不同养护周期对混凝土波速特征的影响研究

2019-03-05王玮

科学与技术 2019年3期

王玮

摘要：混凝土的养护周期对其强度和耐久性具有很大的影响，而含水率是决定混凝土养护效果的一个重要因素。以标准块状混凝土为研究对象，测试了不同养护时间下的纵波波速和含水率特征，并对纵波信号进行了傅里叶变换，研究发现：（1）随着养护时间的增加，试件的纵波波速逐渐增加，含水率逐渐降低，二者均呈现出了“S”型变化规律，即：初期变化慢，中期变化快，后期变化慢;（2）含水率与纵波波速呈线性关系，含水率越大，纵波波速越慢;（3）混凝土的养护是一个能量积累的过程，随着养护时间的增加，混凝土的强度逐渐增加。

关键词：混凝土;养护周期;含水率;纵波波速;频谱特征

1 引言

混凝土是一种主要的建筑材料，由骨料、水和水泥按照一定比例，拌和均匀得到。混凝土的原材料丰富，不受地域限制，耐久性好，成本较低，并且可依据不同要求，进一步进行加工，具有非常广泛的用途。在工程中，混凝土浇筑完成后，需要养护一段时间，才能达到预定的强度。混凝土的养护归根结底，就是水分散失，骨料硬化胶结的过程，因此在养护过程中，温度、湿度对混凝土有非常重要的影响，混凝土的含水量决定了其强度特征。

基于此很多学者开展了关于含水量对混凝土特征的影响研究。刘保东[1]等人，通过对不同尺寸的混凝土块进行自由浸泡吸水试验，得到了不同含水率的试件，并测试了抗压强度，得到了含水率与抗压强度的关系;冯德成[2]等人认为混凝土含水率对防水层的粘结性质有一定的影响，开展了相应的直剪试验研究，发现随着温度和含水率的增加，防水层的抗剪强度逐渐降低;张海燕[3]等人研究了含水率对混凝土碳化深度的影响，研究发现，相比于空气相对湿度，混凝土的含水率对碳化深度的影响更强;闫国亮[4]等人，利用超声波监测手段，研究了含水率对混凝土的影响，研究发现，1.5%为界限含水率，当含水率高于1.5%时，超声波的响应更为明显;沙玲[5]等人，对比了超声波法、低应变法两种混凝土桩基检测方法，建立了二者的转换关系;李美利[6]等人，通过电阻率法来测试混凝土的含水率，并以此来表征混凝土的养护效果。

目前超声波法由于其无损、快捷的特点，已经在岩土工程领域得到了非常广泛的应用。超声波可以探测到构件内部的裂隙、空洞，可以用于判断构件是否完整。很多研究局限于波速的变化，忽视了声波信号中的其他有用信息，于是，一些学者通过对声波信号进行数值计算[7][8]，可以得到声波能量在构件中的变化规律，对评价混凝土的耐久性和结构损伤程度具有很强的实践价值。

本文在前人的基础上，通过对不同养护周期的混凝土进行超声波检测，得到了不同含水率下的混凝土块波速特征，并借助傅里叶变换得到了声波的频谱特征以及在养护过程中混凝土的能量变化规律，可用于评价混凝土的养护效果。

2 试验方法与仪器

分别称取一定质量的砂、卵砾石、水泥和水，按照一定的配比，拌和均匀，制备若干5×5×5cm的混凝土块体，将所有试样置于温度为：25±3℃，湿度为35%-45%的条件下进行养护，每隔4天测试一次声波波速，并敲取部分试样，测得其质量后，置于105℃的烘箱中烘干24h，随后测试烘干后质量，最终通过计算得到试样的含水率。

聲波波速测试仪器采用湖南湘潭市天鸿电子研究所生产的HS-SB1W型声波测试仪，最高发射频率为20MHz，可测量非金属材料的纵波和横波，本次试验测试了混凝土的纵波波速。在测试时，为了防止声波能量的耗散，在换能器和试样接触位置涂抹一层凡士林。

Fig1. Wave tester

3 试验结果分析

按照相关建筑规范，一般混凝土的养护周期为28d，因此本次试验在第28d时终止。通过试验研究，得到了在不同的养护周期下混凝土的纵波波速和含水率的变化规律，如图2所示。

从图2中可以看出，随着养护周期的增加，混凝土的纵波波速逐渐增大，在试样制备初期纵波波速为2800m/s，呈非线性增长，最终达到3800m/s。同时，含水率也呈非线性下降，从初始的9%降为2%。含水率的变化趋势与纵波波速的变化趋势相似，均经过了初期稳定变化阶段、中期加速变化、后期稳定3个阶段。由此可知，含水率的降低，是导致纵波波速增加的一个原因。基于此，得到了含水率与纵波波速的关系曲线，如图3所示。

在图3的基础上进行了线性回归，发现含水率与纵波波速呈一定的线性关系，含水率越高，纵波波速越小。这是由于声波在传播的过程中，发生了能量损耗。声波从一种介质进入另一种介质中时，会发生反射、折射。并且纵波是一种弹性波，其本质是压缩产生能量并进行传递，由于水的密度大大低于混凝土块体的密度，在压缩过程中，水会吸收大部分能量，造成波速降低。

声波谱图中蕴含的信息非常多，仅靠波速来反映混凝土试样的特征显然具有局限性，因此参考一些学者的研究，本文利用傅里叶变换对纵波进行进一步分析。声波信号是由不同频率的信号迭加，傅里叶变换是一种滤波方法，可以将测得的声波信号进行拆分，得到不同频率的原始信号，通过进一步计算，可以得到物体的频谱曲线，可用来反映不同频率的信号特征。一般来讲，高频率的信号可以反映被测物体的共有性质，低频率的信号则可以表示被测物体的细节特征。在通过这些原始信号，可以得到被测物体的详细信息。

通过Matlab软件对不同养护周期下混凝土的纵波信号进行傅里叶变换，得到了频谱特征曲线，如图4所示，横坐标表示信号频率，纵坐标表示信号幅值，幅值高低表示能量大小。

从图4中提取不同养护周期下混凝土的频谱信息，得到了主频率及其对应幅值的变化规律，见图5。图5可以明确反映随着养护周期的增加，纵波信号的幅值逐渐增大，说明通过混凝土的声波信号能量增强，混凝土的性质逐渐变好。主频率集中在300kHz附近说明本次试验研究的混凝土的主频率特征值为300kHz，这是区别于其他材料的一个特征。

4 结论

通过对不同养护周期的混凝土进行超声波检测，得到了以下认识：

（1）混凝土的含水率随着养护周期的增加而减小，纵波波速逐渐增大，养护初期含水率较大，表层水分散失，变化缓慢，随着养护时间的增加，含水率变化速率加快，最后又趋于稳定;

（2）含水率与纵波波速呈线性关系，含水率越大，纵波波速越小;

（3）在混凝土养护过程中，水分逐渐丧失，穿过混凝土的声波信号能量逐渐增加，说明混凝土完整性逐渐变好，强度逐渐增加。

参考文献

[1]刘保东，李鹏飞，李林，等. 混凝土含水率对强度影响的试验[J]. 北京交通大学学报，2011，35（1）：9-12.

[2]冯德成，魏文鼎，詹苏涛. 桥面水泥混凝土含水率对防水层粘结性能的影响[J]. 公路交通科技，2013，30（5）：47-51.

[3]张海燕，把多铎. 混凝土含水率对碳化深度影响的试验[J]. 水利水电科技进展，2007，27（S2）：92-93.

[4]闫国亮，赵庆新. 含水率对受损混凝土超声波波速的影响[J]. 无损检测，2009，31（1）：48-49.

[5]沙玲，杜时贵，陈龙珠. 不同检测方法对混凝土波速的影响研究[J]. 工程地质学报，2007，15（1）：124-128.

[6]李美利，钱觉时，王立霞，等. 混凝土养护效果电阻率评价法探索[J]. 建筑材料学报，2011，14（4）：473-477.