改性混凝土声学参数与应力相关性试验研究

2009年8月 Rock and Soil Mechanics Aug. 2009收稿日期：2009-04-20基金项目：重庆交通大学省部共建水利水运工程教育部重点实验室开放基金（SLK2007B02）。

第一作者简介：林军志，男，1980年生，博士研究生，讲师，主要从事岩土动力学方面的教学和科研工作。

E-mail: junzhi_lin@文章编号：1000－7598－(2009) 增1－0069－06改性混凝土声学参数与应力相关性试验研究林军志1，2，赵明阶2，杨洪武3（1. 重庆大学 土木工程学院，重庆 400045；2. 重庆交通大学 河海学院，重庆 400074；3. 山东港湾建设有限公司，日照 276826）摘 要：对掺入不同聚合物乳液的7组21个混凝土试件进行不同荷载条件下的超声波测试，研究了聚合物乳液对混凝土声速和加权谱面积等声学参数与应力相关性的影响。

研究表明：纯丙乳液和苯丙乳液能提高混凝土声-应力的敏感性，有机硅砂浆防水剂和聚醋酸乙烯乳液对混凝土声-应力敏感性有弱化作用，丙烯酸酯共聚物乳液对混凝土声-应力敏感性影响不大。

关 键 词：聚合物乳液；混凝土；声速；加权谱面积；应力 中图分类号：TV 698.15 文献标识码：AExperimental research on correlation of acoustic parameters andstress of modified concreteLIN Jun-zhi 1, 2, ZHAO Ming-jie 2, YANG Hong-wu 3(1. College of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China; 2. School of River & Ocean Engineering, Chongqing Jiaotong University ; Chongqing 400074, China; 3. Shandong Harbor Engineering Co., Ltd., Rizhao 276826, China)Abstract: Ultrasonic tests of 21 polymer modified concrete specimens under different loading conditions are completed; and the variations of ultrasonic velocity, weighted spectral area with stress in polymer modified concrete are researched. The research shows that pure acrylic emulsion and styrene-acrylate emulsion can increase the sensitivity of acoustic parameters with stress in concrete; organosilicon mortar naterproof agent and polyvinyl acetate can attenuate the sensitivity of acoustic parameters with stress; and acrylate copolymer emulsion has no effect on the sensitivity of acoustic parameters with stress. Key words: polymer emulsion; concrete; ultrasonic velocity; weighted spectral area; stress1 引 言混凝土是一种很复杂的复合材料，在低应力状态下，混凝土呈现一定的线弹性，而在应力较大时，则表现出明显的非线性。

声弹性理论表明，超声波波速与应力状态有关的现象，不论在弹性范围还是在非线性应力应变范围均存在[1]。

因此，利用声弹性法测试混凝土的受载应力是可行的。

而由于超声波在混凝土中的传播规律相当复杂，目前还没有比较适合混凝土应力测试的声弹理论，使混凝土工作应力的声弹测试受到了很大的限制，为了推动混凝土声弹应力测试技术的发展，笔者2005年在赵明阶 教授的指导下对普通混凝土的声学参数与应力的相关性做了大量的试验研究，找到了对应力较为敏感的混凝土组分[2]，但普通混凝土在工作应力（一般低于极限应力的50 %）状态下与声波参数的相关性不甚敏感，远远达不到工程测量的精度要求，鉴于此，本文从寻找混凝土声弹敏感材料出发，在目前广泛应用的聚合物改性混凝土中进行试探性试验，主要针对以聚合物乳液改性的混凝土试件进行声-应力敏感性分析。

通过对 7 组 21 个聚合物改性混 凝土立方体试件的超声波测试，利用傅立叶变换和小波变换对声波信号进行处理，初步找到了与应力较为敏感的聚合物改性混凝土材料。

2 试验方案设计聚合物改性混凝土（Polymer Modified Cement Concrete ，简称PMC ），是以聚合物和水泥为胶结材料与骨料结合而成的混凝土，即在混凝土的组成中加入一定量的高分子聚合物而形成的一种复杂的复合材料[7]。

若将聚合物、水泥凝胶、砂子和骨料组成的复合材料看作均匀各向同性的连续介质，则聚合物改性混凝土是聚合物、水泥砂浆和骨料组成的三相复合体系，这有别于由水泥砂浆和骨料二相复合体系组成的普通混凝土，由于高分子聚合物的加入，可能大大提高混凝土的声弹敏感性，但由于目前对于聚合物改性混凝土的研究主要集中在对其力学性能、工作性能和耐久性等方面的研究[8−10]，而对其超声波的传播特性研究较少，再加上聚合物改性混凝土种类繁多，因此，大大的增加了试验的工作量和试验结果的不确定性，鉴于此，笔者先选取配制PMC 的基质材料和改性材料，进行PMC 微量样品的试配，对试配的样品进行筛选，得到声弹敏感疑似材料，在此基础上制作立方体抗压试件进行超声波测试，对结果进行分析，以期找到混凝土声弹敏感材料。

试验所选基质材料和改性材料如 图1、2所示。

图1 试验所用基质材料、外加剂和外掺料实物图Fig.1Parameters of PMC speciments图2 试验所用聚合物乳液Fig.2 Polymer emulsion of PMC speciments在对微量样品的弹性、延展性、强度等性质分析的基础上，选取了其中的7组样品按表1所示配合比制作边长70.7 mm 立方体试件，进行单轴压力下的超声波测试。

测试简图见图3。

表1 PMC 组分参数表Table 1 Parameters of PMC components配合比（质量比） 试件编号聚合物种类水泥:细砂:河卵石:水:聚试-01 纯丙乳液 1.00:1.15:2.55:0.48:0.16 试-02 纯丙乳液 1.00:1.15:2.55:0.71:0.47 试-03 苯丙乳液 1.00:1.15:2.55:0.30:0.16 试-04 苯丙乳液 1.00:1.15:2.55:0.31:0.21 试-05 有机硅砂浆防水剂 1.00:1.15:2.55:0.42:0.05试-06 聚醋酸乙烯 1.00:1.15:2.55:0.49:0.49 试-07 丙烯酸酯共聚物乳液 1.00:1.15:2.55:0.62:0.03试-08无1.00:1.15:2.55:0.51:0.00图3 测试简图Fig.3 Schematic diagram of testing3 试验结果分析本文旨在研究PMC 的声-应力敏感性，而材料的声-应力敏感程度是一个相对概念，需要一个“参照物”作为对比的基准值，鉴于PMC 和普通混凝土在诸多方面的相似性，本文以普通混凝土声-应力相关性试验研究结果[5−6]为基础，采用其声-应力最敏感时所对应的骨料种类（卵石）、水灰比（0.51）和砂率（0.31），制作成立方体试件（编号“试-08”），以该试件的声-应力敏感程度做为基准值与PMC 试件进行对比，以期能够直观地对比出PMC 的声-应力敏感程度。

3.1 普通混凝土声-应力敏感性分析按照上述配合比制作出的普通混凝土立方体试件，主要选取对应力较敏感的声速和加权谱面积[11]两个声学参数进行分析。

3.1.1 声速v 与应力σ的相关性通过对混凝土试件进行单轴受压下的超声波测试，得到了混凝土试件在不同荷载等级下的超声波波速，声速和应力分别按下式计算：2 i i i i P lv t t lσ==′− （1） 式中：l 为超声波传播距离；i t 为超声波传播时间；t ′为声时修正值，与测试系统和耦合情况有关；i P 为增刊 林军志等：改性混凝土声学参数与应力相关性试验研究对应于i t 的混凝土所受荷载大小。

对声速和应力作归一化处理，0/v v v σ==，max /σσ，得到-v σ关系曲线，如图4所示，从图中可以看出，声速随应力呈整体下降的趋势，在低应力状态下（σ<0.2），声速对应力不敏感，随着应力的增加，敏感性增强，当σ>0.5以后，声速随应力的增加下降很快。

后面在分析聚合物乳液对混凝土声速-应力敏感性的影响时，将以图4所示曲线为基准线进行比较。

图4 混凝土-v σ关系曲线 Fig.4 Relationship curve of -v σ3.1.2 加权谱面积0M 与应力σ的相关性根据文献[5，11]的研究成果，对超声测试信号进行小波分析，得到不同尺度下的小波分量及相应的频谱，略去2-1及2-2尺度下的小波分量（为高频干扰），对2-3、2-4和2-5尺度下小波分量的频域谱面积进行自身加权，得到加权谱面积：0000(3 45)j jjjjM M M j M ==−−−∑∑，， （2）式中：0j M 为第2j 尺度下的小波分量的谱面积，加权谱面积是超声波在各个频带上的能量的加权平均，因此，是超声波在各个频带上的能量的一种综合反映。

对加权谱面积进行归一化处理，得到0-M σ关系曲线，如图5所示。

从图中可以看出，加权谱面积随应力呈整体下降的趋势，在低应力状态下（σ<0.2），加权谱面积基本保持不变，但对应力敏感性略好于声速，随着应力的增加，加权谱面积与应力的敏感性逐渐增强，当σ>0.5以后，加权谱面积随应力增加下降很快。

后面在分析聚合物乳液对混凝土加权谱面积-应力敏感性的影响时，将以 图5所示曲线为基准线进行比较。

从上面的分析可以看出，声学参数随应力呈整体下降的趋势，在低应力状态下（σ<0.2），声速对应力不敏感，加权谱面积对应力敏感性稍好，当σ>0.4以后，声学参数与应力敏感性较显著，而混凝土工作应力一般都小于极限应力的50 %，为此必须寻求低应力状态下的声弹敏感材料，以下将就聚合物乳液对混凝土声-应力敏感性的影响进行分析。