何小軍張成維 尚艷亮

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院1)河北石家莊 050000 冀南技師學(xué)院2)河北邯鄲 056000秦皇島市政建材集團(tuán)有限公司3)河北秦皇島 066000）

隨著鋼混建筑物的不斷增多，混凝土因碳化而產(chǎn)生的耐久性問題不斷凸顯[1]。在工程結(jié)構(gòu)中，混凝土碳化深度的檢測多以半破損的方式進(jìn)行檢測。這種方式可以直觀便捷的測出混凝土的碳化深度，但因其會對混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生一定影響，在大批量混凝土的測試中代表性略顯不足，對于碳化深度較大的混凝土，這種破壞作用更為明顯[2-3]。

隨著現(xiàn)代檢測技術(shù)的不斷更新，無損檢測技術(shù)越來越多的應(yīng)用于混凝土中，包括超聲波法、沖擊回波法、探地雷達(dá)等[4]。在這之中超聲波因其在混凝土中傳播速率快、接收信號穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)成為目前混凝土檢測中應(yīng)用最為廣泛的一種檢測手段[5]。劉小菊[6]等用超聲波來評價(jià)混凝土構(gòu)造的抗凍性能；KWON S J[7]、梁鳴[8]等對如何將超聲波應(yīng)用于鋼管混凝土的檢測上進(jìn)行了一系列的研究并取得了突破性的進(jìn)展。但對于混凝土碳化層厚度，能否將其當(dāng)作損傷用超聲波波速的變化進(jìn)行表征，目前在該領(lǐng)域的研究還不明確。

基于以上分析，在CO2濃度為(20±3)%（體積分?jǐn)?shù)），相對濕度為(70±5)%，溫度為(20±2)℃環(huán)境中，研究了水膠比為0.37、0.45、0.53，粉煤灰等質(zhì)量替代水泥為0、30%、60%的混凝土試件的碳化規(guī)律，借助非金屬超聲波檢測儀測試了試件快速碳化3 d、7 d、14 d、28 d的波速，以期通過混凝土超聲波波速的變化表征混凝土的碳化深度，進(jìn)而豐富混凝土碳化深度的理論計(jì)算形式。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

水泥選用P·Ⅱ42.5硅酸鹽水泥，粉煤灰選用秦皇島熱電廠Ⅰ級粉煤灰，兩種膠凝材料的化學(xué)成分、燒失量、比表面積等參數(shù)見表1所示；細(xì)骨料采用天然河砂，其表觀密度為2 650 kg/m3；粗骨料采用粒徑為5～20 mm的破碎石灰石（其中5～10 mm與10～16 mm的碎石質(zhì)量比為7:3），其表觀密度為2 660 kg/m3；減水劑采用SKD14聚羧酸系高效減水劑；拌合水采用自來水。

表1 水泥和粉煤灰的化學(xué)組成、燒失量和比表面積

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 混凝土試件制備及快速碳化試驗(yàn)

采用如表2所示配合比成型100 mm×100 mm×400 mm的混凝土試件用于快速碳化試驗(yàn)和超聲波檢測。所有試件經(jīng)標(biāo)養(yǎng)28 d后用加熱的石蠟予以密封。將試件置于CO2濃度為(20±3)%（體積分?jǐn)?shù)），相對濕度為(70±5)%，溫度為(20±2)℃的碳化箱內(nèi)。達(dá)到預(yù)定碳化時(shí)間（7 d，14 d，21 d，28 d）后取出試件，然后從預(yù)定位置劈裂，測試其碳化深度。測試完成后將試件劈裂面密封后放回碳化箱內(nèi)繼續(xù)碳化，直到下一個(gè)測試時(shí)間。

表2 混凝土配合比

1.2.2 混凝土超聲波測試

采用對測法測試試件各齡期超聲波波速。在各試件達(dá)到預(yù)定碳化齡期（7 d、14 d、21 d、28 d），采用非金屬超聲分析檢測儀測試試件超聲波波速。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水膠比及粉煤灰摻量對混凝土碳化深度的影響

不同粉煤灰摻量及水膠比條件下混凝土試件各齡期碳化深度如圖1所示。

由圖1可以看出：隨碳化時(shí)間增加，碳化深度隨之增加，不同配合比的混凝土試件碳化深度增加情況有所差異；水膠比相同時(shí)，碳化深度跟著粉煤灰摻量的增多而增大；當(dāng)粉煤灰摻量為60%時(shí)，碳化深度增大最多；當(dāng)粉煤灰摻量一致時(shí)，碳化深度隨著水膠比的增加而增加；水膠比對混凝土抗碳化能力的影響最大，因此碳化深度隨水膠比的波動也相當(dāng)大。

圖1 不同粉煤灰摻量條件下混凝土各齡期碳化深度

2.2 混凝土碳化后波速變化情況

混凝土快速碳化28 d前后以及靜置28 d時(shí)，超聲波波速變化情況如圖2所示。

圖2 超聲波波速變化情況

由圖2可以看出：混凝土碳化后，其超聲波在混凝土中傳播速度均有一定幅度的增大，這可能是碳化后混凝土中生成的碳酸鈣填補(bǔ)了混凝土中的部分空隙，使混凝土變得更為密實(shí)所致；未進(jìn)行快速碳化的試件前后波速變化幅度較小，這表明超聲波在混凝土碳化部位的傳播速度是變大的。

2.3 混凝土碳化層波速的計(jì)算

假設(shè)通過無損混凝土的速率為Vc，通過產(chǎn)生變化混凝土的速率為Va，通過整個(gè)被測試件的波速為V。為更為準(zhǔn)確分析碳化后混凝土波速隨粉煤灰摻量的變化情況，定義相對波速K：

式中：K為混凝土碳化后的相對波速，aV為碳化后混凝土波速，cV為碳化前混凝土波速。

通過計(jì)算得到28 d齡期混凝土相對波速見圖3所示。

圖3 28 d齡期混凝土相對波速

由圖3可看出：當(dāng)不摻粉煤灰，碳化混凝土試件的相對波速隨著水膠比的增大而增大，最高變化有8%。當(dāng)粉煤灰摻量為30%以及60%時(shí)，碳化混凝土試件的相對波速隨著水膠比的增大而減小，幅度也在8%上下，而水膠比相同時(shí)粉煤灰摻量的變化引起的波速變化情況呈現(xiàn)波動狀態(tài)。

2.4 波速與碳化深度的回歸分析

對碳化28 d的混凝土試件，分別采用一次線性函數(shù)、二次多項(xiàng)式函數(shù)及指數(shù)函數(shù)對相對波速與碳化深度進(jìn)行擬合，其擬合結(jié)果見圖4所示。

圖4 相對波速與碳化深度擬合圖像

從回歸曲線相關(guān)系數(shù)的平方、平均絕對誤差、平均相對誤差來分析可以看到二次函數(shù)擬合的誤差最小，精度最高。而線性函數(shù)以及指數(shù)函數(shù)的誤差都比較大，尤其是指數(shù)函數(shù)的準(zhǔn)確度很低。因此在研究相對波速與碳化深度間的關(guān)系時(shí)，宜采用二次函數(shù)來進(jìn)行擬合分析，精確度相對較高。

3 結(jié)論

（1）水膠比相同時(shí)，碳化深度跟著粉煤灰摻量的增大而增大。當(dāng)粉煤灰摻量為60%時(shí)，碳化深度增大最多。粉煤灰摻量相同時(shí)，碳化深度隨水膠比的增大而變大；（2）超聲波在混凝土碳化層傳播時(shí)波速增大，變化幅度在3%-9%之間；當(dāng)粉煤灰摻量為0%時(shí)，碳化混凝土試件的相對波速隨著水膠比的增大而增大，當(dāng)粉煤灰摻量為30%以及60%時(shí)，碳化混凝土試件的相對波速隨著水膠比的增大而減小，水膠比相同時(shí)粉煤灰摻量的變化引起的波速變化呈現(xiàn)波動狀態(tài)；（3）相對波速與混凝土碳化深度間的二次函數(shù)關(guān)系擬合良好，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)混凝土波速的變化大概判斷混凝土的碳化深度，豐富了混凝土碳化深度的理論計(jì)算方式。