复掺硅粉纤维砼超声非线性系数研究

刘子睿

(重庆交通大学河海学院 重庆 400074)

随着无损检测技术的发展，超声检测在检测混凝土损伤方面的应用越来越多。区别于依靠声速，幅值等宏观参数来表征材料损伤的传统超声检测技术，非线性超声检测技术得到的非线性系数对混凝土在早期形成的微损伤的检测更为敏感[1-3]。在水利工程中，施工单位常在水工混凝土中掺入硅粉或纤维，提升砼的抗冲磨性能。因此，本文对复掺硅粉及纤维后对混凝土超声非线性系数的影响做了相关试验研究，为水工混凝土质量检测提供一定的理论依据。

一、超声非线性系数

根据现有的研究，材料的超声非线性系数与传播时超声波基波幅值以及二次谐波幅值有关，具体公式如下，

可用此参数来描述材料的非线性声学特性，式中，A2为二次谐波幅值，A1为基波幅值，x为超声波传播距离，k与材料特性有关。

二、试验概况

(一)试块制备

本试验中，我们在各组试块中添加纤维或硅粉，具体纤维种类为聚丙烯纤维，掺量为0.05%(体积比)[4]，即0.45kg/m3。硅粉掺量为胶凝材料用量的10%，并在拌和时添加减水剂，掺量为胶凝材料用量的1%。试验共设4组配合比，各组掺入外加剂情况如下表所示。

表1 各组试块掺入外加剂情况

混凝土强度按C30设计, 水泥种类为普通硅酸盐水泥，强度等级为32.5，细骨料为中砂，粗骨料为5～20mm粒径碎石，拌和用水取自实验室自来水。水∶水泥∶细骨料∶粗骨料的比例为0.38∶1∶1.41∶1.71，试块尺寸为100mm立方体，浇筑完毕脱模后置于养护箱中28d，每3个试块为一组。

(二)试验仪器

图1 非线性超声检测试验

超声波检测仪器为产自康科瑞公司的非金属超声检测分析仪，具体型号为NM-4A，发射端采用中心频率为50KHz的压电式平面纵波窄带换能器，接收端则选用带宽更宽的中心频率为100KHz的压电式平面纵波宽带换能器，换能器与试块之间用白凡士林耦合。

三、试验结果及分析

考虑到混凝土材料的随机性及非线性，为更好地分析试验结果，本实验对各组3个试块的超声非线性系数β(下文简称为非线性系数)取平均值。实验将超声波时域数据进行快速傅里叶变换以得到相应的频域曲线，由此提取基波幅值及二次谐波幅值，并根据上文公式计算非线性系数β。

基于上述测试系统与试验安排，各组试块非线性系数如下图所示：

图2 各组试块非线性系数

掺入聚丙烯纤维的B组试块非线性系数明显高于普通混凝土A组。在混凝土中，存在骨料本身的微裂缝、水泥基体硬化之后水分散失形成的孔隙、水泥基体与骨料粘结界面的缝隙等，在掺入纤维后，与钢筋在混凝土中发挥的作用类似，纤维本身几乎不参与水化反应，其在混凝土中发挥作用是通过与水泥基体之间产生的粘结，在宏观上可以增强材料的抗拉强度、韧性及抗裂性能等。然而，我们在现有对纤维混凝土进行电镜扫描以探究其细观结构的研究中发现，聚丙烯纤维与水泥砂浆的粘结程度并不好，甚至在某些区域几乎无粘结作用[5]。拌和混凝土时，纤维与集料均会在表面上形成一层水膜，大约有几十微米厚(厚度与水灰比有关)，导致水膜的水灰比高于水泥基体本身，水化完成后，此层水膜便会形成更多的孔隙呈疏松网状结构，进而降低纤维与水泥基体粘结力[6]。故根据掺入聚丙烯纤维后，便意味着引入了更多的微裂缝，微损伤程度增加，超声波在试块中传播时产生更多的反射绕射等行为，试验结果就呈现为非线性系数增大。

掺入硅粉的C组试块非线性系数低于普通混凝土A组。掺入混凝土中的硅粉作为胶凝材料，在拌和过程中，主要发挥的是火山灰效应和微填料效应[7]，与水泥水化产生的Ca(OH)2发生反应，生成C—S—H凝胶，且强度高于前者。此外，硅粉颗粒的粒径小于水泥各组分的粒径，优化了混凝土内部颗粒级配，同时具有更活泼的化学性质，故使得混凝土的水化反应更完全，宏观上，强度及耐久性得到加强。微观上，骨料与水泥基体粘结更加紧密[8]，相比于普通混凝土，微损伤程度降低，故非线性系数也减小。

四、结论

在混凝土中掺入聚丙烯纤维，引入了更多的微损伤导致材料超声非线性系数增大；在混凝土中掺入硅粉，可以加强骨料与水泥基体之间的粘结，减小材料内部的微裂缝尺度及数量，损伤程度减小，导致材料超声非线性系数减小；从非线性系数的数量关系来看，前者比后者对混凝土非线性系数影响更大。