a l t fi b e r r e i n 一 上接第 5 5页 9 回国臣， 吴献 三向受压导电混凝土物理力学性能试验研究 J 混 凝土 ， 2 0 1 4 ( 1 ) ： 2 4 2 7 1 0 WE N S i h a i ， C H U N G D D L U n i a x i a l c o m p r e s s i o n i n c a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d c e me n t ， s e n s e d b y e l e c t ri c a l r e s i s t i v i t y me a s u r e m e n t i n l o n g i t u d i n a l a n d t r a n s v e r s e d i r e c ti o n s J C e me n t a n d Co n c r e t e Re s e a r c h， 2 0 01， 3 1： 2 9 73 0 1 1 1 谭宏斌 ， 冯小明， 郭从盛 不锈钢纤维石墨导电混凝土的研究 J f o r c e d g e o p o l y me r i c c o n c r e t e u s i n g a 1 0 0-mm-d i a me t e r s pl i t H o p k i n s o n p r e s s u r e b ar J Ma t e ri a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g A ， 2 0 0 9， 5 1 351 4： 1 451 5 3 2 A H MA R I S ， R E N X， T O U F I G H V， e t a1 P r o d u c ti o n o f g e o p o l y m e r i c b m d e r fr o m b l e n d e d w a s t e c o n c r e t e p o w d e r a n d fl y a s h J C o n s tr u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 1 2 ( 3 5 ) ： 7 1 8 7 2 9 3 B e r n d t M L， P h i l i p p a c o p o u l o s A J I n c o r p o r a t i o n o f fi b r e s i n g e o t h e r m a l w e l l c e me n t s J G e o t h e r mi c s ， 2 0 0 2 ， 3 1 ： 6 4 3 6 5 6 4 3 D I AS D P ， T H AU MA T U R G O C F r a c t u r e t o u g h n e s s o f g e o p o l y me r i c c o n c r e t e s r e i n f o r c e d w i t h b a s a l t fi b e r s J C e me n t a n d Con c r e t e Co mp os i t e s ， 2 0 0 5， 27： 4 95 4 5 Z i e l i n s k i ， K r z y s z t o f ， O l s z e w s k i ， e t a1 T h e i m p a c t o f b a s a l ti c fi b r e o n s e l e c t e d p h y s i c a l a n d m e c h a n i c al p r o p e r t i e s o f c e m e n t m o r t a r J Co n c r e t e P r e c a s t i n g Pl a n t a nd Te c h n o l o g y 2 0 0 5： 2 83 3 6 林智荣， 姚立宁 ， 施斌 ， 等 玄武岩连续纤维混凝土动力性能的 试验研究 c 第四届全国F R P应用技术学术交流会， 2 0 0 6 7 许金余， 李为民， 黄小明， 等 冲击荷载作用下玄武岩纤维增强 地质聚合物混凝土的变形特性 J 硅酸盐学报 ， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 7 ) ： 1 1 3 8 1 1 41 8 廉杰 ， 杨勇新 ， 杨萌， 等 短切玄武岩纤维增强混凝土力学性能 的试验研究 J 工业建筑 ， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 6 ) ： 81 0 1- 9 3 Y I M H J ， K I M J H， P A R K S J ， e t a 1 C h ar a c t e ri z a t i o n o f t h e rma l l y d a m a g e d c o n c r e te u s i n g a n o n l i n e a r u l t r a s o n i c m e t h o d J C e me n t a n d Co n c r e t e Re s e arc h， 2 01 2， 4 2： 1 43 81 4 4 6 1 0 H A S S A N A M T， J O N E S S W N o n d e s t r u c t i v e t e s ti n g o f u l t r a h i g b p e r f o r ma n c e fi b r e r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( U H P F R C ) ： A f e a s i b i l i t y s t u dy f o r us i n g u l tra s o n i c a n d r e s o n a n t fre q u e n c y t e s t i n g t e c h n i q u e s J C o n s t r u c ti o n a n d B u i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 1 2 ， 3 5 ： 36 13 6 7 1 1 Z H A N G B E f f e c t s o f mo i s t u r e e v a p o r a t i o n ( w e i g h t l o s s ) o n f r a c t u r e p r o p e r t i e s o f h i g h p e r f o rm a n c e c o n c r e t e s u b j e c t e d t o h i g h t e m p e r a t u r e s F i r e S a f e t y J o u r n a l ， 2 0 1 1 ， 4 6 ( 8 ) ： 5 4 3 5 4 9 1 2 Z H E N G W ， L I H， WA NG Y C o m p r e s s i v e b e h a v i o u r o f h y b ri d f i be r r e i n f o r c e d r e a c t i v e p owd e r c o n c r e t e a f t e r h i g h t e mp e r a t u r e M a t e ria l s a n d De s i g n， 2 01 2， 41： 40 34 0 9 1 3 U Y S A L M S e l f - c o m p a c t i n g c o n c r e t e i n c o rpo r a t i n g fi l l e r a d d i fiv e s ： P e rfo r ma n c e a t hi g h t e mp e r a t u r e s Co n s t r u c t i o n a nd Bu i l d i n g Ma t e ri a l s ， 2 0 1 2 ， 2 6 ( 1 ) ： 7 0 1 7 0 6 第一作者 ： 刘俊良( 1 9 9 2一) ， 男 ， 硕士研究生， 研究方向混凝土材 料性能。 联系地址： 陕西省西安市灞桥四霸陵路一号 空军工程大学机场 建筑工程系( 7 1 0 0 3 8 ) 联系电话 ： 1 8 0 4 9 5 3 1 3 3 9 混凝土 ， 2 0 0 6 ( 9 ) ： 3 5 3 7 第一作者： 张苡铭( 1 9 8 2一) ， 男， 讲师， 从事新型土木工程材料与 智能混凝土研究。 联系地址 ： 湖北武 汉 华 中 科 技大 学 武 昌 分校 城 市 建 设 学 院 ( 4 3 0 0 6 4 ) 联系电话 ： 1 3 9 8 6 1 4 0 0 1 6 59