孫振峰

(莊河市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 莊河 116400)

我國(guó)東北部地區(qū)的季節(jié)性溫差較大，氣候寒冷，河流與地質(zhì)環(huán)境中大都含有鹽滯性水，水庫(kù)大壩極易發(fā)生硫酸鹽侵蝕和凍融破壞，多種不利因素的耦合作用勢(shì)必導(dǎo)致溢流面、水位變化處等混凝土剝蝕，大壩運(yùn)行受到嚴(yán)重威脅[1]。超聲檢測(cè)是一種利用透射波信號(hào)檢測(cè)被檢對(duì)象的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，因具有精準(zhǔn)度高、操作方便等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于混凝土耐久性研究領(lǐng)域[2-3]。超聲檢測(cè)水工混凝土受單一因素不利作用的影響因素較多，并取得了豐碩的成果。然而，大壩水位變化區(qū)的三級(jí)配混凝土性能較普通的二級(jí)配混凝土具有明顯差異，并且易受硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)作用，濕篩剔除大骨料時(shí)不僅會(huì)明顯改變混凝土的三相組成，還會(huì)帶走一定的漿體，而現(xiàn)有研究較少利用超聲法檢測(cè)多因素耦合作用下的濕篩水工混凝土性能。鑒于此，文章以東北地區(qū)某水庫(kù)大壩為例，采用快凍法建立混凝土強(qiáng)度、凍融次數(shù)與超聲波速之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，論證了水位變化區(qū)濕篩混凝土抗凍性評(píng)價(jià)時(shí)超聲檢測(cè)技術(shù)的有效性、可行性。

1 試驗(yàn)方法

1.1 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)水泥為渤海牌P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，粉煤灰用綏中電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，粗細(xì)骨料選用連續(xù)級(jí)配的人工碎石和中砂，其中小石、中石、大石粒徑為5-20mm、20-40mm和40-80mm，砂的細(xì)度模數(shù)2.7，含水率4.5%；外加劑選用蘇博特PCA?-Ⅰ聚羧酸高性能減水劑和GYQ?-Ⅲ高效引氣劑；試驗(yàn)用水為自來(lái)水?？紤]拌合物坍落度設(shè)計(jì)要求，經(jīng)多次試配確定最終的配合比，如表1所示。

表1 混凝土配合比 kg/m3

1.2 試件成型

根據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范》將攪拌好后的原材料過(guò)30mm孔徑篩1min，采用過(guò)篩料按照表2中的要求澆筑配制混凝土試件。

表2 試件分組與尺寸

為了使各組試件吸水飽和，將養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期前4d的濕篩混凝土試件分組別放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的Na2SO4溶液和20℃±3℃水中浸泡4d，達(dá)到規(guī)定齡期后放入裝有硫酸鹽溶液和水的試件盒內(nèi)，利用HDK-9型快速凍融試驗(yàn)機(jī)測(cè)試凍融循環(huán)50次、100次、150次、200次、250次、300次的混凝土試樣抗凍性。

濕篩混凝土的超聲波波速利用Pundit Lab超聲波檢測(cè)儀測(cè)定，為保證兩個(gè)換能器的中心能夠在涂有凡士林耦合劑的一組對(duì)立面上呈一條直線，除澆筑面外測(cè)四組對(duì)立面的中心部位聲速，每個(gè)試件每組對(duì)立面測(cè)3個(gè)波速取平均值。

采用WAW-1000B型微機(jī)電液伺服萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試混凝土強(qiáng)度，其最大加載力可以達(dá)到1000kN。

2 超聲波速與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

2.1 外觀損傷特征

鹽凍和水凍條件下不同凍融循環(huán)次數(shù)后的混凝土外觀損傷情況，可以劃分成3個(gè)階段：①階段1：混凝土表面開(kāi)始出現(xiàn)坑蝕和麻點(diǎn)；②階段2：混凝土表面逐漸露出細(xì)骨料，膠凝材料流失；③階段3：混凝土表面逐漸露出粗骨料，細(xì)骨料剝落增多且棱角嚴(yán)重脫落。

通過(guò)對(duì)比分析可知，凍融循環(huán)次數(shù)相同的情況下，混凝土受鹽凍和水凍作用造成的外觀損傷程度具有明顯差異。凍融循環(huán)達(dá)到100次時(shí)，兩種試驗(yàn)條件下混凝土表面都出現(xiàn)了坑洞與麻點(diǎn)，但相差不明顯；凍融循環(huán)達(dá)到150次時(shí)，鹽凍條件下混凝土表面出現(xiàn)細(xì)骨料外露的現(xiàn)象，而水凍作用下的坑蝕明顯增多，兩者具有明顯的表觀特征差異；凍融循環(huán)達(dá)到200次時(shí)，鹽凍條件下可以看到許多的粗骨料外露，部分棱角開(kāi)始脫落，而水凍表面的細(xì)骨料有少許外露；凍融循環(huán)達(dá)到300次時(shí)，鹽凍條件下的棱角明顯脫落，棱柱體總表面積的2/3都出現(xiàn)一定的粗骨料裸露現(xiàn)象，表面損壞嚴(yán)重，水凍作用下表面有更多的細(xì)骨料外露。因此，多因素耦合作用既加重了混凝土的損傷程度又加快了其表面損傷速度。

2.2 超聲波測(cè)試

鹽凍與水凍試驗(yàn)條件下，濕篩水工混凝土的超聲波波速隨不同凍融循環(huán)次數(shù)的變化特征見(jiàn)表3。

表3 濕篩混凝土超聲波波速

從表3可以看出，鹽凍和水凍作用下濕篩混凝土超聲波波速均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加不斷下降，并且鹽凍作用下的下降速度更快。采用以下公式計(jì)算凍融循環(huán)作用下濕篩混凝土的相對(duì)超聲波波速T，見(jiàn)圖1，即：

T=vn/v0

(1)

式中：vn、v0為混凝土經(jīng)多次凍融循環(huán)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28d的超聲波波速。

(a)鹽凍作用 (b)水凍作用

結(jié)果表明，鹽凍作用下凍融循環(huán)達(dá)到300次時(shí)混凝土的相對(duì)超聲波波速減少到84.73%，相同條件下明顯低于水凍作用的相對(duì)超聲波波速，這既表明混凝土受硫酸鹽凍融的破壞作用強(qiáng)烈于水凍，也從微觀層面上反映了混凝土內(nèi)部損傷與凍融循環(huán)之間的關(guān)系。在凍融初期，鹽凍與水凍作用下的相對(duì)超聲波波速下降幅度較低，凍融循環(huán)達(dá)到100次后鹽凍作用下具有更快的波速下降幅度。研究表明，混凝土內(nèi)部受凍融循環(huán)的破壞十分顯著，特別是硫酸鹽提高了混凝土的損傷及其凍融破壞速度。

根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，濕篩混凝土在鹽凍及水凍作用下，凍融循環(huán)次數(shù)與相對(duì)超聲波波速之間的關(guān)系式如下：

Ty,n=-1.0576×10-6×2-1.7285×10-4x+0.9996；R2=0.9970Ts,n=-1.2871×10-6×2+4.2618×10-5x+0.9942；R2=0.9935

(2)

式中：Ty,n為鹽凍作用下混凝土的相對(duì)超聲波波速；Ts,n為水凍作用下混凝土的相對(duì)超聲波波速；x為凍融循環(huán)次數(shù)；R2為相關(guān)系數(shù)。

2.3 抗壓強(qiáng)度與波速的關(guān)系

為進(jìn)一步揭示抗壓強(qiáng)度與超聲波波速之間的關(guān)系，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行回歸分析，從而建立數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型并計(jì)算誤差范圍以及回歸效果。結(jié)果顯示，混凝土受硫酸鹽侵蝕與凍融循環(huán)作用時(shí)，其超聲波波速與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系曲線為：

fcu=AvB

(3)

式中：A、B為待定系數(shù)值；fcu為抗壓強(qiáng)度；v為超聲波波速。因此，經(jīng)進(jìn)一步處理確定不同凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度，即：

fcn/fc0=A(vn/v0)B

(4)

式中：fcn為混凝土經(jīng)多次凍融循環(huán)；fc0為初始的抗壓強(qiáng)度；vn為經(jīng)多次凍融循環(huán)；v0為初始狀態(tài)的超聲波波速。將公式(4)兩邊取對(duì)數(shù)有In(fcn/fc0)=InA+BIn(vn/v0)，令y=In(fcn/fc0)，a=InA，B=b，x=In(vn/v0上式可以轉(zhuǎn)化成：

y=a+bx

(5)

采用公式(4)擬合分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而獲取超聲波波速與混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線，即y=4.7280x+0.0142(鹽凍作用)、y=4.8217x+0.0216(水凍作用)。然后可以反推出鹽凍和水凍作用下超聲波波速與混凝土強(qiáng)度之間的相互關(guān)系，即fcn/fc0=(vn/v0)4.7280、fcn/fc0=(vn/v0)4.8217。

3 結(jié) 論

1)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加濕篩水工混凝土表面經(jīng)歷了開(kāi)始出現(xiàn)坑蝕與麻點(diǎn)、細(xì)骨料外露和膠凝材料流失、粗骨料外露且棱角脫落三個(gè)發(fā)展階段，表面出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞，多因素耦合作用既加重了混凝土的損傷程度又加快了其表面損傷速度。

2)鹽凍和水凍作用下濕篩混凝土超聲波波速均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加不斷下降，并且鹽凍作用下的下降速度更快。鹽凍作用下凍融循環(huán)達(dá)到300次時(shí)混凝土的相對(duì)超聲波波速減少到84.73%，混凝土受硫酸鹽凍融的破壞作用強(qiáng)烈于水凍。濕篩混凝土在鹽凍及水凍作用下，凍融循環(huán)次數(shù)與相對(duì)超聲波波速之間的關(guān)系式為拋物線，并且兩者相關(guān)性較好。然后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行回歸分析，揭示了抗壓強(qiáng)度與超聲波波速之間的關(guān)系。