基于超声波技术的PVA-DSECC材料无损检测研究

Research on Nondestructive Testing of PVA-DSECC Materials Based on Ultrasonic Technology

摘要: 为了探究沙漠砂制备工程水泥基复合材料(简称PVA-DSECC)超声波速影响因素及其与强度的关系，采用超声回弹综合法，设计了不同水胶比、砂胶比、沙漠砂替代率、龄期的单轴抗压强度试验与超声无损检测试验，分析了6种水胶比、3种砂胶比、4种沙漠砂替代率、2种龄期对PVA-DSECC超声波速的影响，同时通过线性拟合确定不同龄期、不同配合比情况下超声波速与PVA-DSECC抗压强度关系式。试验结果表明：水胶比、砂胶比、沙漠砂替代率、龄期都不同程度地影响着PVA-DSECC的超声无损检测波速，其中，水胶比、龄期影响最为显著；砂胶比、沙漠砂替代率影响较小；线性拟合得出超声波速与抗压强度关系表达式，相关系数为0.85，可靠性较好。

Abstract: In order to explore the influence factors of ultrasonic velocity and its relationship with the strength of desert sand preparation Engineered Cementitious Composite (ECC), ultrasonic mixing method was used to design different water-to-binder ratio, sand-to-binder ratio, desert sand replacement rate and age. The uniaxial compressive strength test and the ultrasonic non-destructive testing test analyzed the effects of six water-to-binder ratios, three sand-to-binder ratios, four desert sand replacement rates, and two ages on the desert sand Engineered Cementitious Composite (PVA-DSECC) ultrasonic velocity. The relationship between ultrasonic velocity and PVA-DSECC compressive strength at different ages and different mix ratios is determined. The test results show that the water-to-binder ratio, sand-to-binder ratio, desert sand replacement rate and age have different degrees of influence on the ultrasonic non-destructive testing wave velocity of PVA-DSECC. Among them, the water-to-binder ratio and the age are the most significant; the sand-to-gel ratio and the desert sand substitution rate have little effect; linear expression is used to obtain the expression of the relationship between ultrasonic speed and compressive strength. The correlation coefficient is 0.85 and the reliability is good.

1. 引言

工程水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composite，简称ECC)作为一种高性能混凝土，在建筑工程中已有所应用，其复杂的成型工艺等都严重影响着建筑结构的安全性。因此，在建筑物施工和后期检测中，混凝土结构材料的检测技术也发挥着巨大的作用 [1] 。

无损检测技术是指在不损伤和破坏材料内部结构情况下，利用材料本身性质，对物体组织结构和力学性能进行评定的方法 [2] 。无损检测技术在检测混凝土导堤 [3] 、混凝土梁工作应力状态 [4] 、基础桩 [5] [6] 等结构强度方面以及混凝土裂缝 [7] [8] [9] 、混凝土密实性和空洞 [10] [11] [12] [13] 等缺陷方面应用广泛，在钢纤维混凝土 [14] [15] 方面应用较少，在ECC中的应用也仅停留于冻融损伤的研究，对于超声波检测沙漠砂制备的工程水泥基复合材料的研究更是鲜有报道。因此，通过超声波技术研究PVA-DSECC超声波速影响因素及其与强度的关系显得尤为重要。

本文通过超声回弹综合法，设计6种水胶比、3种砂胶比、4种沙漠砂替代率、2种龄期，研究了超声波速影响因素及超声波速与强度关系。

2. 试验设计

2.1. 试验原材料及配合比设计

试验中采用的水泥、沙漠砂、粉煤灰、减水剂、水、日本聚乙烯醇纤维(简称PVA纤维)等材料物理力学性能见文献 [16] ，配合比设计见表1。

Table 1. PVA-DSECC mix design

表1. PVA-DSECC配合比设计

2.2. 试验方法

抗压强度试验的试件形状可分为圆柱体、立方体和棱柱体等多种形状，因圆柱体内部应力较均匀，国外常采用圆柱体试件进行抗压强度试验。

本试验根据文献相关规定 [17] ，参照文献 [18] ，采用f75 × 150 mm圆柱体试件进行测试，模具是自制钢模具。每组6个试件，一次成型，用于进行超声波无损检测试验，每组数据测量均有3个试件，结果取平均值。试验依据GB/T50081-2002《普通力学性能试验方法标准》，养护至28 d/90 d，取出后擦干表面水分，采用超声，回弹综合法，以凡士林为耦合剂，以上、下底面为测试面，进行超声波无损检测试验，研究超声波速与抗压强度的关系。选用的仪器为DJUS-05非金属超声检测仪。

3. 试验结果及分析

3.1. 水胶比、龄期对超声波速的影响

Table 2. Wave speed and compressive strength test results

表2. 波速与抗压强度检测结果

注：G1，G2，G3，G4，G5水胶比分别为0.26，0.29，0.32，0.35，0.38，砂胶比为0.36，沙漠砂替代率40%，粉煤灰掺量60%；G6，G7水胶比为0.29，砂胶比分别为0.3，0.42，沙漠砂替代率40%，粉煤灰掺量60%；G8，G9，G10水胶比为0.29，砂胶比为0.36，沙漠砂替代率60%，80%，100%，粉煤灰掺量60%。

Figure 1. Water/binder ratio-ultrasonic speed

图1. 水胶比–超声波速

表2为超声波速与抗压强度检测结果；图1为水胶比对超声波速的影响图。由表2和图1可知，同一龄期下，随着水胶比的增大，试件超声波速逐渐减小；同一水胶比下，90 d试件超声波速高于28 d试件超声波速，与普通混凝土变化规律类似。主要原因为同一龄期，随着水胶比增加，内、外部孔隙数量相应增加 [19] 。超声波传播时间与结构内部缺陷和密实度有关，水胶比增加，内部孔隙增多。超声波便绕过缺陷向前传播，在探测距离范围内，绕过缺陷传播比直线传播所需时间要长 [20] ，而超声波波速与超声波传播时间成反比，从而超声波速逐渐减小。同一水胶比下，龄期越长，水泥水化越充分，粉煤灰中玻璃质地的二氧化硅、氧化铝等与水泥水化产物硅酸钙凝胶及氢氧化钙反应，生成水化硅酸钙凝胶 [21] ，附着于孔隙表面，不需全部填补孔隙，便可为超声波速的传播搭建传播路径，相应减少内部孔隙缺陷，为结构增密，提高后期强度，从而90 d龄期试件相比28 d龄期试件超声波速增加。

3.2. 砂胶比对超声波速的影响

Figure 2. Sand/binder ratio-Ultrasonic speed

图2. 砂胶比–超声波速

图2为砂胶比对超声波速影响图。由表2和图2可知，同一龄期下，砂胶比对超声波速影响较小。但与水泥砂浆规律有一定差距，从文献 [22] 中可知，砂胶比增加，水泥砂浆强度增加明显。

3.3. 沙漠砂替代率对超声波速的影响

Figure 3. Desert sand replacement ratio-Ultrasonic speed

图3. 沙漠砂替代率–超声波速

图3为沙漠砂替代率对超声波速的影响图。由表2和图3可以发现，随着沙漠砂替代率的增加，超声波速呈现先增加后减小的趋势，但影响效果不明显。100%沙漠砂超声波速相比40%沙漠砂超声波速，在28 d仅下降0.7%，90 d仅下降0.3%。研究发现：河砂粒径相对于沙漠砂较大，沙漠砂能够更好的填充于PVA-DSECC材料内部，使试件内部结构密实度更高，从而增大其强度，进而超声波速有所增加。而沙漠砂为风积沙，由各种岩石风化而成，自身强度略低于河砂强度 [23] ，替代率超过河砂，便会导致材料强度降低，从而超声波速有所下降。

3.4. 超声波速与抗压强度的关系

Figure 4. Relationship between ultrasonic speed and compressive strength

图4. 超声波速与抗压强度关系

本试验采用超声回弹综合法，测得超声波速与抗压强度见表2。而超声回弹综合法利用了超声波的衰减和混凝土表面回弹值综合评估的方法用以确定混凝土强度值，可见，超声波速与混凝土强度有密切关系。由表2可见，超声波速随着材料强度的增加而增大。为得出超声波速与抗压强度关系，将超声波速与抗压强度进行线性拟合，见图4。

$\sigma =0.0619V_0-143.1$ (1)

通过线性拟合，得出28 d、90 d龄期下，PVA-DSECC超声波速与抗压强度的关系表达式(1)，式中，σ为圆柱体抗压强度(MPa)，V₀为超声波速(m/s)线性相关系数R² = 0.83，线性回归方程可靠性较好。

4. 结论

1) 水胶比、砂胶比、沙漠砂替代率、龄期都不同程度地影响着PVA-DSECC的超声无损检测波速。其中，水胶比与龄期影响显著，与普通混凝土变化规律类似。

2) 砂胶比对PVA-DSECC超声波速影响较小。

3) 沙漠砂替代率影响相对较小。100%沙漠砂超声波速相比40%沙漠砂超声波速，在28 d仅下降0.7%，90 d仅下降0.3%。

4) 通过线性拟合，得出28 d、90 d龄期下，超声波速与抗压强度关系式，线性相关系数为0.85，可靠度较好。

基金项目

宁夏大学大学生创新试验项目(2019107490602) (2019107490625)。