（材料学专业论文）混凝土单轴拉伸下抗裂与损伤性能研究.pdf

摘要 本文围绕单轴拉伸下混凝土的抗裂性能，采用超声波法和比例极限法测定混 凝土的不连续点，来进行抗裂性能的分析。选取素混凝土和掺粉煤灰、掺高效减 水剂以及掺钢纤维的混凝土为研究对象。根据超声波法测定的不连续点，掺加钢 纤维的混凝土，其抗裂性能提高程度最多，面掺加减水剂和粉煤灰的提高程度稍 低且两者之间相近。三者之间的差异，主要在于极限抗拉强度提高的情况下不连 续点应力提高的相对程度不同，掺减水剂的相对提高程度稍低。采用比例极限法 测定的应力不连续点应力及不连续点应变亦呈现相同的结论。 裂缝是混凝土材料普遍存在的问题，也是影响混凝土结构耐久性的主要原因 之一。裂缝是难以量化的指标，对其进行分析计算也是一大难题。本文应用损伤 力学的分析方法，选择裂缝占混凝土体积的百分率为损伤变量，引用不连续点的 方法进行分析比较，研究不同品种混凝土抗裂性能的差异。结果表明，掺加钢纤 维、粉煤灰和减水剂后，不仅降低了不连续点的损伤变量水平值，而且还提高了 不连续点的应力水平和应变水平，表明混凝土的抗裂性能得以提高。三者之间的 差异，在相同损伤程度下，掺加钢纤维提高混凝土的抗裂程度相对最高，掺加减 水剂提高混凝土的抗裂性能程度相对较低，掺加粉煤灰居中。 试验研究结果表明：掺加钢纤维、粉煤灰和减水剂，较好地提高了混凝土的 抗裂性能，但掺加减水剂时提高的程度相对较少 关键词：混凝土超声波声学参数单轴拉伸裂缝损伤抗裂性能 a b s t r a c t a i m i n ga tt h ec r a c k i n g - r e s i s t a n c ep r o p e r t yo fc o n c r e t ei nu n l a x i a lt e n s i o n , t h i s p a p e ra n a l y z e dt h ec r a c k i n gr e s i s t a n c eo f c o n c r e t ea tu n c o n t i n u o u sp o i n t sb ym e a n so f d i s c o n t i n u o u sp o i n tm e t h o d , u l t r a s o n i cm e t h o da n dp r o p o r t i o nl i m i t sm e t h o d ，t h e r e s e a r c hs u b j e c t sw e r ep l a i nc o n c r e t e ，c o n c r e t ea d d i n gf l ya s h ，c o n c r e t ea d d i n g s u p o r p l a s t i c i z e r , a n ds t e e l f i b e rc o n c r e t e a c c o r d i n gt ot h eu n c o n t i n u o u sp o i n t s m e a s u r e db yu l t r a s o n i cw a v em e t h o d ，i tw a sc o n c l u d e dt h a tu n d e rt h e s a m eh i g h s t r e s s ，t h ea m p l i t u d ev a r i a t i o no fc r a c k i n gr e s i s t a n c eo fs t e e lf i b e rc o n c r e t ew a s g r e a t e s t ，w h i l et h a t o fc o n c r e t e a d d i n gn ya s h a n dt h a to fc o n c r e t ea d d i n g s u p c r p l a s t i c i z e rw e r ec l o s e t h em a i nd i f f e r e n c ea m o n gt h et h r e ew a st h er e l a t i v e s t r e s si n c r e a s i n ga td i s c o n t i n u o u sp o i n t so ft h et h r e ea p p e a r e dd i f f e r e n tw h i l et h e u l t i m a t et e n s i o ns ；r e n g t hi n c r e a s e d ，i nw h i c ht h ei n c r e a s i n go ft h ec o n c r e t ea d d i n g s u p c r p l a s t i c i z e rw a st h el o w e s t t h ed i s c o n t i n u o u sp o i n t s a n dt h es t r e s so ft h e d i s c o n t i n u o u sp o i n t sg o tf r o mp r o p o r t i o nl i m i t sm e t h o di n d i c a t e dt h es a n l e c o n c l u s i o n c r a c k i n gi sac o i n l t l o nq u e s t i o n ，a n di so n eo fm a i nc a u s e st h a t a f f e c tt h e d u r a b i l i t yo fc o n c r e t es t r u c t u r e d u et ot h ec o m p l i c a t e dr e a s o n so f c r a c kp r o d u c i n g , i t i sd i f f i c u l tt oa n a l y z ea n dc a l c u l a t et h er e l a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ea n a l y t i cm e t h o d a f f o r d e db yd a m a g em e c h a n i c sw a su s e d ，a n dp e r c e n t a g ew h i c hc r a c k so c c u p i e dt o t h ev o l u m ew a su s e da sad a m a g ev a r i a b l e ，t h eu n c o n t i n u o u sp o i n t sw e r ea n a l y z e da n d c o m p a r e d , a tl a s td i f f e r e n c e so ft h ec r a c k i n gr e s i s t a n c eo fc o n c r c t ci nd i f f e r e n ts t a t e s w e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：a st oc o n c r e t ea d d i n gf l ya s ha n ds t e e lf i b e r c o n c r e t e ，n o to n l yd a m a g ev a r i a b l eo fd i s c o n t i n u o u sp o i n t sw e r ei n c r e a s e d ；b u ta l s o t h et e n s i o ns t r a i nw a si m p r o v e d ，d e l a y e dt h ea p p e a r a n c eo ff i r s tc r a c k , s oc r a c k i n g r e s i s t a n c eo f c o n c r e t ew a sd e c r e a s e d ，t o o ；w h i l ea st oc o n c r e t ea d d i n gs u p e r p l a s t i c i z c r , t h et e n s i o ns t r a i no ff w s td i s c o n t i n u o u sp o i n tw a sd e c r e a s e d , s oc r a c k i n gr e s i s t a n c eo f c o n c r e t ew a sd e c r e a s e d 觞w e l l t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a t ：t h ec r a c k i n g - r e s i s t a n c ep r o p e r t yo f c o n c r e t ea d d i n gf l ya s ha n ds u p e r p l a s t i c i z e ra n ds t e e lf i b e rc o n c r e t ew a si n c r e a s e d p r e f e r a b l y , w h i l et h a to f c o n c r e t ea d d i n gs u p e r p l a s t i c i z e rw a si m p r o v e d w e a k l yi nt h e r e l a t i v ed e g r e eo f t h et h r e e k e y w o r d s ：c o n c r e t e c r a c k i n g u l t r a s o n i ca c o u s t i cp a r a m e t e r su n i a x i a lt e n s i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 2 0 0 7 年月日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授 权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 7 年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景 混凝土是当今土木建筑工程中使用最广泛、应用量最大的一种建筑材料，广 泛应用于工业与民用建筑、农林与城市建设、道路桥梁、水利与海港工程等。它 的抗压强度大，抗腐蚀能力强，原材料来源广泛，可以配制成不同强度、不同性 能、不同形状的建筑构件。据有关部门提供的资料，近几年城乡建筑竣工面积每 年已达2 0 亿平方米j 作为建筑材料的主体，混凝土用量约1 5 亿立方米。【u 每年 耗费在混凝土上的费用为2 0 0 0 亿元以上田。 随着社会科技的发展，混凝土材料的组成也发生了变化。原来的混凝土组成 只有砂、石、水泥和水四组分，现在的混凝土组成除原来的组分外，又增添了矿 物细掺料、外加剂和钢纤维组分等，大大改善了混凝土的结构性能。掺有矿物掺 合料、化学外加剂和钢纤维的高强高性能混凝土，正在推广应用于各种工程之中。 然而事物的发展总是矛盾、辩证和统一的，随着新技术和新工艺的不断采用，新 的矛盾就会产生。混凝土技术专家吴中伟院士在混凝土科学技术的反思【3 - - 文中 指出：“混凝土材料发展到至今，出现了流动性与密实性的矛盾，出现了早期和 后期裂缝问题，出现了耐久性的问题。”混凝土最主要的缺点是抗拉能力差，容易 开裂，混凝土开裂可以说是“常见病”和“多发病”，许多混凝土结构在建设与 使用过程中出现了不同程度、不同形式的裂缝。这不仅影响建筑物的外观，更危 及建筑物的正常使用和结构的耐久性。因此，裂缝问题倍受人们的关注。 我国是世界燃煤发电大国之一，排出的粉煤灰是世界之冠。1 9 9 7 年粉煤灰 的总排放量己达1 6 亿吨，每年有近五千万吨的粉煤灰得到利用。粉煤灰合理的 应用于混凝土中，不但能部分代替水泥，节省工程造价，而且，其特有的性能可 以很有效地用于各种使用要求的混凝土中，改善和提高混凝土的性能，是高性能 混凝土中的理想掺合料。 水泥与砂石等集料所制成的混凝土是一种低能耗型建筑材料，经历了一百多 年的发展历史，已成为当今世界最大宗的建筑工程材料，而伴随其发展的混凝土 外加剂是近年来混凝土技术中发展较快的技术之一【4 】。发展到2 0 世纪6 0 年代初 河海大学颈士学位论文 期，日木和德国分别研制成功了以1 3 萘磺酸盐甲醛缩合物和磺化三聚氰胺甲醛 缩合物为主要成分的高效减水剂，标志着水泥混凝土外加剂及其应用技术进入了 快速发展阶段，同时也奠定了现代混凝土技术发展的基础t 5 1 。近年来混凝土材 料性能大幅度地提高和建筑施工技术的迅速发展主要依赖于化学外加剂性能的 提高，特别是高效减水剂性能的提高和应用的普及 6 1 。高性能混凝土已经被公认 是2 l 世纪的建筑材料，而高效减水剂是配制施工性能好、强度高并且耐久性良 好的高性能混凝土不可缺少的组份1 7 i o l 。 混凝土的自重大、脆性大、抗拉强度低等弱点限制了它的扩大应用。因此， 人们致力于使混凝土向轻质、高强、改变脆性等方向发展，采用钢纤维增强混凝 土是混凝土材料改性的一个重要手段，它可使混凝土的抗拉强度、变形能力提高。 最近2 0 多年来，钢纤维混凝土的发展很快，在建筑、交通、水利等方面都有大 量的应用实例。 混凝土材料在工程中得到广泛的应用，但由于其自身存在着抗裂性能差等缺 陷，限制了进一步发挥其作用，所以如何提高混凝土材料的抗裂性能受到各方面 广泛的关注。最近几十年来，大量使用粉煤灰、减水剂、钢纤维，弥补了混凝土 的一些缺陷，进一步提高了混凝土的应用范围。三种外掺物在提高混凝土抗裂性 能方面究竟如何，本文基于此，进行这方面的试验研究，分析三种外掺物的抗裂 性能。 1 2 混凝土抗裂及研究方法的现状 由于混凝土是一种脆性材料，因此从其开始在工程中应用起，人们就一直在 想尽办法来增强其抗拉、抗裂能力。目前，从材料本身的性能出发来加强混凝土 材料抗裂研究是近年来混凝土结构裂缝控制研究的一个热点。一方面，通过对混 凝土自身组分，包括混凝土的配合比、骨料、混凝土外加剂、混凝土掺合料等的 研究来提高和改善混凝土抗拉、抗裂能力。例如，根据美国混凝土协会2 0 0 0 年 的委员会设想，在近期可以把混凝土材料的抗拉与抗压强度比从目前的1 1 0 提 高到1 2 1 ，这将大大提高混凝土材料的抗裂性能。 另一方面，通过混凝土复合材料的开发与研究来提高混凝土材料的抗裂能 力。将短而细的，具有高抗拉强度、高极限延伸率、高抗碱性等良好性能的纤维 2 第一章绪论 均匀的分散在混凝土基体中形成的一种新型建筑材料，纤维混凝土由于其施工简 单、增强、增韧、抗裂等性能好，是目前研究最多、应用最广泛的一种混凝土增 强材料【旺1 。大量研究表明【1 3 - 1 $ 1 ，在混凝土基材中掺入纤维不仅可以有效抑制裂缝 的出现和发展，而且还是提高混凝土韧性的有效途径之一。纤维在混凝土中呈现 三维乱向分布状态，它起着纯物理的作用，在裂缝扩展过程中，当裂缝尖端遇到 纤维时会引起纤维与基体之间的粘结剥离，从而缓解裂缝尖端应力集中，并有效 抑制裂缝的进一步发展，减小裂缝宽度纤维横跨在裂缝之间起到桥接的作用， 增加了裂缝的扩展阻力，从而提高混凝土的抗裂性能。目前，已经研制出了多种 纤维增强混凝土材料，主要有机合成纤维( 如聚丙烯纤维等) 增强混凝土复合材 料、碳纤维增强混凝土复合材科、钢纤维增强混凝土复合材料等。这些混凝土复 合材料己经广泛地应用于道路、桥梁、水利以及工业与民用建筑等各个领域，产 生了很好的经济效益和社会效益。我国已经制定出了纤维混凝土结构技术规程 ( c c c s 3 8 ：2 0 0 4 ) t ”，对纤维混凝土结构的应用与发展起到了极大的推进作用。特 别是钢纤维混凝土从其诞生至今，一直得到学术界和工程界的广泛关注。1 9 0 7 年原苏联专家b 且h e k p o c a b 开始用金属纤维增强混凝土；1 9 11 年，美国g r a h a m 曾把钢纤维掺入普通混凝土中，得到了钢纤维可以提高混凝土强度和稳定性的结 论；1 9 6 3 年j er o m u a l d i 和gb b a t s o n l 2 0 l 发表了关于钢纤维约束混凝土裂缝开 展机理的论文，提出了钢纤维混凝土开裂强度是由对拉伸应力起有效作用的钢纤 维平均间距所决定的结论( 纤维间距理论) ，从而开始了这种新型复合材料的实用 开发阶段目前，我国已经编制并颁布了钢纤维混凝土结构设计与施工规程 ( c e c s3 8 ：9 3 ) 和钢纤维混凝土试验方法( c e c s1 3 ：8 9 ) ，对我国钢纤维混凝土 材料的应用与研究走向规范化起到了指导性作用。 国内外水泥和混凝土界的专家学者都很重视混凝土抗裂性能的研究。目前混 凝土的抗裂性的研究的试验方法主要有平板式限制收缩开裂试验方法( 平板法) 、 圆环式限制收缩开裂试验方法( 圆环法) 、棱柱体法等。但是，混凝土材料是重要 的承载材料，上面的方法都是测试混凝土非承受荷载时的抗裂试验研究方法。对 混凝土材料的使用过程中，大都在承受荷载的作用，而短期荷载作用下的单轴拉 伸的抗裂性能是最基本的抗裂性能的体现。因此，本文对混凝土单轴拉伸下的抗 裂性能进行试验研究。在混凝土承载时的抗裂研究主要采取极限拉伸应变法和不 河海大学硕士学位论文 连续点的方法。不连续点就是表征混凝土在载荷下，内部稳定裂缝( 当荷载增加， 裂缝扩展；若保持应力水平恒定，则裂缝就停止扩展) 向不稳定裂缝扩展阶段的起 始点( 裂缝扩展包括裂缝数目增加和裂缝扩大) t 2 ” 对混凝土力学行为的研究表明，混凝土的破坏是内部裂缝的产生、扩展、连 通以至失稳的过程。在不连续点时，混凝土内部较严重的裂缝开始发生，即原生 裂纹开始在砂浆骨料界面范围扩展，混凝土内部结构从连续过渡到不连续。反 映在应力应变曲线的特征上，在短期单轴拉伸情况下就是开始偏离直线1 2 2 - 2 3 j 。 当应力在不连续点以下时，可以认为混凝土呈准线性性质而没有显著的破坏：当 应力超过不连续点之后，混凝土内部结构的连续性受到破坏，原有力学性能将显 著改变，建立在连续性基础上的力学规律，对混凝土已不再严格地适用【2 i - 2 2 1 。混 凝土不连续点强度反映了混凝土材料强度储备的大小，不连续点应变则反映了混 凝土抗裂能力的高低，故混凝土不连续点的确定有着重要的工程价值。因此，通 过不连续点来研究混凝土抗裂性是一个重要的途径。 目前，测定混凝土不连续点方法有比例极限法1 2 4 j 、声发射法【2 5 1 、超声波法【2 q 、 线性相关系数法f 2 刀和线性相关系数陡降澍2 射。另有既直观又方便，可快速地得 到在不连续点处的应力和应变值的方法，绘制应力应变关系曲线，根据试验曲线 的形状，从起始点处选定一部分试验点进行线性回归处理，然后把得到的直线再 迭加到原曲线上，由此可以很直观地找出偏离直线的试验点。以刚开始偏离直线 的点为不连续点，记下此点的应力和应变。这些方法各有它们的优点，但是都存 在不完善之处。本文选用比例极限法，超声波法测定不连续点，分析不同状态的 混凝土裂缝扩展规律，比较它们的抗裂性能。 1 3 课题研究的现实意义 众所周知，在钢筋混凝土结构中混凝土裂缝对于结构的危害是惊人的，裂缝 的出现及程度对混凝土及其结构的耐久性有重要的影响，轻者混凝土裂缝仅在一 定程度上对结构耐久性和使用性造成影响，重者将严重影响到结构的承载能力， 并有失稳及脆性破坏的可能，或必须推倒重建。对混凝土力学行为的研究表明， 混凝土的破坏是内部裂缝的产生、扩展、连通以至失稳的过程；混凝土的强度， 变形性能以及耐久性等也和内部裂缝的发展与变化密切联系。所以混凝土的破坏 4 第一章绪论 是由于内部开裂的裂缝逐渐扩展的结果，也就是说破坏只是裂缝发展过程的最后 阶段。长期以来，人们过分注重于混凝土的力学性能，而对影响混凝土使用寿命 的耐久性则重视不够，故导致许多结构工程使用不久就开裂甚至崩塌。由于混凝 土耐久性不高，致使混凝士工程的维修费急剧增大。据调查，美国1 9 7 5 年由于 腐蚀引起的损失达7 0 0 亿美元，1 9 8 5 年则达1 6 8 0 亿美元，目前整个混凝土工程 的价值约为6 万亿美元，而今后每年用于维修或重建的费用预计将高达3 0 0 0 亿 美元，这反映了混凝土结构耐久性差造成的损失大大超过了人们的估计。国外学 者曾用“五倍定律”形象地描述了混凝土结构耐久性设计的重要性，即设计阶段 对钢筋防护方面节省。l 美元，那么就意味着：发现钢筋锈蚀时采取措施将追加维 修费5 美元；混凝土表面顺筋开裂时采取措施将追加维修费2 5 美元；严重破坏时采 取措施将追加维修费1 2 5 美元。我国在1 9 9 7 、1 9 9 8 两年的改、扩建投资比例也 均超过9 0 t 2 9 i 。随着国内大规模工程建设的兴起，各种化学外加剂和大掺量粉 煤灰的使用，加之施工保养方面的不足，工程结构大型化、复杂化的趋势，新建 结构的混凝土裂缝问题已引起了极大的关注，因为人们一般把裂缝的出现视为结 构危险的征兆，甚至产生“裂缝恐惧感”，而建筑物的破坏往往开始于裂缝【3 0 l 。 混凝土材料组成中的骨料的应力应变是线性的，其强度比混凝土高：水泥胶 结材料的应力应变关系基本上也是线性的，其强度也高于混凝土。而这两者组合 而成的混凝土却具有明显的非线性，其强度也较低。这说明，混凝土中骨料与水 泥浆( 砂浆) 的界面是一薄弱环节，它对混凝土的力学性质有重要的影响。由于 构成混凝土的集料和水泥石的弹性模量和热膨胀系数不同，而且对温度变化、湿 度交化敏感性也不相同，因此，在硬化过程中，两者界面上发生应力或者应变集 中，导致产生界面微裂缝。 随着化学外加剂、矿物掺合料和钢纤维的广泛应用，改变混凝土中骨料与水 泥浆( 砂浆) 的界面过渡区域的薄弱环节的细观结构，增强混凝土的抗裂性能， 提高了混凝土的耐久性。本文通过对掺加粉煤灰、减水剂、钢纤维的混凝土在短 期荷载作用下的单轴拉伸状态的裂缝扩展过程、荷载应变之间的变化关系及其 阻裂机理的分析和对比的研究，分析它们的抗裂性能和特点，寻求能够应用于工 程实践的最佳阻裂的方法。其次，应用超声的方法，对单轴拉伸状态下的掺加粉 煤灰、减水剂、钢纤维混凝土材料内部损伤特性的研究，分析损伤过程及由损伤 河海大学硕士学位论文 角度分析它们的抗裂性能。 1 4 裂缝的检测 超声波检测技术是一种理论成熟的无损检测技术。由于声学参数的变化与结 构内部物性参数和状态的变化具有良好的相关性，它广泛应用于各个领域。以最 近一届在意大利罗马举行的世界无损检测( w c n d t ) 年会为例，此次会议共收集 论文7 7 3 篇，超声波方面就占拉3 4 1 3 1 】，其中混凝土中的应用约占1 0 ，这足 以说明超声波检测技术是当今世界最活跃、发展最快的无损检测技术。 超声波在混凝土中的研究与应用、已有近6 0 年的历史，混凝土超声波检测 是混凝土非破损检测技术中的一个重要方面。用声学韵方法检测结构混凝士可以 追溯到上世纪3 0 年代，当时是以锤击作为震源，测量声波在混凝土中的传播速 度，粗略地判断混凝土的质量。目前所采用的这种超声波脉冲法始于1 9 4 9 年， 加拿大的莱斯利( l e 5 1 i d e ) 、切斯曼( c l i e e s m a n ) 和英国的琼斯c o n s ) ，加特费尔德 ( g a t f i e l d ) 首先把超声脉冲检测技术用于结构混凝土的检测，开创了混凝土超声检 测这一新领域。随着测试技术的深入和发展，仪器的不断改进和完善，这项测试 技术在世界各国得到了普遍推广和应用。 我国在2 0 世纪6 0 年代初开始将超声波应用于工程检测，那时，所用仪器都 从国外进口。1 9 6 4 年同济大学成功研制了我国第一台c t s 1 0 型非金属低频超声 检测仪。近十年来，发展尤为迅速，在建筑、水电、交通、铁路等各类工程中， 混凝土超声检测技术已得到广泛应用。检测的应用范围和应用深度在不断地扩 大，从地面上部结构的检测发展到地下结构的检测；从一般小构件的检测发展到 大体积混凝土的检测；从单一测强度到测裂缝、测缺陷、测损伤层厚度、弹性参 数的全面检测；探测距离已发展到能探测1 0 m 多的混凝土。目前，又出现了超磁 致发射振源，其探测距离可望超过4 0 m 。一些混凝土超声检测方法己正式编入各 部门的规程。1 9 8 0 年南京水利科学研究院将超声波检铡混凝土强度和裂缝深度 的方法首次列入交通部行业标准港i ：l i 程混凝土试验方法中( 现改为水运 工程混凝土试验舰程( j t j 2 7 0 9 8 ) ，并增加超声波探测混凝土内部缺陷部 分) ；1 9 8 2 年，水利电力部行业标准水工混凝土试验规程( s d1 0 5 8 2 ) 也纳入 了上述标准；1 9 8 9 年中国建筑科学研究院等7 家单位共同编写的工程建设标准化 6 纂一章缝豫 委员会标准超声回弹综裔法检颡j 混凝土强度技术规程) 出版；1 9 9 0 年我国制定 了 妒0 ； 8 土5 式巾，e ，g ，塾，p ，分弱为弹性模量、骛切剐度、泊松院帮密度。将g 臻e 和l l 袭示，可得出： ( 2 1 6 ) 比较( 2 1 4 ) 和 v s ，即纵波波速丈鼍：横波波速，因 此纵波又称为初至波，横波又称为次波。 由波速的表达式还可以看出，弹性介质的性质和种类不同，撵性常数和密 度苓稳阏，霆筵，弹瞧渡程余震孛终疆懿速发瞧不稳嗣。嚣鹭，凌发生弹经渡 时，设法用仪器接妖，势掰仪表溅定箕波速，妫西以惩来粼鄹混凝能完整蛙和 密实性簿，这就是经常使用的“弹性波探测法”的理论依据。 穰实际测量中，由于横波的发生和接收都比较困难，以及其他因素，多以 测纵波为主，因此弹往敬攘溅又称隽声波探溅， 2 1 。2 惠更薪原理 在弹性介质中，己知t 时刻的波前上各点都可看作由振源产嫩的次级振源， 在经避厶t 时刻后，各予波波前的包络就是什矗t 对刻的新的波前，这就是惠更 斯原壤。应用惠更斯蹶璎颤以很形象地说明波的反射、折射、绕射现象。 2 。1 3 费骂覆理、瓣线与黪鬻绣 弹性波麸一煮两舅一点沿费对最少鹘路径传播酶原理裁是赞舄原理，这一最 佳路径称为射线。均匀介质中，走时最短路径摄连接两点的直线，对非均匀介质 而吉，走时最短路径不是囊线，但射线与波前灏总是互相垂直的。 2 2 有关声学特征量的接述 目前，在混凝土检测巾常用的声学参数及描述声波常用物理量藏要有： l 、声速 湃海大学颈士学位论文 在混凝士介质中单位时间内传递的距离称为声速。 v = l r ( 2 2 i ) 式中 v 一超声波声速，k m $ ； 卜试块的测试长度( 声程) ，m m ； 卜测区的平均声时值，t l s 。 混凝土的声速与混凝土的弹性性质有关，与混凝土内部结构( 孔隙、材料组 成等) 有关。不同组成的混凝土，其声速各小相同，一般来说，弹性模量越高， 内部越致密，其声速也越高。 当混凝土中存在缺陷时，如空洞、蜂窝体、新旧混凝土粘结不良的界面等， 声时值会不同程度的增大，因而声速将低于正常情况下混凝土的声速值。在结构 混凝土检测中，声速还会受到测量本身的影响，比如探头的选择，探头的安放位 置及安置方式，测试面的平整程度等各种因素的影响，因此，排除各种干扰，精 确的测量声速和声程是关键问题。 2 、振幅 接收波振幅通常指首波，即第一个波前半周的幅值，接收到的超声波信号越 强，振幅越大，振幅的大小反映了声波在混凝土中衰减的情况，在发射出的超声 波强度一定的情况下，振揠值的大小反映了混凝土粘塑性能。混凝土是弹- 粘一塑 性体，其强度不仅和弹性性能有关，也和其粘塑性能有关，因此，振幅高低也能 在一定程度上反映混凝土的强度。对于内部有缺陷或裂缝的混凝土，由于缺陷、 裂缝使超声波绕射或反射，振幅也将明显减小，因此，接收波的振幅值也是判断 混凝土质量的一项很重要的声学参数。 3 、波长 声波传播时，同一波线上两相邻波上任意两同相位点之间的距离称为波长。 4 、周期 波向前移动一个波长所需的时间叫周期。 5 、频率 任一给定点在单位时间内所通过完整波的个数叫声波的频率，等于质点在单 位时间内振动的次数。在超声检测中，由电脉冲激发出的声脉冲信号是复频超声 脉冲波，已包含了一系列不同频率成分的余弦波分量，这种含有各种频率的超声 1 6 第二章超声波检测的基本原理及方法 波在传播过程中高频部分首先衰减( 被吸收、散射) ，因此，可以把混凝土看作是 一种类似于高频滤波器的介质，超声波愈往前传播，其所包含的高频成分愈小， 则主频率也逐渐下降，这已经为不同测距的试验即频谱分析结果充分证实，主频 率下降的多少除与传播距离有关外，主要取决于混凝土本身的性质( 质量、强度) 和内部是否存在缺陷、裂缝等。因此，测量超声波通过混凝土后频率的变化可以 判断混凝土质量和内部缺陷、裂缝等情况。 6 、波形 波形就是在显示屏上而显示的接收波波形，正常的混凝土，超声波接收波形 是衰减正弦波，其包络线大致为半圆形，见图2 3 。当超声波在混凝土中传播时， 由于混凝土内部缺陷、裂缝或者疏松，造成传播路径的复杂化，直达波、反射波、 绕射波等各类波相继到达接收换能器，它们的频率和相位各不相同，这些波的叠 加有时会使波形叠加。当混凝土内存在缺陷时，有时会出现畸变波，见图2 4 所 示。 正常混凝土 图2 3 接收波 ( a ) 正常波形( b ) 畸变波 图2 4 接收波波形 1 7 卿一线忡 河海大学硬士学位论文 2 3 超声检测的基本原理及方法 通常入耳的听觉声波频率为：2 0 h z 2 0 0 k h z ，频率低于2 0 h z 称为次声波， 频率超过2 0 0 k h z 则称为超声波，超声波是超声频率的机械振动在弹性介质中的 传播过程。空气、水，钢等均是弹性介质，它可比拟为质点之河以小弹簧联系的 结构，由于质点之间以弹性力联系着，所以离开平衡位置的质点具有回复到平衡 位置的能力。可见声音的传播指的是振动传播，传播的是物质的运动，而不是物 质本身。 2 3 1 超声检测中运用的超声波 超声仪器换能器所发射的超声波是脉冲波，它的基本特点是： 1 换能器所发射的超声波不是连续不断的，而是以一定重复频率间断地发射 出一组超声脉冲波。 2 超声脉冲波不具有单一频率而是所谓复频波，当然它也有其固有的主频 率，这就是换能器上的标称频率。这种复频超声脉冲波在有频散现象的介质中传 播时，各种频率成分的波将以不同速度传播，这就使得脉冲波形将随传播距离的 增大而发生畸变；脉冲开始部分的频率比后面部分要高，后面越来越平坦变宽。 2 3 2 超声波的产生和接收 产生超声波的方法很多，如热学法、力学法、静电法、电磁法、电动法、激 光法、压电法等。目前，在超声波探伤中应用最普遍的是压电法。压电法是利用 压电材料施加交变电压，它将发生交替的压缩或拉伸，由此而产生振动。振动的 频率与交变电压的频率相同。若施加在压电晶体上的交变电压的频率在超声波频 率范围内，则所产生的振动就是超声频振动。如果把这种振动藕合到弹性介质中 去，那么在弹性介质中传播的波就是超声波。 从超声波的产生和接收可以看出，超声波发射是把电能转变为超声能的过 程，它是利用压电材料的逆压电效应，超声波的接收是把超声能转变为电能的过 程，它是利用压电材料的压电效应。由于压电材料同时具有压电效应和反压电效 应的特性，因此，超声检测中选用的单个探头，一方面用于发射超声波，另一方 面可用于接收从界面、缺陷返回的超声波。 2 3 3 混凝土中超声波传播理论 混凝土是一种很复杂的复合材料，在其内部存在非均匀分布的孔隙、裂隙等非 l l 第二章超声波检测的基本原理及方法 连续结构面，使混凝土表现出各向异性特征，产生极其复杂的力学特性和声学特 性。超声波在混凝土中传播时，将产生透射、反射、折射、散射和绕射等多种传 播现象，由于这些多次声波的叠自b 使得接收到的声波波列变得极其复杂一般而 言，混凝土中微缺陷越多，声速越低，衰减越大；在外荷载作用下的混凝土，由于 应力发生改变，在混凝土中薪产生的微裂纹和宏观缺陷越多、越宽，老裂隙扩展 越严重，声波能量衰减越大。混凝土超声波特性在很大程度上反应了影响混凝土 结构稳定性的诸多因素( 如混凝土裂隙、强度、变形、应力等等) 。但为了建立超 声波在混凝土中的传播规律的理论公式，将混凝土视为均匀连续介质。在宏观上 运用几何地震学的理论推求混凝土中传播的超声波速的计算关系，显然这种关系 的计算结果将随混凝土中损伤程度而改变。损伤程度愈高，混凝土中的超声波速 愈低；损伤程度愈低，混凝土中的超声波速愈高m 。 2 3 4 超声波在混凝土中传播的基本特性 混凝土是由水泥石、砂、石以及孔隙等部分构成的多相凝聚体，结构复杂， 其内部存在各种不同的界面，如砂浆和骨料的界面，孔隙和水化物的界面等。超 声波在内部传播时，遇到这些界面，会产生反射、折射等各种传播方式，影响其 到达接收器的时间。混凝土独特的内部结构，使得超声波在其内部传播时，具有 自己独特的方式。 ( 1 ) 超声波在混凝土中传播时衰减大 混凝土中的水泥石、砂、碎石或卵石等组成物具有不同的声阻抗，这使得超 声波在混凝土中的传播能量衰减比在相同声径的金属材料中的传播能量衰减大 得多。主要有三个方而的原因：一是在组成部分界而上的反射、折射现象，使弹 性波发生小规则的散射。二是由于普通混凝士的组成物几何尺寸的差异，小至几 i 1 i e t 的未水化水泥颗粒，大到5 m m - 4 0 m m 的粗骨科，这些颗粒各具有固有的频 率，当各种频率成分的弹性波通过混凝土介质时，相应自振频率的各种频率便产 生共振，形成球面波源使超声波的能量不断减弱。三是在弹性波的传播过程中， 由于混凝土的粘滞性及颗粒之间的干摩擦，使机械振动的能量转变为热量而散 失。 如果要提高超声波在混凝土中传播的距离，除增大发射功率外，必须采用较 低频率的超声波，因为当波长大于混凝土骨料粒径或孔隙时，它已能绕过颗粒或 1 9 河海大学硕士学位论文 孔隙继续前进，减少因散射引起的能量衰减。 ( 2 ) 超声波在混凝土中传播时指向性较差 在混凝土中的超声波速的指向性较差的原因，主要有三个方面：一是超声波 束的扩散角与频率成反比，在混凝土检测时往往采用较低频率的超声波，因而波 束的扩散角增大。二是在骨料与水泥石的界面，以及其它声阻抗发生变化的界而 上超声波被反射，这种反射往往是杂乱的，因而使入射波束向周围扩散，降低了 束射的方向性。三是混凝土中颗粒的几何尺寸大小不一，它们的固有频率几乎是 一个连续的波谱，因而任何入射波的频率都可能激起某种颗粒的共振，可以说， 在混凝土中颗粒的共振现象几乎是经常存在的。由于发生共振的颗粒向周围射出 球面波，使入射波束的传播方向大为混杂而降低了束射方向性。由于超声波在混 凝土中传播的方向性差和能量衰减大，因而，混凝土的探伤不能采用反射法，通 常采用低频绕射法。混凝土缺陷的探测频率选择，应兼顾穿透的测距和探伤灵敏 度两个方面。若采用较低频率的超声波探伤，能量衰减小，穿透的距离长，但由 于波长长而传播的方向性下降；若采用较高频率的超声波探伤，超声波波长短而 传播的方向性较好，探伤的灵敏度将相应提高，但由于能量衰减大，所以探测的 距离短【4 。 ( 3 ) 波形往往因界面发射和折射而曲折，因此，当超声波在混凝土中遇到较大缺 陷的时候并非直线传播。 2 3 5 混凝土缺陷的一般检测方法简介 混凝土缺陷的检测一般包括浅裂缝的检测、深裂缝的检测、不密实和空洞检 测、混凝土结合面的检测、混凝土的匀质性检测等。由于本试验采用不密实和空 洞检测方法来分析裂缝扩展过程，所以详细介绍不密实和空洞检测方法。该方法 使用于结构混凝土局部区域内的不密实和空洞以及夹泥、离析等情况检测。在进 行该项检测时，结构的被测部位以及测区应满足以下要求： ( 1 ) 测量的部位应具有一对或两对相互平行的测试面。 ( 2 ) 测量区域的范围应大于有怀疑的区域。 ( 3 ) 在测量区域布置测点时，应避免t 、r 换能器连线与附近的主钢筋轴线平行。 检测方法根据被测结构实际情况，按下列方法之一布置换能器。 第二章超声波检旃的基本甄理爱方法 l 2 3 ( 1 ) 4 ( 2 ) 5 ( 3 ) 6 ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) 图2 5 对涮法换能器布置图图2 6 斜测法换能器布置圈 ( 1 ) 结构具有两对相互平行的测试面时采用对测法，其测试方法见图2 5 所示。 在测区的两对相互平行的测试面上，分别画间距2 0 0 - 3 0 0 r a m 的网络。 ( 2 ) 结构中只有一对相互平行的测试面时，可采用斜侧法。即在测区的两个相互 平行的测试面上，分别画出交叉测试的两组测试点的位置，见图2 6 所示。 ( 3 ) 当结构的测试距离较大时，为了提高测试灵敏度，可在测区适当的位置钻出 平行于侧面的测试孔，深度视测试需要而定，结构侧面采用厚度振动式换能器， 用凡士林耦合，测孔中采用径向振动式换能器，用水藕合。 2 l 河海大学硕士学位论文 第三章试验研究概况 3 1 试验原材料 3 1 1 水泥 水泥为雨花台牌普通硅酸盐水泥3 2 5 。水泥物理力学性质见表3 1 。 表3 1 水泥物理力学性质 粒弛m ，嚣篇鬻徽徽级配 小于51 4 8 0 2 7 24 62 5 合格 3 1 3 石子 碎石，粒径5 - 2 0 r a m 3 1 4 水 自来水。 3 1 5 减水剂 南京瑞迪公司提供的萘系高效缓凝减水剂。 3 1 6 粉煤灰 南京华能热电厂生产的i i 级粉煤灰，化学组成及性质见表3 3 所示。 第三章试验研究概况 ：m o = ( c a o + m g o ) ( s i 0 2 + a 1 2 仉kk = ( c a o + m g o + a 1 2 0 3 m s i 0 2 + p 2 0 ，) ；m n = a 1 2 0 岿i 0 2 3 1 7 钢纤维 使用钢纤维的形状见图3 1 ，钢纤维的具体参数见表3 4 。 图3 1 钢纤维形状 表3 4 钢纤维的几何尺寸和力学性能 3 2 试验研究方案 3 - 2 1 配合比 混凝土设计强度为c 2 5 ，塌落度控制在3 0 m m 5 0 m m 。混凝土基准设计配 合比为1 ：1 6 6 ；2 6 0 ：0 4 7 。 3 2 2 粉煤灰掺量的选取 混凝土中掺入粉煤灰的效果与粉煤灰的掺入方式有关。常用的方式有：等量 取代水泥法、粉煤灰代砂( 外加法) 及超量取代水泥法，选择最常用的等量取代 i i i 海大学颀p 学位论文 水泥法。根据混凝土强度等级、使用水泥种类和粉煤灰取代水泥率邯】，选取煤灰 取代水泥率为1 5 。 3 2 3 减水剂掺量与掺法的选取 萘系减水剂是以煤焦油中分馏出的萘及萘的同系物为原料，经磺化、水解、 缩聚、中和而得。主要成分是萘或萘同系物磺酸盐甲醛缩合物，属亲水性阴离子 表面活性剂，减水率多在1 5 - - 2 0 以上，其适宜掺量为o 5 - - i 5 ，通常为 o 5 - 0 7 5 ，故取o 7 5 ，减水率取2 0 。混凝土减水剂的掺法有“同掺法”、 “后掺法”及“滞水掺入法”等，选取最常用的同掺法，即将减水剂溶解于拌合 用水，并与拌合用水一起加入到混凝土拌合物中。 3 2 4 钢纤维掺量的选取 试验研究表明，钢纤维增强作用随长径比增大而提高，钢纤维长度太短起不 到增强作用，太长施工比较困难，影响拌合物的质量，直径过细容易在搅拌过程 中被弯折，同时在同样体积率时增强效果也较差。经试验研究和大量的工程实践 表明，钢纤维长度为1 5m m 6 0 m m ，直径或等效直径为o 3m m 1 2 m m ，长径 比为3 0 1 0 0 ，其效果和施工性能一般可满足要求。钢纤维混凝土中钢纤维体积 率小到一定程度时将起不到增强作用，国内外一般以o 5 为最小体积率，同时 不宜超过2 ，否则拌合物的和易性变差，施工较困难。故选取常用的体积率 1 5 。 3 2 5 试验方案 棱柱体试件尺寸为l o o m xl o o m m x 5 1 5 n 曲。试件采用等截面内埋带螺纹的组 合拉杆型棱柱体轴心受拉试件，见图3 2 所示。该试件型式由河海大学建筑材料 教研室研制删，该试件比较好地解决拉试件的偏心问题，使偏心率可控制在小 于百分之六( r i l e m 推荐的标准) ，而且试验合格率达到7 5 - 8 0 1 5 0 1 ，证明此种 试件型式具有可靠性和有效性。 第三章试验研究概况 p 图3 2 受拉试件( 单位：r a m ) 头 实验分四批次完成，每批次成型四根试件，即素混凝土( 按配合比拌合，不 掺加任何掺合料、减水剂等) 、掺加粉煤灰混凝土、掺加减水剂混凝土、掺加钢 纤维混凝土。分别编为a i 、a 2 、a 3 、a 4 ：b i 、b 2 、b 3 、b 4 ：c 1 、c 2 、c 3 、 c 4 ：d 1 、d 2 、d 3 、1 3 4 。试验方案见表3 5 。 表3 5 试验方案 注；。4 ”表示进行此项研究 河海大学硕士学位论文 3 2 6 试件的养护 成型后放置阴凉不通风的环境中，在其周围洒水。两天后脱模，放置标准养 护室养护2 8 天。 3 3 试验步骤 3 3