不同水膠比自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度及波速測(cè)試研究

楊 巧，李富民，李晟文，王 輝

（1． 江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225100； 2． 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116；3． 九州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程系， 江蘇 徐州 221116； 4． 揚(yáng)州新?lián)P建工程建設(shè)有限公司 合約部， 江蘇 揚(yáng)州 225100）

0 引 言

近年來(lái)，自密實(shí)混凝土因其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而逐漸廣泛應(yīng)用于各類工程中。強(qiáng)度是混凝土性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，已有研究指出自密實(shí)混凝土強(qiáng)度與其自身拌合物原材料有著密切的關(guān)系[1-6]，得出其抗壓強(qiáng)度與水膠比和齡期[7]、等效水膠比的函數(shù)關(guān)系[8]。上述研究主要針對(duì)強(qiáng)度的影響因素展開(kāi)，而關(guān)于自密實(shí)混凝土強(qiáng)度與波速關(guān)系的研究較少。有學(xué)者對(duì)普通混凝土強(qiáng)度與波速關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究[9-11]，得出了一些結(jié)論。自密實(shí)混凝土雖與普通混凝土拌合物采用的原材料相同，但其具有礦物添加比高（需添加高效減水劑）、砂率較大、骨料粒徑小等特點(diǎn)[12]，其內(nèi)部細(xì)微結(jié)構(gòu)與普通混凝土有明顯區(qū)別。因此，能否用超聲波無(wú)損檢測(cè)自密實(shí)混凝土強(qiáng)度，還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文配制了水膠比分別為0．52、0．48、0．44、0．40 的自密實(shí)混凝土試件，在養(yǎng)護(hù)齡期 7、14、28、56、84、112 d 時(shí)分別進(jìn)行波速與強(qiáng)度測(cè)試，探討了自密實(shí)混凝土強(qiáng)度與波速隨齡期變化的規(guī)律，分析了一定齡期內(nèi)不同水膠比自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度與波速的關(guān)系，且進(jìn)行曲線模擬，以期為發(fā)展適應(yīng)本地區(qū)工程實(shí)際的自密實(shí)混凝土強(qiáng)度無(wú)破損檢測(cè)技術(shù)提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

1．1 材料

水泥為揚(yáng)州產(chǎn)亞?wèn)|牌 P·O 42．5 級(jí)，密度3 000 kg/m3，燒失量 4．88 %，初凝 200 min，終凝255 min，3 d、28 d 抗折強(qiáng)度 5．5 MPa、8．2 MPa，3 d、28 d 抗壓強(qiáng)度為 27．9 MPa、46．5 MPa；粉煤灰采用鎮(zhèn)江產(chǎn)Ⅰ級(jí)灰，細(xì)度10．0 %，燒失量2．4 %，三氧化硫 1．15 %，表觀密度為 2 520 kg/m3；S95 級(jí)礦粉流動(dòng)度比為98 %，含水量為0．17 %，表觀密度為2 870 kg/m3；粗骨料采用粒徑5 ～16 mm 連續(xù)級(jí)配的石子，表觀密度為2 720 kg/m3，壓碎值為9．99 %；細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)為 2．584 、Ⅱ級(jí)配區(qū)砂，表觀密度為2 330 kg/m3；減水劑選用聚羧酸高效PCA-9；拌和水選用本地自來(lái)水。

1．2 試驗(yàn)方法

水膠比分別為 0．52、0．48、0．44、0．40，粉煤灰摻量23 %，礦粉摻量18 %，砂率48．8 %，高效減水劑1．1 %，按表1 的配合比配制試件，試件尺寸為100 mm×100 mm ×100 mm。待試件養(yǎng)護(hù)（標(biāo)養(yǎng)）7 d、14 d、28 d、56 d、84 d、112 d 時(shí)，取出進(jìn)行超聲波速測(cè)定，然后測(cè)試抗壓強(qiáng)度。超聲波速采用NM—4B—1609 儀器進(jìn)行對(duì)測(cè)法測(cè)試。

表1 自密實(shí)混凝土配合比 （kg/m3）

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1 性能測(cè)試結(jié)果

依據(jù)JGJ/T 283-2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》測(cè)試了拌合物的各項(xiàng)性能，結(jié)果如表2 所示。

表2 性能試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

四組拌合物外觀性能均表現(xiàn)為均勻，不泌水。由表2 可見(jiàn)，每組坍落擴(kuò)展度達(dá)SF2 等級(jí)，擴(kuò)展時(shí)間T500達(dá)到VS1 等級(jí)，填充性能好；間隙通過(guò)性指標(biāo)達(dá)到PA1 等級(jí)；中邊差小于2 cm。表明砂率選取合理，粗細(xì)骨料相互分散得比較好。以上指標(biāo)均表征四組拌合物對(duì)于一般混凝土結(jié)構(gòu)適用。從U型箱試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，試件N4 的流動(dòng)性和通過(guò)性能弱于前三組，原因可能是膠凝材料用量比例增加，使其黏性增大。

2．2 抗壓強(qiáng)度、波速試驗(yàn)結(jié)果及分析

測(cè)試了 7 d、14 d、28 d、56 d、84 d、112 d 時(shí)試件的抗壓強(qiáng)度與超聲波速，結(jié)果如表3 所示。

表3 不同齡期時(shí)的自密實(shí)混凝土強(qiáng)度及超聲波速

2．2．1 強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

不同水膠比試件的抗壓強(qiáng)度隨齡期變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。從圖1 可知，試件強(qiáng)度均隨齡期延長(zhǎng)不斷增大，前期增加趨勢(shì)明顯，后期增加緩慢；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)84 d 后，其數(shù)值幾乎保持穩(wěn)定，112 d 與84 d 相比，強(qiáng)度最大增幅為 3．45%，最小僅增 0．6%；由于齡期112 d、水膠比0．48 的試件缺棱，且中間有馬蜂面，故其強(qiáng)度有所降低。

圖1 自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化趨勢(shì)

由表3 可知，在同一齡期時(shí)，水膠比為0．52、0．48 的試件強(qiáng)度相差甚微，相差最大是齡期112 d時(shí)，水膠比 0．48 試件強(qiáng)度比 0．52 低 7．87 %，最小是28 d 時(shí)，僅低0．57 %，且增長(zhǎng)趨勢(shì)基本一致。試件 N3（0．44）、N4（0．40） 的強(qiáng)度比 N1（0．52）、N2（0．48）強(qiáng)度高，但四組試件表現(xiàn)出一致的特征，強(qiáng)度相差最大是齡期 14 d 時(shí)，試件 N4（0．40）比 N3（0．44）低 6．31%，最小的是養(yǎng)護(hù)齡期 56 d 時(shí)，僅低0．21%。由此可見(jiàn)，自密實(shí)混凝土受性能影響，強(qiáng)度對(duì)水膠比反應(yīng)沒(méi)有普通混凝土靈敏。試件的水膠比相差值小于0．04 時(shí)，低水膠比的自密實(shí)混凝土強(qiáng)度未必高。

2．2．2 超聲波速與齡期的關(guān)系

試件超聲波速隨齡期的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2。從圖2 可以看出：在齡期56 d 前，水膠比為0．48、0．44、0．40 的試件波速均隨齡期的延長(zhǎng)不斷增大，之后波速開(kāi)始大幅下降，至齡期84 d 后下降趨勢(shì)轉(zhuǎn)向平穩(wěn)；水膠比為0．52 的試件在養(yǎng)護(hù)齡期84 d前，超聲波速不斷增大，84 d 后則開(kāi)始大幅下降。超聲波在水和空氣中傳播速度比在固體中慢，早期試件中膠凝材料水化不完全，孔隙中含水較多，而隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，試件中膠凝材料漸漸水化，在此過(guò)程中不斷消耗水分，且水化產(chǎn)物不斷充實(shí)孔隙，與砂石包裹在一起，使試件內(nèi)部越來(lái)越密實(shí)[13]。因此，早期波速不斷增大，但56 d 后膠凝材料水化基本完成，水分被消耗，試件孔隙被空氣或水化產(chǎn)物填充，這時(shí)超聲波在試件中因遇到氣相、固相發(fā)生反射或繞射，導(dǎo)致波速下降[14]。

圖2 自密實(shí)混凝土超聲波速隨齡期的變化趨勢(shì)

由圖2 還可見(jiàn)，齡期56 d 內(nèi)，在同一齡期時(shí)，水膠比為 0．40 的試件波速比 0．44 的大，水膠比為0．48 的試件波速比 0．52 的大，但是齡期超過(guò) 56 d后，水膠比0．52 的試件波速最大。這是因?yàn)橛盟肯嗤?，膠凝材料用量少，孔隙水被消耗需要更長(zhǎng)時(shí)間，所以波速下降較滯后。

2．3 強(qiáng)度與超聲波速關(guān)系

從圖1、圖2 看出，同一養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，水膠比為 0．40、0．44 的試件強(qiáng)度高于水膠比為 0．48、0．52的試件強(qiáng)度，而波速不一定高于其；在養(yǎng)護(hù)齡期56 d 前，試件的強(qiáng)度與波速皆隨齡期延長(zhǎng)而增大，56 d 后強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，波速降低。由此可見(jiàn)，在合適的齡期內(nèi)，強(qiáng)度與波速有顯著的內(nèi)在聯(lián)系。

考慮利用波速預(yù)測(cè)強(qiáng)度。為提高預(yù)測(cè)的精確性，對(duì)水膠比為0．52 的試件分析齡期84 d 內(nèi)的情況，其余試件分析齡期56 d 內(nèi)的情況。基于此，模擬出各水膠比試件的超聲波速與抗壓強(qiáng)度之間的函數(shù)關(guān)系，如表4 所示。通過(guò)對(duì)比函數(shù)系數(shù)發(fā)現(xiàn)，不同水膠比的自密實(shí)混凝土函數(shù)模型相同，系數(shù)不同?？梢?jiàn)當(dāng)波速相同時(shí)，不同的水膠比試件對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度數(shù)值不同。因此，需要分別對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的自密實(shí)混凝土做回歸方程。

表4 自密實(shí)混凝土超聲波速與抗壓強(qiáng)度之間的函數(shù)關(guān)系

圖3—5 分別為試件波速與強(qiáng)度之間函數(shù)關(guān)系的相關(guān)系數(shù)（R2）、調(diào)整后相關(guān)系數(shù)和均方根誤差。圖3 表明，不同水膠比的試件，二次函數(shù)的相關(guān)系數(shù)相對(duì)較好。為消除因增加自變量而高估R2，則引入調(diào)整后的R2，增加評(píng)判模擬曲線精度的準(zhǔn)確性。從圖 4 可見(jiàn)，試件 N 1（0．52）冪函數(shù)調(diào)整后相關(guān)系數(shù)最大；試件 N 2（0．48）、N4（0．40）則是指數(shù)函數(shù)調(diào)整后相關(guān)系數(shù)最大；試件N3（0．44）是線性函數(shù)調(diào)整后系數(shù)最大?？梢?jiàn)，不同水膠比對(duì)應(yīng)最優(yōu)的擬合曲線不同。為驗(yàn)證以上模擬精度的最優(yōu)值，計(jì)算各模擬曲線的均方根誤差，如圖5 所示，也驗(yàn)證了上述結(jié)論。

圖3 波速與強(qiáng)度函數(shù)的相關(guān)系數(shù)

圖4 波速與強(qiáng)度函數(shù)調(diào)整后的相關(guān)系數(shù)

圖5 波速與強(qiáng)度函數(shù)的均方根誤差

圖6 不同水膠比試件波速與強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系模擬曲線

圖6 是不同水膠比試件波速與強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系模擬曲線。圖6 表明，四組試件的波速均隨強(qiáng)度的增加而增大，齡期14 d 內(nèi)和28 d 后相對(duì)增長(zhǎng)速率高于齡期14～28 d。由于增長(zhǎng)速率不一致，模擬曲線用一次性函數(shù)表示，精度不是最高。雖然不同水膠比試件強(qiáng)度與波速關(guān)系表現(xiàn)出了一致的特征，但在不同齡期階段強(qiáng)度與波速兩者相對(duì)關(guān)系變化速率不同，因此對(duì)于不同水膠比要用不同的模擬曲線來(lái)表征。

3 結(jié) 論

（1）受性能影響，自密實(shí)混凝土在水膠比相差小于0．04 時(shí)，低水膠比的強(qiáng)度未必高；強(qiáng)度隨著齡期延長(zhǎng)不斷增大，初期增長(zhǎng)速率較后期大，在齡期84 d 后，強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定，增長(zhǎng)較緩慢。前期由于粉煤灰與礦粉兩種摻量的物理與化學(xué)疊加效應(yīng)，促使強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速，但是在齡期56 d 后，兩種協(xié)同效應(yīng)影響力降低，水化反應(yīng)也基本完成，從而強(qiáng)度趨于穩(wěn)定[15]。

（2）自密實(shí)混凝土波速隨著齡期增長(zhǎng)表現(xiàn)出先增加后下降特征；在齡期56 d 后，水膠比為0．48、0．44、0．40 的自密實(shí)混凝土波速開(kāi)始下降；在齡期84 d 后，水膠比為0．52 的自密實(shí)混凝土波速開(kāi)始下降。

（3）在一定齡期內(nèi)，不同水膠比的自密實(shí)混凝土的超聲波速與強(qiáng)度呈強(qiáng)相關(guān)性。建立無(wú)損模擬曲線方程，為預(yù)測(cè)適用本地區(qū)低水膠比自密實(shí)混凝土強(qiáng)度提供了理論支持，也為檢測(cè)加固工程中的自密實(shí)混凝土質(zhì)量提供了參考依據(jù)。

（4）波速隨強(qiáng)度增大而增大，但是由于水膠比不同，粉煤灰與礦粉用量不同，其對(duì)強(qiáng)度與波速的影響效應(yīng)不同，造成其在齡期14～28 d 時(shí)，波速隨著強(qiáng)度增長(zhǎng)的速率明顯不同。因此，不同水膠比的自密實(shí)混凝土的模擬曲線不同：水膠比為0．52 的自密實(shí)混凝土以冪函數(shù)的擬合性最好；對(duì)于水膠比為 0．48、0．40 的自密實(shí)混凝土，用指數(shù)函數(shù)擬合最佳；水膠比為0．44 自密實(shí)混凝土，線性函數(shù)擬合最優(yōu)。