聲發射監測混泥土硬化強度過程

作者：В.В. Бардаков,  А.И. Сагайдак.
INTERUNIS-IT LLC
翻譯：INTERUNIS-LLC中國辦事處、 河南啟興格電子科技有限公司

 

通過聲發射方法對混凝土結構進行了研究。實驗結果顯示，在混凝土硬化的頭24小時內記錄的聲發射數據與28天前的強度之間存在聯系。聲發射數據的信息參數與28天內混凝土的強度有關。

關鍵字:聲發射，混凝土，混凝土結構，混凝土強度預測。

引言 

在過去的幾十年里，建筑領域的技術進步急劇增加。高樓大廈正在建造，幾英里長的橋梁、隧道、地下和地面通道被設計出來。盡管有了所有的創新和個人設計解決方案，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鍵特征是它的強度。

確定混凝土結構的強度是一個經過充分研究的任務，可以通過使用破壞性和非破壞性（NDT）的控制技術來完成。然而，對建筑結構的可靠性和耐久性特別感興趣的是研制新的方法來監測新的混凝土，并預測混凝土在硬化初期的強度。

最廣泛的是聲發射無損檢測方法。具體來說，有研究混凝土水合過程和混凝土強度與超聲波信號參數之間的關系的研究，如傳播速度和振幅(1 - 4)。

另一種可行的方法是聲發射方法(AE)，這可以記錄混泥土在硬化過程中的內部結構活動。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射（AE）方法監測新制備的混凝土的可能性：準備后的幾個小時到28天(1、5 - 8小時)。其中一些甚至成功地嘗試在混凝土硬化過程中記錄的AE數據和機械特性之間尋找聯系。

實驗研究描述

為了評估AE方法的有效性，INTERUNIS-IT LLC與aa a . knstindev C合作的混凝土強度預測任務進行了實驗。研究了具有不同含水量重、輕和細顆?；炷嗤粒?span lang="EN-US">b/c）。在實驗過程中，新拌好的混凝土澆注到預制的層板模板中【圖。1】。

圖1 實驗裝置

使用INTERUNIS-IT公司制造的A-Line 32D DDM聲發射系統和工作頻率偉30~300kHz的DIS30-300聲發射傳感器。聲發射傳感器通過耦合劑安裝在鋼波導桿上（圖2），并用磁性支架固定。波導桿被侵入測試混泥土中。

圖2 波導桿模型

 

波導結構允許通過大面積的接觸來記錄樣品表面和底部硬化過程。

經過實驗，研究了8種混凝土的硬化過程。實驗持續時間從28天到85天不等。

在實驗中，不斷記錄波形信號和AE標準參數【10】，還有混凝土混合物和環境溫度，使用多通道溫度記錄器“Teram -3”。

另外，在實驗研究期間，對見證樣品的強度進行了測量（使用壓機加壓），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[11]確定混凝土的強度，這是三個樣品（70x70x70 mm）批中強度最高的兩個樣品的強度的算術平均值。

測試樣品的強度范圍從6.9 MPa到57.9 MPa不等。在28天內對樣品進行的試驗結果被用來尋找測試樣品強度與混凝土樣品頭24小時硬化時測量的AE參數之間的關系。

表中列出了實驗中研究的樣品的一般數據。

 

混凝土立方體編號	混凝土抗壓強度等級	水灰比	顆粒大/小	28天強度，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度特性的混凝土，而這種特性在建筑實踐中最常使用。

數據分析

混凝土結構是一個復雜的物理化學過程，水泥、水和填充物的混合物逐漸轉化為具有顯著強度的水泥?；炷两Y構的形成，因此強度的增加過程需要數年的時間。但是，最重要的變化發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構。

根據現代觀點，混凝土的結構形成過程通常分為三個主要階段：溶解（初始和誘導階段），加速（凝固）和結晶（硬化）[12，13]。

正如所揭示的，AE方法使得可以實時觀察混凝土結構的形成過程，這是由于該方法固有的高靈敏度而實現的（圖3.1、3.2、3.3）。
 

圖3.1 AE事件數（時間）
圖3.2振幅（時間）	圖3.1 能量（時間）

 

根據AE參數隨時間的變化，還可以區分三個階段的混凝土結構形成，每個階段的持續時間可以在很寬的范圍內變化，并且取決于混凝土的成分和外部條件。介紹了5號立方體（膨脹粘土混凝土）的依賴性。其他立方體的外觀質量相似。我們將更詳細地回顧每一個時期。

I期-溶解期（初始Ia和誘導Ib），在水泥，水和骨料混合后立即開始。在此階段的初始階段，化學未結合（游離）水的量很大，這又使混合物具有流動性。這里所說的流動性是指混合物及其單獨成分的機械移動。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。

在此期間發生化學水合反應的結果是，化學未結合的水減少了，而尚未進行化學反應的那部分在絮凝物中是固定的。結果，移動性降低，這導致AE活性降低。結果，根據AE數據，時期I的特征是在初始階段具有較高的活動價值，隨后在誘導期間其活動活動減少到幾乎為零（見圖3.1）。此外，與其余兩個相比，此時段的特征在于AE信號參數的最大值（參見圖3.2、3.3）。

排除了應在給定時間間隔內發生的其他過程的原因是，它們都是低能耗的（化學反應產物的溶解和沉淀，以及在水泥顆粒表面形成膠態氫硅酸鈣）并結合在一起使用如果混凝土混合物中的聲信號衰減系數較大，傳感器則無法檢測到。

AE在第一階段的主要來源是流動性，這取決于所用成分的消耗（水，水泥，細骨料和粗骨料的量）。對遷移率具有主要影響的主要參數是V / C比。此外，它越大（在組合物中聚集體的數量恒定），組合物的遷移率越高，因此，在給定時間段內記錄的AE脈沖總數也越大。

第二階段的特征是水泥顆粒表面上氫氧化物開始結晶。晶體的新形成很小。這個過程很激烈，但是能量很低。在水泥測試中傳播的AE信號，其結構尚未形成，并且具有較高的衰減系數，具有很強的衰減能力，并且不超過設備的檢測閾值。結果，該時段的特征在于不存在AE信號。

實驗表明，第二個時期對不同的立方體不固定，與28天前的混凝土強度有關。第二階段的持續時間越短，混凝土結構的強度就越高，最終的強度也越大。在第二階段的長度和28天的混凝土強度之間建立了線性回歸模型，允許預測其強度(圖4a，b)。

a

b

圖4：線性回歸模型重混凝土（a）和細顆粒（b）的第二階段持續時間（強度）。

      
        這些依存關系在因變量和自變量之間具有良好的相關性。細顆?；炷恋南嚓P系數為0.999，重顆粒的相關系數為0.989。對于較小的混凝土，28天內的最大相對強度誤差為1%，而較重的混凝土為4.9。

       根據AE數據（見圖3.1），第二個周期的開始時間大約與凝結混凝土成分的開始時間重合，但是，其持續時間超過了對應于凝結混凝土成分的時間間隔。根據AE數據，第二個周期包括設置周期和第三個周期的初始階段（結晶）。

       以第二周期為特征的信號的不存在將持續到合成物獲得原始結構為止，這將導致衰減系數的降低。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構。此期間的AE來源是在有限體積條件下的微晶生長。由于此階段的成分以部分形成的結構為特征，因此聲波的衰減遠小于前一階段。該時段的特征在于記錄的AE信號數量增加。除了增加記錄信號的數量（見圖3.1）外，AE信號參數的定量值也有相對增加（見圖3.2，3.3）。值得注意的是，AE的事件是由AE動量(時間)的切線表示的，在相當長的一段時間內幾乎是恒定的。隨著時間的流逝，斜率的切線減小，這對應于結晶速率（或強度增加速率）的減小。這一事實間接證實了一種假設，即在第三個時期，AE的來源是相同的。第三個時期是最長的。在此過程中，依賴的AE事件（時間）的傾斜角度逐漸平穩減小，這與結構形成過程的逐漸衰減相對應。由于在此期間AE的來源是在有限體積條件下的微晶生長，因此可以認為斜率的切線與組合物的結晶速率相對應。

       上述使用AE方法識別混凝土的分級結構原理的正確性由混凝土混合物中的溫度變化曲線證實（圖5）。溫度計算為混凝土溫度與環境溫度之間的差。

圖5  AE事件總和與溫度的關系

 

上述混凝土結構形成過程的三個階段也可以根據混凝土組合物生熱動力學的變化加以區分[12、13]。

在第一階段，會發生短期發熱。水合的熱效應被溶解的負面影響所抵消。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。水合反應被抑制，結果，放熱幾乎等于常數。這是第二條階段，在此期間發生了氫硅酸鈣的成核和緩慢生長過程，這導致了膜的破壞。薄膜的破壞反過來又使水進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，反應速率降低。第四階段即將到來-組合物結晶的時期。

值得注意的是，所有期間并非嚴格按順序進行，而是彼此重疊。結果，從一個時期到另一個時期的過渡是平穩的，而不是痙攣性的。

使用AE方法區分混凝土的分階段結構的能力為預測標準時期的混凝土強度創造了前提。在AE參數的基礎上建立了預測模型，其值取決于混凝土硬化的時間。在硬化的第一天就可以觀察到大多數混凝土成分的所有三個時期。同時，對于大多數用于建筑的組合物，使用AE方法，考慮到混凝土的結構形成，預測強度所需的時間通常為4至24小時。

 

建立預測模型

在本文中，已經提出了相關性，這些相關性允許以足夠高的精度預測混凝土的強度（參見圖4a，b）。為此，我們使用了AE方法測得的第二階段持續時間與28天混凝土強度之間的關系。但是，值得注意的是，越獨立的參數輸入經驗方程式，模型越可靠。

為了提高模型的真實性，進行了漸進式回歸分析，在這一分析中，每個階段的信號參數都是獨立的，它們的累積值和平均值。在28天的時間里，混凝土樣品的強度被證明是可變的。

使用諸如第二階段的持續時間和第三階段的斜率之類的獨立參數的組合可獲得最佳相關性（圖6a，b）。

a

b

圖6  強度的實際值與重型混凝土（a）和細?；炷粒╞）的預測值的相關性?？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）獲得的相關性的相關系數（見圖5）對于細?；炷翞?.0，對于重質混凝土為0.997。對于細?；炷?，沒有確定標準強度的最大相對誤差，對于重混凝土，則為3.4％。

    擬議方法的特點

擬議中的用AE方法預測混凝土強度的方法包含了許多特征。首先，預測所需的測量時間不是固定的，而且在4到24小時的范圍內(對大多數成分來說)。

其次，可以對結構本身進行測量，而不對對照樣品進行測量，這是由于可以將帶有PAE的波導直接安裝在研究對象上而實現的。

第三，AE方法由于其完整性而考慮了組成的異質性。

第四，可以在任何AE系統的軟件和硬件級別上實施此方法。在這種情況下，預測強度所必須執行的動作序列將盡可能簡單（圖7）。

 

圖7  測量的順序

      測量需要一個波導管，連接到AE的儀器上，并將其放入一個模板中。然后在實現預測模型的儀器中運行數據采集模式。當數據收集模式(不固定的時間)完成時，將會形成一份報告，預測混凝土強度為28天。
      
       結論
 
       通過AE方法對混凝土結構進行了研究。在最初的24小時內，混凝土的硬度與28天內混凝土的強度有關的聲發射數據。建造了一個經驗模型，可以預測混凝土的強度為28天，誤差不超過4%。
目前正在進行進一步的工作，以收集統計數據并確認結果。
 
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聲發射、串聯聲發射，聲發射檢測、聲發射檢測、聲發射結構健康檢測。
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