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聲發(fā)射監(jiān)測(cè)混泥土硬化強(qiáng)度過程
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聲發(fā)射監(jiān)測(cè)混泥土硬化強(qiáng)度過程
作者：В.В. Бардаков, А.И. Сагайдак.
INTERUNIS-IT LLC
翻譯：INTERUNIS-LLC中國(guó)辦事處、 河南啟興格電子科技有限公司
通過聲發(fā)射方法對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在混凝土硬化的頭24小時(shí)內(nèi)記錄的聲發(fā)射數(shù)據(jù)與28天前的強(qiáng)度之間存在聯(lián)系。聲發(fā)射數(shù)據(jù)的信息參數(shù)與28天內(nèi)混凝土的強(qiáng)度有關(guān)。
關(guān)鍵字:聲發(fā)射，混凝土，混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)。
引言
在過去的幾十年里，建筑領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步急劇增加。高樓大廈正在建造，幾英里長(zhǎng)的橋梁、隧道、地下和地面通道被設(shè)計(jì)出來。盡管有了所有的創(chuàng)新和個(gè)人設(shè)計(jì)解決方案，但建筑中常見的材料，就像100年前一樣，是混凝土?；炷量刂频年P(guān)鍵特征是它的強(qiáng)度。
確定混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是一個(gè)經(jīng)過充分研究的任務(wù)，可以通過使用破壞性和非破壞性（NDT）的控制技術(shù)來完成。然而，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性特別感興趣的是研制新的方法來監(jiān)測(cè)新的混凝土，并預(yù)測(cè)混凝土在硬化初期的強(qiáng)度。
最廣泛的是聲發(fā)射無損檢測(cè)方法。具體來說，有研究混凝土水合過程和混凝土強(qiáng)度與超聲波信號(hào)參數(shù)之間的關(guān)系的研究，如傳播速度和振幅(1 - 4)。
另一種可行的方法是聲發(fā)射方法(AE)，這可以記錄混泥土在硬化過程中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)活動(dòng)。例如，在一些工作中，作者表明了在不同的硬化階段使用聲發(fā)射（AE）方法監(jiān)測(cè)新制備的混凝土的可能性：準(zhǔn)備后的幾個(gè)小時(shí)到28天(1、5 - 8小時(shí))。其中一些甚至成功地嘗試在混凝土硬化過程中記錄的AE數(shù)據(jù)和機(jī)械特性之間尋找聯(lián)系。
實(shí)驗(yàn)研究描述
為了評(píng)估AE方法的有效性，INTERUNIS-IT LLC與aa a . knstindev C合作的混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)任務(wù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。研究了具有不同含水量重、輕和細(xì)顆?；炷嗤粒?span lang="EN-US">b/c）。在實(shí)驗(yàn)過程中，新拌好的混凝土澆注到預(yù)制的層板模板中【圖。1】。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置
使用INTERUNIS-IT公司制造的A-Line 32D DDM聲發(fā)射系統(tǒng)和工作頻率偉30~300kHz的DIS30-300聲發(fā)射傳感器。聲發(fā)射傳感器通過耦合劑安裝在鋼波導(dǎo)桿上（圖2），并用磁性支架固定。波導(dǎo)桿被侵入測(cè)試混泥土中。
圖2 波導(dǎo)桿模型
波導(dǎo)結(jié)構(gòu)允許通過大面積的接觸來記錄樣品表面和底部硬化過程。
經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，研究了8種混凝土的硬化過程。實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間從28天到85天不等。
在實(shí)驗(yàn)中，不斷記錄波形信號(hào)和AE標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)【10】，還有混凝土混合物和環(huán)境溫度，使用多通道溫度記錄器“Teram -3”。
另外，在實(shí)驗(yàn)研究期間，對(duì)見證樣品的強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)量（使用壓機(jī)加壓），該樣品的成分類似于與研究樣品在同一天制備的混凝土立方體。根據(jù)[11]確定混凝土的強(qiáng)度，這是三個(gè)樣品（70x70x70 mm）批中強(qiáng)度最高的兩個(gè)樣品的強(qiáng)度的算術(shù)平均值。
測(cè)試樣品的強(qiáng)度范圍從6.9 MPa到57.9 MPa不等。在28天內(nèi)對(duì)樣品進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果被用來尋找測(cè)試樣品強(qiáng)度與混凝土樣品頭24小時(shí)硬化時(shí)測(cè)量的AE參數(shù)之間的關(guān)系。
表中列出了實(shí)驗(yàn)中研究的樣品的一般數(shù)據(jù)。
| 混凝土立方體編號(hào) | 混凝土抗壓強(qiáng)度等級(jí) | 水灰比 | 顆粒大/小 | 28天強(qiáng)度，MPa | 備注 |
| 1 | B22.5 | 0.6 | 碎石/砂 | 34.0 | 重混泥土 |
| 2 | B50 | 0.34 | 43.4 | ||
| 3 | B7.5 | 1.14 | 10.1 | ||
| 4 | B80 | 0.41 | 40.7 | ||
| 5 | B15 | 0.77 | 膨脹粘土/砂 | 14.9 | 輕混泥土 |
| 6 | B22.5 | 0.36 | -/砂 | 45.5 | 細(xì)混泥土 |
| 7 | B50 | 0.27 | 57.9 | ||
| 8 | B10 | 0.91 | 6.9 |
選擇混凝土樣品的成分是為了研究各種類型的具有強(qiáng)度特性的混凝土，而這種特性在建筑實(shí)踐中最常使用。
數(shù)據(jù)分析
混凝土結(jié)構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，水泥、水和填充物的混合物逐漸轉(zhuǎn)化為具有顯著強(qiáng)度的水泥。混凝土結(jié)構(gòu)的形成，因此強(qiáng)度的增加過程需要數(shù)年的時(shí)間。但是，最重要的變化發(fā)生在混凝土硬化的最初幾天，在此過程中形成了混凝土的初始結(jié)構(gòu)。
根據(jù)現(xiàn)代觀點(diǎn)，混凝土的結(jié)構(gòu)形成過程通常分為三個(gè)主要階段：溶解（初始和誘導(dǎo)階段），加速（凝固）和結(jié)晶（硬化）[12，13]。
正如所揭示的，AE方法使得可以實(shí)時(shí)觀察混凝土結(jié)構(gòu)的形成過程，這是由于該方法固有的高靈敏度而實(shí)現(xiàn)的（圖3.1、3.2、3.3）。
 圖3.1 AE事件數(shù)（時(shí)間） |
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 圖3.2振幅（時(shí)間） |
 圖3.1 能量（時(shí)間）
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根據(jù)AE參數(shù)隨時(shí)間的變化，還可以區(qū)分三個(gè)階段的混凝土結(jié)構(gòu)形成，每個(gè)階段的持續(xù)時(shí)間可以在很寬的范圍內(nèi)變化，并且取決于混凝土的成分和外部條件。介紹了5號(hào)立方體（膨脹粘土混凝土）的依賴性。其他立方體的外觀質(zhì)量相似。我們將更詳細(xì)地回顧每一個(gè)時(shí)期。
I期-溶解期（初始Ia和誘導(dǎo)Ib），在水泥，水和骨料混合后立即開始。在此階段的初始階段，化學(xué)未結(jié)合（游離）水的量很大，這又使混合物具有流動(dòng)性。這里所說的流動(dòng)性是指混合物及其單獨(dú)成分的機(jī)械移動(dòng)。例如，沉重的填充物傾向于下降，而較輕的填充物上升到樣品的頂部，混凝土分層，以及水和氣泡的遷移，出現(xiàn)水蒸氣引起的微收縮。作者確定了類似類型的AE來源[9]。這些來源以任何方式以某種方式施加影響。使用傳感器記錄混合物的遷移率，這是此期間AE的主要來源。
在此期間發(fā)生化學(xué)水合反應(yīng)的結(jié)果是，化學(xué)未結(jié)合的水減少了，而尚未進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的那部分在絮凝物中是固定的。結(jié)果，移動(dòng)性降低，這導(dǎo)致AE活性降低。結(jié)果，根據(jù)AE數(shù)據(jù)，時(shí)期I的特征是在初始階段具有較高的活動(dòng)價(jià)值，隨后在誘導(dǎo)期間其活動(dòng)活動(dòng)減少到幾乎為零（見圖3.1）。此外，與其余兩個(gè)相比，此時(shí)段的特征在于AE信號(hào)參數(shù)的最大值（參見圖3.2、3.3）。
排除了應(yīng)在給定時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生的其他過程的原因是，它們都是低能耗的（化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的溶解和沉淀，以及在水泥顆粒表面形成膠態(tài)氫硅酸鈣）并結(jié)合在一起使用如果混凝土混合物中的聲信號(hào)衰減系數(shù)較大，傳感器則無法檢測(cè)到。
AE在第一階段的主要來源是流動(dòng)性，這取決于所用成分的消耗（水，水泥，細(xì)骨料和粗骨料的量）。對(duì)遷移率具有主要影響的主要參數(shù)是V / C比。此外，它越大（在組合物中聚集體的數(shù)量恒定），組合物的遷移率越高，因此，在給定時(shí)間段內(nèi)記錄的AE脈沖總數(shù)也越大。
第二階段的特征是水泥顆粒表面上氫氧化物開始結(jié)晶。晶體的新形成很小。這個(gè)過程很激烈，但是能量很低。在水泥測(cè)試中傳播的AE信號(hào)，其結(jié)構(gòu)尚未形成，并且具有較高的衰減系數(shù)，具有很強(qiáng)的衰減能力，并且不超過設(shè)備的檢測(cè)閾值。結(jié)果，該時(shí)段的特征在于不存在AE信號(hào)。
實(shí)驗(yàn)表明，第二個(gè)時(shí)期對(duì)不同的立方體不固定，與28天前的混凝土強(qiáng)度有關(guān)。第二階段的持續(xù)時(shí)間越短，混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度就越高，最終的強(qiáng)度也越大。在第二階段的長(zhǎng)度和28天的混凝土強(qiáng)度之間建立了線性回歸模型，允許預(yù)測(cè)其強(qiáng)度(圖4a，b)。
 a |
b
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圖4：線性回歸模型重混凝土（a）和細(xì)顆粒（b）的第二階段持續(xù)時(shí)間（強(qiáng)度）。
這些依存關(guān)系在因變量和自變量之間具有良好的相關(guān)性。細(xì)顆?；炷恋南嚓P(guān)系數(shù)為0.999，重顆粒的相關(guān)系數(shù)為0.989。對(duì)于較小的混凝土，28天內(nèi)的最大相對(duì)強(qiáng)度誤差為1%，而較重的混凝土為4.9。
根據(jù)AE數(shù)據(jù)（見圖3.1），第二個(gè)周期的開始時(shí)間大約與凝結(jié)混凝土成分的開始時(shí)間重合，但是，其持續(xù)時(shí)間超過了對(duì)應(yīng)于凝結(jié)混凝土成分的時(shí)間間隔。根據(jù)AE數(shù)據(jù)，第二個(gè)周期包括設(shè)置周期和第三個(gè)周期的初始階段（結(jié)晶）。
以第二周期為特征的信號(hào)的不存在將持續(xù)到合成物獲得原始結(jié)構(gòu)為止，這將導(dǎo)致衰減系數(shù)的降低。至此，第三階段將開始。
第三階段的特征在于形成晶體共生形式的整體結(jié)構(gòu)。此期間的AE來源是在有限體積條件下的微晶生長(zhǎng)。由于此階段的成分以部分形成的結(jié)構(gòu)為特征，因此聲波的衰減遠(yuǎn)小于前一階段。該時(shí)段的特征在于記錄的AE信號(hào)數(shù)量增加。除了增加記錄信號(hào)的數(shù)量（見圖3.1）外，AE信號(hào)參數(shù)的定量值也有相對(duì)增加（見圖3.2，3.3）。值得注意的是，AE的事件是由AE動(dòng)量(時(shí)間)的切線表示的，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)幾乎是恒定的。隨著時(shí)間的流逝，斜率的切線減小，這對(duì)應(yīng)于結(jié)晶速率（或強(qiáng)度增加速率）的減小。這一事實(shí)間接證實(shí)了一種假設(shè)，即在第三個(gè)時(shí)期，AE的來源是相同的。第三個(gè)時(shí)期是最長(zhǎng)的。在此過程中，依賴的AE事件（時(shí)間）的傾斜角度逐漸平穩(wěn)減小，這與結(jié)構(gòu)形成過程的逐漸衰減相對(duì)應(yīng)。由于在此期間AE的來源是在有限體積條件下的微晶生長(zhǎng)，因此可以認(rèn)為斜率的切線與組合物的結(jié)晶速率相對(duì)應(yīng)。
上述使用AE方法識(shí)別混凝土的分級(jí)結(jié)構(gòu)原理的正確性由混凝土混合物中的溫度變化曲線證實(shí)（圖5）。溫度計(jì)算為混凝土溫度與環(huán)境溫度之間的差。
圖5 AE事件總和與溫度的關(guān)系
上述混凝土結(jié)構(gòu)形成過程的三個(gè)階段也可以根據(jù)混凝土組合物生熱動(dòng)力學(xué)的變化加以區(qū)分[12、13]。
在第一階段，會(huì)發(fā)生短期發(fā)熱。水合的熱效應(yīng)被溶解的負(fù)面影響所抵消。水泥顆粒覆蓋有薄的凝膠膜。它的形成可防止水分子與水泥顆粒的未水合表面相互作用。水合反應(yīng)被抑制，結(jié)果，放熱幾乎等于常數(shù)。這是第二條階段，在此期間發(fā)生了氫硅酸鈣的成核和緩慢生長(zhǎng)過程，這導(dǎo)致了膜的破壞。薄膜的破壞反過來又使水進(jìn)入未水合顆粒的表面。第三階段開始-加速階段，如前所述，其特征是在水泥顆粒表面形成微晶，最后在未水合顆粒表面形成硬殼，反應(yīng)速率降低。第四階段即將到來-組合物結(jié)晶的時(shí)期。
值得注意的是，所有期間并非嚴(yán)格按順序進(jìn)行，而是彼此重疊。結(jié)果，從一個(gè)時(shí)期到另一個(gè)時(shí)期的過渡是平穩(wěn)的，而不是痙攣性的。
使用AE方法區(qū)分混凝土的分階段結(jié)構(gòu)的能力為預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)期的混凝土強(qiáng)度創(chuàng)造了前提。在AE參數(shù)的基礎(chǔ)上建立了預(yù)測(cè)模型，其值取決于混凝土硬化的時(shí)間。在硬化的第一天就可以觀察到大多數(shù)混凝土成分的所有三個(gè)時(shí)期。同時(shí)，對(duì)于大多數(shù)用于建筑的組合物，使用AE方法，考慮到混凝土的結(jié)構(gòu)形成，預(yù)測(cè)強(qiáng)度所需的時(shí)間通常為4至24小時(shí)。
建立預(yù)測(cè)模型
在本文中，已經(jīng)提出了相關(guān)性，這些相關(guān)性允許以足夠高的精度預(yù)測(cè)混凝土的強(qiáng)度（參見圖4a，b）。為此，我們使用了AE方法測(cè)得的第二階段持續(xù)時(shí)間與28天混凝土強(qiáng)度之間的關(guān)系。但是，值得注意的是，越獨(dú)立的參數(shù)輸入經(jīng)驗(yàn)方程式，模型越可靠。
為了提高模型的真實(shí)性，進(jìn)行了漸進(jìn)式回歸分析，在這一分析中，每個(gè)階段的信號(hào)參數(shù)都是獨(dú)立的，它們的累積值和平均值。在28天的時(shí)間里，混凝土樣品的強(qiáng)度被證明是可變的。
使用諸如第二階段的持續(xù)時(shí)間和第三階段的斜率之類的獨(dú)立參數(shù)的組合可獲得最佳相關(guān)性（圖6a，b）。
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a
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b |
圖6 強(qiáng)度的實(shí)際值與重型混凝土（a）和細(xì)?；炷粒╞）的預(yù)測(cè)值的相關(guān)性?？梢允褂靡韵滦问降幕貧w方程來描述這些依賴性
（1)
使用公式（1）獲得的相關(guān)性的相關(guān)系數(shù)（見圖5）對(duì)于細(xì)?；炷翞?.0，對(duì)于重質(zhì)混凝土為0.997。對(duì)于細(xì)?；炷粒瑳]有確定標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的最大相對(duì)誤差，對(duì)于重混凝土，則為3.4％。
擬議方法的特點(diǎn)
擬議中的用AE方法預(yù)測(cè)混凝土強(qiáng)度的方法包含了許多特征。首先，預(yù)測(cè)所需的測(cè)量時(shí)間不是固定的，而且在4到24小時(shí)的范圍內(nèi)(對(duì)大多數(shù)成分來說)。
其次，可以對(duì)結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行測(cè)量，而不對(duì)對(duì)照樣品進(jìn)行測(cè)量，這是由于可以將帶有PAE的波導(dǎo)直接安裝在研究對(duì)象上而實(shí)現(xiàn)的。
第三，AE方法由于其完整性而考慮了組成的異質(zhì)性。
第四，可以在任何AE系統(tǒng)的軟件和硬件級(jí)別上實(shí)施此方法。在這種情況下，預(yù)測(cè)強(qiáng)度所必須執(zhí)行的動(dòng)作序列將盡可能簡(jiǎn)單（圖7）。
圖7 測(cè)量的順序
測(cè)量需要一個(gè)波導(dǎo)管，連接到AE的儀器上，并將其放入一個(gè)模板中。然后在實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)模型的儀器中運(yùn)行數(shù)據(jù)采集模式。當(dāng)數(shù)據(jù)收集模式(不固定的時(shí)間)完成時(shí)，將會(huì)形成一份報(bào)告，預(yù)測(cè)混凝土強(qiáng)度為28天。
結(jié)論
通過AE方法對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。在最初的24小時(shí)內(nèi)，混凝土的硬度與28天內(nèi)混凝土的強(qiáng)度有關(guān)的聲發(fā)射數(shù)據(jù)。建造了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可以預(yù)測(cè)混凝土的強(qiáng)度為28天，誤差不超過4%。
目前正在進(jìn)行進(jìn)一步的工作，以收集統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并確認(rèn)結(jié)果。
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聲發(fā)射、串聯(lián)聲發(fā)射，聲發(fā)射檢測(cè)、聲發(fā)射檢測(cè)、聲發(fā)射結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)。
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