混凝土冻融试验和表面剥落的无损检测

张丽辉

(中铁十八局集团 市政工程有限公司，天津 300202)

在温带大陆性气候的地区，混凝土中孔隙水的冻结可能导致混凝土的严重损坏[1]。有些工程使用除冰盐清除混凝土结构表面的积雪，盐分通过细小的空隙进入混凝土的内部结构，

进一步加剧了混凝土的损坏[2]。暴露在野外条件下的混凝土工程，最初在外部看不到任何损坏，随着时间的推移，我们很容易观察到表面剥落现象，而这些裂纹很有可能是从内部的结构破坏开始的[3]。冻融效应是一个复杂的现象，国内外学者已经对其进行了多年的研究，但尚未研究充分[4]。前人的工作建立了冻结作用机理的主要理论，这些理论与冻融循环期间混凝土中液体和固体孔隙溶液状态的运动和变化有关，它们会导致材料的膨胀和收缩。

大多数冻融加速试验通过称重来测量混凝土表面剥落的部分[5]。该方法简单易行，但也有一些缺点，在进行重量测量的时候必须停止试验，并且在出现明显的缩放比例时才能感知到混凝土劣化的存在。本文引入无损检测技术，该方法可以在不停止试验的情况下对破坏进行连续监测，并在材料出现损坏前也可以进行检测，从而达到预防的目的。主要过程如下：使用应变仪，放置在混凝土标本不同的区域，并评估超声波脉冲速度(UPV)。使用应变片来监测混凝土的表面损伤，UPV的变化显示出混凝土标本的内部损伤。这两个方案同时在两种混凝土中(一种易受冻融损伤，另一种不易受冻融损伤)进行冻融加速试验。

1 材料来源和UPV简介

1.1 材料来源

山西省吕梁市位于我国西北部，该地区的水利工程常年要受到冻融破坏的影响。本文所用的混凝土标本是仿照山西中部引黄工程施工用混凝土结构配比制作的。这样做的目的是为了能够在实验室中最大限度还原真实工程场景。

1.2 超声波脉冲反射法工作原理简介

超声波脉冲反射法的工作原理是当由仪器发出的超声波遭遇到不同介质时，将会反射出不同频率的波。该仪器主要有三个结构组成：分别是发射超声波的探头、接收返回波的接收器与探伤仪，当混凝土结构出现损坏时，接收器就会收到明显的信号，并在探伤仪的屏幕上显示出来，显示的内容有：缺陷存在与否、缺陷的方位与缺陷的程度。该方法主要有以下3个优点：(1)具有很高的灵敏度高，当反射声波与发射声波的频率相差1%时，仪器就能产生反应，故可以找到很小的缺陷；(2)定位精度较高，由于探测面至缺陷的声程距离可用缺陷波在荧光屏时基轴上的位置表示，据此可对缺陷进行定位。多组实验表明，通常仪器产生的定位误差不会超过2%，故该仪器精度较高；(3)具有广泛的适用范围，可以通过简单的操作实现不同情境下的检测。

2 实验方案

2.1 材料

本研究测试了两种不同混合料配比的混凝土，差别包括水泥含量、水灰比以及是否使用引气剂。表1展示了混凝土混合料的比例和其部分性能。

表1 混合比例(kg/m3)和混凝土性能

2.2 试验测试过程和方法

混凝土试件的形状为长方体，面积为150×150 mm2，厚度为70 mm。根据国家冻融标准对每种混凝土进行五个试件的测试。将它们放入实验室中(图1a)，并根据图1b所示的温度-时间图进行28次冻融循环过程。

该试验使用标准除冰溶液(97%蒸馏水和3%氯化钠)进行。在开始循环之前，需要对样品进行特殊的处理，包括以下四个步骤：在20±2 ℃的水中储存6天，在实验室中(20 ℃/65%相对湿度)中干燥储存21天进行表面干燥；在28天龄期之前，用环氧树脂在侧面密封样品。便面干燥过程后，将样品在测试容器中放置7天，通过毛细抽吸使测试表面和底部预饱和。在35天龄期，混凝土标本已经具备了实验条件。

在4、6、14和28次冻融循环后通过称重测量表面剥落情况。在每次测量前，通过超声波处理，以去除试样表面松散粘附的颗粒。然后，收集，并在100 ℃下干燥24 h。冷却后，测量剥落结构的重量。

2.3 无损测试测量

为了测量混凝土试件内部的温度和湿度，在混凝土浇筑过程中，将数字湿度传感器嵌入每个试样中。在每个混凝土试件的所有冻融循环过程期间，使用三个传感器连续记录测量值，传感器放置在混凝土内部40 mm处，这与试验液体接触的表面不同高度(图2a)用两个应变计，以试样测量混凝土试件的表面应变，将仪器粘在混凝土试件横向表面的中上部，如图2b(H1=30 mm，H2=55 mm)。

对于每个混凝土试件，将两个纵波传感器(500 kHz)粘在混凝土试件表面。传感器的位置如图2c所示。根据国家标准，根据超声波脉冲传输时间(UPTT)测量值计算的混凝土相对动态弹性模量(RUPTT)得到了混凝土试件的内部损伤情况。

3 实验结果和分析

3.1 重量损失—称重

表面剥落情况的结果如图3a所示。无引气外加剂混凝土试样在28次冻融循环未结束前就产生了破坏。该试件在第17冻融循环时累积剥落1.5 kg/m2，28次冻融循环后累积剥落3.23 kg/m2。相比之下，引气外加剂混凝土试样在28次循环后的累积剥落仅为0.10 kg/m2。图3b、c、d、e所示为试验前和28次冻融循环后两种混凝土的试样表面。

3.2 温度和湿度

经历28次冻融循环的混凝土试件内部温度如图4a所示，两种混凝土试件的温度几乎相同。试件内部不同位置的温度变化可以忽略不计。

3.3 应变测量

图5显示了应变计的测量值。在28次冻融循环后，无引气外加剂混凝土试样的残余应变为1 150 um/m，引气外加剂混凝土试样的残余应变为65 um/m。无引气外加剂混凝土试样中残余应变的增长显示出结构内部损伤正在扩张。放置在上部(H2)的应变计显示出较低的劣化水平，这表明随着远离浸入面，破坏程度降低。

在每一次冻融循环中，温度降低时应变是压缩的，而温度升高时混凝土膨胀。当温度最低(-20 ℃)时，观察到混凝土达到最大收缩值，最大值继续保持不变，直到开始加热。一旦温度上升到-15 ℃以上，应变增加，混凝土膨胀，直到循环结束。正应变一直持续到下一个循环温度低于5 ℃，随着冷却会再次收缩。

在无引气外加剂混凝土试样中，应变随着产生残余应变的循环次数而逐渐增加。这种现象表明残余应变随着恶化的进展而逐渐增加。

3.4 超声波脉冲速度

在解冻(20 ℃)和冷冻(-20 ℃)条件下测量每个样品的UPV。图6显示了28次冻融循环期间的UPV测量结果。如图所示，在解冻条件下，混凝土的逐渐破坏会导致UPV值降低。在冻结条件下，微裂缝中的冰导致UPV值增加，曲线的正斜率表示混凝土的逐渐劣化过程。

在两种混凝土中，混凝土的相对动态弹性模量值都比冻融循环值低，这是混凝土内部劣化的证据。与引气外加剂混凝土试样相比，无引气外加剂混凝土试样损失了更多的相对动态弹性模量值。

4 结论

正如预测的那样，引气外加剂混凝土试样经冻融循环所造成的破坏与无引气外加剂混凝土试样的劣化程度相比微不足道。这一结果通过定标试验以及对试样应变和VPU的连续测量得到了证实，应变作为长度变化的量度，是冻融混凝土表面劣化的重要指标。应变计可以取代传统的标度测量。28次冻融循环前后混凝土试件的UPV测量值差异很小，这意味着冻融循环不会导致混凝土试件出现大的内部损伤，这与前人研究结果相似，本研究为实际工程提供了一种检测混凝土损坏的新思路。