采用超声波法检测混凝土碳化深度的可行性分析

何小军张成维 尚艳亮

（石家庄铁路职业技术学院1)河北石家庄 050000 冀南技师学院2)河北邯郸 056000秦皇岛市政建材集团有限公司3)河北秦皇岛 066000）

随着钢混建筑物的不断增多，混凝土因碳化而产生的耐久性问题不断凸显[1]。在工程结构中，混凝土碳化深度的检测多以半破损的方式进行检测。这种方式可以直观便捷的测出混凝土的碳化深度，但因其会对混凝土强度产生一定影响，在大批量混凝土的测试中代表性略显不足，对于碳化深度较大的混凝土，这种破坏作用更为明显[2-3]。

随着现代检测技术的不断更新，无损检测技术越来越多的应用于混凝土中，包括超声波法、冲击回波法、探地雷达等[4]。在这之中超声波因其在混凝土中传播速率快、接收信号稳定等优点成为目前混凝土检测中应用最为广泛的一种检测手段[5]。刘小菊[6]等用超声波来评价混凝土构造的抗冻性能；KWON S J[7]、梁鸣[8]等对如何将超声波应用于钢管混凝土的检测上进行了一系列的研究并取得了突破性的进展。但对于混凝土碳化层厚度，能否将其当作损伤用超声波波速的变化进行表征，目前在该领域的研究还不明确。

基于以上分析，在CO2浓度为(20±3)%（体积分数），相对湿度为(70±5)%，温度为(20±2)℃环境中，研究了水胶比为0.37、0.45、0.53，粉煤灰等质量替代水泥为0、30%、60%的混凝土试件的碳化规律，借助非金属超声波检测仪测试了试件快速碳化3 d、7 d、14 d、28 d的波速，以期通过混凝土超声波波速的变化表征混凝土的碳化深度，进而丰富混凝土碳化深度的理论计算形式。

1 实验

1.1 原材料

水泥选用P·Ⅱ42.5硅酸盐水泥，粉煤灰选用秦皇岛热电厂Ⅰ级粉煤灰，两种胶凝材料的化学成分、烧失量、比表面积等参数见表1所示；细骨料采用天然河砂，其表观密度为2 650 kg/m3；粗骨料采用粒径为5～20 mm的破碎石灰石（其中5～10 mm与10～16 mm的碎石质量比为7:3），其表观密度为2 660 kg/m3；减水剂采用SKD14聚羧酸系高效减水剂；拌合水采用自来水。

表1 水泥和粉煤灰的化学组成、烧失量和比表面积

1.2 试验方法

1.2.1 混凝土试件制备及快速碳化试验

采用如表2所示配合比成型100 mm×100 mm×400 mm的混凝土试件用于快速碳化试验和超声波检测。所有试件经标养28 d后用加热的石蜡予以密封。将试件置于CO2浓度为(20±3)%（体积分数），相对湿度为(70±5)%，温度为(20±2)℃的碳化箱内。达到预定碳化时间（7 d，14 d，21 d，28 d）后取出试件，然后从预定位置劈裂，测试其碳化深度。测试完成后将试件劈裂面密封后放回碳化箱内继续碳化，直到下一个测试时间。

表2 混凝土配合比

1.2.2 混凝土超声波测试

采用对测法测试试件各龄期超声波波速。在各试件达到预定碳化龄期（7 d、14 d、21 d、28 d），采用非金属超声分析检测仪测试试件超声波波速。

2 试验结果与分析

2.1 水胶比及粉煤灰掺量对混凝土碳化深度的影响

不同粉煤灰掺量及水胶比条件下混凝土试件各龄期碳化深度如图1所示。

由图1可以看出：随碳化时间增加，碳化深度随之增加，不同配合比的混凝土试件碳化深度增加情况有所差异；水胶比相同时，碳化深度跟着粉煤灰掺量的增多而增大；当粉煤灰掺量为60%时，碳化深度增大最多；当粉煤灰掺量一致时，碳化深度随着水胶比的增加而增加；水胶比对混凝土抗碳化能力的影响最大，因此碳化深度随水胶比的波动也相当大。

图1 不同粉煤灰掺量条件下混凝土各龄期碳化深度

2.2 混凝土碳化后波速变化情况

混凝土快速碳化28 d前后以及静置28 d时，超声波波速变化情况如图2所示。

图2 超声波波速变化情况

由图2可以看出：混凝土碳化后，其超声波在混凝土中传播速度均有一定幅度的增大，这可能是碳化后混凝土中生成的碳酸钙填补了混凝土中的部分空隙，使混凝土变得更为密实所致；未进行快速碳化的试件前后波速变化幅度较小，这表明超声波在混凝土碳化部位的传播速度是变大的。

2.3 混凝土碳化层波速的计算

假设通过无损混凝土的速率为Vc，通过产生变化混凝土的速率为Va，通过整个被测试件的波速为V。为更为准确分析碳化后混凝土波速随粉煤灰掺量的变化情况，定义相对波速K：

式中：K为混凝土碳化后的相对波速，aV为碳化后混凝土波速，cV为碳化前混凝土波速。

通过计算得到28 d龄期混凝土相对波速见图3所示。

图3 28 d龄期混凝土相对波速

由图3可看出：当不掺粉煤灰，碳化混凝土试件的相对波速随着水胶比的增大而增大，最高变化有8%。当粉煤灰掺量为30%以及60%时，碳化混凝土试件的相对波速随着水胶比的增大而减小，幅度也在8%上下，而水胶比相同时粉煤灰掺量的变化引起的波速变化情况呈现波动状态。

2.4 波速与碳化深度的回归分析

对碳化28 d的混凝土试件，分别采用一次线性函数、二次多项式函数及指数函数对相对波速与碳化深度进行拟合，其拟合结果见图4所示。

图4 相对波速与碳化深度拟合图像

从回归曲线相关系数的平方、平均绝对误差、平均相对误差来分析可以看到二次函数拟合的误差最小，精度最高。而线性函数以及指数函数的误差都比较大，尤其是指数函数的准确度很低。因此在研究相对波速与碳化深度间的关系时，宜采用二次函数来进行拟合分析，精确度相对较高。

3 结论

（1）水胶比相同时，碳化深度跟着粉煤灰掺量的增大而增大。当粉煤灰掺量为60%时，碳化深度增大最多。粉煤灰掺量相同时，碳化深度随水胶比的增大而变大；（2）超声波在混凝土碳化层传播时波速增大，变化幅度在3%-9%之间；当粉煤灰掺量为0%时，碳化混凝土试件的相对波速随着水胶比的增大而增大，当粉煤灰掺量为30%以及60%时，碳化混凝土试件的相对波速随着水胶比的增大而减小，水胶比相同时粉煤灰掺量的变化引起的波速变化呈现波动状态；（3）相对波速与混凝土碳化深度间的二次函数关系拟合良好，在实际应用中可以根据混凝土波速的变化大概判断混凝土的碳化深度，丰富了混凝土碳化深度的理论计算方式。