声发射监测混泥土硬化强度过程

作者：В.В. Бардаков,  А.И. Сагайдак.
INTERUNIS-IT LLC
翻译：INTERUNIS-LLC中国办事处、 河南启兴格电子科技有限公司

 

通过声发射方法对混凝土结构进行了研究。实验结果显示，在混凝土硬化的头24小时内记录的声发射数据与28天前的强度之间存在联系。声发射数据的信息参数与28天内混凝土的强度有关。

关键字:声发射，混凝土，混凝土结构，混凝土强度预测。

引言 

在过去的几十年里，建筑领域的技术进步急剧增加。高楼大厦正在建造，几英里长的桥梁、隧道、地下和地面通道被设计出来。尽管有了所有的创新和个人设计解决方案，但建筑中常见的材料，就像100年前一样，是混凝土。混凝土控制的关键特征是它的强度。

确定混凝土结构的强度是一个经过充分研究的任务，可以通过使用破坏性和非破坏性（NDT）的控制技术来完成。然而，对建筑结构的可靠性和耐久性特别感兴趣的是研制新的方法来监测新的混凝土，并预测混凝土在硬化初期的强度。

最广泛的是声发射无损检测方法。具体来说，有研究混凝土水合过程和混凝土强度与超声波信号参数之间的关系的研究，如传播速度和振幅(1 - 4)。

另一种可行的方法是声发射方法(AE)，这可以记录混泥土在硬化过程中的内部结构活动。例如，在一些工作中，作者表明了在不同的硬化阶段使用声发射（AE）方法监测新制备的混凝土的可能性：准备后的几个小时到28天(1、5 - 8小时)。其中一些甚至成功地尝试在混凝土硬化过程中记录的AE数据和机械特性之间寻找联系。

实验研究描述

为了评估AE方法的有效性，INTERUNIS-IT LLC与aa a . knstindev C合作的混凝土强度预测任务进行了实验。研究了具有不同含水量重、轻和细颗粒混泥土（b/c）。在实验过程中，新拌好的混凝土浇注到预制的层板模板中【图。1】。

图1 实验装置

使用INTERUNIS-IT公司制造的A-Line 32D DDM声发射系统和工作频率伟30~300kHz的DIS30-300声发射传感器。声发射传感器通过耦合剂安装在钢波导杆上（图2），并用磁性支架固定。波导杆被侵入测试混泥土中。

图2 波导杆模型

 

波导结构允许通过大面积的接触来记录样品表面和底部硬化过程。

经过实验，研究了8种混凝土的硬化过程。实验持续时间从28天到85天不等。

在实验中，不断记录波形信号和AE标准参数【10】，还有混凝土混合物和环境温度，使用多通道温度记录器“Teram -3”。

另外，在实验研究期间，对见证样品的强度进行了测量（使用压机加压），该样品的成分类似于与研究样品在同一天制备的混凝土立方体。根据[11]确定混凝土的强度，这是三个样品（70x70x70 mm）批中强度最高的两个样品的强度的算术平均值。

测试样品的强度范围从6.9 MPa到57.9 MPa不等。在28天内对样品进行的试验结果被用来寻找测试样品强度与混凝土样品头24小时硬化时测量的AE参数之间的关系。

表中列出了实验中研究的样品的一般数据。

 

混凝土立方体编号	混凝土抗压强度等级	水灰比	颗粒大/小	28天强度，MPa	备注
1	B22.5	0.6	碎石/砂	34.0	重混泥土
2	B50	0.34		43.4
3	B7.5	1.14		10.1
4	B80	0.41		40.7
5	B15	0.77	膨胀粘土/砂	14.9	轻混泥土
6	B22.5	0.36	-/砂	45.5	细混泥土
7	B50	0.27		57.9
8	B10	0.91		6.9

选择混凝土样品的成分是为了研究各种类型的具有强度特性的混凝土，而这种特性在建筑实践中最常使用。

数据分析

混凝土结构是一个复杂的物理化学过程，水泥、水和填充物的混合物逐渐转化为具有显著强度的水泥。混凝土结构的形成，因此强度的增加过程需要数年的时间。但是，最重要的变化发生在混凝土硬化的最初几天，在此过程中形成了混凝土的初始结构。

根据现代观点，混凝土的结构形成过程通常分为三个主要阶段：溶解（初始和诱导阶段），加速（凝固）和结晶（硬化）[12，13]。

正如所揭示的，AE方法使得可以实时观察混凝土结构的形成过程，这是由于该方法固有的高灵敏度而实现的（图3.1、3.2、3.3）。
 

图3.1 AE事件数（时间）
图3.2振幅（时间）	图3.1 能量（时间）

 

根据AE参数随时间的变化，还可以区分三个阶段的混凝土结构形成，每个阶段的持续时间可以在很宽的范围内变化，并且取决于混凝土的成分和外部条件。介绍了5号立方体（膨胀粘土混凝土）的依赖性。其他立方体的外观质量相似。我们将更详细地回顾每一个时期。

I期-溶解期（初始Ia和诱导Ib），在水泥，水和骨料混合后立即开始。在此阶段的初始阶段，化学未结合（游离）水的量很大，这又使混合物具有流动性。这里所说的流动性是指混合物及其单独成分的机械移动。例如，沉重的填充物倾向于下降，而较轻的填充物上升到样品的顶部，混凝土分层，以及水和气泡的迁移，出现水蒸气引起的微收缩。作者确定了类似类型的AE来源[9]。这些来源以任何方式以某种方式施加影响。使用传感器记录混合物的迁移率，这是此期间AE的主要来源。

在此期间发生化学水合反应的结果是，化学未结合的水减少了，而尚未进行化学反应的那部分在絮凝物中是固定的。结果，移动性降低，这导致AE活性降低。结果，根据AE数据，时期I的特征是在初始阶段具有较高的活动价值，随后在诱导期间其活动活动减少到几乎为零（见图3.1）。此外，与其余两个相比，此时段的特征在于AE信号参数的最大值（参见图3.2、3.3）。

排除了应在给定时间间隔内发生的其他过程的原因是，它们都是低能耗的（化学反应产物的溶解和沉淀，以及在水泥颗粒表面形成胶态氢硅酸钙）并结合在一起使用如果混凝土混合物中的声信号衰减系数较大，传感器则无法检测到。

AE在第一阶段的主要来源是流动性，这取决于所用成分的消耗（水，水泥，细骨料和粗骨料的量）。对迁移率具有主要影响的主要参数是V / C比。此外，它越大（在组合物中聚集体的数量恒定），组合物的迁移率越高，因此，在给定时间段内记录的AE脉冲总数也越大。

第二阶段的特征是水泥颗粒表面上氢氧化物开始结晶。晶体的新形成很小。这个过程很激烈，但是能量很低。在水泥测试中传播的AE信号，其结构尚未形成，并且具有较高的衰减系数，具有很强的衰减能力，并且不超过设备的检测阈值。结果，该时段的特征在于不存在AE信号。

实验表明，第二个时期对不同的立方体不固定，与28天前的混凝土强度有关。第二阶段的持续时间越短，混凝土结构的强度就越高，最终的强度也越大。在第二阶段的长度和28天的混凝土强度之间建立了线性回归模型，允许预测其强度(图4a，b)。

a

b

图4：线性回归模型重混凝土（a）和细颗粒（b）的第二阶段持续时间（强度）。

      
        这些依存关系在因变量和自变量之间具有良好的相关性。细颗粒混凝土的相关系数为0.999，重颗粒的相关系数为0.989。对于较小的混凝土，28天内的最大相对强度误差为1%，而较重的混凝土为4.9。

       根据AE数据（见图3.1），第二个周期的开始时间大约与凝结混凝土成分的开始时间重合，但是，其持续时间超过了对应于凝结混凝土成分的时间间隔。根据AE数据，第二个周期包括设置周期和第三个周期的初始阶段（结晶）。

       以第二周期为特征的信号的不存在将持续到合成物获得原始结构为止，这将导致衰减系数的降低。至此，第三阶段将开始。

       第三阶段的特征在于形成晶体共生形式的整体结构。此期间的AE来源是在有限体积条件下的微晶生长。由于此阶段的成分以部分形成的结构为特征，因此声波的衰减远小于前一阶段。该时段的特征在于记录的AE信号数量增加。除了增加记录信号的数量（见图3.1）外，AE信号参数的定量值也有相对增加（见图3.2，3.3）。值得注意的是，AE的事件是由AE动量(时间)的切线表示的，在相当长的一段时间内几乎是恒定的。随着时间的流逝，斜率的切线减小，这对应于结晶速率（或强度增加速率）的减小。这一事实间接证实了一种假设，即在第三个时期，AE的来源是相同的。第三个时期是最长的。在此过程中，依赖的AE事件（时间）的倾斜角度逐渐平稳减小，这与结构形成过程的逐渐衰减相对应。由于在此期间AE的来源是在有限体积条件下的微晶生长，因此可以认为斜率的切线与组合物的结晶速率相对应。

       上述使用AE方法识别混凝土的分级结构原理的正确性由混凝土混合物中的温度变化曲线证实（图5）。温度计算为混凝土温度与环境温度之间的差。

图5  AE事件总和与温度的关系

 

上述混凝土结构形成过程的三个阶段也可以根据混凝土组合物生热动力学的变化加以区分[12、13]。

在第一阶段，会发生短期发热。水合的热效应被溶解的负面影响所抵消。水泥颗粒覆盖有薄的凝胶膜。它的形成可防止水分子与水泥颗粒的未水合表面相互作用。水合反应被抑制，结果，放热几乎等于常数。这是第二条阶段，在此期间发生了氢硅酸钙的成核和缓慢生长过程，这导致了膜的破坏。薄膜的破坏反过来又使水进入未水合颗粒的表面。第三阶段开始-加速阶段，如前所述，其特征是在水泥颗粒表面形成微晶，最后在未水合颗粒表面形成硬壳，反应速率降低。第四阶段即将到来-组合物结晶的时期。

值得注意的是，所有期间并非严格按顺序进行，而是彼此重叠。结果，从一个时期到另一个时期的过渡是平稳的，而不是痉挛性的。

使用AE方法区分混凝土的分阶段结构的能力为预测标准时期的混凝土强度创造了前提。在AE参数的基础上建立了预测模型，其值取决于混凝土硬化的时间。在硬化的第一天就可以观察到大多数混凝土成分的所有三个时期。同时，对于大多数用于建筑的组合物，使用AE方法，考虑到混凝土的结构形成，预测强度所需的时间通常为4至24小时。

 

建立预测模型

在本文中，已经提出了相关性，这些相关性允许以足够高的精度预测混凝土的强度（参见图4a，b）。为此，我们使用了AE方法测得的第二阶段持续时间与28天混凝土强度之间的关系。但是，值得注意的是，越独立的参数输入经验方程式，模型越可靠。

为了提高模型的真实性，进行了渐进式回归分析，在这一分析中，每个阶段的信号参数都是独立的，它们的累积值和平均值。在28天的时间里，混凝土样品的强度被证明是可变的。

使用诸如第二阶段的持续时间和第三阶段的斜率之类的独立参数的组合可获得最佳相关性（图6a，b）。

a

b

图6  强度的实际值与重型混凝土（a）和细粒混凝土（b）的预测值的相关性。可以使用以下形式的回归方程来描述这些依赖性

（1)

 

       使用公式（1）获得的相关性的相关系数（见图5）对于细粒混凝土为1.0，对于重质混凝土为0.997。对于细粒混凝土，没有确定标准强度的最大相对误差，对于重混凝土，则为3.4％。

    拟议方法的特点

拟议中的用AE方法预测混凝土强度的方法包含了许多特征。首先，预测所需的测量时间不是固定的，而且在4到24小时的范围内(对大多数成分来说)。

其次，可以对结构本身进行测量，而不对对照样品进行测量，这是由于可以将带有PAE的波导直接安装在研究对象上而实现的。

第三，AE方法由于其完整性而考虑了组成的异质性。

第四，可以在任何AE系统的软件和硬件级别上实施此方法。在这种情况下，预测强度所必须执行的动作序列将尽可能简单（图7）。

 

图7  测量的顺序

      测量需要一个波导管，连接到AE的仪器上，并将其放入一个模板中。然后在实现预测模型的仪器中运行数据采集模式。当数据收集模式(不固定的时间)完成时，将会形成一份报告，预测混凝土强度为28天。
      
       结论
 
       通过AE方法对混凝土结构进行了研究。在最初的24小时内，混凝土的硬度与28天内混凝土的强度有关的声发射数据。建造了一个经验模型，可以预测混凝土的强度为28天，误差不超过4%。
目前正在进行进一步的工作，以收集统计数据并确认结果。
 
      参考文献：
      1. Koen VAN DEN ABEELE, Geert DE SCHUTTER, Martine WEVERS. Non Destructive Online Evaluation of Concrete Hardening Using Acoustic Emission and Harmonic Wave Spectroscopy, 2006, ECNDT – Th.4.6.4, p. 1―9.
     2. Rustem Gul, Ramazan Demirboga, Tekin Guvercin. Compressive strength and ultrasound pulse velocity of mineral admixture mortars. ― Indian Journal of Engineering & Materials Sciences, 2006, v. 13, p. 18―24.
     3. Guang Ye, K. van Breugel, A.L.A. Fraaij. Experimental study on ultrasonic pulse velocity evaluation of the microstructure of cementitious material at early age. ― HERON,  3, p. 161―167. v. 46, № 2001,
    4. I. Gabrijel, D. Bjegovic. Monitoring of concrete hardening using Acousto-Ultrasonic method. ― HDKBR INFO Magazine,  v. 4, p. 21―27. 2014,
    5. Pazdera L., Topolar L., Bilek V., Smutny J., Korenska M. Advanced Analysis of Acoustic Emission Parametrs during the Concrete Hardening for Long Time. ― 11^th European Conference on Non-Destructive Testing, 2014. ― 8 p.
    6. Sagaidak A.I., Bardakov V.V., Elizarov S.V., Terentyev D.A. The Use of Acoustic Emission Method in the Modern Construction. ― 8 p. Conference of the European Working Group on Acoustic Emission – Fr.1.A.3, 2014. ―^st31 № 10, с. 77―81. 
   7. Муравин Г.Б., Павловская Г.С., Щуров А.Ф. Исследование акустической эмиссии твердеющего бетона. ― Дефектоскопия, 1984,
   8. Pazdera L., Topolar L., Bilek V., Smutny J., Korenska M. Is it possible to applied acoustic emission method during concrete hardening? ― EWGAE 2010, ― 6 p.
   9. Sokratis N. ILIOPOULOS, Evin Dzaye, Yassir EL KHATTABI, Dimitrios G. AGGELIS. Continuous AE monitoring of fresh concrete. ― JSNDI & IIIAE 2016, Progress in Acoustic Emission XVIII, 2016, p. 293―298.
   10. ПБ 03-593-03. Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов.
   11. ГОСТ 10180―2012. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам.
   12. Кузнецов А.М. Технология вяжущих веществ и изделий из них. ― М.: Высшая школа, 1963. ― 456 с.
   13. Баженов Ю.М. Технология бетона. ― М.: Высшая школа, 1987. ― 415 с.
 

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