高延性混凝土凍融損傷的超聲波研究*

寇佳亮， 張卓越， 孫國興， 張嘉瑋， 周 恒

(1 西安理工大學土木建筑工程學院， 西安 710048； 2 西安理工大學省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室， 西安 710048；3 中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司， 西安 710065)

0 概述

當混凝土遭受凍害、火災或化學物質侵蝕時，外層混凝土會產生不同程度的損傷，出現微裂縫并導致疏松從而形成一定厚度的損傷層，影響混凝土結構的承載力和耐久性。因此，對混凝土凍融損傷的研究，具有重要意義。同時，隨著超聲檢測技術的發展，損傷層的計算分析更多應用到了混凝土耐久性研究中。

Akhras[1]研究了信號能量在混凝土凍融損傷檢測中的應用。Chu等[2]采用超聲波研究了長期浸泡于硫酸鈉溶液中混凝土的損傷情況。Atkinson等[3]用高頻超聲波檢測了混凝土的化學腐蝕程度。Mehta和Monteiro[4]研究了超聲波在混凝土損傷與未損傷區域中的特性，進一步建立了損傷層厚度計算公式。Ould等[5]通過對比化學腐蝕與超聲波測試兩種方法結果，證明超聲波在描述混凝土保護層厚度損傷劣化規律方面更適用。

在國內，張峰等[6]依據超聲波速在不同物質中的傳播速度差異對凍融后混凝土試塊進行超聲檢測，得到混凝土凍融損傷厚度。劉衛東等[7]采用超聲波波速作為變量，研究其與動彈性模量之間的關系，用于反映混凝土凍融損傷規律。關虓等[8]采用超聲波平測法測定不同凍融循環次數下混凝土損傷層厚度，研究凍融循環對混凝土損傷層厚度的影響規律。張云清等[9]采用超聲波平測法測得鹽凍條件下混凝土結構損傷層厚度，探究混凝土結構最小保護層厚度。苑立冬等[10]采用超聲波法測得侵蝕與凍融循環共同作用下混凝土損傷層厚度，分析了不同溶液中混凝土的損傷層、未損傷層超聲波波速及損傷層厚度隨凍融循環次數的變化。姜磊[11]通過硫酸鹽侵蝕與凍融循環作用下混凝土性能研究，建立混凝土損傷層厚度預測模型和混凝土損傷速率預測模型，并分析損傷層混凝土力學性能。

基于以上研究，本文對HDC凍融損傷規律進行研究，通過超聲波檢測凍融后混凝土損傷結果研究分析，為凍融情況下HDC工程應用提供設計經驗和研究依據。

1 試驗設計

試驗包括HDC試件的制備、快速凍融試驗、試件外觀記錄以及損傷層測定試驗。

1.1 試驗原材料

水泥：采用銅川某公司生產的 P.O 42.5R 普通硅酸鹽水泥，其性能指標見表1；粉煤灰：采用大唐某發電廠一級粉煤灰，其性能指標見表2；減水劑：采用聚羧酸系高效減水劑。其中 PVA 纖維型號為日本 KURARAY K-Ⅱ 纖維，其性能指標見表3。

水泥的物理力學性能指標 表1

粉煤灰的物理力學性能指標 表2

PVA纖維各項性能指標 表3

1.2 試驗方法

快速凍融試驗按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082—2009)[12]中抗凍性能試驗的快凍法進行。分別成型6組18個試件(每組編號分別為：試件1、試件2、試件3，尺寸100×100×400)，對6組試件分別進行凍融循環50，100，150，200，250，300次，每隔25次循環對試件進行外部損傷檢查，記錄試件的重量損失，進行單軸受壓破壞試驗。同時，對取出試件進行超聲波檢測。

1.3 配合比設計

試驗采用的HDC具有較高的強度和延性，其配合比為：m水泥∶m粉煤灰∶m砂∶m水∶m纖維∶m減水劑=1∶1∶0.72∶0.58∶0.043∶0.03，由于HDC是一種高延性精細混凝土，所以其骨料較細，本文選取的細骨料為最大粒徑1.18mm 的灞河精細河砂。

1.4 超聲波檢測

本文采用DJUS-05非金屬超聲波儀(圖1)，采用帶波形顯示的低頻超聲波檢測儀和頻率為20～250kHz的聲波換能器，測量混凝土的聲速、波幅和主頻等聲學參數，并根據這些參數及其相對變化分析判斷混凝土缺陷的方法。軟件系統的數據處理部分根據《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》(CECS 21∶2000)[13]進行處理。

圖1 非金屬超聲波儀器

2 凍融循環試驗結果與分析

2.1 HDC外觀及質量變化

2.1.1 外觀變化

HDC經過凍融循環50，100，150，175，200，250，300次后，試件凍融循環后的表觀情況見圖2。

圖2 HDC外觀變化

由圖2可知，隨著凍融循環的進行，HDC試件表面出現混凝土剝落現象，表明凍融循環對混凝土產生不利影響。凍融循環進行到175次，試件表面存在剝落現象但不明顯，但隨著循環次數的增加，試件剝落現象加劇，同時內部纖維逐漸裸露，凍融循環對混凝土的損害加深，但循環次數達到300次后仍未出現混凝土明顯剝落。

隨著凍融循環的進行，試件表層出現剝落現象，纖維顯露，表層由光滑逐漸變得粗糙，同時試件質量損失逐漸增加，但這些現象并不明顯。這是由于HDC含有的纖維促使混凝土結構各組成部分相互粘結作用增強，使各組成部分粘結更加緊密，減少表層混凝土的剝落，減少凍融循環對混凝土的不利影響。

由上述可知，HDC進行300次凍融循環后，試件外觀仍然保持比較良好。

2.1.2 質量變化

HDC試件進行凍融循環完成后，對試件進行稱重，并記錄質量變化，如表4所示。

HDC凍融循環質量損失率 表4

由表4可知，隨著凍融循環的進行，質量損失率在逐漸增加。其中，前200次凍融循環試件質量增加，質量損失率處于負增長；凍融循環進行200次后質量減小，同時質量損失率處于正增長。凍融循環進行至300次，質量損失率達到最大。

其中，前200次凍融循環質量損失率處于負增長，表明混凝土質量在增加。這是由于，混凝土在凍融循環過程中會吸收部分水分，而且試件表面掉渣少。同時，混凝土中纖維分布均勻，有效地抑制凍融循環過程中微裂紋的產生和發展，降低損傷程度，所以混凝土早期質量損失較少。

200次凍融循環后，試件表層出現剝落，試件質量降低。這是由于混凝土在凍融循環環境下，當凍結到最低溫度時，內部水分變成冰的比例最多，此時混凝土受到水結冰產生的膨脹作用范圍最大；當升到最高溫度時，混凝土孔隙中原來由水變成的冰因溫度升高再次變為水，導致其膨脹作用消失?；炷猎馐軆鋈谘h產生的凍脹壓力和滲透壓力的聯合作用，其內部不斷產生和繁衍微裂紋，使混凝土材料的性能逐漸劣化。

因此，HDC在凍融循環作用下質量最大損失率僅為0.004%，具有優良的抗凍性能。而混凝土中的PVA纖維通過減少混凝土初始缺陷，利用纖維對裂縫的阻裂效應，降低混凝土凍融損傷過程中的能量損耗，提高了抗凍融耐久性。

2.2 損傷層厚度研究

2.2.1 損傷層厚度變化規律

本文對混凝土的損傷層檢測采用超聲波平測法。根據《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》(CECS 21∶2000)[13]對凍融循環試件進行測定，試驗照片如圖3所示。

圖3 凍融試驗試件照片

根據采集的聲時數據計算出HDC損傷層特征值，見表5。

HDC簡化損傷層特征值 表5

由圖4可知，隨著凍融循環次數增加，未損傷層Va呈上升趨勢，最大增長達到7.6%，這是由于凍融循環過程中混凝土的持續水化，材料密實度增加，導致混凝土超聲波波速升高。而損傷層混凝土超聲波波速Vf整體下降16.9%，這是由于隨著凍融循環次數的增加，混凝土持續劣化，損傷厚度增加，混凝土密實性降低。

而混凝土未損傷層中Va明顯大于損傷層中的Vf，在凍融循環達到250次時，Va較Vf增幅達到35.8%。由于隨著凍融循環進行，混凝土損傷層厚度增加，劣化程度增加，混凝土密實性降低，導致超聲波波速下降。

由上述可知，損傷層混凝土超聲波波速Vf整體下降，而且損傷層厚度出現持續增加。這表明混凝土試件持續劣化，在循環250次的時候，出現了劣化的突然增加。

混凝土損傷層厚度和超聲波波速均是通過超聲法反映混凝土內部特征的評價指標，二者之間應該存在著相關性。試驗發現，混凝土損傷層厚度變化規律與圖4中未損傷層的超聲波波速下降時刻和損傷層厚度增加時刻一致。所以兩者存在明顯的相關性。隨著未損傷層超聲波波速的降低，混凝土損傷層厚度逐漸增加，說明混凝土損傷厚度可以表征混凝土損傷劣化程度，并能作為混凝土損傷程度的評價指標。

圖4 凍融循環HDC損傷層特征值變化規律

2.2.2 HDC損傷層厚度計算模型

由于混凝土在凍融循環前100次時，混凝土劣化不明顯，損傷層厚度檢測困難，且無法準確測量計算。而且剛開始進入損傷劣化階段時，混凝土損傷層厚度極其微小，檢測困難，超聲波測量誤差較大，且規律不明顯。因此，本文對初始損傷劣化時間不作具體研究。而由于凍融循環侵蝕初期階段混凝土損傷層厚度尚未較好形成，同樣不考慮這一階段的損傷層厚度及損傷速率，僅研究侵蝕劣化階段，即初始損傷劣化開始時經歷的凍融循環次數N0≥100次時的混凝土損傷層厚度及損傷速率模型。

根據本文的試驗數據，HDC的損傷層厚度隨凍融循環時間變化規律大致成指數函數的規律分布，即hN=aebN。采用最小二乘估計法對凍融循環300次內的損傷層厚度試驗結果進行回歸分析，得出a=14.384，b=2×10-3。

因此，HDC損傷層厚度計算模型為：

hN=14.384e2×10-3N(N≥100)

(1)

式中：hN為混凝土損傷層厚度，mm；N為凍融循環次數。

根據上述公式(式(1))HDC損傷層厚度預測模型得出的計算值與試驗值見表6。

損傷層厚度的計算值與試驗值 表6

根據上述混凝土損傷速率預測模型得出的損傷層厚度計算值與試驗值比較，見圖5。通過預測模型計算的結果與試驗結果比較分析可見，盡管存在一定誤差，但模型的損傷層厚度計算值的誤差都控制在10%以內。計算的HDC損傷層厚度基本接近真實損傷層厚度，兩者比值穩定在y=x的周圍。可見，建立的凍融循環作用下HDC損傷層厚度預測模型計算值與試驗結果基本一致，能夠較好地表示混凝土損傷層厚度及損傷速率隨著凍融循環次數的變化規律。

圖5 凍融循環下損傷層厚度計算值與試驗值比較

2.3 HDC損傷層平均抗壓強度計算

通過試驗測試了凍融循環作用下HDC抗壓強度，并計算得出損傷層混凝土平均抗壓強度，見表7。

HDC平均抗壓強度 表7

由表7可知，隨著凍融循環的進行，HDC損傷層平均抗壓強度以及未損傷層混凝土平均抗壓強度呈線性下降。其中，相對凍融前，300次凍融循環中混凝土損傷層平均抗壓強度分別下降7.1%，5.8%，6.4%，7.1%，20.6%；300次凍融循環中未損傷層混凝土平均抗壓強度分別下降5.2%，2.7%，2.6%，4.3%,6.5%。

凍融循環300次損傷層平均抗壓強度比凍融循環250次下降20.6%，凍融循環300次未損傷層混凝土平均抗壓強度比凍融循環250次下降6.5%，分別達到最大降幅。

這是由于隨著凍融循環的進行，混凝土試件內部空隙水結冰發生膨脹，致使混凝土在冰凍過程中膨脹開裂，產生大量縫隙，外界液體通過混凝土縫隙大量浸入，使試塊大部分處于滲透壓差較大的環境中，混凝土內部因溶液形態不同產生的應力差較大，試塊發生破壞。

所以對不同凍融循環次數中HDC抗壓強度及損傷劣化層抗壓強度進行了統一回歸分析，見圖6。因此，HDC損傷層平均抗壓強度計算模型為：

圖6 損傷層平均抗壓強度擬合模型曲線

ff=-0.000 16N2-0.009 1N+46.308

(2)

式中：ff為HDC損傷層平均抗壓強度計算值，MPa；N為凍融循環次數。

根據上述公式(式(2))HDC損傷層平均抗壓強度預測模型得出的計算值與試驗值見表8。

表8 HDC損傷層平均抗壓強度的計算值與試驗值

由表8可知，通過預測模型計算的結果與試驗結果比較分析可見，兩者存在一定誤差，但計算值與試驗值最大差率僅為4.2%，最小差率為0.3%，兩者差異不明顯，計算的HDC損傷層平均抗壓強度基本接近真實損傷層平均抗壓強度。因此，該凍融循環作用下HDC損傷層平均抗壓強度預測模型，可以較好地表示混凝土損傷層平均抗壓強度隨著凍融循環次數的變化規律。

3 結論

(1)HDC混凝土在凍融循環作用下質量最大損失率僅為0.004%，具有優良的抗凍性能。而混凝土中的PVA纖維可提高其抗凍融耐久性。

(2)在250次凍融循環的時候，出現未損傷層超聲波波速和損傷層中超聲波波速共同降低的變化規律。整體來說，未損傷層混凝土超聲波波速Va不變；損傷層混凝土超聲波波速Vf下降；而損傷層厚度持續增加，表明持續劣化增加。特別的是，在250次循環的時候，出現了劣化的突然增加。

(3)HDC在凍融循環的作用下，隨著凍融循環次數的增加，HDC的損傷層厚度逐漸增大。并建立了HDC損傷層厚度計算模型hN=14.384e2×10-3N(N≥100)。

(4)在250次循環到300次循環之間，HDC損傷層平均抗壓強度降低幅度最大，損傷層平均抗壓強度從250次循環的35.5MPa降低到28.2MPa，降低了21%。依據上述研究，建立了HDC損傷抗壓強度模型ff=-0.000 16N2-0.009 1N+46.308。

(5)HDC試件未出現明顯剝落，表明HDC中PVA纖維均勻分布有效地抑制凍融循環過程中微裂紋的產生和發展，降低損傷程度，減少質量損失，表現出良好的抗凍性能。