超声波检测技术在水泥稳定炉渣基层中的应用_时成林.pdf

总第195期Abstract:Inordertoapplyultrasonicdetectiontechnologytocement-stabilizedbasematerials,theultrasonicwavevelocityofce-ment-stabilized municipal solid waste incineration bottom ash base mixture at different ages,stages and states was measured by non-metallic ultrasonic detector.The variation law of wave velocity of mixture and the correlation between wave velocity and mixture strengthwere analyzed.The relationship between wave velocity and mixture strength was established,and the strength of mixture was predictedby the established relationship.The results show that the wave velocity of the mixture decreases with the increase of bottom ash content.The ultrasonic wave velocity can reflect the internal changes of the mixture to a certain extent,and the denser the mixture,the higher thewave velocity.There is a good correlation between the wave velocity variation law and the mixture strength,and the wave velocity can beusedtocalculatethemechanicalpropertiesofbasesofdifferentagesinlaboratorytestsandfieldtests.Theresearchresultshaveacertainreferencevalueforthequalityinspectionofcement-stabilizedbase,andalsotryanewmethodforevaluatingtheperformanceofcement-stabilizedbasematerials.Key words：road engineering,municipal solid waste incineration bottom ash,cement-stabilized base,ultrasonic wave velocity文章编号：1005-0574-（2023）03-0001-04DOI:10.19332/ki.1005-0574.2023.03.001超声波检测技术在水泥稳定炉渣基层中的应用时成林1，李佳1，韩红2，张健3（1.吉林建筑大学交通科学与工程学院，吉林长春130118；2.长春市公路管理处，吉林长春130021；3.吉林省交通运输综合行政执法局长春分局，吉林长春130028）摘要：为了将超声波检测技术应用于水泥稳定基层材料，利用非金属超声波探测仪，测定了水泥稳定生活垃圾焚烧炉渣基层混合料不同龄期、不同阶段和不同状态下的超声波波速，分析了混合料波速变化规律和波速与混合料强度的相关性，建立了波速与混合料强度的关系式，并通过建立的关系式预测混合料的强度。结果表明：随着炉渣掺量增加，混合料的波速降低，超声波波速能在一定程度上反应混合料内部的变化情况，混合料越密实则波速越高；波速变化规律与混合料强度有较好的相关性，可以用波速推算室内试验和现场检测时不同龄期基层的力学性能，对水泥稳定基层质量检测有一定的参考价值，也为评价水泥稳定基层材料性能尝试了新方法。关键词：道路工程；生活垃圾焚烧炉渣；水泥稳定基层；超声波波速中图分类号：U416文献标识码：A基金项目：辽宁省科学技术计划项目（2020JH2/10300097）；吉林省交通运输科技项目（2016-1-1）作者简介：时成林（1974-），男，吉林长春人，博士研究生，教授，研究方向：道路工程。1引言水泥稳定基层材料试验多采用破损性方法，如无侧限抗压强度试验、劈裂强度试验等，试验量大且由于试件的个体差异会影响试验的精度，不利于水泥稳定基层材料的性能研究和质量控制。超声波有着激发容易、检测工艺简单、操作方便、价格便宜等优点1，在水泥混凝土测强2、结构探伤3和桩基检测4等领域有着大量的研究和应用实例，近年来已经颁布了多本规范和规程。国内外学者对超声波在水泥稳定基层中的应用开展了较多研究，张向东等5通过测定水泥稳定煤渣碎石无侧限抗压试验的超声波波速-应力-应变关系曲线，建立了水泥稳定煤渣碎石无侧限抗压损伤本构模型；王英涵6测定了水泥稳定碎石在不同冻融循环次数下的超声波波速，结果表明波速随着冻融循环次数的增加而降低；Guotang Zhao等7为了研究水泥稳定碎石中水泥的加固机理，采用超声波连续无损地监测水泥稳定碎石微观结构形成过程，结果表明水泥作用机理可以分为“填充效应”和“粘结效应”；童彧斐8通过冻融循环试验和超声波检测，提出了水泥粉煤灰稳定钢渣-砼再生碎石混合料的超声波波速、相对动弹性模量与冻融损伤量之间的关系模型；潘利9基于水泥稳定级配碎石冻融前后超声波衰减的规律，建立了水泥稳定级配碎石冻融耐久性评估及寿命预测模型。内蒙古公路与运输HighwaysTransportation in Inner Mongolia1内蒙古公路与运输HighwaysTransportation in Inner Mongolia2023 年第 3 期综上所述，学者们多用超声波的变化表征水泥稳定基层材料损伤的演变，而鲜有学者进行水泥稳定基层材料超声波测强的研究，这是因为水泥稳定基层材料具有成型慢、早期强度低10和不均匀性11等特点，使得超声波应用于水泥稳定基层材料时误差较大12。本文将超声波检测技术应用于水泥稳定基层材料，分析混合料波速变化规律和波速与混合料强度的相关性，通过建立的关系式预测混合料的强度，为评价水泥稳定基层材料性能尝试新方法。2试件制备及试验方法2.1原材料水泥为32.5#复合硅酸盐水泥，其性质满足 通用硅酸盐水泥（GB 1752007）和 公路路面基层施工技术细则（JTG/T F202015）的要求，水泥的技术指标见表1。天然集料为石灰岩材质，其性能满足 公路路面基层施工技术细则（JTG/T F202015）的要求，粗集料的基本性能试验结果见表2，细集料见表3。试验所用生活垃圾焚烧炉渣取自吉林省某生活垃圾焚烧发电厂，呈灰褐色，主要由熔渣、砖石、玻璃碎片和陶瓷碎片组成，由生活垃圾经过焚烧、破碎、筛分等一系列工艺后得到，具有一定的强度和颗粒级配，其外观如图1所示，炉渣的基本性能试验结果见表4。2.2试件制备将炉渣以0、25%、38%和50%的质量分数掺入水泥稳定碎石中制备水泥稳定炉渣碎石混合料，混合料的代号为SS-0、SS-25、SS-38和SS-50。将炉渣以50%、75%和100%的质量分数与碎石细料混合，制备水泥稳定炉渣混合料，混合料代号为SL-50、SL-75和SL-100。采用静压法成型试件，水泥剂量为5%，SS组试件尺寸为 150 mm150 mm，SL 组试件尺寸为 100 mm100 mm，如图2所示。2.3试验方法超声波检测采用智博联ZBL-U520非金属探测仪，所测得波速为纵波波速，使用对测法进行波速的测定，凡士林为耦合剂，试件两个底面为测区，一个测区选取表1水泥的技术指标技术指标细度筛余量（%）（45 m方孔筛）安定性（沸煮法）凝结时间（min）抗压强度（MPa）抗折强度（MPa）初凝终凝3 d28 d3 d28 d测试值3.4合格22541013.237.13.87.2规范要求10必须合格180360，6001032.52.55.5表2粗集料的基本性能粒径（mm）1931.59.5194.759.5规范要求表观密度（g/cm3）2.7492.7412.713吸水率（%）0.220.390.50针片状颗粒含量（%）5.47.39.218压碎值（%）21.935表3细集料的基本性能粒径（mm）表观密度（g/cm3）吸水率（%）有机质含量（%）硫酸盐含量（%）2.364.752.6531.140.20.0802.362.5382.36规范要求20.25表4炉渣的基本性能粒径（mm）表观密度（g/cm3）吸水率（%）液限（%）塑限（%）塑性指数有机质含量（%）硫酸盐含量（%）02.362.5466.5542.831.910.91.20.112.369.52.5114.25规范要求1720.25图1生活垃圾焚烧炉渣外观图2试件饱水2总第195期5个测点，试件波速为5个测点的平均值，混合料波速为该组试件波速的代表值。进行了90 d、180 d无侧限抗压强度试验、90 d劈裂强度试验和180 d抗冻性试验，在到达养生龄期和进行试验前测定试件的波速。3超声波检测技术在试验中的应用3.1超声波波速变化规律各组混合料不同阶段的波速见表5。由表5可以看出，随着炉渣掺量的增加，混合料波速随之降低，在饱水后混合料的波速增加。这是因为超声波在不同的介质中有着不同的传播速度，在水中比在空气中的传播速度要快，试件成型时虽经过充分压实，但其中仍存在大量孔隙，饱水后试件中孔隙被水填满，因此饱水后波速较饱水前的波速快。超声波在碎石中的传播速度较快，而炉渣疏松多孔的结构会导致波速降低，所以随着炉渣掺量的增加混合料的波速降低，但在相同炉渣掺量变化下SL组混合料波速变化比SS组大，这是因为SS组混合料中大粒径的碎石间相互挤嵌形成骨架，声波通过试件时，相互挤嵌的碎石形成通路，使得炉渣对混合料的波速影响减小。随着龄期的增长，混合料的波速也随之增加，这是因为随着养生龄期的增长，在水泥水化作用和炉渣活性共同作用下，混合料内部变得更加密实。在冻融循环作用下混合料发生冻融损伤，内部出现缝隙或局部疏松，因此冻融循环后混合料的波速下降。3.2超声波波速与强度的关系超声波是一种机械振动产生的波，在介质中传播的速度与介质的软硬程度即强度有密切关系。超声波通过介质时，介质内部的每一个微小单元都会随之振动产生拉、压、剪等应力、应变过程，介质的强度越高，通过的波速也就越大，介质的强度越低则通过的波速也就越低13，根据这一原理便可建立波速与混合料强度的关系。试件在进行力学性能试验前需要饱水一昼夜，以模拟实际使用中的最不利状态，这对试件的力学性能有一定削弱，因此使用饱水后的波速与强度进行拟合较为准确。通过多种拟合方式的对比，结合水泥混凝土超声波测强的方法，选择幂函数进行关系式的拟合。养生90 d试件饱水后的波速与无侧限抗压强度、劈裂强度的关系如图3、图4所示，图中v为波速，P为无侧限抗压强度，S为劈裂强度。由图3可以看出，抗压强度与波速有良好的相关性，虽然各组有着不同的关系式，但整体呈波速越大强度越高的趋势。SL组的拟合效果要略优于SS组，这是因为SL组混合料仅由碎石细料和炉渣两种集料组成，是一种均匀的混合物，波速越高就反应其密实程度越高、集料间结合的越好，其强度也就越高。SS组波速主要由混合料中相互挤嵌形成骨架的碎石决定，炉渣对波速的影响较小，但在进行抗压强度试验时，抗压强度是由骨架和填充骨架的集料的强度综合决定的，因此SS组波速与抗压强度的拟合效果较SL组差。表5不同阶段波速组别SS-0SS-25SS-38SS-50SL-50SL-75SL-100波速（km/