水泥水化過程聲信號(hào)特性研究

宋金煒 SONG Jin-wei；王鑫科 WANG Xin-ke；王斌 WANG Bin

（①三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，宜昌 443002；②湖北三峽實(shí)驗(yàn)室，宜昌 443002；③湖北興發(fā)化工集團(tuán)股份有限公司，宜昌 443000）

0 引言

混凝土作為土木工程領(lǐng)域中的基石，其廣泛的應(yīng)用和重要性不容忽視。從支撐城市天際線的橋梁、縱橫交錯(cuò)的高速公路，到高聳入云的大型建筑結(jié)構(gòu)，乃至家庭裝修中的細(xì)微之處，混凝土都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這種材料之所以如此受歡迎，源于其出色的抗壓強(qiáng)度、卓越的耐久性以及相對經(jīng)濟(jì)的成本。正是這些特性，使得混凝土在現(xiàn)代社會(huì)建設(shè)中占據(jù)了舉足輕重的地位。在混凝土中，水泥的水化過程對其各種力學(xué)性能起著決定性的作用[1]。水泥的水化是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，涉及水泥與水的反應(yīng)，生成水化產(chǎn)物，這些產(chǎn)物填充混凝土的孔隙，使其逐漸硬化并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。因此，對水泥水化機(jī)理的深入研究，對于保證混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量安全至關(guān)重要。目前，混凝土水化研究使用的主要技術(shù)有水化熱法、電化學(xué)交流阻抗法、化學(xué)結(jié)合水法以及CH 定量測定等[2]。這些方法各有優(yōu)勢，但也存在一定的局限性。例如，它們多局限于早期水化階段的監(jiān)測，而對于后期水化過程的監(jiān)測則相對困難。此外，由于水泥化學(xué)成分的復(fù)雜性，這些方法的測試結(jié)果往往存在波動(dòng)，影響了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。為了克服現(xiàn)有方法的不足，本文提出了一種新的研究方法——使用埋入式傳感器對混凝土中的水泥水化過程進(jìn)行聲發(fā)射檢測和超聲檢測。這種方法可以直接在混凝土內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)測，避免了傳統(tǒng)外貼式傳感器只能在結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行監(jiān)測的局限性。通過埋入式傳感器，我們可以實(shí)時(shí)獲取水泥水化過程中的聲信號(hào)數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析水泥水化階段的聲信號(hào)特征。通過這種方法，我們期望能夠揭示水泥水化過程中聲信號(hào)的變化規(guī)律，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對水泥水化過程的精確監(jiān)測。這將有助于我們更好地了解水泥水化的機(jī)理，提高混凝土結(jié)構(gòu)的性能，并推動(dòng)土木工程領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。通過深入研究水泥水化過程中的聲信號(hào)特征，我們有望為混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量安全提供更加可靠的保障，推動(dòng)土木工程領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料及配合比

混凝土配合比設(shè)計(jì)見表1，原材料包括水泥、河砂、石子、水，水泥選用華新牌P·O42.5 水泥；細(xì)骨料為河砂，細(xì)度模數(shù)2.6；石子粒徑為5-20mm。因?yàn)樗鶟仓炷了z比較大，給試件的水化提供了良好的環(huán)境，所以試件在室內(nèi)恒溫條件下養(yǎng)護(hù)。

表1 混凝土配合比

1.2 試件制備及傳感器布置

試件澆筑前先將模具放置水平，防止傳感器傾斜無法對中。由于實(shí)驗(yàn)中傳感器間測量間距較小，內(nèi)部石子不規(guī)律排布可能導(dǎo)致折射和反射，從而影響對比分析的情況。因此，我們選擇采用濕篩法對攪拌后混凝土中的石子進(jìn)行篩選，將水泥砂漿保留為澆筑材料。為避免入模過程中傳感器產(chǎn)生移位，故先在模具底部鋪一層砂漿，將傳感器插入砂漿中，等該層初凝后再將剩余部分全部入模。傳感器采用團(tuán)隊(duì)研制的埋入式傳感器，如圖1 所示，兩傳感器間距為40mm，信號(hào)接受面相對。試件選擇在室內(nèi)恒溫條件下養(yǎng)護(hù)。水化過程監(jiān)測試件如圖2 所示。

圖1 埋入式傳感器

圖2 水泥水化試件

1.3 測試方法

監(jiān)測系統(tǒng)如圖3 所示，包含超聲與聲發(fā)射兩套聲學(xué)檢測系統(tǒng)。超聲檢測系統(tǒng)配備信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字示波器及埋入式傳感器，選定頻率為100kHz、200kHz、300kHz；聲發(fā)射檢測系統(tǒng)則包括埋入式傳感器、信號(hào)放大器、采集儀和電腦軟件。聲發(fā)射檢測主要聚焦于聲發(fā)射信號(hào)的能量、幅值和事件數(shù)等參數(shù)。在內(nèi)部結(jié)構(gòu)重要演變期進(jìn)行聲發(fā)射連續(xù)監(jiān)測，得出結(jié)構(gòu)隨時(shí)間演化的真實(shí)情況；在較長服役期進(jìn)行選擇性超聲檢測，通過超聲波參數(shù)特征來反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部特征。在選擇使用其中一種檢測方法時(shí)，將埋入式傳感器接上對應(yīng)的檢測系統(tǒng)即可。

圖3 埋入式聲發(fā)射-超聲一體化檢測方法

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲檢測結(jié)果

超聲波幅值隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖4 所示。從圖中可以看出，幅值變化規(guī)律與其他學(xué)者所研究的水泥水化放熱曲線發(fā)展趨勢非常相似[3-5]，其中200kHz 的監(jiān)測結(jié)果一致性最好；根據(jù)兩曲線對比可知，可以將水泥水化大致分為以下四個(gè)階段，分別為誘導(dǎo)期、加速期、減速期以及穩(wěn)定期。首先是誘導(dǎo)期，此階段對應(yīng)水泥水化的誘導(dǎo)期，C3A 表面由于靜電作用覆蓋一層硫酸根離子，阻礙了C3A 的進(jìn)一步溶解[6]，所以反應(yīng)速率較低，此時(shí)超聲波幅值較小；其次是加速期，此階段為水泥水化的加速期，水泥水化反應(yīng)速率逐漸增大，此時(shí)水化放熱速率也逐漸增大，溫度也大幅上升，對應(yīng)此時(shí)超聲波幅值也不斷增大；然后是減速期，對應(yīng)水化熱的減速期，隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行，水化產(chǎn)物會(huì)不斷附著在水泥顆粒的表面，成為未反應(yīng)水泥顆粒繼續(xù)反應(yīng)的屏障，阻止水泥可溶成分的擴(kuò)散，因此超聲波幅值也在降低；最終進(jìn)入穩(wěn)定期，與水化放熱過程相對應(yīng)。隨著水泥的持續(xù)反應(yīng)，混凝土內(nèi)部孔隙逐漸得到填充，結(jié)構(gòu)日益密實(shí)。由于水泥水化反應(yīng)的速率逐漸減緩，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本保持不變，因此超聲波幅值也維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平。

圖4 水泥水化超聲波幅值-時(shí)間關(guān)系

2.2 聲發(fā)射檢測結(jié)果

2.2.1聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)經(jīng)歷分析

圖5 展示了水泥水化聲發(fā)射檢測中能量與累計(jì)撞擊數(shù)的歷時(shí)分布。從圖中可知，兩傳感器所捕獲的聲源信號(hào)展現(xiàn)出高度相似性。然而，在40 小時(shí)時(shí)，發(fā)射型傳感器的累計(jì)撞擊數(shù)出現(xiàn)異常增長。這歸因于發(fā)射型傳感器缺乏背襯層和屏蔽層的設(shè)計(jì)。隨著水泥基體逐漸密實(shí)，聲波折射與反射作用增強(qiáng)，導(dǎo)致聲發(fā)射信號(hào)在內(nèi)部多次反射并被完全接收，進(jìn)而引發(fā)累計(jì)撞擊數(shù)的急劇增加。從兩傳感器接收到累計(jì)撞擊數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系來看，累計(jì)撞擊數(shù)整體是增大的，而且增大趨勢與已有學(xué)者研究得出水泥水化過程中電阻率隨時(shí)間的變化關(guān)系相似[7-8]。我們將能量和累計(jì)撞擊隨時(shí)間的分布按照水化過程細(xì)分為四個(gè)階段：誘導(dǎo)期、加速期、減速期和穩(wěn)定期。值得注意的是，聲發(fā)射結(jié)果的階段劃分與超聲檢測結(jié)果基本一致。具體而言，前5 小時(shí)為誘導(dǎo)期，5 至13 小時(shí)為加速期，13 至24 小時(shí)為減速期，而24 小時(shí)之后則進(jìn)入平穩(wěn)期。在平穩(wěn)期的初期，觀察到較高的能量釋放和累計(jì)撞擊數(shù)的輕微增加。這歸因于穩(wěn)定期中水化產(chǎn)物顆粒的逐漸增大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部逐漸受到擠壓并伴隨聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生。隨著結(jié)構(gòu)的逐漸密實(shí)，這些信號(hào)最終趨于平穩(wěn)。

圖5 能量、累計(jì)撞擊經(jīng)歷分布圖

如圖6 所示，為幅度和累計(jì)計(jì)數(shù)兩參數(shù)的參數(shù)分布圖，從圖中可以看出在水泥水化前期沒有事件計(jì)數(shù)，此階段對應(yīng)的是水泥水化誘導(dǎo)期，水化反應(yīng)很微弱。在整個(gè)聲發(fā)射監(jiān)測期間累計(jì)計(jì)數(shù)和幅度隨時(shí)間的分布也可以分為四個(gè)階段，和前面能量和累計(jì)撞擊數(shù)的劃分很相近，而且從幅度經(jīng)歷分布圖可看出，在第二和四階段時(shí)聲源信號(hào)的幅值較高，這兩個(gè)階段分別是水泥水化劇烈和內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化明顯的階段。

圖6 聲發(fā)射信號(hào)幅度、累計(jì)計(jì)數(shù)經(jīng)歷分布圖

2.2.2聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)分布及關(guān)聯(lián)性分析

如圖7、圖8 分別是水泥水化過程中產(chǎn)生聲信號(hào)的幅度和能量分布圖，從圖中可以看出，聲發(fā)射幅值主要分布在60 至105dB 之間，顯示出較為集中的分布區(qū)間。這一分布特征表明，在水泥水化過程中，聲發(fā)射信號(hào)的幅值變化具有一定的規(guī)律性，且在特定范圍內(nèi)表現(xiàn)出較為一致的變動(dòng)模式。其次，聲發(fā)射信號(hào)的能量分布范圍較寬，從0 至8×10^5eu 不等，但大部分能量集中在1.078×10^5eu 附近。這表明，盡管水泥水化過程中聲發(fā)射信號(hào)的能量變化范圍較大，但在某些特定的能量水平上，信號(hào)的數(shù)量較多，呈現(xiàn)出一定的聚集趨勢。

圖7 水泥水化聲發(fā)射信號(hào)幅度分布圖

圖8 水泥水化聲發(fā)射信號(hào)能量分布圖

圖9 展示了經(jīng)傳感器測定的發(fā)射信號(hào)能量與其幅度之間的相關(guān)性分布，揭示了各個(gè)水化進(jìn)程中能量與幅度關(guān)系的變化。具體來看，第一階段，幅度范圍是30～65dB，對應(yīng)的能量接近零，只有少數(shù)集中在0.01×104～0.1×104eu；第二階段，幅度范圍是30～110dB，而且大多數(shù)能量高的信號(hào)集中幅度范圍是70～100dB，對應(yīng)的能量范圍是0～12×104eu；第三階段，幅度范圍是40～85dB，能量極其小；第四階段，幅度范圍是30～100dB，其中30～70dB 之間對應(yīng)的能量幾乎為0，75～100dB 范圍內(nèi)對應(yīng)的能量范圍是10×104～80×104eu，且幅度越大對應(yīng)的能量值也就越大。

圖9 能量與幅度關(guān)聯(lián)圖

3 結(jié)論

①根據(jù)超聲監(jiān)測和聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果，水泥水化分為四個(gè)階段，且四個(gè)階段分別為誘導(dǎo)期、加速期、減速期以及穩(wěn)定期；

②通過對超聲檢測結(jié)果進(jìn)行分析，超聲波幅值隨著水泥水化的變化趨勢與水泥水化溫度的變化趨勢基本一致，尤其200kHz 的檢測結(jié)果最為接近。而水泥水化的聲發(fā)射檢測結(jié)果中，水泥水化聲源信號(hào)的能量、幅度、累計(jì)計(jì)數(shù)、累計(jì)撞擊均可以很好的表征水化過程。

③將聲發(fā)射檢測結(jié)果分階段進(jìn)行參數(shù)關(guān)聯(lián)性分析，發(fā)現(xiàn)在水泥水化的不同階段，能量和幅度兩參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)分布具有明顯的差異。