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.內蒙古科技大學 信息工程學院,包頭 014000;2.北安普頓大學 計算機學院,北安普頓 NN1 5PH)

隨著混凝土應用領域的不斷拓展,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時,預留一定數量的混凝土試件,經標準條件養護后,檢測其力學性能、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,如后續發現其性能不符合要求,不僅影響工程質量,而且對工程進度、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,其費時費力且僅適用于試驗室配比檢測,缺乏時效性和現場性[2]。其后,人們在傳統水洗篩分法的基礎上開發自動篩分裝置,進行現場混凝土均勻度檢測。在實際應用中發現,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,影響到混凝土的質量。張艷聰等[3]提出用γ射線測定粗集料分布是否均勻。程一磊等[4]通過隨機骨料模型模擬了三點彎曲試驗,但現有隨機骨料模型僅考慮骨料的位置、大小和形狀的隨機性,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內部流程,并根據所得數據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前分布的均勻性,導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中骨料混合過程,并根據分析結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果不符,存在準確率低的問題。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行密度檢測,根據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。結果表明,超聲檢測技術是一種快速、高效的無損檢測方法,可以對混凝土進行非破壞性檢測,并對混凝土產品的拌合均勻性、強度、耐久性等指標進行預判,在一定程度上,可以指導混凝土澆筑的現場施工[8-10]。

1 均勻度檢測原理

超聲檢測技術是一種利用超聲波在材料中的傳播特性來評估材料內部結構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時其聲學參數不同的特點,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量的關系式為

(2)

式中:ρ為混凝土的密度;k為混凝土的壓縮系數。

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;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重?；炷脸暀z測試驗裝置結構示意如圖1所示。

圖1 混凝土超聲檢測試驗裝置結構示意

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

水泥采用內蒙古包頭蒙西水泥有限公司生產的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如表1所示;砂子采用細度模數為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,符合標準JGJ63—2006 《混凝土用水標準》 中的技術要求。

表1 水泥的主要物理性能指標

2.2 配合比設計

試驗采用C30強度混凝土的配合比,依據標準JGJ55—2011 《普通混凝土配合比設計規程》 設計,此外,為了確保試驗結果的可靠性和準確性,在混凝土的配合比設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行了多次調整和優化,最后采用的C30強度新拌混凝土配合比設計參數如表2所示。

2.3 試驗方法

采用超聲波透射法對新拌混凝土進行均勻度檢測。試驗裝置包括超聲換能器、計算機和試樣容器3個部分。超聲換能器是聲電轉換裝置,包括超聲波發射和接收兩個探頭,探頭頻率為88 kHz;計算機內置控制程序,可設置試驗參數(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。

通過單臥軸攪拌機對混凝土材料進行混合攪拌,將攪拌好的混凝土樣品裝入超聲波檢測裝置中,探頭在樣品的一側發出超聲波,在另一側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,探頭的發射信號將出現衰減,因此在超聲探頭的表面涂抹耦合劑以填補接觸空隙,從而提高參數檢測的準確性?；炷辆鶆蚨葯z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 試驗結果及分析

3.1 理論密度試驗結果

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

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

3.2 超聲檢測結果

使用超聲換能器對新拌混凝土進行檢測,得出不同攪拌時間下不同點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位的超聲透射聲速

3.3 均勻度試驗結果

為了得到不同均勻程度的新拌混凝土,也為了避免試驗結果的離散性,使用單臥軸攪拌機,采用攪拌時間逐漸遞增的方式進行攪拌,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果

3.4 試驗結果分析

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值呈現一開始上升,然后穩定,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;當進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,混凝土拌和物出現離析,即U值在最后下降。由圖3可見,攪拌時間為100 s時,U值和密度數據基本趨于穩定,表明各集料已分布均勻,混凝土已拌和均勻;超過150 s后,U值和密度數據呈下降趨勢,表明混凝土的均勻性被破壞,出現了離析現象。因此,合理的混凝土攪拌時間應為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

根據表5所示的均勻度試驗結果,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曲線。對比分析各函數曲線擬合相關系數,最終確定適用于新拌混凝土均勻度超聲檢測的通用函數曲線類型。擬合函數包括多項式函數、冪函數和指數函數,擬合函數回歸分析結果及擬合函數回歸曲線分別如表6和圖4所示。

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

表6 各擬合函數回歸分析結果

圖4 各擬合函數回歸曲線

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,均勻度值和密度數據基本趨于穩定。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,混凝土拌和物出現離析現象,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的合理攪拌時間為100～150 s。

(2) 分析了3種擬合函數的回歸曲線與實測關系曲線的符合程度,確定指數函數是適用于新拌混凝土超聲檢測的通用函數,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,具有較高的準確性、速度和效率。在一定程度上可指導混凝土的現場施工,可以為建筑和工程領域的專業人員提供準確、可靠的數據支持。