C30 早强混凝土自然碳化声波响应信号特征的分析

■曹洁梅 林爱萍

（福建船政交通职业学院，福州 350007）

混凝土被广泛应用于道路桥梁、工业与民用建筑等工程领域。 随着混凝土技术的发展，利用早强水泥拌制混凝土，具有早期强度高，后期强度持续增长，凝结时间可调，耐久性好等优点，其工程实用价值和意义重大， 应是今后的重点发展方向之一。但几乎所有的混凝土表面都处在碳化的过程中，进而造成混凝土的碱度下降[1]，碳化已是影响混凝土耐久性的重要因素。 混凝土的碳化使钢筋钝化膜遭到破坏，伴随着水和空气等因素的共同作用，碳化深度超过钢筋保护层厚度时使钢筋产生锈蚀，甚至构件的截面减小、承载能力降低，最终将使结构构件破损或者失效[2]。 另外，大气中CO2的浓度呈现逐年上升的趋势，必将加剧混凝土的碳化，给钢筋混凝土结构的安全性和耐久性带来更为不利的影响[3]，因此研究混凝土的碳化规律及检测方法十分必要。 本文采用酚酞试剂法和超声波法对自然碳化的混凝土进行检测， 分析声波参数与碳化深度的关系， 以便更有效地评估预测早强混凝土碳化深度变化规律。

1 混凝土碳化机理

和普通混凝土一样，早强混凝土也是将4 种水泥熟料矿物硅酸三钙C3S(3CaO·SiO2)、硅酸二钙C2S(2CaO·SiO2)、铁铝酸四钙C4AF(4CaO·Al2O3·Fe2O3)和铝酸三钙C3A(3CaO·Al2O3)等与水反应，生成氢氧化钙Ca(OH)2晶体和水化硅酸钙（3CaO·2SiO2·3H2O）胶体等，把砂、石子等松散物质粘结在一起，保温保湿养护后形成的具有一定强度的人造石材。 相较普通水泥来说，早强水泥提高了C3S 含量，加快了水泥颗粒的水化反应。 混凝土硬化后其结构如图1 所示，其中混凝土体积中水泥石约占25%，砂和石子占70%以上，孔隙和自由水占1%～5%。

图1 硬化后混凝土结构

混凝土碳化是一个非常复杂的物理化学过程。大气中的CO2通过孔隙向混凝土内部扩散，并溶解于孔隙内的液相。 CO2与溶解于孔隙水中的Ca(OH)2发生反应，生成CaCO3，且水化的硅酸钙、未水化的硅酸三钙、硅酸二钙在有水分的条件下也参与碳化反应。 混凝土碳化的主要化学反应式如下[4]：

2 试验材料

采用早强硅酸盐水泥（P.O42.5R）、河砂、4.75～31.5 mm 连续级配碎石及饮用水拌制工程中常用的C30 混凝土，配合比为：水泥412 kg、水210 kg、砂子605 kg、石子1173 kg、水灰比0.51、立方体抗压强度32.05 MPa。

3 混凝土碳化深度检测

3.1 混凝土试件的制备与养护

3.1.1 混凝土拌合物搅拌

混凝土拌合物搅拌流程如图2 所示。

图2 混凝土拌制流程

3.1.2 混凝土制模

将新拌混凝土加入150 mm×150 mm×150 mm试模中，用振捣棒充分适当振捣，使得混凝土充分密实。 混凝土试件成型完毕后，将试件放置在平整背阴的地方，自然养护，持续养护至试验时间。

3.2 碳化层与未碳化层声波波场模拟

为了解不同介质中声波的传播特征，利用黏弹性声波方程， 基于有限差分法完全匹配(perfectly matched layer ，PML）边界条件，激发换能器采用雷克子波（图3），对双层介质进行声波波场数值模拟。 震源位于中心， 以防PML 在对薄层介质、 震源位置靠近网格边缘或者检波器处于远偏移距的模型的数值模拟效果不理想[5]。 震源主频为30 Hz，采样间隔为1 ms，空间采样步长为5，初始时刻波场为0。

图3 Ricker 子波波形图

由图4 可以看出，随时间的推进，子波产生，然后逐渐衰减，波场能量向四周外推。 在同一介质中，声波传播至边界产生反射， 当声波遇到介质分界面，在介质界面产生反射。 从混凝土碳化反应机理分析，碳化部分和未碳化部分的结构和成分存在差异，造成介质声阻抗差异，声阻抗差异大时声波传播途径发生变化。

图4 声波波场快照

3.3 碳化深度实验

自然条件下混凝土的碳化试验，能真实地反映结构在环境中的碳化情况，但碳化时间较长，且自然条件下，空气中CO2浓度为0.03%～0.04%，温度和湿度时有变换，混凝土碳化深度的差异较大[6]。

试验时，对混凝土试块脱模，采用超声波对测法检测9 个混凝土试块（编号为1～9）的密封未碳化面声学状况。 然后用酚酞酒精试剂法检测自然碳化面碳化深度，用凿子在碳化测试面开凿一个直径为15 mm，深度达到未碳化部分的孔洞，均匀喷洒酚酞酒精试剂。 混凝土碳化部分不变色，未碳化部分显现为紫红色，存在一个分界线，用直尺测读3 次分界线至试件表面的垂直距离，取平均值，试验数据如表1 所示。

表1 不同龄期混凝土声波参数及碳化深度

一般情况下，混凝土构件强度越大，结构越致密，那么声时越小，声速越高，主频和波幅稳定。 碳化深度检测时，2.0 mm 是重要临界值，《回弹法检测混凝土抗压强度枝术规程》（JGJ/T23-2011）中规定：当碳化深度值极差大于2.0 mm 时， 应在每一测区测量碳化深度值[7]。 从表中数据可以看出，养护31、36、41 d 后，混凝土碳化深度不超过2.0 mm。 碳化程度较小时，混凝土试块3 个龄期内的各声学参数均较稳定，未见明显差异。

为了进一步验证自然碳化时间对混凝土碳化深度的影响， 以碳化224 d 的2 个试块为例进行分析。以试块编号分别为D-1、D-2 混凝土碳化面作为测试面，测试混凝土碳化深度。用酚酞试剂法和超声波法进行测试， 先用超声仪在试件表面选择较为平整的测试面， 在换能器上涂抹凡士林作为耦合剂，发射换能器T 耦合好保持不动，将接收换能器R 依次耦合在间距为30 mm 的测点1、2、3、4…位置上，读取相应的声时值t1、t2、t3、…，并测量每次T、R 内边缘之间的距离L1、L2、L3、L4…，如图5所示。

图5 超声法检测示意图

从表2 可知， 养护224 d 混凝土碳化深度为2.67～3.00 mm。 一方面，与养护早期混凝土相比，声学参数相对降低，其中声波速度大幅度降低。 原因在于混凝土均匀性、密实度、组成成分变化、测距等，导致混凝土波阻抗发生变化，波场模拟实验发现这将改变声波传播途径，进而可能使得接收信号声时，振幅、主频等参数在一定范围内波动。 另一方面，试件在此碳化深度条件下，随着测点距离增加，声速增加，声幅、主频虽然存在波动，但较稳定。 一般而言，振幅和主频对缺陷比较敏感，由此可推测混凝土碳化部分与未碳化部分存在差异，但差异较小，不存在明显缺陷，说明应用超声波反射规律来评估混凝土碳化深度具有可行性。

表2 养护224 d 混凝土声波参数与碳化深度

4 结论

在本文的研究条件下，结合酚酞试剂法和超声波法对C30 早强混凝土进行碳化深度测试。通过建立双层介质模型模拟声波传播情况，当介质波阻抗发生变化，声波在波阻抗界面将产生反射波。 实际试验中，当试件碳化深度小于2.0 mm 时，声速、幅度、主频等参数，未见明显差异。 当碳化深度超过2.0 mm，声速大幅降低，振幅和主频在一定范围内波动，但较稳定。 由此可知碳化没有导致混凝土产生明显缺陷，应用超声波反射规律来辅助评估混凝土碳化深度具有可行性。 可以预见，测试足够数量样本，加深对声信号的分析和处理，将是提高碳化深度检测质量的有效手段之一。