基于核磁共振和超声波探伤技术的混凝土耐久性分析

张海龙，王社良,2，袁晓洒

(1.西京学院 陕西省混凝土结构安全与耐久性重点实验室，陕西 西安 710123； 2.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055)

1 前 言

钢筋混凝土是目前应用最广的建筑材料。随着我国经济的快速发展，混凝土基础设施建设力度不断增强[1-3]。混凝土建筑在飞速发展中不可避免的问题就是其耐久性，而影响混凝土耐久性的因素包括碳化[4]、冻融破坏[5-6]、钢筋锈蚀[7-8]、疲劳荷载[9-10]等。

目前提高混凝土耐久性的方法主要有对表面进行处理防止有害离子侵入混凝土内部[11-13]，采用耐腐蚀钢筋或者对钢筋表面进行防护来提高其耐锈蚀性[14-17]，减小混凝土内部孔隙率等[18-20]。上述提高混凝土耐久性的方法主要是“阻、隔、挡”，并未对混凝土在退化过程中孔隙率的变化进行相关研究。采用压汞仪对混凝土的孔隙率进行测定是较为传统的方法[21]，很难测量试件内部的闭口孔隙。因此，目前对混凝土孔隙率测定采用核磁共振技术(nuclear magnetic resonance，NMR)。NMR技术具有精度高、测试速度快等优点，广泛应用于医疗[22]、煤矿[23]、生物[24]等领域，在土木工程领域也有诸多应用，如宋勇军等[25]采用NMR技术对砂岩在干湿循环作用下的孔隙率变化进行测定，并采用T2谱分析岩石损伤过程中孔隙率的变化规律，得出T2谱各谱峰面积随干湿循环次数的增加逐渐增大。李杰林等[26]对岩石进行冻融循环(FTC)试验，并采用NMR技术研究了岩石孔隙发育及扩展规律，得出随冻融循环次数的增多，岩石的孔隙度、核磁共振T2谱分布和T2谱的谱峰面积均会增大。杨耀[27]采用NMR技术研究了FTC下混凝土的孔隙率变化等。但是NMR技术对试件尺寸有一定的要求，对大尺寸试件只能采用局部取样，这导致以局部反映整体的实验手段存在一定的误差，并且NMR技术目前只能在实验室内进行。而超声波探伤(UFD)技术是一种快速、简便的非破坏性检测方法，应用范围更广。

因此本研究将UFD和NMR技术结合，对混凝土试件在冻融循环作用下的退化进行联合表征，通过对混凝土退化过程中两者变化关系进行分析，实现以超声波波速为基础的相对动弹性模量评价参数来反映试件内部孔隙率的变化。

2 实 验

2.1 试件制备

水泥采用海螺牌 42.5 级普通硅酸盐水泥。粗、细集料均由西安天石搅拌站提供，细集料为中砂，粗集料是粒径分别为5～10 mm和 10～25 mm 的碎石，用筛分法进行调配至连续级配，最后确定大小石子比例为 7∶3。减水剂为UNF-1 型萘系高效减水剂，减水效率为18%左右。粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，其比表面积为353 m2/kg。按照表1制备尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的混凝土试件，脱模后将试件养护28 d，然后采用钻心取样机加工成φ×H=50 mm×100 mm的圆柱体。

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

2.2 试验过程

A、B组试件各取3块，对试件进行基准核磁共振测试(Cycle 0)和超声波探伤测试(Cycle 0)。然后对A、B组试件进行冻融循环试验。冻融方法参考《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)，前期在Cycle 50、Cycle 100、Cycle 150对试件表面混凝土的剥落情况进行一次外观检查，然后对试件进行NMR和UFD试验，UFD测试示意图如图1所示。后期当T2谱变化较明显时每25个循环对试件进行一次NMR和UFD试验。试验所用NMR仪器型号为Macro MR，磁场强度为(0.3±0.05) T，仪器主频率为12.8 MHz。UFD仪器为 HC-U82 多功能混凝土超声波检测仪，冻融试验机采用 TDRF-I型快速冻融试验机。

图1 超声波测试示意图Fig. 1 Schematic diagram of ultrasonic test

3 实验结果

3.1 T2谱分布分析

在NMR试验中通常采用T2弛豫值及孔隙率来反映混凝土在冻融循环过程中混凝土的退化过程。其原理主要是通过外梯度场的作用，使外加磁场中混凝土内部孔隙中的水分与梯度场产生核磁共振的现象，然后将水分在共振时的能量变化信号转化为T2驰豫值，通过驰豫值来反映混凝土的孔隙信息。弛豫时间和孔隙之间的关系式见式(1)[28-29]：

(1)

式中：ρ为材料的驰豫强度，S为孔隙的表面积，v为孔隙的体积。

取A、B组试件中后一块为例进行分析，其T2谱分布图见图2。

图2 冻融循环下A、B组混凝土的T2谱 (a) A组试件； (b) B组试件Fig. 2 T2 spectrum of group A and B concrete under freeze-thaw cycle (a) group A; (b) group B

从图可见，图中横轴的大小与试件内部孔隙的尺寸大小成正比，纵轴幅度的波峰大小反映了孔隙数量的多少。从基础NMR试验(cycle 0)可以得出，B组较A组的纵轴幅度有显著的降低，即通过添加粉煤灰后显著减小了混凝土试件内部孔隙的数量。从A、B组试件的T2谱可以得出，每个T2谱中有3个波峰，随着冻融循环的进行，3个波峰的面积不断发生变化，即不同孔径的孔隙所占的比例不断发生变化。本实验将驰豫时间在0.1～10 ms定义为第一波峰，表示试件内部微小尺寸的孔隙；在10～340 ms定义为第二波峰，表示试件内部小尺寸的孔隙；在450～900 ms定义为第三波峰，表示试件内部大尺寸的孔隙。每个波峰的峰值(幅度)分别为1930、210、30，随着冻融循环的不断进行，第一波峰的峰值明显提高，表明试件内部孔隙不断增多，试件损伤不断加重。而第二和第三个波峰则明显有增加和减小的波动，这个过程表明小尺寸的孔隙转换成了大尺寸的孔隙。

3.2 T2谱面积分析

从图2T2谱中可以明显得出试件退化过程中孔隙的变化，其中波峰面积可以很好地反映试件中孔隙尺寸和数量的变化[30]，因此对第一个波峰(主峰)的面积变化进行分析，其计算结果见表2。从表可知，试件A的微小孔隙占比可达80.64%，试件B中微小孔隙的占比可达74.69%，而小尺寸孔隙和大尺寸孔隙占比分别为18.56%～25.31%。对表2中A、B组试件冻融循环次数和第一峰(主峰)面积变化平均值进行拟合，结果如图3所示。图中得出的冻融循环作用下T2谱的第一峰(主峰)面积变化可用指数函数表示，表达式为：

s=a×exp(b×x)+c

(2)

表2 冻融循环下T2谱的面积Table 2 Area change of T2 spectrum under freeze-thaw cycle

图3 T2谱主峰面积拟合图 (a) A组试件； (b) B组试件Fig. 3 Fitting diagram of main peak area of T2 spectrum (a) group A; (b) group B

式中：s为T2谱中第一峰(主峰)面积，x为冻融循环次数，a，b，c为未知参数。

从图3可见，随FTC次数的增加，试件内部微小孔隙面积逐渐增大。对于试件A，在前Cycle 150，孔隙发展较慢，在Cycle 150后试件的孔隙发展较快，Cycle 0～150T2谱面积从3161.1增长到了3361.6，增长了6.3%；Cycle 150～175，T2谱面积从3361.6增长到了4257.5，增长了26.6%。而对于试件B，其内部微小孔的前期发展较快，后期发展则较慢。Cycle 0～150冻融循环T2谱面积从1793.8增长到了2089.1，增长了16.4%，Cycle 150～175，T2谱面积从2089.1增长到了2100.5，增长了0.5%。

3.3 孔隙率分析

每个 FTC 周期后分析试件的孔隙率，其结果如表3所示。从表可知，试件A在 Cycle 0的平均孔隙率为 2.83%，Cycle 50 时增长了7.42%，Cycle 200时增长了75.9%。试件B在Cycle 0时的平均孔隙率为2.61%，Cycle 50 时增长了8.8%，Cycle 200时增长了44.8%。对不同FTC下的孔隙率的与冻融次数进行拟合，所得的结果如图4所示。从图可知孔隙率的增长与FTC次数呈显著的指数关系。

表3 冻融循环下混凝土孔隙率变化Table 3 Change of concrete porosity under freeze-thaw cycle

图4 孔隙率与冻融循环次数拟合图 (a) A组试件； (b) B组试件Fig. 4 Fitting diagram of porosity and number of freeze-thaw cycle (a) group A; (b) group B

3.4 超声波试验结果

UFD可以很好地反映试件内部的密实度，超声波波速与相对动弹性模量之间的关系可用下式表示[14]：

(3)

式中：V0为初始波速(Km/s)；VN为N次冻融循环后的波速(Km/s)。

混凝土相的对动弹性模量评价参数为ω，其表达式见式(4)[14]：

(4)

当ω<0时达到破坏；0≤ω<1时出现损伤未达到破坏；ω≥1时未达到破坏且状态良好。

对冻融循环下试件的相对动弹性模量评价参数进行计算，结果如表4所示。对ω和冻融循环次数进行拟合，结果见图5。从图5可知，ω与冻融循环次数呈显著的线性关系。A、B组试件在经过200次冻融循环后ω分别达到0.632、0.785。将相对动弹性模量和试件孔隙率进行拟合，结果见图6。从图可知，孔隙率退化和ω呈显著的线性关系。因此可以通过孔隙率和ω之间的线性关系，对冻融循环过程中试件内部孔隙率变化进行计算得出孔隙率的具体值。从而采用超声波来直接表征试件内部孔隙率的变化，而无需对试件进行破坏性试验来确定内部孔隙率变化。

表4 冻融循环下混凝土的ωTable 4 ω of concrete under freeze-thaw cycle

图5 ω 和冻融循环次数拟合图 (a) A组试件； (b) B组试件Fig. 5 Fitting diagram of ω and number of freeze-thaw cycle (a) group A; (b) group B

图6 ω 和孔隙率拟合图 (a) A组试件； (b) B组试件Fig. 6 Fitting diagram of ω and porosity (a) group A; (b) group B

4 结 论

1．对混凝土在FTC过程中的T2谱进行分析得出，在T2谱中主要有三个波峰，其中第一峰(主峰)的面积为总面积的80%左右，即混凝土内部孔隙主要为微细小尺寸孔隙。随着FTC的不断进行，T2谱逐步向右移动，并且此过程中第二峰和第三峰的波动幅度较小，表明在混凝土冻融循环过程中微细小孔隙变化最明显，退化主要由微细小裂缝的发育造成。

2．对两组试件T2谱参数值进行分析得出，在T2谱中B组试件波峰幅度大于A组试件，随着冻融循环的进行，T2谱中第一峰(主峰)的面积增长呈显著指数关系。对于第一峰面积而言A组试件在175次冻融循环前增长缓慢，175次冻融循环后增长迅速，而B试件与其相反。对于A、B组试件内部的孔隙率增长而言，B组比A组增长缓慢。表明在混凝土中添加粉煤灰可显著降低混凝土内部的孔隙率，对提升混凝土的耐久性具有一定的作用。

3．对NMR和UFD技术所得结果进行分析得出，随着冻融循环次数的增加，ω逐渐降低，并呈显著的线性关系。经过200次冻融循环后A试件的平均损伤达到36.8%，B组试件的平均损伤达到21.5%。孔隙率发展和试件的ω呈显著的线性关系，因此可用超声波波速的变化来反映试件内部孔隙率的发展，对试件的耐久性进行评价。