聚合物改性水泥混凝土聲彈應(yīng)力測(cè)試技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

一、引言

　　聚合物改性水泥混凝土(Polymer Modified CementConcrete)(PMC),亦稱聚合物水泥混凝土(PCC)。它克服了普通水泥混凝土抗拉強(qiáng)度低、脆性大、易開裂、耐化學(xué)腐蝕性差的缺點(diǎn)，擴(kuò)大了混凝土的使用范圍，具有廣闊的發(fā)展前景。

　　超聲波波速與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)的現(xiàn)象，不論在彈性范圍還是在非線性應(yīng)力—應(yīng)變范圍均存在，此為聚合物改性水泥混凝土聲彈應(yīng)力測(cè)試技術(shù)具有可行性的理論依據(jù)。隨著聚合物混凝土復(fù)合材料應(yīng)用的日趨廣泛，聚合物改性水泥混凝土聲彈性量測(cè)理論和技術(shù)的研究也具有越來越重要的實(shí)用意義。

二、聲彈應(yīng)力相關(guān)性理論發(fā)展和研究現(xiàn)狀

　　近幾十年來，超聲波應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)以其良好的無損性和較高的測(cè)量精度等優(yōu)勢(shì)取得了很大的發(fā)展，所解決的問題也愈加廣泛，研究的技術(shù)和方法亦漸趨完善。

　　聲彈性領(lǐng)域的研究距今已近50 年的歷史，該領(lǐng)域發(fā)展的大體脈絡(luò)如下[1]：Bergman 和Shabbender(1958)發(fā)現(xiàn)了聲波的二次折射現(xiàn)象。Smith 利用在沿同一個(gè)傳播路徑上的兩個(gè)不同偏振方向的剪切波，首先測(cè)量了聲波的二次折射。

　　D.I.Crecraft(1967)采用“聲循環(huán)”法在兆赫級(jí)范圍測(cè)量了鋼、鋁和銅中的應(yīng)力引起的速度變化。Nelson N.Hsu 測(cè)定了超聲橫波在鋼鋁中傳播速度與應(yīng)力的關(guān)系。Blinka 和Sackse(1976)用超聲譜法, Iliceta1(1979)用差動(dòng)連續(xù)波法和脈沖技術(shù)測(cè)量超聲波波速。Hirao M 研究了各向同性彈性體中的變形與聲表面波傳播速度間的關(guān)系。 Makhort 在初始應(yīng)力下，從變形角度研究建立了表面波傳播速度與應(yīng)力的線性關(guān)系。魏智、周曉軍等在此基礎(chǔ)上，探索航空透明構(gòu)件工作和殘余應(yīng)力超聲無損檢測(cè)方法，取得了一定的效果。

　　Okada 提出的弱正交各向異性材料的平面聲彈性方法可以成功的實(shí)現(xiàn)加載應(yīng)力測(cè)量。Toda 曾提出以R 參數(shù)代替Okada 方法中的S 參數(shù)，建立適用于弱正交異性材料殘余應(yīng)力測(cè)量的平面聲彈性方法。Pao Yihhsing 推導(dǎo)出了聲彈性方程，從而建立了二維殘余應(yīng)力的聲彈測(cè)試方法,吳克成、蔣立強(qiáng)等發(fā)展了這一思想，建立了弱正交各向異性材料殘余應(yīng)力測(cè)量的聲彈性方法。Clark 推導(dǎo)出了與應(yīng)力張量有關(guān)的彈性平面波的波動(dòng)方程。伍行健、吳克成等導(dǎo)出了微正交各向異性材料平面應(yīng)力問題的應(yīng)力—聲關(guān)系。魏智、徐蔚等建立了物體表面應(yīng)力與超聲波傳播速度之間的一般關(guān)系。趙明階[2]曾對(duì)巖石的聲-應(yīng)力相關(guān)性作過系統(tǒng)的研究，并建立了巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與應(yīng)力、聲參數(shù)之間的理論關(guān)系模型。

三、聚合物改性水泥混凝土聲彈應(yīng)力相關(guān)性研究理論發(fā)展和應(yīng)用展望

　　目前國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土聲彈性的研究主要集中于零應(yīng)力狀態(tài)下的研究，對(duì)于其受載狀態(tài)下聲學(xué)特性的研究還不多，混凝土聲—應(yīng)力的相關(guān)性研究還處于初步研究階段，對(duì)于聚合物改性水泥混凝土的聲—應(yīng)力的相關(guān)性有待于在水泥混凝土聲—應(yīng)力相關(guān)性研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行深入的探索。

　　1．混凝土受載狀態(tài)下超聲波傳播特性研究

　　混凝土內(nèi)部存在著孔隙、裂隙等非連續(xù)結(jié)構(gòu)面，在外荷載的作用下，混凝土中的微裂紋將閉合或擴(kuò)展，從而引起混凝土的超聲波參數(shù)發(fā)生變化。為了研究這一變化規(guī)律，一些學(xué)者做了相關(guān)的試驗(yàn)研究，并取得了一定的成果。

　　朱金穎、陳龍珠等[3]研究了混凝土單軸向壓力下超聲波速、幅值及主頻的變化規(guī)律。逯靜洲、肖詩(shī)云等[4]測(cè)定了混凝土材料經(jīng)歷三向受壓荷載歷史后超聲波波速的變化規(guī)律。趙明階[5]測(cè)試了混凝土試塊在不同荷載下的橫向聲波波速和首波振幅與軸向壓力為零狀態(tài)下的波速和首波振幅之比隨應(yīng)力的變化規(guī)律。林軍志[1]提出了對(duì)聲－應(yīng)力關(guān)系最為敏感時(shí)的骨料粒徑、骨料種類、水灰比和砂率。陳立新[7]通過試驗(yàn)研究得到了對(duì)混凝土聲一應(yīng)力關(guān)系最為敏感的骨料粒徑、骨料種類、水灰比和砂率。

　　2．聚合物改性水泥混凝土受載狀態(tài)下超聲波傳播特性研究

　　對(duì)于聚合物改性水泥混凝土而言，超聲波的傳播速度取決于復(fù)合材料的物質(zhì)成分和微結(jié)構(gòu)。若將聚合物、水泥凝膠、砂子和骨料組成的復(fù)合材料看作均勻各向同性的連續(xù)介質(zhì)，則聚合物改性水泥混凝土是聚合物、砂漿和骨料組成的三相復(fù)合體系，在這種三相復(fù)合體系中，由于在較大骨料和砂漿接觸面上存在大量的粘結(jié)微裂縫，那么在外荷載作用下，微裂縫將閉合或擴(kuò)展，從而引起超聲波參數(shù)發(fā)生變化。

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　　超聲波在聚合物改性水泥混凝土中的傳播速度取決于膠結(jié)材料和填充料的類型、粗骨料的數(shù)量和顆粒成分，也取決于微粒填料的用量和結(jié)構(gòu)的孔隙率。膠結(jié)材料和骨料之間的聯(lián)接狀況對(duì)聲波的傳播速度影響較大。以聚脂作為膠結(jié)料的混凝土試件的相關(guān)試驗(yàn)表明，可以采用顯示超聲波穿行速度的方法來評(píng)定聚合物改性水泥混凝土的性能。由于水泥混凝土和聚合物改性水泥混凝土的物理力學(xué)性能相近，因此，水泥混凝土的聲—彈應(yīng)力相關(guān)研究為聚合物改性水泥混凝土的聲—彈應(yīng)力研究創(chuàng)造了前提條件。但是水泥膠結(jié)料和聚合物粘結(jié)劑兩者之間存在彈性性能的差別，這會(huì)對(duì)超聲波在聚合物改性水泥混凝土中穿行的特征造成某些干擾。

　　聚合物改性水泥混凝土的微結(jié)構(gòu)對(duì)超聲波傳播有很大影響，當(dāng)孔隙率減少和體積密度增加時(shí)，對(duì)于膠結(jié)劑／骨料的比值低的聚合物改性水泥混凝土（聚合物為環(huán)氧樹脂），加入微粒填料后，超聲波的傳播速度明顯加快。同時(shí)微粒填料的加入引起聚合物膠結(jié)料發(fā)生了變性，導(dǎo)致了彈性模量值提高(可將聚合物膠結(jié)料視為聚合物微粒砂漿)。斷口(放大成不同的倍數(shù)進(jìn)行量測(cè))表面系數(shù)和超聲波傳播速度之間相互關(guān)系表明：相關(guān)系數(shù)值隨倍數(shù)的增加而降低。在這種情況下，由微粒填料引起的膠結(jié)料的變性對(duì)波速產(chǎn)生較大的影響，其程度一般比材料組成引起的微結(jié)構(gòu)幾何特性的影響要大。[8]聚合物改性水泥混凝土是由聚合物、水泥、粗細(xì)骨料、水、外加劑等材料組成的彈粘塑性復(fù)合體，超聲波在其受載狀態(tài)下的傳播特性非常復(fù)雜，相關(guān)研究有待于進(jìn)一步深入。

　　3．聚合物改性水泥混凝土聲彈應(yīng)力相關(guān)性研究應(yīng)用展望

　　目前，聚合物改性水泥混凝土聲—應(yīng)力敏感性的相關(guān)研究較為少見，如果能夠找到一種對(duì)聲—應(yīng)力敏感的聚合物改性水泥混凝土，將會(huì)在錨索預(yù)應(yīng)力損失的監(jiān)控，以及大跨度橋梁的施工應(yīng)力監(jiān)控和成橋應(yīng)力監(jiān)控等領(lǐng)域有著非常重要的實(shí)用價(jià)值。針對(duì)在巖土工程中廣泛使用預(yù)應(yīng)力錨固體系，趙明階[5]

　　提出了錨索預(yù)應(yīng)力的聲測(cè)技術(shù)，該技術(shù)是通過混凝土錨墩在鎖定預(yù)應(yīng)力荷載作用下聲學(xué)參數(shù)的測(cè)試，運(yùn)用混凝土的聲—荷載關(guān)系反演錨索的預(yù)應(yīng)力值。高邊坡預(yù)應(yīng)力錨固工程的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，在低應(yīng)力狀態(tài)下，聲速和首波振幅隨荷載的變化微小，由此求取的荷載誤差較大，很難滿足實(shí)際工程測(cè)試的要求。若能找到一種對(duì)聲—應(yīng)力敏感的聚合物改性水泥混凝土，以此作為錨墩的材料，然后運(yùn)用聲彈測(cè)試技術(shù)，或許能取得很好的測(cè)試效果。因此，能否找到一種對(duì)應(yīng)力敏感的聲彈材料，成為該項(xiàng)技術(shù)由理論可行走向推廣使用過程中的一個(gè)核心問題。

　　由于當(dāng)前對(duì)聲—應(yīng)力敏感材料的研究尚處于初步階段，無前人的研究成果可遵循，筆者認(rèn)為可以通過兩種途徑來探索，一是在現(xiàn)有的材料中尋找聲—應(yīng)力敏感材料，包括各種已經(jīng)廣泛應(yīng)用和尚處于推廣階段及理論研究階段的材料；二是研制出對(duì)聲—應(yīng)力敏感的新型材料。這將會(huì)是一個(gè)在較廣領(lǐng)域和較長(zhǎng)時(shí)間里探索的過程。在水泥混凝土聲—應(yīng)力相關(guān)性試驗(yàn)研究成果和聲彈性方法的理論基礎(chǔ)上，筆者今后將在聚合物改性水泥混凝土的范圍內(nèi)對(duì)其聲—應(yīng)力相關(guān)性試驗(yàn)作階段性的研究。

四、存在問題與應(yīng)用展望

　　國(guó)內(nèi)外學(xué)者在聲彈性理論研究方面做了大量的工作，在混凝土工作應(yīng)力的測(cè)試中也逐漸體現(xiàn)出優(yōu)越性，同時(shí)混凝土聲—應(yīng)力的相關(guān)性研究還處于初步研究階段，對(duì)于聚合物改性水泥混凝土的聲—應(yīng)力的相關(guān)性研究更是少見。此領(lǐng)域研究中存在問題和應(yīng)用展望現(xiàn)總結(jié)如下：

　　1．目前對(duì)于聚合物改性水泥混凝土的聲—應(yīng)力的相關(guān)性研究較為鮮見，性能優(yōu)良的聚合物改性水泥混凝土將會(huì)在未來的工程中得到廣泛應(yīng)用，無論從這個(gè)角度還是在聚合物改性水泥混凝土中尋找聲—應(yīng)力敏感材料的角度而言，對(duì)該領(lǐng)域的聲彈性相關(guān)研究具有越來越重要的實(shí)用意義。

　　2．超聲波穿過聚合物改性水泥混凝土后攜帶出豐富的信息，但目前僅能獲取的參數(shù)有聲速、首波振幅、衰減系數(shù)等，浪費(fèi)了大量有用的信息。從聲波信號(hào)中最大限度的獲取有用信息是今后聲波信息處理技術(shù)的關(guān)鍵課題之一。

　　3．目前混凝土在低應(yīng)力受載狀態(tài)下聲—應(yīng)力相關(guān)性研究成果來看，聲速和首波振幅隨應(yīng)力的變化都很小，無法滿足工程測(cè)試的要求。通過對(duì)超聲波信號(hào)的處理，寄希望能找到對(duì)應(yīng)力敏感的聲學(xué)參數(shù)，因此必須對(duì)超聲波在水泥混凝土和聚合物改性水泥混凝土中的傳播機(jī)理做深入的研究。

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　　4．采用聲彈測(cè)試技術(shù)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索荷載測(cè)試，在一定程度上能夠反應(yīng)預(yù)應(yīng)力損失的變化過程，但其測(cè)試精度還有較大的提高空間。若能找到一種對(duì)應(yīng)力敏感的聚合物改性水泥混凝土并以此制作錨墩，然后運(yùn)用聲彈測(cè)試技術(shù)，或許能取得很好的測(cè)試效果。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[2] 趙明階.裂隙巖體在受荷條件下的聲學(xué)特性研究[D]．博士論文,重慶：重慶建筑大學(xué),1998，4

　　[3] 朱金穎，陳龍珠，嚴(yán)細(xì)水．混凝土受力狀態(tài)下超聲波傳播特性研究[J].1998，15(3)：111～117

　　[4] 逯靜洲，林皋，肖詩(shī)云等.混凝土材料經(jīng)歷三向受壓荷載歷史后抗拉強(qiáng)度劣化的研究[J].水利學(xué)報(bào).2001(1):68～75

　　[5] 趙明階，徐容．錨索預(yù)應(yīng)力聲測(cè)技術(shù)研究及工程應(yīng)用[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003，22(7)：1146～1150

　　[7] 陳立新，許錫賓，趙明階，林軍志.混凝土聲一應(yīng)力相關(guān)性影響因素分析[J].中國(guó)港灣建設(shè).2005:6～8

　　[8] 陽(yáng)明華.聚合物混凝土性能超聲波鑒定法[J].市政工程國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài).2000.2：10～12