CN111239253B - 一种骨料弹性模量的检测方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种骨料弹性模量的检测方法及应用。所述的检测方法包括如下步骤：测定骨料的体积后，用所述的骨料与胶结剂浇筑，养护制得试件；采用对测法测量超声波在试件中的传播速度，处理数据得超声波在试件中的纵波波速；根据纵波波速计算试件的弹性模量、体积模量、剪切模量，胶结剂的体积模量、剪切模量；根据微观力学公式，计算骨料的体积模量、剪切模量；根据骨料的体积模量、剪切模量计算骨料弹性模量、泊松比。本发明提供的检测方法适用范围广、准确性高。本发明检测得到的骨料弹性模量、泊松比可用于计算超声波在由骨料制成的混凝土中的波速，预测混凝土性能，提高钢筋混凝土结构安全性评价、耐久性评价的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料检测领域，具体涉及一种混凝土材料中骨料弹性模量的检测方法。
背景技术
钢筋混凝土结构是现今建筑结构中最常用、最重要的结构，其中混凝土材料一般由水、粗骨料、细骨料以及胶凝材料组成，根据各组分比例不同，浇筑的混凝土材料性能也有着很大区别。同时，混凝土构件在施工和使用的过程中通常会产生一些缺陷和损伤，包括混凝土的孔洞或蜂窝等宏观缺陷，以及混凝土因为早期非受力变形、长期在腐蚀条件下或冻融环境下服役等问题产生微观裂缝。这些缺陷和损伤都会降低混凝土构件的承载能力，从而影响建筑结构的使用性能。
因此混凝土构件性能的测定就有着巨大意义。而骨料作为混凝土材料中重要组成部分之一，在商品混凝土中骨料体积分数往往在50％以上，骨料性能对混凝土的性能起着极大的控制作用。但是在实际实验和使用中，设计过程仍缺乏大部分骨料的准确弹性参数，而对于骨料部分性能参数的测定也缺乏相应的规范标准及准确有效的方法。
混凝土的骨料种类繁多，弹性参数差异较大，除天然骨料外还有人工骨料(如轻质骨料，再生骨料)，如何通过骨料参数预测混凝土参数是目前的热点。骨料弹性模量影响混凝土的早期力学性能、干燥收缩性能、徐变性能等，目前在工程上没有将以上性能与骨料弹性参数联系起来，但是学术界已为共识。而骨料种类繁多，弹性参数差异较大，除天然骨料外还有人工骨料(如轻质骨料，再生骨料)，如何通过骨料参数预测混凝土参数是目前的热点，这对于混凝土正常情况下性能和损伤程度的测定也有着极大意义。
骨料的重要性能参数与混凝土质量评价指标相似，其中最重要的是抗压强度以及弹性模量。对于强度参数的测定，所使用的抗压强度试验方法原理清晰且操作简便，已经得到了广泛的应用。但对于混凝土骨料弹性模量的测定方法仍然缺乏，特别是对已呈小颗粒的骨料，还没有较好的弹性参数测定方法。
随着超声波无损检测技术的发展和理论研究的深入，使用超声波无损检测技术对混凝土构件及其组成材料的强度及弹性参数进行检测的方法得到了发展和应用，公开号为CN110261485A的中国发明专利申请公开了一种超声波测量材料内部各处弹性模量及泊松比的方法。公开号为CN101163967A的中国发明专利申请公开了一种使用超声波确定混凝土等材料动态弹性模量的设备、测量装置以及设备检测的使用方法。
但是，使用超声波无损检测技术对混凝土构件及其组成材料的强度及弹性参数进行检测的方法仍存在诸多缺陷，主要有：
1.目前根据超声波速测定所需参数仍主要依据现有的经验公式；
2.普通超声波仪器难以对颗粒状的骨料测量得到骨料中超声波速；
3.同种骨料因其形状、粒径等因素弹性参数会有一定的差异。
在所用骨料弹性参数不准确情况下，不能对混凝土的性能进行准确预测，因此，得到准确的混凝土骨料弹性参数有着巨大意义。
发明内容
本发明提供了一种骨料弹性模量的检测方法，该检测方法将骨料与胶结剂混合制成试件，通过测量超声波在试件中的纵波波速，并经过计算模型计算得到骨料的弹性参数，不受骨料形状或粒径的限制。
本发明解决上述技术问题所提供的技术方案为：
一种骨料弹性模量的检测方法，包括如下步骤：
(1)测定骨料的体积后，用所述的骨料与胶结剂浇筑，养护制得试件。
所述的骨料的体积通过排水法测量。
所述的骨料与胶结剂的体积比为1:0.42～0.75。
骨料的体积分数为骨料的体积除以试件的体积。控制骨料的体积分数为60％～70％，骨料体积分数过大时，会导致成型困难，很难形成试件，且可能有过多的气泡造成孔隙。体积分数过小时很难保证骨料不在底部沉积，试件中骨料分布的均匀性也难保证，在测量声波在试件中的纵波波速时穿过的区域骨料数量不同导致测量值可能存在过大的误差。
所述的胶结剂为树脂和固化剂的混合物。
所述的树脂为环氧树脂。
环氧树脂具有均匀稳定、弹性参数基本不变的性能，相比于水泥净浆，本发明所述的胶结剂的弹性模量和泊松比更易确定，且更均匀。
所述的环氧树脂优选双酚A型环氧树脂，进一步优选E-44型双酚A型环氧树脂。
所述的固化剂为650低分子聚酰胺或T31固化剂。
所述的胶结剂为环氧树脂和650低分子聚酰质量比1:0.8～1的混合物，或环氧树脂和T31固化剂质量比1:0.2～0.5的混合物。
所述的浇筑的方法为：将骨料与胶结剂搅拌，分次装入试模，每次装入后捣实，将胶结剂中的气泡刺破，刮平顶面。
所述的试模内涂抹脱模剂。
所述的脱模剂为凡士林或石蜡。
所述的养护的条件为：室内18～22℃温度下固化20～24h脱模，室内18～22℃温度下放置2～3天。
(2)采用对测法测量超声波在试件中的传播速度，处理数据得超声波在试件中的纵波波速。
所述的超声波在试件中的传播速度使用超声波波速测定仪器，采用对测法测量。
所述的对测法测量的步骤为在试件的对测面划定对测点；超声波波速测定仪器，以凡士林作为耦合剂，将反射探头和接收探头置于对测点，使用对测法测得超声波在试件中的传播速度。
所述的对测法测量在试件的多个对测点进行测量，且每个对测点进行多次测量；排除测得波速中的异常值，以正常数据的平均值作为超声波在试件中的纵波波速。
(3)根据超声波在试件中的纵波波速计算试件的弹性模量、试件的体积模量、试件的剪切模量，胶结剂的体积模量、胶结剂的剪切模量。
所述的试件的弹性模量由超声波在试件中的纵波波速、密度、泊松比计算得到，计算公式如下：
其中，
E为试件的弹性模量；
V为超声波在试件中的纵波波速；
ρ为试件的密度；
ν为试件的泊松比。
所述的试件的密度为试件的质量除以试件的体积。
当胶结剂为环氧树脂树脂和650低分子聚酰胺质量比1:0.8～1的混合物时，所述的试件的泊松比ν为0.2～0.4。
当胶结剂为环氧树脂树脂和650低分子聚酰胺质量比1:0.8～1的混合物时，材料的变化对其泊松比的改变极小，所得试件的泊松比数值变化范围不大，在0.2～0.4范围内。并且在计算过程中，泊松比对计算结果准确性的影响极小。
所述的试件的泊松比ν还可通过超声波速试验或压力试验测量获得，使用超声波仪器，对测法测量试验试件的横波波速Vs，试件的泊松比ν由试件的纵波波速V和横波波速Vs计算得到，计算公式如下：
其中，
ν为试件的泊松比；
V为超声波在试件中的纵波波速；
Vs为超声波在试件中的横波波速。
所述的试件的体积模量、试件的剪切模量由试件的弹性模量和试件泊松比计算得到，计算公式如下：
其中，
K为试件的体积模量；
G为试件的剪切模量；
E为试件的弹性模量；
ν为试件的泊松比。
所述胶结剂的体积模量和剪切模量由胶结剂的弹性模量和泊松比计算得到，计算公式如下：
其中：
Kr为胶结剂的体积模量；
Gr为胶结剂的剪切模量；
Er为胶结剂的弹性模量；
νr为胶结剂的泊松比。
所述的胶结剂的弹性模量和泊松比为材料本身标准参数或者通过胶结剂的超声波速试验或压力试验得到。
所述的超声波速试验包括以下步骤：通过超声波仪器测量得到胶结剂固化成块后的横波波速Vrs和纵波波速Vr，胶结剂的弹性模量的计算公式如下：
其中，
Er为胶结剂的弹性模量；
ρr为胶结剂固化后的密度；
Vr为超声波在胶结剂中的纵波波速；
Vrs为超声波在胶结剂中的横波波速。
胶结剂的泊松比的计算公式如下：
其中，
νr为胶结剂的泊松比；
Vr为超声波在胶结剂中的纵波波速；
Vrs为超声波在胶结剂中的横波波速。
当胶结剂为环氧树脂树脂和650低分子聚酰胺质量比1:0.8～1的混合物时，根据材料本身标准参数，所述的Er为22～35GPa；νr为0.38～0.44。
(4)根据微观力学公式，由步骤(3)确定的试件的体积模量、剪切模量，胶结剂的体积模量、剪切模量和体积分数，计算得出骨料的体积模量和剪切模量；
步骤(4)中，所述的微观力学公式计算公式如下：
其中：
式中Fr＝(Gr/6)[(9Kr+8Gr)/(Kr+2Gr)]；
Ka为骨料的体积模量；
Ga为骨料的剪切模量；
Kr为胶结剂的体积模量；
Gr为胶结剂的剪切模量；
K为试件的体积模量；
G为试件的剪切模量；
fa为试件中骨料的体积分数；
fr为试件中胶结剂的体积分数。
所述的试件中骨料的体积分数为骨料的体积除以试件的体积。
所述的试件中胶结剂的体积分数为1－fa。
试验过程中需要控制浇筑时没有气泡，因此孔隙的体积分数忽略不计。
(5)根据骨料的体积模量和剪切模量计算骨料弹性模量和泊松比。
所述的骨料弹性模量和泊松比的计算公式如下：
其中，
Ea为骨料弹性模量；
νa为骨料的泊松比；
Ka为骨料的体积模量；
Ga为骨料的剪切模量。
一般混凝土中使用的骨料的泊松比变化不大，为0.1～0.3；计算所得的骨料的泊松比在经验值范围内，从而证明本发明可以较为准确的计算骨料的弹性模量。
在最终测量计算出骨料的泊松比后可以再验证或者修正假定的泊松比，可做循环计算。
通过超声波速试验或压力试验计算得到整个试件的泊松比、胶结剂的弹性模量和胶结剂的泊松比，此时计算得到的骨料的弹性模量和泊松比是精确的值，不需要这种循环的收敛过程。
本发明所述的检测方法用于计算超声波在由骨料制成的混凝土中的波速，可以对混凝土的内部组成和耐久性有更好的预测，用于计算所述的混凝土早期力学性能、干燥收缩性能、徐变性能。
本发明的有益效果主要体现在：
1.本发明中使用环氧树脂作为胶结材料进行试件浇筑，材料性能更稳定，且可以准确获取其弹性模量和泊松比；同时，浇筑成型时间更短，节约试验时间。
2.本发明方法可以对不同级配和粒径的同种类骨料进行弹性参数的测定，相较于已有方法能更准确测出混凝土材料中使用的特定粒径下骨料的实际弹性模量。
3.在弹性参数计算中使用的计算模型根据微观力学理论进行推导，理论成熟、计算参数明确且计算过程清晰，计算得到的骨料弹性参数准确。
4.通过测量超声波速的方法，经过计算模型计算得到混凝土材料中骨料的弹性参数，从而对骨料的性能有更准确的判断，也为混凝土材料性能的预测提供更准确的参数，提高钢筋混凝土结构安全性和耐久性评价的准确性。
附图说明
附图1为本发明骨料弹性模量的检测方法的流程图。
图2为试件超声波速检测示意图；1为环氧树脂与骨料试件，2为超声波传感器。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行详细阐述，下述说明仅为解释本发明，并不对其内容进行限定。本发明化合物可以通过本领域技术人员熟知的多种合成方法来制备，包括下面列举的具体实施方式、其与其它化合物合成方法的结合所形成的实施方式以及本领域技术人员所熟知的等同替换方式，也可以可经市售获得。优选的实施方式包括但不限于本发明的实施例。对本领域技术人员而言，在不脱离本发明精神和范围的情况下针对本发明具体实施方式进行各种变化和改进是显而易见的。
实例一、测量粗骨料，碎石状混凝土骨料弹性模量。
步骤(1)：制作试件。
所需测量弹性模量的骨料密度约为2620kg/m3，预计浇筑3个100mm×100mm×100mm的立方体试块，控制试件中骨料体积分数在60％左右。因此从骨料堆中均匀取出部分骨料，用电子称称取4716g，每个试件中粗骨料质量为1572g。
烘干粗骨料后使用排水法测得骨料的体积，计算得到试件中骨料实际体积为1.86×10-3m3。
取大约1.8升环氧树脂(凤凰牌环氧树脂E-44型号)与1.8升固化剂650低分子聚酰胺，将环氧树脂与固化剂650低分子聚酰胺以1:1比例混合得到胶结剂。
试件浇筑：将调配好后的胶结剂与骨料充分搅拌，分2次装入试模；每次装入使用捣棒捣实，并用长针将胶结剂中的气泡刺破，刮平顶面。试模内涂抹凡士林作为脱模剂。
试件养护：试件在室内20±2℃温度条件下养护，24h固化后脱模取出，继续在室内养护3天后完成试件制作。
步骤(2)：测定超声波在试件中的波速。
(1)波速测量步骤：取出试件，清洗表面杂质并擦干水分，选取对测面并在对测面划定测点，在对测面的对角线均匀选取3个测点。安装好超声波波速测定仪器，以凡士林作耦合剂。如附图2所示对测法，测得试件各测点超声波速，每个试件3个测点，每个测点进行5次纵波波速测量。
(2)数据处理步骤：排除测得纵波波速中的异常值，其他数据的平均值为试验测得的纵波波速，V＝5968.3m/s。
步骤(3)：试件及胶结剂弹性参数的计算。
弹性模量计算步骤：根据相关公式，由已知试件超声纵波波速、密度、泊松比计算得到试件整体的弹性模量。设定试件泊松比为0.35。
试件的体积模量和剪切模量为：
胶结剂的体积模量和剪切模量为：
(4)骨料弹性参数计算步骤：根据相关微观力学公式，由已知试件的体积模量、剪切模量，胶结剂的体积模量、剪切模量和体积分数，计算得出骨料的体积模量和剪切模量。
其中，
(5)骨料弹性模量计算步骤：根据骨料的体积模量和剪切模量计算得出骨料弹性模量和泊松比。
通过本方法，测量计算得到所测混凝土粗骨料弹性模量Ea＝65.8GPa，泊松比νa＝0.30。
依照此方法，可通过本发明获得较精确的混凝土骨料弹性模量。
根据上述得到的骨料弹性模量和泊松比，参考文献1～4中的计算方法计算超声波在由骨料制成的混凝土中的波速以及计算预测混凝土的早期力学性能、干燥收缩性能、徐变性能等。
文献1：Effect of Aggregate on Drying Shrinkage of Concrete,Journal ofAdvanced Concrete Technology,6(2008)31-44中研究了骨料的弹性模量对混凝土干燥收缩的影响。
文献2：A multiscale micromechanics-hydration model for the early-ageelastic properties of cement-based materials,Cement and Concrete Research,33(2003)1293-1309一文中提出了应用骨料弹性参数预测水泥基材料老化弹性的高精度模型。
文献3：A multiscale creep model as basis for simulation of earlyageconcrete behavior,Computers and Concrete,5(2008)295-328中进一步将骨料弹性参数应用到了早期混凝土的徐变预测。
文献4：From micron-sized needle-shaped hydrates to meter-sizedshotcrete tunnel shells:micromechanical upscaling of stiffness and strengthof hydrating shotcrete,Acta Geotechnica,3(2008)273-294提出了相关方法，通过骨料的弹性参数合理预测喷射混凝土的弹性参数和强度。
Claims (9)
1.一种骨料弹性模量的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)测定骨料的体积后，将该骨料与胶结剂进行浇筑、养护制得试件，所述的胶结剂包括树脂和固化剂；
(2)采用对测法测量超声波在试件中的传播速度，经数据处理后得到超声波在试件中的纵波波速；
(3)根据步骤(2)得到纵波波速计算试件的弹性模量、体积模量和剪切模量，并计算胶结剂的体积模量和剪切模量；
(4)根据微观力学公式，根据试件的体积模量和剪切模量，胶结剂的体积模量和剪切模量以及骨料在试件中的体积分数和胶结剂在试件中的体积分数，计算得出骨料的体积模量和剪切模量；
所述的微观力学公式为：
其中：
式中Fr＝(Gr/6)[(9Kr+8Gr)(/Kr+2Gr)；
Ka为骨料的体积模量；
Ga为骨料的剪切模量；
Kr为胶结剂的体积模量；
Gr为胶结剂的剪切模量；
K为试件的体积模量；
G为试件的剪切模量；
fa为骨料在试件中的体积分数；
fr为胶结剂在试件中的体积分数；
(5)根据骨料的体积模量和剪切模量计算出骨料弹性模量和泊松比。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述的骨料与胶结剂的体积比为1:0.42～0.75。
3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述的胶结剂为环氧树脂和650低分子聚酰胺质量比1:0.8～1的混合物，或环氧树脂和T31固化剂质量比1:0.2～0.5的混合物。
4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述的试件的弹性模量的计算公式为：
其中，
E为试件的弹性模量；
V为超声波在试件中的纵波波速；
ρ为试件的密度；
ν为试件的泊松比。
5.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述的试件的体积模量、剪切模量的计算公式为：
其中，
K为试件的体积模量；
G为试件的剪切模量；
E为试件的弹性模量；
ν为试件的泊松比。
6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，所述的胶结剂的体积模量和剪切模量的计算公式如下：
其中：
Kr为胶结剂的体积模量；
Gr为胶结剂的剪切模量；
Er为胶结剂的弹性模量；
νr为胶结剂材料的泊松比。
7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，所述的胶结剂为环氧树脂和650低分子聚酰胺质量比1:0.8～1的混合物，所述的ν为0.2～0.4，所述的Er为22～35GPa；所述的νr为0.38～0.44。
8.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述的骨料弹性模量和泊松比的计算公式如下：
其中，
Ea为骨料弹性模量；
νa为骨料的泊松比；
Ka为骨料的体积模量；
Ga为骨料的剪切模量。
9.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述的检测方法用于计算超声波在由所述的骨料制成的混凝土中的波速、所述的混凝土的早期力学性能、干燥收缩性能或徐变性能。
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