聚合物改性水泥混凝土声弹应力测试技术研究现状与展望

一、引言

　　聚合物改性水泥混凝土(Polymer Modified CementConcrete)(PMC),亦称聚合物水泥混凝土(PCC)。它克服了普通水泥混凝土抗拉强度低、脆性大、易开裂、耐化学腐蚀性差的缺点，扩大了混凝土的使用范围，具有广阔的发展前景。

　　超声波波速与应力状态有关的现象，不论在弹性范围还是在非线性应力—应变范围均存在，此为聚合物改性水泥混凝土声弹应力测试技术具有可行性的理论依据。随着聚合物混凝土复合材料应用的日趋广泛，聚合物改性水泥混凝土声弹性量测理论和技术的研究也具有越来越重要的实用意义。

二、声弹应力相关性理论发展和研究现状

　　近几十年来，超声波应力检测技术以其良好的无损性和较高的测量精度等优势取得了很大的发展，所解决的问题也愈加广泛，研究的技术和方法亦渐趋完善。

　　声弹性领域的研究距今已近50 年的历史，该领域发展的大体脉络如下[1]：Bergman 和Shabbender(1958)发现了声波的二次折射现象。Smith 利用在沿同一个传播路径上的两个不同偏振方向的剪切波，首先测量了声波的二次折射。

　　D.I.Crecraft(1967)采用“声循环”法在兆赫级范围测量了钢、铝和铜中的应力引起的速度变化。Nelson N.Hsu 测定了超声横波在钢铝中传播速度与应力的关系。Blinka 和Sackse(1976)用超声谱法, Iliceta1(1979)用差动连续波法和脉冲技术测量超声波波速。Hirao M 研究了各向同性弹性体中的变形与声表面波传播速度间的关系。 Makhort 在初始应力下，从变形角度研究建立了表面波传播速度与应力的线性关系。魏智、周晓军等在此基础上，探索航空透明构件工作和残余应力超声无损检测方法，取得了一定的效果。

　　Okada 提出的弱正交各向异性材料的平面声弹性方法可以成功的实现加载应力测量。Toda 曾提出以R 参数代替Okada 方法中的S 参数，建立适用于弱正交异性材料残余应力测量的平面声弹性方法。Pao Yihhsing 推导出了声弹性方程，从而建立了二维残余应力的声弹测试方法,吴克成、蒋立强等发展了这一思想，建立了弱正交各向异性材料残余应力测量的声弹性方法。Clark 推导出了与应力张量有关的弹性平面波的波动方程。伍行健、吴克成等导出了微正交各向异性材料平面应力问题的应力—声关系。魏智、徐蔚等建立了物体表面应力与超声波传播速度之间的一般关系。赵明阶[2]曾对岩石的声-应力相关性作过系统的研究，并建立了岩石的内部结构与应力、声参数之间的理论关系模型。

三、聚合物改性水泥混凝土声弹应力相关性研究理论发展和应用展望

　　目前国内外对混凝土声弹性的研究主要集中于零应力状态下的研究，对于其受载状态下声学特性的研究还不多，混凝土声—应力的相关性研究还处于初步研究阶段，对于聚合物改性水泥混凝土的声—应力的相关性有待于在水泥混凝土声—应力相关性研究的基础上进行深入的探索。

　　1．混凝土受载状态下超声波传播特性研究

　　混凝土内部存在着孔隙、裂隙等非连续结构面，在外荷载的作用下，混凝土中的微裂纹将闭合或扩展，从而引起混凝土的超声波参数发生变化。为了研究这一变化规律，一些学者做了相关的试验研究，并取得了一定的成果。

　　朱金颖、陈龙珠等[3]研究了混凝土单轴向压力下超声波速、幅值及主频的变化规律。逯静洲、肖诗云等[4]测定了混凝土材料经历三向受压荷载历史后超声波波速的变化规律。赵明阶[5]测试了混凝土试块在不同荷载下的横向声波波速和首波振幅与轴向压力为零状态下的波速和首波振幅之比随应力的变化规律。林军志[1]提出了对声－应力关系最为敏感时的骨料粒径、骨料种类、水灰比和砂率。陈立新[7]通过试验研究得到了对混凝土声一应力关系最为敏感的骨料粒径、骨料种类、水灰比和砂率。

　　2．聚合物改性水泥混凝土受载状态下超声波传播特性研究

　　对于聚合物改性水泥混凝土而言，超声波的传播速度取决于复合材料的物质成分和微结构。若将聚合物、水泥凝胶、砂子和骨料组成的复合材料看作均匀各向同性的连续介质，则聚合物改性水泥混凝土是聚合物、砂浆和骨料组成的三相复合体系，在这种三相复合体系中，由于在较大骨料和砂浆接触面上存在大量的粘结微裂缝，那么在外荷载作用下，微裂缝将闭合或扩展，从而引起超声波参数发生变化。

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　　超声波在聚合物改性水泥混凝土中的传播速度取决于胶结材料和填充料的类型、粗骨料的数量和颗粒成分，也取决于微粒填料的用量和结构的孔隙率。胶结材料和骨料之间的联接状况对声波的传播速度影响较大。以聚脂作为胶结料的混凝土试件的相关试验表明，可以采用显示超声波穿行速度的方法来评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学性能相近，因此，水泥混凝土的声—弹应力相关研究为聚合物改性水泥混凝土的声—弹应力研究创造了前提条件。但是水泥胶结料和聚合物粘结剂两者之间存在弹性性能的差别，这会对超声波在聚合物改性水泥混凝土中穿行的特征造成某些干扰。

　　聚合物改性水泥混凝土的微结构对超声波传播有很大影响，当孔隙率减少和体积密度增加时，对于胶结剂／骨料的比值低的聚合物改性水泥混凝土（聚合物为环氧树脂），加入微粒填料后，超声波的传播速度明显加快。同时微粒填料的加入引起聚合物胶结料发生了变性，导致了弹性模量值提高(可将聚合物胶结料视为聚合物微粒砂浆)。断口(放大成不同的倍数进行量测)表面系数和超声波传播速度之间相互关系表明：相关系数值随倍数的增加而降低。在这种情况下，由微粒填料引起的胶结料的变性对波速产生较大的影响，其程度一般比材料组成引起的微结构几何特性的影响要大。[8]聚合物改性水泥混凝土是由聚合物、水泥、粗细骨料、水、外加剂等材料组成的弹粘塑性复合体，超声波在其受载状态下的传播特性非常复杂，相关研究有待于进一步深入。

　　3．聚合物改性水泥混凝土声弹应力相关性研究应用展望

　　目前，聚合物改性水泥混凝土声—应力敏感性的相关研究较为少见，如果能够找到一种对声—应力敏感的聚合物改性水泥混凝土，将会在锚索预应力损失的监控，以及大跨度桥梁的施工应力监控和成桥应力监控等领域有着非常重要的实用价值。针对在岩土工程中广泛使用预应力锚固体系，赵明阶[5]

　　提出了锚索预应力的声测技术，该技术是通过混凝土锚墩在锁定预应力荷载作用下声学参数的测试，运用混凝土的声—荷载关系反演锚索的预应力值。高边坡预应力锚固工程的实际应用结果表明，在低应力状态下，声速和首波振幅随荷载的变化微小，由此求取的荷载误差较大，很难满足实际工程测试的要求。若能找到一种对声—应力敏感的聚合物改性水泥混凝土，以此作为锚墩的材料，然后运用声弹测试技术，或许能取得很好的测试效果。因此，能否找到一种对应力敏感的声弹材料，成为该项技术由理论可行走向推广使用过程中的一个核心问题。

　　由于当前对声—应力敏感材料的研究尚处于初步阶段，无前人的研究成果可遵循，笔者认为可以通过两种途径来探索，一是在现有的材料中寻找声—应力敏感材料，包括各种已经广泛应用和尚处于推广阶段及理论研究阶段的材料；二是研制出对声—应力敏感的新型材料。这将会是一个在较广领域和较长时间里探索的过程。在水泥混凝土声—应力相关性试验研究成果和声弹性方法的理论基础上，笔者今后将在聚合物改性水泥混凝土的范围内对其声—应力相关性试验作阶段性的研究。

四、存在问题与应用展望

　　国内外学者在声弹性理论研究方面做了大量的工作，在混凝土工作应力的测试中也逐渐体现出优越性，同时混凝土声—应力的相关性研究还处于初步研究阶段，对于聚合物改性水泥混凝土的声—应力的相关性研究更是少见。此领域研究中存在问题和应用展望现总结如下：

　　1．目前对于聚合物改性水泥混凝土的声—应力的相关性研究较为鲜见，性能优良的聚合物改性水泥混凝土将会在未来的工程中得到广泛应用，无论从这个角度还是在聚合物改性水泥混凝土中寻找声—应力敏感材料的角度而言，对该领域的声弹性相关研究具有越来越重要的实用意义。

　　2．超声波穿过聚合物改性水泥混凝土后携带出丰富的信息，但目前仅能获取的参数有声速、首波振幅、衰减系数等，浪费了大量有用的信息。从声波信号中最大限度的获取有用信息是今后声波信息处理技术的关键课题之一。

　　3．目前混凝土在低应力受载状态下声—应力相关性研究成果来看，声速和首波振幅随应力的变化都很小，无法满足工程测试的要求。通过对超声波信号的处理，寄希望能找到对应力敏感的声学参数，因此必须对超声波在水泥混凝土和聚合物改性水泥混凝土中的传播机理做深入的研究。

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　　4．采用声弹测试技术进行预应力锚索荷载测试，在一定程度上能够反应预应力损失的变化过程，但其测试精度还有较大的提高空间。若能找到一种对应力敏感的聚合物改性水泥混凝土并以此制作锚墩，然后运用声弹测试技术，或许能取得很好的测试效果。

　　参考文献：

　　[1] 林军志.混凝土声－应力相关性试验研究[D].硕士学位论文.重庆:重庆交通学院.20O4

　　[2] 赵明阶.裂隙岩体在受荷条件下的声学特性研究[D]．博士论文,重庆：重庆建筑大学,1998，4

　　[3] 朱金颖，陈龙珠，严细水．混凝土受力状态下超声波传播特性研究[J].1998，15(3)：111～117

　　[4] 逯静洲，林皋，肖诗云等.混凝土材料经历三向受压荷载历史后抗拉强度劣化的研究[J].水利学报.2001(1):68～75

　　[5] 赵明阶，徐容．锚索预应力声测技术研究及工程应用[J]．岩石力学与工程学报,2003，22(7)：1146～1150

　　[7] 陈立新，许锡宾，赵明阶，林军志.混凝土声一应力相关性影响因素分析[J].中国港湾建设.2005:6～8

　　[8] 阳明华.聚合物混凝土性能超声波鉴定法[J].市政工程国内外动态.2000.2：10～12