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试验研究 掺废渣混凝土抗冻融性能的超声检测 刘斯凤 (三峡大学 土木工程学院,湖北宜昌 443002) 摘 要:用超声波法检测了掺废渣混凝土在水溶液、3. 5 %氯化钠溶液以及3. 5 %氯化钠与 510 %硫酸钠复合溶液中冻融前后的声速变化。结果表明,生态混凝土在氯化钠溶液中冻融循环 的质量损失比水和复合溶液中冻融循环的质量损失大,氯化钠溶液对生态混凝土冻融循环产生的 剥蚀是不能忽略的;声速变化比质量损失变化明显,说明超声波法是一种检测混凝土冻融损伤的 简单可靠的方法。 关键词:超声检验;混凝土;损伤;声速 中图分类号:TG115. 28 文献标识码:A 文章编号:100026656(2003)1120571204 ULTRASONIC TESTING FOR THE FREEZING2THAWING RESISTANCE OF THE CONCRETE WITH WASTE SLAG LIU Si2feng (Civil Engineering Institute , Three G orges University , Yichang Hubei 443002 , China) Abstract : The sound velocity of the concrete with waste slag was tested before and after freezing and thawing in water , 3. 5 % NaCl and 3. 5 % NaCl + 5. 0 Na2SO4solutions. Results showed that the quality loss of the concrete freezed and thawed in 3. 5 % NaCl solution was more than that in water and 3. 5 % NaCl + 5. 0 % Na2SO4solution , and the surface scaling of the concrete resulted by 3. 5 % NaCl should not be neglected. The variation of sound velocity was more obvious than quality loss. It was concluded that ultrasonic technology was simple and reliable for testing the damage of freezed and thawed concrete. Keywords :Ultrasonic testing; Concrete; Damage; Sound velocity 水工混凝土建筑物经常受到冻融剥蚀破坏的作 用,因而其混凝土结构的抗冻性是需检测的主要指 标。通常,混凝土的抗冻性以试件冻融前后的相对 动弹性模量表示。以往测试混凝土试件在冻融循环 过程中动弹性模量的方法主要为共振法和敲击法, 但对于加载试件或混凝土结构而言,共振法就显得 无能为力1。声波检测技术是以弹性波在混凝土 等介质中的传播理论为基础,利用频率较高的声波 或超声波作为信息载体,由一个换能器向被检物体 中发射一定频率的声波或超声波,当声波穿过被检 物体到达另一个换能器时被其接收,并将波形及到 达时间显示出来2。 收稿日期:2003209208 基金项目:三峡大学青年科学基金资助项目( KJAO261) 声波在被测物体中的传播速度和幅值衰减情况 等与混凝土的力学性能有着十分密切的关系。混凝 土在外界作用下的损伤程度、 孔隙率及各种不连续 结构界面等均明显改变声波的传播行程,减低波速, 同时消能减幅,所以声波的传播特征反映混凝土的 状态,这是应用声波检测、 评价混凝土质量及完整性 程度的依据3 ,4。 作者采用超声检测技术测试了大掺量废渣混凝 土在不同腐蚀溶液中的质量损失及声速变化,同时 进行质量损失率测试,结果表明,混凝土的抗冻性能 完全可用超声方法检测,且测试结果准确、 可靠。 1 原材料及试验方法 1. 1 原材料 水泥为南京江南水泥厂生产的金宁羊牌42. 5P 175 第25卷第11期 2003年11月 无损检测 NDT Vol. 25No. 11 Nov .2 0 0 3 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 型波特兰水泥;粉煤灰和矿粉均由江南水泥厂粉 磨公司提供;砂子采用中砂,细度模数为2. 5 ,表观 密度为2 630kg/ m3;石子为玄武岩碎石,510mm 连续级配,表观密度为2 750kg/ m3;江苏省建科院 生产的JM2B减水剂,减水率 20 %。水泥和外掺 料的化学成分见表1 ,其它指标见表2。 表1 水泥和外掺料的化学成分 材料 化学成分含量/ % SiO2Al2O3CaOFe2O3MgOSO3 水泥22. 065. 1365. 375. 361. 062. 03 粉煤灰( 级)54. 70 24. 728. 706. 901. 131. 50 矿粉34. 314. 2141. 76. 751. 02 表2 水泥和外掺料的物理性能 材 料 密度 gcm- 3 比表面积 m2kg - 1 筛余/ % 80m45m 需水比 % 水泥3. 103560. 6100 粉煤灰( 级)2. 333601. 893 矿粉2. 864971. 499 1. 2 配合比 设计了C30 ,C50 ,C70三个强度等级的混凝土 基准配合比,对应的水胶比分别为0. 51 ,0. 36和 0130 ,砂率为38 % ,然后在保持其它指标不变的情 况下,用废渣等量取代水泥。粉煤灰或矿粉单独取 代水泥时,其取代量分为30 % ,50 %和70 %;粉煤灰 和矿粉复掺时取代量为50 % ,其中粉煤灰掺量为 30 % ,具体配合比见表3。 1. 3 试验方法 混凝土抗冻试验设备采用TDRI全自动混凝土 快速冻融机,试件尺寸为40mm40mm160mm , 表3 混凝土配合比 水胶 比 水泥取代量/ % 粉煤灰矿粉 水胶 比 水泥取代量/ % 粉煤灰矿粉 水胶 比 水泥取代量/ % 粉煤灰矿粉 0. 51 0 30 50 70 30 50 70 3020 0. 36 0 30 50 70 30 50 70 3020 0. 30 0 30 50 70 30 50 70 3020 每组三块。试件经标准养护24d后,再在相应溶液 中(水溶液、3. 5 %NaCl溶液、3. 5 %NaCl与5. 0 % Na2SO4混合溶液)浸泡4d ,然后进行快速冻融试 验。每隔25次冻融循环测定一次质量和声速变化, 声速用NM24B型非金属超声检测分析仪测量。 2 清水中冻融试验结果及分析 冻融破坏的评判指标为相对声速(即冻融后声 速与冻融前声速之比)和相对质量损失。相对声速 用来衡量混凝土内部的破坏程度,根据声速的变化 来建立混凝土的损伤失效与冻融循环次数的关系; 质量损失用来衡量混凝土的表面剥落程度。 2. 1 质量损失 水溶液中冻融试件的相对质量与冻融循环次数 之间的关系如图1所示。可见,空白混凝土的抗冻 能力要好于掺废渣混凝土的抗冻能力,经过水中冻 融循环125次后,三种水胶比的混凝土质量损失率 均 0. 5 %(图1a) ;粉煤灰混凝土的抗冻能力随粉 煤灰的掺量增大而降低,当粉煤灰掺量超过50 % 时,质量随冻融次数增加而迅速减少(图1b) ,掺 70 %粉煤灰混凝土的质量损失在冻融75次后即超 过了5 % ,50 %粉煤灰掺量混凝土的质量损失在冻 融循环125次后也接近4 %;矿渣混凝土在水中冻 融循环2质量损失率规律与粉煤灰混凝土类似,但质 量损失率的降低幅度要缓和许多,当矿渣掺量 50 % ,相对质量在冻融100次以内仅有小幅波动, 当冻融循环超过100次后,掺70 %矿粉混凝土的质 量损失下降加快(图 1c) 。当掺料类型不同时(掺量 均为50 %) ,125次循环以内(试验还在继续 ) , 单掺 粉煤灰混凝土的抗冻能力最差,而单掺50 %矿粉以 及双掺(粉煤灰30 %和矿粉20 %)混凝土相对质量 的变化与空白混凝土较为接近(图 1d) 。 2. 2 相对声速的变化 水溶液中冻融试件的相对声速与冻融循环次数 间的关系如图2所示,由于声波受混凝土损伤程度、 孔隙率及各种不连续结构界面等影响,因此当混凝 土中出现损伤或结构变得密实时,声速会降低或上 升。故声速的变化可反映混凝土内部的结构变化。 水胶比不变时,粉煤灰混凝土随粉煤灰掺量的 增加,其28d强度逐渐降低。强度值是混凝土内部 构造的综合反映,因此,强度值越低,相应地声速值 也越低(图 2b) 。高掺量粉煤灰混凝土的声速下降 非常明显(图2b中掺50 %或70 %粉煤灰的混凝土) 275 刘斯凤:掺废渣混凝土抗冻融性能的超声检测 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m (a)空白混凝土 (b)粉煤灰混凝土(水胶比为0. 51) (c)矿粉混凝土(水胶比为0. 51) (d)不同掺料的混凝土(水胶比为0. 51) 图1 冻融循环次数2相对质量损失曲线 ;矿粉混凝土声速的变化趋势与粉煤灰混凝土的相 似,不同的是50 %和70 %矿粉混凝土分别是在冻融 (a)空白混凝土 (b)粉煤灰混凝土(水胶比为0. 51) (c)矿粉混凝土(水胶比为0. 51) (d)不同掺料的混凝土(水胶比为0. 51) 图2 冻融循环次数2相对声速变化曲线 75次和25次后才急剧下降(图2c) ;掺量相同时,矿 粉混凝土声速的下降幅度较缓(图 2d) 。 375 刘斯凤:掺废渣混凝土抗冻融性能的超声检测 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m (a) C30混凝土 (b) C30混凝土 (c) C50混凝土 (d) C50混凝土 (e) C70混凝土 (f) C70混凝土 图3 不同腐蚀溶液对混凝土相对质量和相对声速的影响 对比图1与图2 ,发现声速对混凝土性能的变 化较质量对混凝土性能的变化更为敏感,因此,用超 声检测法检测混凝土冻融循环期间的变化更为准 确、 可靠。 3 腐蚀溶液的变化对混凝土相对质量和相 对声速的影响 腐蚀溶液对空白混凝土质量损失和声速变化的 影响示于图3。由图可见,混凝土在氯化钠盐溶液 中的质量损失率大于清水与复合溶液中的质量损 失,并随水胶比的降低而降低(图3a ,c ,e)。因此,氯 化钠溶液中遭受冻融循环的混凝土质量损失决不能 忽视5。混凝土在3. 5 %氯化钠与5. 0 %硫酸钠复 合溶液中冻融循环的质量损失与在3. 5 %氯化钠溶 液中的不同,比在水中冻融时小。可见,硫酸钠溶液 对冻融过程中质量损失的影响与氯化钠溶液完全不 同,即不同的盐对混凝土抗冻性的影响明显不同。 图3b ,d ,f中相对声速的变化规律与相对质量 损失率的变化规律类似,不同的是复合溶液中声速 值是先略上升,后再下降,其机理有待进一步研究。 4 结论 相同水胶比下,大掺量废渣生态混凝土的质量 损失和相对声速随废渣掺量的增加而增加;相同掺 量时,粉煤灰混凝土的质量损失和相对声速下降率 要高于矿粉混凝土。 掺料种类与掺量相同时,大掺量生态混凝土的 质量损失和相对声速随水胶比的增大而增加。 掺量相同时,掺料类型对混凝土抗冻性能的影 响规律为矿粉粉煤灰+矿粉复掺粉煤灰。 参考文献: 1 郝恩海,刘 杰,王忠海,等.混凝土超声声速与强度和 弹性模量的关系研究J .天津大学学报,2002 ,35(3) : 380 - 383. 2 刘卫东,张东芹,等.超声波检测混凝土结构抗冻性的 方法研究J .无损检测,2002 ,24(5) :196 - 199. 3 李俊如,黄理兴,李海波.利用超声波确定敦煌莫高窟 洞壁力学特性J .辽宁工程技术大学学报(自然科学 版) ,2001 ,20(4) :461 - 462. 4 向 阳,史习智.混凝土结构超声检测信号的时频分析 研究J .数据采集与处理,2001 ,16(2) :150 - 154. 5 缪昌文,刘加平,慕 儒,等.混凝土抗除冰盐的剥落性 能与机理研究J .公路,2001 ,(12) :88. 6 朱卫中,王 剑,钮长仁.应用弹性模量法研究负温混 凝土冻结损伤的思考J .低温建筑技术,2001 ,(1) :9. 475 刘斯凤:掺废渣混凝土抗冻融性能的超声检测 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. 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