基于沖擊彈性波的水泥水化趨勢分析研究

鄧 立，張遠軍

(四川升拓檢測技術股份有限公司，成都 610045)

基于沖擊彈性波的水泥水化趨勢分析研究

鄧 立，張遠軍

(四川升拓檢測技術股份有限公司，成都 610045)

水泥的水化過程是一個非常復雜的化學物理過程，水化反應進行的程度會直接影響混凝土結構的性能，一直是科研工作者研究的重點。水泥水化程度是指一定時間內水泥水化量與水泥完全水化量之比。采用基于沖擊彈性波的方法對20世紀90年代的混凝土大壩芯樣進行彈性波波速測試，并對芯樣進行抗壓試驗，同時調研國內外相關資料，結果表明該混凝土經過長時間的水化反應導致其抗壓強度與設計相比，都有很大的增長。因此，經過研究提出通過對混凝土芯樣彈性波波速測試，可間接判斷混凝土中水泥水化反應情況，為跟蹤混凝土內水化反應提供了宏觀手段。

水化反應；沖擊彈性波；波速

引 言

混凝土作為土木工程中用量最大、用途最廣的一種建筑材料，在結構的安全、可靠度和耐久性方面起絕對的作用，因此，對混凝土質量的研究與控制是非常重要的。

一般混凝土在水泥配比拌合以后，水將水泥顆粒包裹，水泥表面的礦物成分將與水發生相關水化反應[1]，并產生水化熱[2]。水化反應的快慢程度決定混凝土早期強度，同時也影響混凝土早期水化熱的強弱。

水泥混凝土的各項性能的發展均是基于水泥水化過程開始的，水化機制直接影響水化速率，并影響著混凝土的各項物理力學性能的發展。相關研究表明[3]，對混凝土結構的強度指標測試可評定混凝土的抗破壞性能。

近年來，沖擊-回波無損檢測技術在混凝土無損檢測中扮演著重要角色。在水工混凝土結構檢測應用中，沖擊彈性波(P波)波速被普遍用于評定混凝土的質量、強度及內部缺陷等。吳家曄等在彈性波方面的研究表明，彈性波波速與混凝土的強度及彈性模量之間存在一定的相關關系[4-5]，但不同彈性波波速所對應的混凝土強度關系不盡相同。

本文在綜合目前常用混凝土檢測技術的基礎上，提出了采用沖擊彈性波的波速分析評定混凝土結構在不同時期的抗破壞性能，同時可以分析水泥水化作用過程對混凝土性能的影響趨勢，為進一步研究28天后混凝土強度的變化趨勢提供依據。

1 水泥水化反應

水泥的水化反應是指水泥中各組分物質與水所起的化合作用，及各物質從無水狀態轉變為含結合水狀態的反應過程，其包含水解和水合反應兩個階段。水化反應過程極其復雜，反應數目眾多，各個反應可以大致分為化學反應和物理化學反應兩種。

水泥的水化反應過程是水泥發揮其各項效能的基礎，正確地認知水泥的水化反應對充分發揮水泥效能，選擇合適的水泥使用條件，解決現代混凝土在生產運營中各種問題具有十分重要的意義。

混凝土質量隨著水泥生產技術的進步而提升，其28天強度大有改觀，能滿足水泥標準的相關評定標準，但28天后強度如何發展，并未給予相應規定[6]。

現有大量檢測結果表明[7]，隨著時間的增長，傳統水泥的水化作用程度也有一定的增加。如：1995年利用已經經過抗壓試驗的試塊修筑小路，并在其上用5 cm的水泥砂漿壓光抹平。10年后，將試塊取出，并結合10年前的原始記錄，對試塊進行測試，發現較完整的試塊，強度增大幅度很大。部分完整試塊數據見表1。

表1 混凝土試壓強度比較

表1數據表明，隨著時間的繼續增長，同一試塊在水化作用的繼續反應下，其試塊抗壓強度增長明顯，增長率甚至可達100%及以上。抗壓強度的增加，表征一定程度上水泥混凝土的水化程度增加。

近年來，國內外已有大量學者對純水泥體系中的水泥水化程度做了相應研究，并形成一些比較成熟的理論和相對可行方法，如：水化熱法、化學結合水法等[8]。但這些測試表征方法，均存在一些局限性：

(1)水化熱法雖對純水泥體系的早期水化程度有很好的表征效果，但該方法不適于長齡期水泥水化程度的測試。

(2)化學結合水法也僅適合于純水泥體系中水化程度的研究。

對于水泥基復合型體系的長齡期水化程度研究[9]，由于傳統研究分析方法自身不足，且沖擊彈性波檢測技術在混凝土無損檢測中扮演著重要的角色，沖擊彈性波波速被廣泛用于評定混凝土的質量，強度和內部缺陷等，為此，可根據彈性波波速對水泥水化程度進行一定表征。

2 沖擊彈性波檢測技術

吳佳曄[10]等根據檢測所用的信號媒質不同，將混凝土無損檢測技術分為沖擊彈性波(包括沖擊、彈性波、超聲波、AE)/誘導振動、電磁波/電磁誘導、紅外線譜、放射線等方法。其中沖擊彈性波/誘導振動、電磁波/電磁誘導在工程現場無損檢測中應用最廣泛。

沖擊彈性波能夠直接反映材料的力學特性，是工程檢測中最常用的媒介之一，沖擊彈性波通過沖擊錘或電磁擊振裝置沖擊產生，具有擊振能量大、操作簡單、便于頻譜分析等特點，是一種非常適合工程無損檢測的媒介。

沖擊彈性波已廣泛應用于混凝土無損檢測中，如基礎工程中常用的低應變法測樁長，LU X B[11]提出的沖擊回波法測試混凝土動彈性模量。彈性波有易于產生，且擊振能量大、操作簡單、便于頻譜分析等特點，也很適合應用于混凝土強度分析。

評價混凝土質量的指標有很多，但最重要的指標是其軸心抗壓強度Sc和彈性模量Ec。其中，軸心抗壓強度Sc一般采用立方體標準試件測得，概念明確，試件的測試方法較為簡單，應用最為廣泛。但對于實體結構，難以直接測試其強度。混凝土的彈性模量決定了結構的變形特性，而且與強度、耐久性均有非常密切的關系。

采用沖擊彈性波作為測試媒介，通過測試彈性波的波速，據此計算材料的動切線彈性模量和推算相應的混凝土彈性模量Ec，進而根據Ec與抗壓強度的相關關系推算混凝土的抗壓強度。其核心在于精確地測試混凝土材料的彈性模量Ec。

重復反射法(沖擊回波法，也稱IE法)：在被測混凝土結構的壁厚已知的前提下，利用彈性波的重復反射，可測出彈性波在被測混凝土試件的傳播時間和彈性波波速，從而計算出混凝土的彈性模量，進而能夠推算混凝土的強度指標。該方法也稱“沖擊回波法”，具有測試效率高、測試結果客觀性強的特點，因此具有廣闊的應用前景。

針對構件(試件)的形狀與測試的位置，該方法又可分為縱向測試與橫向測試：

(1)縱向測試：測試彈性波的傳播/反射方向與結構的長軸平行(如基樁)。

(2)橫向測試：測試彈性波的傳播/反射方向與結構的短軸平行(如樓板)。

波速Vpr可由板厚H與反射時間Tr求出：

3 彈性波應用

應相關單位邀請委托，對修建于20世紀90年代的四川省某大型水壩進行混凝土取芯及混凝土芯樣彈性波波速/部分力學性能測試，據提供資料，該大壩壩體設計強度為C25。

現場測試采用沖擊回波法對所取芯樣進行波速測試，現場測試如圖1所示，測試結果見表2。

圖1 現場測試圖

表2 芯樣彈性波波速/部分力學性能

根據測試結果表明：

(1)混凝土經過20年后，混凝土的強度存在不同程度的增長，均大于C25的設計強度，混凝土強度增長均在50%以上。

(2)根據彈性波波速與水泥土強度關系的試驗研究[12]，對彈性波波速與強度擬合出相關曲線(圖2)。

圖2 彈性波波速與強度關系圖

通過對P波波速的測試，能夠準確反應混凝土強度的變化；同時根據相關關系，可推算其他未壓載試件的強度均一定程度上大于設計強度。

(3)波速測試結果分析，經過近30年的時間，混凝土強度(波速)的增長與其所處的環境(上游干燥區、水位變化區、上游水下區)關系不明顯。

4 原因分析

為了深入分析混凝土的強度變化的原因，業內研究者對不同時期的混凝土試件進行持續一百年的強度測試[13]。

始建于1897年的小樽港，在建設初期制作了6萬多個試件，放在海水中、大氣中、淡水中分別進行長期耐久性試驗，試驗結果表明，三者的長期強度發展趨勢基本一致，其中，試件在自然的大氣環境中存放30～40年強度達到最高，大約提高100%，然后逐年下降，存放95年，強度從最高點下降約40%，但仍高于28天強度20%，表明早期混凝土的強度壽命在百年以上，水化反應過程持續周期長，使其混凝土后期強度滿足結構長期耐久性的使用。

現代混凝土使用的水泥大部分為“瘦身水泥”，造成混凝土水化過程過早完成。具體特征大致為兩個方面：一是水泥顆粒粒徑越來越小，比表面積增大[14]。二是用礦物摻合料[15]替代部分水泥以后，單位體積中的水泥用量越來越少，而礦物摻合料用量越來越多。

據相關研究表明[16]，熟料顆粒的水化程度有相應規律：與組成相同的普通波特蘭水泥相比，微細水泥在2 h前的水化活性顯著提高，隨著水泥顆粒粒徑的變化增大，強度達到50%所需的時間相應會增加。造成微細化水泥水化速率提高的原因有[17]：

(1)比表面積大幅增加，相應的與水接觸的面積增加，礦物質溶解迅速。

(2)微細化過程造成比表面積增加的同時，顆粒表面的組分更利于水化。

(3)在微細化過程中可能發生了選擇性粉磨效應，從而造成在微小顆粒中反應活性高的物質含量相對富余。

(4)大量應用礦物摻合料及有機化學外加劑[18]等，也是影響水泥水化反應的重要因素。

5 結 論

(1)水泥水化反應是一個相對持續的過程，在不同的影響環境下，其反應程度隨時間的增長不盡相同；沖擊彈性波能夠高效便捷地對水泥水化作用程度進行檢測，并區分不同的水化作用程度。

(2)水泥水化反應過程是相當復雜的過程，很難準確地跟蹤反應研究。利用沖擊回波法對混凝土波速進行測試，可以大致把握混凝土水化反應進行的程度，判斷混凝土結構裂縫的“自愈能力”。根據相關研究，混凝土具有很強的自愈能力，其來源就是混凝土中水泥水化反應的持續能力。

(3)為了使混凝土具有較強的“自愈能力”，明確影響水泥水化反應的因素非常有必要。其中原材料的影響是不可忽略的，原材料本身具有的性質對水化反應的進行具有復雜的影響，需進一步進行機理研究。

(4)沖擊彈性波作為無損檢測媒介，具有易于產生、能量強、適用范圍廣等特征，可方便地對混凝土波速進行跟蹤測試，對研究混凝土內部水泥的水化反應速度提供了重要手段。

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Trend Analysis of Cement Hydration Based on Impact Elastic Wave

DENGLi,ZHANGYuanjun

(Sichuan Central Inspection Technology Inc., Chengdu 610045, China)

The hydration process of cement is a very complicated chemical and physical process. The performance of concrete structure will be directly affected by the degree of hydration reaction which has been the focus of scientific researchers. The degree of hydration of cement refers to the ratio of the amount of cement hydration to the amount of cement in a certain period of time. The method in this paper is based on impact elastic wave of last century 90s concrete dam core samples for elastic wave velocity test and compression test of core samples, and relevant literatures at home and abroad. The results show that after a long time of hydration reaction, the compressive strength of concrete has greatly increased compared with the design. Therefore, by studying the elastic wave velocity test of concrete core sample, the hydration reaction of cement in concrete can be indirectly judged, which provides a macroscopic means for tracking the hydration reaction of concrete.

hydration reaction; impact elastic wave; wave velocity

2017-06-19

四川省科技廳項目(2016GFW0137)

鄧 立(1992-)，男，四川中江人，助理工程師，主要從事沖擊彈性波無損檢測方面的研究，(E-mail)1036885296@qq.com

1673-1549(2017)04-0064-05

10.11863/j.suse.2017.04.12

TU4

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