应力-纵波-横波同向同步联合测试耦合剂研究

毛　举， 刘　高,2， 王笑然， 张春峰， 罗泽华

(1. 兰州大学 土木工程与力学学院, 甘肃 兰州　730000; 2. 兰州大学 西部灾害与环境力学教育部重点实验室,甘肃 兰州　730000; 3. 中国电建西北勘测设计研究院有限公司, 陕西 西安　710000)



应力-纵波-横波同向同步联合测试耦合剂研究

毛举1， 刘高1,2， 王笑然1， 张春峰3， 罗泽华1

(1. 兰州大学 土木工程与力学学院, 甘肃 兰州730000; 2. 兰州大学 西部灾害与环境力学教育部重点实验室,甘肃 兰州730000; 3. 中国电建西北勘测设计研究院有限公司, 陕西 西安710000)

针对常规耦合剂不能很好适应特殊条件下的声波测试问题,在综合分析现有耦合剂特性及其适用条件的基础上,以熟石膏为基础原料配置耦合剂,通过系列实验,研究了水膏比、促凝剂、缓凝剂和环境温度等对其耦合效果的影响及变化规律。研究结果表明:凝结时间随水膏比和缓凝剂添加量的升高逐渐增加,随促凝剂添加量的升高呈先降低后增加的规律；黏结强度随水膏比和促凝剂含量的升高先增加后降低,随缓凝剂添加量的升高不断降低；温度对耦合效果基本不产生影响。耦合剂应用于声波-应力同向同步联合测试,对试件应力方向的变形影响很小,能获得理想的纵波及横波,可为声波和地震波测试提供借鉴。

声波测试; 耦合剂; 凝结速度; 黏结强度

声波是一种理想的蕴含着丰富岩石(岩体)物理力学性质的信息载体[1],广泛应用于岩土工程领域[2],如岩土体动弹性参数[3]、工程岩体分类和分级[4]、边坡岩体研究[5]、硐室围岩松弛带探测[6]、地质缺陷探测[7]和地形地貌探测[8]等。声波测试中,由于换能器与待测物之间介质变换,声波通过两者之间接触面时会发生能量损耗,因此声波测试中通常使用耦合剂,确保换能器与试件紧密接触[9],以减少能量损耗。

在岩土工程领域,现场岩壁波速测试可以石膏作为耦合剂[10],但由于石膏的固结速度和强度与温度、水膏比等因素密切相关[11],在多水潮湿地段及多探头损伤探测系统声波测试时,石膏作为耦合剂在固结速度、强度方面往往达不到要求。某些特殊试验要求条件下,如在岩石波速与应力关系及动参数和静参数关系研究中[12],即应力-纵波-横波同向同步联合测试,需要获得应力方向上且与应力同步的纵波和横波,这要求耦合剂能够同时通过纵波和横波,测试表明,采用现有流态耦合(如凡士林)或固态耦合剂(如锡箔),测试效果不佳,很难同时获得理想的纵波和横波。

为此，本文以熟石膏为基础原料,通过试验,探究水膏比、外加剂(促凝剂和缓凝剂)、温度等对熟石膏凝结速度及粘结强度的影响。

1　耦合材料及耦合机理

理想的耦合剂兼具流态和固态的优点,即前期耦合剂为液态,随后能够转变为固态。对常用耦合剂的使用情况及特征进行综合分析,不难发现熟石膏(CaSO40.5H2O)作为耦合剂较为适合,其颗粒较细,粒径100 μm左右[13],与水混合初期呈液态,流动性较好；然后逐渐转变为固态,固结干燥后具有一定的黏结力,抗压强度可达9.8MPa[14],符合理想耦合剂的要求,因此,本文以熟石膏作为声波检测耦合剂的基础原料。

熟石膏通过与水发生水化固结反应后转变为生石膏。根据晶体理论[15],熟石膏的凝结硬化是一个溶解—水化—结晶过程:

(1)

式(1)为放热反应,其放热量为17.17 J/mol。

2　耦合效果的影响因素

现场声波测试(如岩壁声波测试),测试面往往与水平面具有一定夹角,为方便换能器的固定,黏结力应大小适中,过大时测试结束后换能器不易取下,过小会造成换能器脱落。此外,在某些极端环境条件下,声波检测对耦合剂的固结速度也有一定要求,如多水潮湿地段要求耦合剂能快速固结耦合,多探头损伤探测则要求慢速固结,以便有足够时间安置探头并使耦合条件基本相同。因此,必须根据检测目的和需求的不同,使耦合剂具有适宜的耦合速度和黏结力。

研究表明,影响石膏的凝结速率和强度的因素有内因和外因[16],内因包括纯度、相组成、颗粒尺寸与比表面积等,外因为水膏比、外加剂、温度等,相比较而言,外因的作用更明显[17],因此,本文探究水膏比、外加剂、温度等外部因素的影响。为了细致地探究外因对熟石膏的影响,设计系列试验见表1,以凝结时间和黏结力为指标,通过试验检测其效果。

表1　试验方案设计

2.1水膏比

凝结速度可通过凝结时间表征,包括初凝时间和终凝时间,由于终凝时间一般较长,操作不便,在此以半水石膏的固结时间(具有一定强度,能够进行声波测试的时间)替代。黏结强度可用黏结力(Fc)表征。探究水膏比(W/P)对凝结速度及黏结力的影响。试验方案:

(1) 室温条件下称取熟石膏等分为6组,依次按水膏比为0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.5配置(见表1)。

(2) 分别测试各组的初凝时间(tP)、固结时间(tS)及黏结力(Fc),测试时间使用秒表计量,黏结力测试采用图1所示自制黏结力测试装置。

图1　黏结力测试装置

初凝时间tP和固结时间tS随水膏比的提高不断增大(见图2),根据增速的大小可分为两个阶段:W/P<1.0时,tP和tS随水膏比的升高缓慢增加；W/P>1.0时,随水膏比的不断升高tP和tS增速逐渐加快,尤其当W/P>1.2后,tP和tS大幅增加。

黏结力(Fc)随W/P的增加呈现先增加后降低的趋势。当W/P<0.8时,Fc随水膏比的升高快速增加；在0.8～1.0时,Fc的增大速率逐渐降低；当W/P=1.0时,黏结力达到最大值,之后逐渐减小。

图2　水膏比对凝结时间及黏结力影响

2.2外加剂

在某些极端环境下进行声波测试时,耦合剂在具备足够黏结力的同时,还需快速或者慢速固结。从图2可知,在黏结力较大时对应的水膏比范围内,凝结时间变化幅度较小,而在凝结时间随水膏比增加变化显著的区间内,黏结力往往较低，因此仅仅通过调节水膏比控制凝结时间是不够的,需通过其他途径灵活控制凝结速度。通常使用外加剂能有效地控制熟石膏的凝结速率,主要有促凝剂和缓凝剂[17],仍以凝结时间和黏结力为指标,通过试验检验其耦合效果。

2.2.1促凝剂

常用促凝剂有酸、一价到三价金属盐、复盐和碱等[18]。其中,硫酸盐是一种很有效的促凝剂,其通过提高溶液中硫酸根的离子浓度加快熟石膏的溶解速度,从而增加反应速率,缩短凝固时间[16]。

本文通过试验探究K2SO4促凝剂对凝结时间和黏结力的影响,实验方案:固定W/P=1.0不变,称取相同质量的熟石膏9组,分别向各组添加不同的促凝剂,添加量依次为为0%、2%、4%、6%、8%、10%、12%、15%、20%,检测各组凝结时间及黏结力随添加量升高的变化情况。

测试表明,K2SO4的促凝效果显著且与添加量密切相关(见图3)。添加量较低时(<2%)时,凝结时间较不使用促凝剂时大幅降低,在2%～10%时,凝结时间基本保持不变；超过10%时,凝结时间随添加量的增加急剧增加,即过量的K2SO4反而延缓凝结。

图3　K2SO4对凝结时间和黏结力的影响

对于黏结力而言,少量的K2SO4(<4%)有助于提高黏结力；随着添加量的增加,黏结力逐渐降低；添加量超过10%时,黏结力已降至较小值,15%时,黏结力接近于3 kPa,之后趋于稳定。

2.2.2缓凝剂

缓凝剂广泛应用于水泥、石膏等建筑材料凝结时间的调节。通常磷酸盐和含有羧基的聚合物被认为是非常有效的缓凝剂[19]。磷酸盐类在熟石膏颗粒表面形成不溶性钙盐沉淀薄膜,阻碍熟石膏的溶解,降低液相过饱和度,使凝结硬化受阻[20]。Na6O18P6加入到熟石膏溶液中,易与溶液中Ca2+发生反应:

(2)

生成的CaNa4O18P6是一种络合物,容易覆盖在熟石膏和生石膏晶核表面,既阻碍了熟石膏的溶解,延缓了晶核的形成,又抑制了晶核的长大,表现为凝结速度的延缓。

Na6O18P6的缓凝效果的试验方案:称取8组等质量的熟石膏,分别向各组添加含量0%、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%、0.06%、0.07%、0.08%的Na6O18P6缓凝剂,各组W/P均为1,仍以凝结时间和黏结强度为指标其效果。

测试结果(见图4)表明：凝结时间随Na6O18P6添加量的增加而不断增加；添加量低于0.02%时,凝结时间随添加量的增加变化不明显；在0.02%～0.05%时,凝结时间增速随添加量的升高逐渐增加；超过0.05%,随添加量的提高急剧增加。

图4　Na6O18P6对凝结时间和黏结力的影响

总体上,黏结力随添加量的增加逐渐降低(见图4),微量(0.01%)的Na6O18P6存在即会造成黏结力的大幅下降,当添加量达到0.06%时,黏结力降至较小的值(约2 kPa),此后趋于不变。

2.3温度

温度对凝结速度的影响包括环境温度及水温。实际操作中,由于水温不易控制且受环境温度的影响较大,因此只需探究环境温度对凝结速度及黏结力的影响。本文以不使用外加剂的熟石膏耦合剂为例,通过试验探究环境温度的影响。

试验方案:称取相同质量的10组熟石膏,各组均不添加外加剂,且W/P=1。通过调温装置设定恒定的温度,依次将上述10组配置好的耦合剂置于-11、-8、-5、-2、0、2、7、12、17、22 ℃环境下自然凝结,测试各组凝结时间及黏结力的大小。

整体上,温度对凝结时间和黏结力的影响不明显(见图5)。tP随温度升高按平均0.2 s/℃的速率降低,tS则为0.17 s/℃,无论是tP或tS,随温度升高其降低的幅度很小。黏结力随温度升高按0.03 kPa/℃的速率增加。环境温度对凝结时间及黏结力的影响程度较低,表现为耦合剂对环境温度具有很强的适应性。

图5　凝结速度及黏结力随温度变化曲线

3　应用及效果

上述试验结果表明,可通过调节材料配比实现对凝结速度和黏结力的控制,但耦合剂能对声波的透过情况和压力条件下对试件变形的具体影响尚不明确,为此需通过声波-应力同步同向联合测试(简称联合测试),探究耦合剂的应用效果。

3.1试验方案

(1) 试验设备。联合测试系统由美国GCTS公司

生产的ULT-100声波测试系统和武汉研究所生产的RMT-301岩石力学系统共同构成。ULT-100系统使用快速脉冲发生器给超声传感器提供激励,和一个超高速模数转换器来存储结果波形信号；采样频率可以从156 Hz～20 MHz中选择。RMT系统使用5.0 mm位移传感器测量轴向变形,精度为1.0×10-3mm；用1 000 kN的力传感器测量轴向荷载,精度为1.0×10-3kN。

(2) 耦合剂。参考上述水膏比、外加剂、温度对熟石膏凝结速度和黏结力的影响情况,通过控制单个影响因素,设置不同的材料配比,配置不同类型的耦合剂见表2。

表2　耦合剂类型

(3) 试件。试验所用的铝、花岗岩、砂岩试件统一采用直径为50 mm、高度为100 mm的标准圆柱状试件。为了尽可能减小试验的离散性,花岗岩、砂岩试件分别采自同一地区同一批次,通过筛选,试件密度大致相同。

(4) 试验方法。选取5组铝、花岗岩、砂岩标准试件,依次使用1#—3#耦合剂对各组试件进行声波-应力同步同向联合测试。为增强对比效果,以使用凡士林和不使用耦合剂作为参照。为避免测试过程中试件损坏及便于分析,应保证测试试件只发生弹性变形。试验时设置最大应力为20 MPa,以控制应力-位移的加载方式,按0.5 MPa/s的速率加载。

3.2实验结果

3.2.1对波形的改善

应力为1 MPa时,分别检测该压力条件下3种试件的声波透过情况,测试结果见图6—图8。

对于端面平整度较高的铝试件(见图6)和花岗岩试件(见图7),使用凡士林测得的纵波尚能接受,但横波较不理想；砂岩试件横波波形较为嘈杂,不易分辨出准确的声波初值,而花岗岩试件基本不能测得横波。对于端面较为粗糙的砂岩试件(见图8),使用凡士林不能获得纵波和横波；使用1#—3#耦合剂进行声波测试能够同时获得纵波和横波,相比凡士林,波形质量得到明显改善,初至波的位置更清晰可判,便于波速的确定。

分析同种试件耦合剂和凡士林对应波形可知,总体上耦合剂对横波改善较纵波更为明显。

图6　铝试件对应不同耦合剂波形

图7　花岗岩试件对应不同耦合剂波形

图8　不同耦合剂耦合条件下砂岩声波测试成果

耦合剂对3种试件波形的改善程度由大到小依次为砂岩试件、花岗岩及铝试件。原因主要是由于砂岩试件端面最为粗糙,耦合剂能够通过有效地改善端面的粗糙情况(见图9右),进而提高波形的质量。

图9　砂岩试件耦合前后端面平整情况

3.2.2对试件变形的影响

应变是岩体力学测试的基础指标,通过应力和应变的关系可以得到岩体弹性模量、变形模量等,从而为研究岩体力学性质提供基础参数。为分析耦合剂对试件变形的影响,分别对3种试件进行变形测试。

以砂岩为例,使用1#—3#耦合剂或凡士林进行测试,整体上与不使用耦合剂时砂岩试件的σ-ε曲线相似(见图10)。

图10　不同耦合剂耦合条件下砂岩的σ-ε曲线

由图10可知,应力为20MPa时,与无耦合剂相比,使用凡士林和1#—3#耦合剂造成砂岩试件的应变增加分别为8.3%、6.5%、6.8%、7.9%,弹性模量分别升高5.6%、5.1%、5.9%及5.5%。与凡士林相比,1#—3#耦合剂对应试件的应变分别降低2.28%、1.28%和2.54%,弹性模量升高4.8%、6.3%和1.9%。耦合剂对试件实际变形影响很小,且随着应力的降低,影响程度进一步降低。

4　结论

(1) 熟石膏遇水迅速溶解,通过发生水化固结反应转化为生石膏,水化前期呈液态,后期随着水化程度的不断深化而转变为固态。与之对应,以熟石膏为基础原料的耦合剂在“溶解-水化-凝固”过程中存在液态和固态两种形态的演化,液态时能有效地改善端面的粗糙情况,固态时能提供足够黏结力,从而达到换能器与待测物表面紧密耦合的目的。

(2) 水膏比对耦合剂的耦合效果有一定影响。凝结时间随水膏比的增大而增加,水膏比超过一定值时,凝结时间显著增加；黏结力则随水膏比增大呈现先增加后降低的趋势。

(3) 外加剂对耦合效果影响较显著。促凝剂添加量较小时,有利于缩短凝结时间且提高黏结力,过量反而延长凝结时间并使黏结力降低；对缓凝剂而言,凝结时间随添加量的增加逐渐增加,黏结力随添加量的增加而逐渐降低。

(4) 环境温度对耦合效果影响较小。凝结时间和黏结力随温度的升高基本保持不变,即耦合剂具有较强的环境适应性。

(5) 耦合剂用于声波-应力同步同向联合测试中,应力方向上能够同时获得纵波和横波,且对试件变形影响较小。耦合剂通过改善试件端面的粗糙情况促进声波透过,尤其对于孔隙度较大的砂岩试件效果更为显著,不仅能很好地提高波形质量,而且初至波的位置也更易分辨,有利于准确计算波速。应力条件下耦合剂对试件实际应变和弹性模量造成一定影响,但影响程度较低,基本和凡士林保持一致。

综上所述,参考水膏比、外加剂和温度对凝结速度和黏结力的变化规律,在满足耦合黏结力要求的前提下,以熟石膏为基础原料,选择合适的水膏比,并根据测试要求及环境条件,确定合理的外加剂添加量,进而通过调节凝结时间,实现快速、中速或慢速固结,以适应特殊环境对耦合时间和耦合强度的要求。

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Study on coupling agent by using stress-compressional wave-shear wave synthetic synchronization joint test

Mao Ju1, Liu Gao1,2, Wang Xiaoran1, Zhang Chunfeng3, Luo Zehua1

(1. School of Civil Engineering and Mechanics, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China;2. Key Laboratory of Mechanics on Disaster and Environment in Western China of Ministry of Education of China,Lanzhou University, Lanzhou 730000, China; 3. HydroChina Xibei Engineering Co. Ltd, Xi’an 710000, China)

Aiming at the problem that the conventional coupling agent cannot adapt to ultrasonic test under some special conditions, the hemihydrate gypsum was used as a raw material to make coupling medium on the basis of its hydration mechanism, through the comprehensive analysis of the existing coupling characteristic and applicable condition, this paper probes into the change rule by analysing the effect of water paste ratio, coagulant, retarder and environmental temperature on the coupling quality. The results show that the condensation rate is increased with the increase of water paste ratio and retarder dosage, and decreased at the beginning but some time later increased with the coagulant dosage increase. Adhesive strength is increased first and then decreased with the increase of ratio of water to paste and coagulant dosage, which shows significantly lower trends with the retarder dosage increase. Temperature has little influence on coupling effect. Coupling agent was applied to acoustic-stress direction joint test, the impact of specimen deformation on stress direction is lesser, which can obtain the perfect compressional wave and shear wave at the same time, so it has good application effect and can provide references for the acoustic and seismic wave test.

ultrasonic test; coupling agent; condensation rate; adhesive strength

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.011

2015- 06- 26修改日期:2015- 07- 18

国家重点基础研究发展计划973项目(2014CB744701)

毛举(1990—), 男,河南漯河, 硕士研究生,研究方向为地质工程

E-mail:maoj13@lzu.edu.cn

刘高(1970—),男，重庆，教授，主要致力于岩体力学的研究.

E-mail: liugaocf@lzu.edu.cn

P589

A

1002-4956(2016)1- 0040- 06