新拌混凝土均勻度的超聲檢測

孫采鷹,張孟喜,張 飛,王金明,張英慧

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院,包頭 014000;2.北安普頓大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院,北安普頓 NN1 5PH)

隨著混凝土應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展,對混凝土性能的要求也越來越高。目前混凝土性能檢測的主要手段是澆筑混凝土?xí)r,預(yù)留一定數(shù)量的混凝土試件,經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)后,檢測其力學(xué)性能、耐久性等。該方法是一種事后控制的行為,有一定的滯后性和局限性,如后續(xù)發(fā)現(xiàn)其性能不符合要求,不僅影響工程質(zhì)量,而且對工程進(jìn)度、投資都會造成很大的影響[1]。因此,新拌混凝土的均勻性會直接影響混凝土的施工性能、力學(xué)性能以及使用壽命。

目前普遍采用的混凝土均勻度檢測方法主要為水洗篩分法,其費(fèi)時費(fèi)力且僅適用于試驗室配比檢測,缺乏時效性和現(xiàn)場性[2]。其后,人們在傳統(tǒng)水洗篩分法的基礎(chǔ)上開發(fā)自動篩分裝置,進(jìn)行現(xiàn)場混凝土均勻度檢測。在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),拌和后宏觀上均勻的混凝土,在微觀上仍然存在許多不均勻的水泥團(tuán),影響到混凝土的質(zhì)量。張艷聰?shù)萚3]提出用γ射線測定粗集料分布是否均勻。程一磊等[4]通過隨機(jī)骨料模型模擬了三點(diǎn)彎曲試驗,但現(xiàn)有隨機(jī)骨料模型僅考慮骨料的位置、大小和形狀的隨機(jī)性,未考慮骨料本身的均勻性。陳連軍等[5]利用Fluent模擬軟件模擬了砂漿攪拌機(jī)內(nèi)部流程,并根據(jù)所得數(shù)據(jù)控制了骨料分布的均勻性;然而,該方法在控制前未計算骨料當(dāng)前分布的均勻性,導(dǎo)致控制效率低且有效性差。涂亞東等[6]采用離散元分析方法在EDEM軟件中模擬了砂漿攪拌機(jī)中骨料混合過程,并根據(jù)分析結(jié)果控制了骨料分布的均勻性,然而,該方法計算的骨料分布均勻度與實際結(jié)果不符,存在準(zhǔn)確率低的問題。綜上所述,由于研究目的和方法的差異,不同研究得出的結(jié)果存在較大的差異[7]。

筆者采用超聲透射法對不同攪拌時間下的混凝土進(jìn)行密度檢測,根據(jù)計算公式得出其均勻度,以此來判斷新拌混凝土的均勻程度。結(jié)果表明,超聲檢測技術(shù)是一種快速、高效的無損檢測方法,可以對混凝土進(jìn)行非破壞性檢測,并對混凝土產(chǎn)品的拌合均勻性、強(qiáng)度、耐久性等指標(biāo)進(jìn)行預(yù)判,在一定程度上,可以指導(dǎo)混凝土澆筑的現(xiàn)場施工[8-10]。

1 均勻度檢測原理

超聲檢測技術(shù)是一種利用超聲波在材料中的傳播特性來評估材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能的非破壞性測試方法[11-13]。利用超聲波在穿透不同新拌混凝土?xí)r其聲學(xué)參數(shù)不同的特點(diǎn),可計算得出混凝土均勻度,具體如下所述。

某時刻下,超聲波在新拌混凝土試樣中的傳播速度可表示為

(1)

式中:c為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度;L為測試間距;t為超聲波傳播聲時。

超聲波的傳播速度與新拌混凝土密度和壓縮系數(shù)量的關(guān)系式為

(2)

式中:ρ為混凝土的密度;k為混凝土的壓縮系數(shù)。

由式(1),(2)可得,超聲波第一聲道測得的新拌混凝土線密度為

(3)

式中:ρ11為超聲陣列模塊中第一層面第一聲道測得的新拌混凝土線密度,其他聲道的線密度計算方法同式(3)。

根據(jù)超聲探頭測得的單聲道線密度,計算混凝土的面密度,即

(4)

式中:ρ1為超聲陣列模塊中第一層測得的面密度;n為超聲陣列第一層面的超聲檢測次數(shù);ρ1i為超聲陣列模塊中第一層面第i聲道測得的新拌混凝土密度。

新拌混凝土其他層面的面密度計算方法同式(4)。根據(jù)式(4)所得混凝土的面密度,計算新拌混凝土的均勻度,即

(5)

新拌混凝土的均勻程度U,能有效反映新拌混凝土中各集料的分布狀況。若U等于1,則混凝土完全攪拌均勻;否則,U值越小,新拌混凝土的不均勻度愈嚴(yán)重。混凝土超聲檢測試驗裝置結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 混凝土超聲檢測試驗裝置結(jié)構(gòu)示意

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

水泥采用內(nèi)蒙古包頭蒙西水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5型普通硅酸鹽水泥,水泥密度為3.02 g·cm-3,其主要物理性能指標(biāo)如表1所示;砂子采用細(xì)度模數(shù)為2.6的河砂,其堆積密度為1 485 kg·m-3;碎石粒徑為5～10 mm;吸水率為2.3%;含泥量為1.2%;表觀密度為1 660 kg·m-3;聚羧酸減水劑固含量為23.4%;混凝土用水采用城市自來水,符合標(biāo)準(zhǔn)JGJ63—2006 《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》 中的技術(shù)要求。

表1 水泥的主要物理性能指標(biāo)

2.2 配合比設(shè)計

試驗采用C30強(qiáng)度混凝土的配合比,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JGJ55—2011 《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》 設(shè)計,此外,為了確保試驗結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性,在混凝土的配合比設(shè)計中還考慮了多種因素,如原材料的種類、水灰比、骨料粒徑、摻合料種類和摻量等。同時,還對混凝土配合比進(jìn)行了多次調(diào)整和優(yōu)化,最后采用的C30強(qiáng)度新拌混凝土配合比設(shè)計參數(shù)如表2所示。

2.3 試驗方法

采用超聲波透射法對新拌混凝土進(jìn)行均勻度檢測。試驗裝置包括超聲換能器、計算機(jī)和試樣容器3個部分。超聲換能器是聲電轉(zhuǎn)換裝置,包括超聲波發(fā)射和接收兩個探頭,探頭頻率為88 kHz;計算機(jī)內(nèi)置控制程序,可設(shè)置試驗參數(shù)(如超聲波頻率、測試間距等),并通過示波器顯示和記錄超聲波信號;試樣容器用于盛放待測試樣,并放置探頭。

通過單臥軸攪拌機(jī)對混凝土材料進(jìn)行混合攪拌,將攪拌好的混凝土樣品裝入超聲波檢測裝置中,探頭在樣品的一側(cè)發(fā)出超聲波,在另一側(cè)通過信號采集模塊接收超聲波。若新拌混凝土與超聲探頭的接觸面不平整,探頭的發(fā)射信號將出現(xiàn)衰減,因此在超聲探頭的表面涂抹耦合劑以填補(bǔ)接觸空隙,從而提高參數(shù)檢測的準(zhǔn)確性。混凝土均勻度檢測試驗裝置實物如圖2所示。

圖2 混凝土均勻度檢測試驗裝置實物

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 理論密度試驗結(jié)果

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50080—2016 《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》 進(jìn)行混凝土密度檢測,在固定容器中對10組混凝土試樣進(jìn)行質(zhì)量測量,通過質(zhì)量體積公式計算密度,最后求取均值確定理論密度,結(jié)果精確至1 kg·m-3。

計算所得混凝土理論標(biāo)準(zhǔn)密度如表3所示,表中,5×10-3m3為測試裝置的固定體積,質(zhì)量指裝入混凝土試樣的凈質(zhì)量(裝置的質(zhì)量為0.485 kg)。

3.2 超聲檢測結(jié)果

使用超聲換能器對新拌混凝土進(jìn)行檢測,得出不同攪拌時間下不同點(diǎn)位的混凝土超聲透射聲速,如表4所示。

表4 不同攪拌時間下混凝土不同點(diǎn)位的超聲透射聲速

3.3 均勻度試驗結(jié)果

為了得到不同均勻程度的新拌混凝土,也為了避免試驗結(jié)果的離散性,使用單臥軸攪拌機(jī),采用攪拌時間逐漸遞增的方式進(jìn)行攪拌,攪拌時間依次為60,90,120,150,180,210 s,可得到6組均勻度不同的新拌混凝土。然后通過超聲檢測測量線密度,依據(jù)式(3)～(5)計算得出的不同攪拌時間下新拌混凝土均勻度的結(jié)果如表5所示。

表5 不同攪拌時間下混凝土密度與均勻度試驗結(jié)果

3.4 試驗結(jié)果分析

不同攪拌時間下均勻度和密度變化曲線如圖3所示,可以看出隨著攪拌時間的延長,新拌混凝土的均勻度U值呈現(xiàn)一開始上升,然后穩(wěn)定,最后下降的趨勢。這是因為攪拌時間較短時,新拌混凝土內(nèi)部的各種集料還沒有完全混合均勻;但是,隨著攪拌時間的增加,各種集料逐漸混合均勻;當(dāng)進(jìn)一步增加攪拌時間時,混凝土中水化作用加劇,加上水分的蒸發(fā),混凝土拌和物出現(xiàn)離析,即U值在最后下降。由圖3可見,攪拌時間為100 s時,U值和密度數(shù)據(jù)基本趨于穩(wěn)定,表明各集料已分布均勻,混凝土已拌和均勻;超過150 s后,U值和密度數(shù)據(jù)呈下降趨勢,表明混凝土的均勻性被破壞,出現(xiàn)了離析現(xiàn)象。因此,合理的混凝土攪拌時間應(yīng)為100～150 s。

圖3 不同攪拌時間下混凝土均勻度與密度變化曲線

根據(jù)表5所示的均勻度試驗結(jié)果,建立了3種以混凝土均勻度為因變量,攪拌時間為自變量的專用函數(shù)曲線。對比分析各函數(shù)曲線擬合相關(guān)系數(shù),最終確定適用于新拌混凝土均勻度超聲檢測的通用函數(shù)曲線類型。擬合函數(shù)包括多項式函數(shù)、冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù),擬合函數(shù)回歸分析結(jié)果及擬合函數(shù)回歸曲線分別如表6和圖4所示。

為了比較不同擬合函數(shù)與試驗數(shù)據(jù)的契合度,可以使用相關(guān)系數(shù)來評估擬合的質(zhì)量。由表6和圖4可知,擬合回歸相關(guān)系數(shù)由大到小排列依次為指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)、多項式函數(shù),其中指數(shù)函數(shù)相關(guān)系數(shù)大于0.99,與實測均勻度曲線符合程度較高。因此,可確定指數(shù)函數(shù)是適用于新拌混凝土均勻度超聲檢測的通用函數(shù),其公式為

表6 各擬合函數(shù)回歸分析結(jié)果

圖4 各擬合函數(shù)回歸曲線

U=1.004-7.494×105t-0.542-0.040 17t

(6)

式中:U為混凝土均勻度(0

4 結(jié)語

(1) 新拌混凝土的密度和均勻度均隨著攪拌時間的增加而得到改善,在攪拌時間為100 s時,均勻度值和密度數(shù)據(jù)基本趨于穩(wěn)定。在攪拌時間超過150 s后,混凝土中水化作用加劇,加上水分的蒸發(fā),混凝土拌和物出現(xiàn)離析現(xiàn)象,此時混凝土均勻性被破壞。因此,新拌混凝土使用單臥軸攪拌機(jī)的合理攪拌時間為100～150 s。

(2) 分析了3種擬合函數(shù)的回歸曲線與實測關(guān)系曲線的符合程度,確定指數(shù)函數(shù)是適用于新拌混凝土超聲檢測的通用函數(shù),并給出擬合計算公式,其擬合值與試驗值吻合良好。

(3) 超聲技術(shù)是一種非侵入式的檢測方法,可有效檢測混凝土的均勻度,具有較高的準(zhǔn)確性、速度和效率。在一定程度上可指導(dǎo)混凝土的現(xiàn)場施工,可以為建筑和工程領(lǐng)域的專業(yè)人員提供準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)支持。