混凝土凍融試驗和表面剝落的無損檢測

張麗輝

(中鐵十八局集團 市政工程有限公司，天津 300202)

在溫帶大陸性氣候的地區，混凝土中孔隙水的凍結可能導致混凝土的嚴重損壞[1]。有些工程使用除冰鹽清除混凝土結構表面的積雪，鹽分通過細小的空隙進入混凝土的內部結構，

進一步加劇了混凝土的損壞[2]。暴露在野外條件下的混凝土工程，最初在外部看不到任何損壞，隨著時間的推移，我們很容易觀察到表面剝落現象，而這些裂紋很有可能是從內部的結構破壞開始的[3]。凍融效應是一個復雜的現象，國內外學者已經對其進行了多年的研究，但尚未研究充分[4]。前人的工作建立了凍結作用機理的主要理論，這些理論與凍融循環期間混凝土中液體和固體孔隙溶液狀態的運動和變化有關，它們會導致材料的膨脹和收縮。

大多數凍融加速試驗通過稱重來測量混凝土表面剝落的部分[5]。該方法簡單易行，但也有一些缺點，在進行重量測量的時候必須停止試驗，并且在出現明顯的縮放比例時才能感知到混凝土劣化的存在。本文引入無損檢測技術，該方法可以在不停止試驗的情況下對破壞進行連續監測，并在材料出現損壞前也可以進行檢測，從而達到預防的目的。主要過程如下：使用應變儀，放置在混凝土標本不同的區域，并評估超聲波脈沖速度(UPV)。使用應變片來監測混凝土的表面損傷，UPV的變化顯示出混凝土標本的內部損傷。這兩個方案同時在兩種混凝土中(一種易受凍融損傷，另一種不易受凍融損傷)進行凍融加速試驗。

1 材料來源和UPV簡介

1.1 材料來源

山西省呂梁市位于我國西北部，該地區的水利工程常年要受到凍融破壞的影響。本文所用的混凝土標本是仿照山西中部引黃工程施工用混凝土結構配比制作的。這樣做的目的是為了能夠在實驗室中最大限度還原真實工程場景。

1.2 超聲波脈沖反射法工作原理簡介

超聲波脈沖反射法的工作原理是當由儀器發出的超聲波遭遇到不同介質時，將會反射出不同頻率的波。該儀器主要有三個結構組成：分別是發射超聲波的探頭、接收返回波的接收器與探傷儀，當混凝土結構出現損壞時，接收器就會收到明顯的信號，并在探傷儀的屏幕上顯示出來，顯示的內容有：缺陷存在與否、缺陷的方位與缺陷的程度。該方法主要有以下3個優點：(1)具有很高的靈敏度高，當反射聲波與發射聲波的頻率相差1%時，儀器就能產生反應，故可以找到很小的缺陷；(2)定位精度較高，由于探測面至缺陷的聲程距離可用缺陷波在熒光屏時基軸上的位置表示，據此可對缺陷進行定位。多組實驗表明，通常儀器產生的定位誤差不會超過2%，故該儀器精度較高；(3)具有廣泛的適用范圍，可以通過簡單的操作實現不同情境下的檢測。

2 實驗方案

2.1 材料

本研究測試了兩種不同混合料配比的混凝土，差別包括水泥含量、水灰比以及是否使用引氣劑。表1展示了混凝土混合料的比例和其部分性能。

表1 混合比例(kg/m3)和混凝土性能

2.2 試驗測試過程和方法

混凝土試件的形狀為長方體，面積為150×150 mm2，厚度為70 mm。根據國家凍融標準對每種混凝土進行五個試件的測試。將它們放入實驗室中(圖1a)，并根據圖1b所示的溫度-時間圖進行28次凍融循環過程。

該試驗使用標準除冰溶液(97%蒸餾水和3%氯化鈉)進行。在開始循環之前，需要對樣品進行特殊的處理，包括以下四個步驟：在20±2 ℃的水中儲存6天，在實驗室中(20 ℃/65%相對濕度)中干燥儲存21天進行表面干燥；在28天齡期之前，用環氧樹脂在側面密封樣品。便面干燥過程后，將樣品在測試容器中放置7天，通過毛細抽吸使測試表面和底部預飽和。在35天齡期，混凝土標本已經具備了實驗條件。

在4、6、14和28次凍融循環后通過稱重測量表面剝落情況。在每次測量前，通過超聲波處理，以去除試樣表面松散粘附的顆粒。然后，收集，并在100 ℃下干燥24 h。冷卻后，測量剝落結構的重量。

2.3 無損測試測量

為了測量混凝土試件內部的溫度和濕度，在混凝土澆筑過程中，將數字濕度傳感器嵌入每個試樣中。在每個混凝土試件的所有凍融循環過程期間，使用三個傳感器連續記錄測量值，傳感器放置在混凝土內部40 mm處，這與試驗液體接觸的表面不同高度(圖2a)用兩個應變計，以試樣測量混凝土試件的表面應變，將儀器粘在混凝土試件橫向表面的中上部，如圖2b(H1=30 mm，H2=55 mm)。

對于每個混凝土試件，將兩個縱波傳感器(500 kHz)粘在混凝土試件表面。傳感器的位置如圖2c所示。根據國家標準，根據超聲波脈沖傳輸時間(UPTT)測量值計算的混凝土相對動態彈性模量(RUPTT)得到了混凝土試件的內部損傷情況。

3 實驗結果和分析

3.1 重量損失—稱重

表面剝落情況的結果如圖3a所示。無引氣外加劑混凝土試樣在28次凍融循環未結束前就產生了破壞。該試件在第17凍融循環時累積剝落1.5 kg/m2，28次凍融循環后累積剝落3.23 kg/m2。相比之下，引氣外加劑混凝土試樣在28次循環后的累積剝落僅為0.10 kg/m2。圖3b、c、d、e所示為試驗前和28次凍融循環后兩種混凝土的試樣表面。

3.2 溫度和濕度

經歷28次凍融循環的混凝土試件內部溫度如圖4a所示，兩種混凝土試件的溫度幾乎相同。試件內部不同位置的溫度變化可以忽略不計。

3.3 應變測量

圖5顯示了應變計的測量值。在28次凍融循環后，無引氣外加劑混凝土試樣的殘余應變為1 150 um/m，引氣外加劑混凝土試樣的殘余應變為65 um/m。無引氣外加劑混凝土試樣中殘余應變的增長顯示出結構內部損傷正在擴張。放置在上部(H2)的應變計顯示出較低的劣化水平，這表明隨著遠離浸入面，破壞程度降低。

在每一次凍融循環中，溫度降低時應變是壓縮的，而溫度升高時混凝土膨脹。當溫度最低(-20 ℃)時，觀察到混凝土達到最大收縮值，最大值繼續保持不變，直到開始加熱。一旦溫度上升到-15 ℃以上，應變增加，混凝土膨脹，直到循環結束。正應變一直持續到下一個循環溫度低于5 ℃，隨著冷卻會再次收縮。

在無引氣外加劑混凝土試樣中，應變隨著產生殘余應變的循環次數而逐漸增加。這種現象表明殘余應變隨著惡化的進展而逐漸增加。

3.4 超聲波脈沖速度

在解凍(20 ℃)和冷凍(-20 ℃)條件下測量每個樣品的UPV。圖6顯示了28次凍融循環期間的UPV測量結果。如圖所示，在解凍條件下，混凝土的逐漸破壞會導致UPV值降低。在凍結條件下，微裂縫中的冰導致UPV值增加，曲線的正斜率表示混凝土的逐漸劣化過程。

在兩種混凝土中，混凝土的相對動態彈性模量值都比凍融循環值低，這是混凝土內部劣化的證據。與引氣外加劑混凝土試樣相比，無引氣外加劑混凝土試樣損失了更多的相對動態彈性模量值。

4 結論

正如預測的那樣，引氣外加劑混凝土試樣經凍融循環所造成的破壞與無引氣外加劑混凝土試樣的劣化程度相比微不足道。這一結果通過定標試驗以及對試樣應變和VPU的連續測量得到了證實，應變作為長度變化的量度，是凍融混凝土表面劣化的重要指標。應變計可以取代傳統的標度測量。28次凍融循環前后混凝土試件的UPV測量值差異很小，這意味著凍融循環不會導致混凝土試件出現大的內部損傷，這與前人研究結果相似，本研究為實際工程提供了一種檢測混凝土損壞的新思路。