復摻硅粉纖維砼超聲非線性系數研究

劉子睿

(重慶交通大學河海學院 重慶 400074)

隨著無損檢測技術的發展，超聲檢測在檢測混凝土損傷方面的應用越來越多。區別于依靠聲速，幅值等宏觀參數來表征材料損傷的傳統超聲檢測技術，非線性超聲檢測技術得到的非線性系數對混凝土在早期形成的微損傷的檢測更為敏感[1-3]。在水利工程中，施工單位常在水工混凝土中摻入硅粉或纖維，提升砼的抗沖磨性能。因此，本文對復摻硅粉及纖維后對混凝土超聲非線性系數的影響做了相關試驗研究，為水工混凝土質量檢測提供一定的理論依據。

一、超聲非線性系數

根據現有的研究，材料的超聲非線性系數與傳播時超聲波基波幅值以及二次諧波幅值有關，具體公式如下，

可用此參數來描述材料的非線性聲學特性，式中，A2為二次諧波幅值，A1為基波幅值，x為超聲波傳播距離，k與材料特性有關。

二、試驗概況

(一)試塊制備

本試驗中，我們在各組試塊中添加纖維或硅粉，具體纖維種類為聚丙烯纖維，摻量為0.05%(體積比)[4]，即0.45kg/m3。硅粉摻量為膠凝材料用量的10%，并在拌和時添加減水劑，摻量為膠凝材料用量的1%。試驗共設4組配合比，各組摻入外加劑情況如下表所示。

表1 各組試塊摻入外加劑情況

混凝土強度按C30設計, 水泥種類為普通硅酸鹽水泥，強度等級為32.5，細骨料為中砂，粗骨料為5～20mm粒徑碎石，拌和用水取自實驗室自來水。水∶水泥∶細骨料∶粗骨料的比例為0.38∶1∶1.41∶1.71，試塊尺寸為100mm立方體，澆筑完畢脫模后置于養護箱中28d，每3個試塊為一組。

(二)試驗儀器

圖1 非線性超聲檢測試驗

超聲波檢測儀器為產自康科瑞公司的非金屬超聲檢測分析儀，具體型號為NM-4A，發射端采用中心頻率為50KHz的壓電式平面縱波窄帶換能器，接收端則選用帶寬更寬的中心頻率為100KHz的壓電式平面縱波寬帶換能器，換能器與試塊之間用白凡士林耦合。

三、試驗結果及分析

考慮到混凝土材料的隨機性及非線性，為更好地分析試驗結果，本實驗對各組3個試塊的超聲非線性系數β(下文簡稱為非線性系數)取平均值。實驗將超聲波時域數據進行快速傅里葉變換以得到相應的頻域曲線，由此提取基波幅值及二次諧波幅值，并根據上文公式計算非線性系數β。

基于上述測試系統與試驗安排，各組試塊非線性系數如下圖所示：

圖2 各組試塊非線性系數

摻入聚丙烯纖維的B組試塊非線性系數明顯高于普通混凝土A組。在混凝土中，存在骨料本身的微裂縫、水泥基體硬化之后水分散失形成的孔隙、水泥基體與骨料粘結界面的縫隙等，在摻入纖維后，與鋼筋在混凝土中發揮的作用類似，纖維本身幾乎不參與水化反應，其在混凝土中發揮作用是通過與水泥基體之間產生的粘結，在宏觀上可以增強材料的抗拉強度、韌性及抗裂性能等。然而，我們在現有對纖維混凝土進行電鏡掃描以探究其細觀結構的研究中發現，聚丙烯纖維與水泥砂漿的粘結程度并不好，甚至在某些區域幾乎無粘結作用[5]。拌和混凝土時，纖維與集料均會在表面上形成一層水膜，大約有幾十微米厚(厚度與水灰比有關)，導致水膜的水灰比高于水泥基體本身，水化完成后，此層水膜便會形成更多的孔隙呈疏松網狀結構，進而降低纖維與水泥基體粘結力[6]。故根據摻入聚丙烯纖維后，便意味著引入了更多的微裂縫，微損傷程度增加，超聲波在試塊中傳播時產生更多的反射繞射等行為，試驗結果就呈現為非線性系數增大。

摻入硅粉的C組試塊非線性系數低于普通混凝土A組。摻入混凝土中的硅粉作為膠凝材料，在拌和過程中，主要發揮的是火山灰效應和微填料效應[7]，與水泥水化產生的Ca(OH)2發生反應，生成C—S—H凝膠，且強度高于前者。此外，硅粉顆粒的粒徑小于水泥各組分的粒徑，優化了混凝土內部顆粒級配，同時具有更活潑的化學性質，故使得混凝土的水化反應更完全，宏觀上，強度及耐久性得到加強。微觀上，骨料與水泥基體粘結更加緊密[8]，相比于普通混凝土，微損傷程度降低，故非線性系數也減小。

四、結論

在混凝土中摻入聚丙烯纖維，引入了更多的微損傷導致材料超聲非線性系數增大；在混凝土中摻入硅粉，可以加強骨料與水泥基體之間的粘結，減小材料內部的微裂縫尺度及數量，損傷程度減小，導致材料超聲非線性系數減小；從非線性系數的數量關系來看，前者比后者對混凝土非線性系數影響更大。