基于核磁共振和超聲波探傷技術(shù)的混凝土耐久性分析

張海龍，王社良,2，袁曉灑

(1.西京學(xué)院 陜西省混凝土結(jié)構(gòu)安全與耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710123； 2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

1 前 言

鋼筋混凝土是目前應(yīng)用最廣的建筑材料。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，混凝土基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度不斷增強(qiáng)[1-3]。混凝土建筑在飛速發(fā)展中不可避免的問題就是其耐久性，而影響混凝土耐久性的因素包括碳化[4]、凍融破壞[5-6]、鋼筋銹蝕[7-8]、疲勞荷載[9-10]等。

目前提高混凝土耐久性的方法主要有對表面進(jìn)行處理防止有害離子侵入混凝土內(nèi)部[11-13]，采用耐腐蝕鋼筋或者對鋼筋表面進(jìn)行防護(hù)來提高其耐銹蝕性[14-17]，減小混凝土內(nèi)部孔隙率等[18-20]。上述提高混凝土耐久性的方法主要是“阻、隔、擋”，并未對混凝土在退化過程中孔隙率的變化進(jìn)行相關(guān)研究。采用壓汞儀對混凝土的孔隙率進(jìn)行測定是較為傳統(tǒng)的方法[21]，很難測量試件內(nèi)部的閉口孔隙。因此，目前對混凝土孔隙率測定采用核磁共振技術(shù)(nuclear magnetic resonance，NMR)。NMR技術(shù)具有精度高、測試速度快等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療[22]、煤礦[23]、生物[24]等領(lǐng)域，在土木工程領(lǐng)域也有諸多應(yīng)用，如宋勇軍等[25]采用NMR技術(shù)對砂巖在干濕循環(huán)作用下的孔隙率變化進(jìn)行測定，并采用T2譜分析巖石損傷過程中孔隙率的變化規(guī)律，得出T2譜各譜峰面積隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大。李杰林等[26]對巖石進(jìn)行凍融循環(huán)(FTC)試驗(yàn)，并采用NMR技術(shù)研究了巖石孔隙發(fā)育及擴(kuò)展規(guī)律，得出隨凍融循環(huán)次數(shù)的增多，巖石的孔隙度、核磁共振T2譜分布和T2譜的譜峰面積均會增大。楊耀[27]采用NMR技術(shù)研究了FTC下混凝土的孔隙率變化等。但是NMR技術(shù)對試件尺寸有一定的要求，對大尺寸試件只能采用局部取樣，這導(dǎo)致以局部反映整體的實(shí)驗(yàn)手段存在一定的誤差，并且NMR技術(shù)目前只能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。而超聲波探傷(UFD)技術(shù)是一種快速、簡便的非破壞性檢測方法，應(yīng)用范圍更廣。

因此本研究將UFD和NMR技術(shù)結(jié)合，對混凝土試件在凍融循環(huán)作用下的退化進(jìn)行聯(lián)合表征，通過對混凝土退化過程中兩者變化關(guān)系進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)以超聲波波速為基礎(chǔ)的相對動彈性模量評價參數(shù)來反映試件內(nèi)部孔隙率的變化。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 試件制備

水泥采用海螺牌 42.5 級普通硅酸鹽水泥。粗、細(xì)集料均由西安天石攪拌站提供，細(xì)集料為中砂，粗集料是粒徑分別為5～10 mm和 10～25 mm 的碎石，用篩分法進(jìn)行調(diào)配至連續(xù)級配，最后確定大小石子比例為 7∶3。減水劑為UNF-1 型萘系高效減水劑，減水效率為18%左右。粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰，其比表面積為353 m2/kg。按照表1制備尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的混凝土試件，脫模后將試件養(yǎng)護(hù)28 d，然后采用鉆心取樣機(jī)加工成φ×H=50 mm×100 mm的圓柱體。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix proportion kg·m-3

2.2 試驗(yàn)過程

A、B組試件各取3塊，對試件進(jìn)行基準(zhǔn)核磁共振測試(Cycle 0)和超聲波探傷測試(Cycle 0)。然后對A、B組試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。凍融方法參考《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50082-2009)，前期在Cycle 50、Cycle 100、Cycle 150對試件表面混凝土的剝落情況進(jìn)行一次外觀檢查，然后對試件進(jìn)行NMR和UFD試驗(yàn)，UFD測試示意圖如圖1所示。后期當(dāng)T2譜變化較明顯時每25個循環(huán)對試件進(jìn)行一次NMR和UFD試驗(yàn)。試驗(yàn)所用NMR儀器型號為Macro MR，磁場強(qiáng)度為(0.3±0.05) T，儀器主頻率為12.8 MHz。UFD儀器為 HC-U82 多功能混凝土超聲波檢測儀，凍融試驗(yàn)機(jī)采用 TDRF-I型快速凍融試驗(yàn)機(jī)。

圖1 超聲波測試示意圖Fig. 1 Schematic diagram of ultrasonic test

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 T2譜分布分析

在NMR試驗(yàn)中通常采用T2弛豫值及孔隙率來反映混凝土在凍融循環(huán)過程中混凝土的退化過程。其原理主要是通過外梯度場的作用，使外加磁場中混凝土內(nèi)部孔隙中的水分與梯度場產(chǎn)生核磁共振的現(xiàn)象，然后將水分在共振時的能量變化信號轉(zhuǎn)化為T2馳豫值，通過馳豫值來反映混凝土的孔隙信息。弛豫時間和孔隙之間的關(guān)系式見式(1)[28-29]：

(1)

式中：ρ為材料的馳豫強(qiáng)度，S為孔隙的表面積，v為孔隙的體積。

取A、B組試件中后一塊為例進(jìn)行分析，其T2譜分布圖見圖2。

圖2 凍融循環(huán)下A、B組混凝土的T2譜 (a) A組試件； (b) B組試件Fig. 2 T2 spectrum of group A and B concrete under freeze-thaw cycle (a) group A; (b) group B

從圖可見，圖中橫軸的大小與試件內(nèi)部孔隙的尺寸大小成正比，縱軸幅度的波峰大小反映了孔隙數(shù)量的多少。從基礎(chǔ)NMR試驗(yàn)(cycle 0)可以得出，B組較A組的縱軸幅度有顯著的降低，即通過添加粉煤灰后顯著減小了混凝土試件內(nèi)部孔隙的數(shù)量。從A、B組試件的T2譜可以得出，每個T2譜中有3個波峰，隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，3個波峰的面積不斷發(fā)生變化，即不同孔徑的孔隙所占的比例不斷發(fā)生變化。本實(shí)驗(yàn)將馳豫時間在0.1～10 ms定義為第一波峰，表示試件內(nèi)部微小尺寸的孔隙；在10～340 ms定義為第二波峰，表示試件內(nèi)部小尺寸的孔隙；在450～900 ms定義為第三波峰，表示試件內(nèi)部大尺寸的孔隙。每個波峰的峰值(幅度)分別為1930、210、30，隨著凍融循環(huán)的不斷進(jìn)行，第一波峰的峰值明顯提高，表明試件內(nèi)部孔隙不斷增多，試件損傷不斷加重。而第二和第三個波峰則明顯有增加和減小的波動，這個過程表明小尺寸的孔隙轉(zhuǎn)換成了大尺寸的孔隙。

3.2 T2譜面積分析

從圖2T2譜中可以明顯得出試件退化過程中孔隙的變化，其中波峰面積可以很好地反映試件中孔隙尺寸和數(shù)量的變化[30]，因此對第一個波峰(主峰)的面積變化進(jìn)行分析，其計(jì)算結(jié)果見表2。從表可知，試件A的微小孔隙占比可達(dá)80.64%，試件B中微小孔隙的占比可達(dá)74.69%，而小尺寸孔隙和大尺寸孔隙占比分別為18.56%～25.31%。對表2中A、B組試件凍融循環(huán)次數(shù)和第一峰(主峰)面積變化平均值進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖3所示。圖中得出的凍融循環(huán)作用下T2譜的第一峰(主峰)面積變化可用指數(shù)函數(shù)表示，表達(dá)式為：

s=a×exp(b×x)+c

(2)

表2 凍融循環(huán)下T2譜的面積Table 2 Area change of T2 spectrum under freeze-thaw cycle

圖3 T2譜主峰面積擬合圖 (a) A組試件； (b) B組試件Fig. 3 Fitting diagram of main peak area of T2 spectrum (a) group A; (b) group B

式中：s為T2譜中第一峰(主峰)面積，x為凍融循環(huán)次數(shù)，a，b，c為未知參數(shù)。

從圖3可見，隨FTC次數(shù)的增加，試件內(nèi)部微小孔隙面積逐漸增大。對于試件A，在前Cycle 150，孔隙發(fā)展較慢，在Cycle 150后試件的孔隙發(fā)展較快，Cycle 0～150T2譜面積從3161.1增長到了3361.6，增長了6.3%；Cycle 150～175，T2譜面積從3361.6增長到了4257.5，增長了26.6%。而對于試件B，其內(nèi)部微小孔的前期發(fā)展較快，后期發(fā)展則較慢。Cycle 0～150凍融循環(huán)T2譜面積從1793.8增長到了2089.1，增長了16.4%，Cycle 150～175，T2譜面積從2089.1增長到了2100.5，增長了0.5%。

3.3 孔隙率分析

每個 FTC 周期后分析試件的孔隙率，其結(jié)果如表3所示。從表可知，試件A在 Cycle 0的平均孔隙率為 2.83%，Cycle 50 時增長了7.42%，Cycle 200時增長了75.9%。試件B在Cycle 0時的平均孔隙率為2.61%，Cycle 50 時增長了8.8%，Cycle 200時增長了44.8%。對不同F(xiàn)TC下的孔隙率的與凍融次數(shù)進(jìn)行擬合，所得的結(jié)果如圖4所示。從圖可知孔隙率的增長與FTC次數(shù)呈顯著的指數(shù)關(guān)系。

表3 凍融循環(huán)下混凝土孔隙率變化Table 3 Change of concrete porosity under freeze-thaw cycle

圖4 孔隙率與凍融循環(huán)次數(shù)擬合圖 (a) A組試件； (b) B組試件Fig. 4 Fitting diagram of porosity and number of freeze-thaw cycle (a) group A; (b) group B

3.4 超聲波試驗(yàn)結(jié)果

UFD可以很好地反映試件內(nèi)部的密實(shí)度，超聲波波速與相對動彈性模量之間的關(guān)系可用下式表示[14]：

(3)

式中：V0為初始波速(Km/s)；VN為N次凍融循環(huán)后的波速(Km/s)。

混凝土相的對動彈性模量評價參數(shù)為ω，其表達(dá)式見式(4)[14]：

(4)

當(dāng)ω<0時達(dá)到破壞；0≤ω<1時出現(xiàn)損傷未達(dá)到破壞；ω≥1時未達(dá)到破壞且狀態(tài)良好。

對凍融循環(huán)下試件的相對動彈性模量評價參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表4所示。對ω和凍融循環(huán)次數(shù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖5。從圖5可知，ω與凍融循環(huán)次數(shù)呈顯著的線性關(guān)系。A、B組試件在經(jīng)過200次凍融循環(huán)后ω分別達(dá)到0.632、0.785。將相對動彈性模量和試件孔隙率進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖6。從圖可知，孔隙率退化和ω呈顯著的線性關(guān)系。因此可以通過孔隙率和ω之間的線性關(guān)系，對凍融循環(huán)過程中試件內(nèi)部孔隙率變化進(jìn)行計(jì)算得出孔隙率的具體值。從而采用超聲波來直接表征試件內(nèi)部孔隙率的變化，而無需對試件進(jìn)行破壞性試驗(yàn)來確定內(nèi)部孔隙率變化。

表4 凍融循環(huán)下混凝土的ωTable 4 ω of concrete under freeze-thaw cycle

圖5 ω 和凍融循環(huán)次數(shù)擬合圖 (a) A組試件； (b) B組試件Fig. 5 Fitting diagram of ω and number of freeze-thaw cycle (a) group A; (b) group B

圖6 ω 和孔隙率擬合圖 (a) A組試件； (b) B組試件Fig. 6 Fitting diagram of ω and porosity (a) group A; (b) group B

4 結(jié) 論

1．對混凝土在FTC過程中的T2譜進(jìn)行分析得出，在T2譜中主要有三個波峰，其中第一峰(主峰)的面積為總面積的80%左右，即混凝土內(nèi)部孔隙主要為微細(xì)小尺寸孔隙。隨著FTC的不斷進(jìn)行，T2譜逐步向右移動，并且此過程中第二峰和第三峰的波動幅度較小，表明在混凝土凍融循環(huán)過程中微細(xì)小孔隙變化最明顯，退化主要由微細(xì)小裂縫的發(fā)育造成。

2．對兩組試件T2譜參數(shù)值進(jìn)行分析得出，在T2譜中B組試件波峰幅度大于A組試件，隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，T2譜中第一峰(主峰)的面積增長呈顯著指數(shù)關(guān)系。對于第一峰面積而言A組試件在175次凍融循環(huán)前增長緩慢，175次凍融循環(huán)后增長迅速，而B試件與其相反。對于A、B組試件內(nèi)部的孔隙率增長而言，B組比A組增長緩慢。表明在混凝土中添加粉煤灰可顯著降低混凝土內(nèi)部的孔隙率，對提升混凝土的耐久性具有一定的作用。

3．對NMR和UFD技術(shù)所得結(jié)果進(jìn)行分析得出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，ω逐漸降低，并呈顯著的線性關(guān)系。經(jīng)過200次凍融循環(huán)后A試件的平均損傷達(dá)到36.8%，B組試件的平均損傷達(dá)到21.5%?？紫堵拾l(fā)展和試件的ω呈顯著的線性關(guān)系，因此可用超聲波波速的變化來反映試件內(nèi)部孔隙率的發(fā)展，對試件的耐久性進(jìn)行評價。