功率超声波应用于混凝土的研究

第1页功率超声波应用于混凝土的研究程从密1,2苏达根2何娟1,2杨作用1(1.广州大学土木工程学院，广东广州510006;2.华南理工大学材料科学与工程学院，广东广州510640)摘要：介绍了功率超声波在混凝土工程中的应用现状，对功率超声波处理水泥基浆体进行了研究。研究表明：功率超声波处理对胶砂强度的影响与浆体组成关系密切；同时存在矿渣与减水剂或矿渣与丁苯胶乳的浆体，经超声处理后试样胶砂强度明显提高（分别提高20.7%和25.0%）。文章还分析了功率超声波在混凝土工程应用中面临的问题，展望了功率超声波在混凝土工程中的应用前景。关键词：功率超声波；混凝土；超声处理中图分类号：TU528文献标识码：超声波是指频率高于人耳听觉上限的声波。正常人的听觉频率上限在16-20kHz之间。但在实际应用中，有些超声技术使用的频率可能在16kHz以下。超声频的上限是1014Hz，整个频率范围是相当宽的[1]。根据超声波功率的不同，可将超声波分为两大类[2]：检测超声波（高频低能超声）和功率超声（低频高能超声）。检测超声波是利用超声的传播和信息载体特性，探测材料的缺陷，测量物体的几何尺寸、化学性能及其他非声学性质与参量。检测超声波在混凝土工程中的应用非常成熟，如超声检验混凝土结构的完整性。功率超声波是利用大功率，高强度超声波来改变物质的性质与状态。功率超声波的应用包括超声清洗、焊接、加工、促进生物医学效应等，而在混凝土工程中的应用还处于实验室阶段。1超声效应及在混凝土中的应用1.1超声效应功率超声波在液体中会产生空化效应、活化效应、剪切效应和抑制效应等。其中，在液体中最重要的应用是空化效应。大功率超声波的声压幅很大，当超声波通过液体媒质时，液体中超声波的稀疏区会被拉断而出现微小的孔腔，在液体中生成充满气体的气泡，即出现空化效应。气泡的崩溃闭合类似于一个小的爆炸过程，持续时间仅为几微秒。在极短的时间内产生一个强压力脉冲，从而在崩溃点处形成一个局部热点，并伴随有强烈的冲击波和时速达400km的射流以及放电、发光作用[3]。有人通过理论计算，认为气泡内最高温度是万度的量级[4]。脉冲持续结束之后，该热点随即冷却。超声空化伴随的物理效应归纳为4种[3]：①机械效应（体系中的声热流、冲击波、微射流等）；②热效应（体系局部的高温、高压及整体升温）；③光效应（声致发光）；④活化效应（水溶液中产生羟基自由基）。超声波空化的不同效应有不同的应用，如在超声清洗中声第2页空化的机械作用是关键，而在促进化学反应中高温、高压起到主导作用[5]。当然，这4种效应也不是完全孤立的，而是相互作用、相互促进的[3]。影响超声空化的因素很多，在相关文章中有较多的分析[6]。1.2功率超声波应用于混凝土的研究现状超声波在水泥和混凝土中的应用研究主要集中在超声检测方面，所用的是高频低能的检测超声波。低频高能的功率超声波应用于混凝土工程的研究较少，主要有如下几个方面。（1）超声粉碎。有研究者对超声细化粉煤灰进行了研究[7]。采用低频高强的功率超声波对粉煤灰颗粒进行破碎，提高粉煤灰细度。研究表明，随处理时间的延长，粉煤灰的颗粒变小，水化活性提高。用处理过的粉煤灰取代10%的P.O42.5水泥成型净浆试件，与未处理的粉煤灰相比，强度提高25.4％。关于超声破碎与机械破碎的粉煤灰颗粒之间活性是否存在不同，没有查阅到相关的研究资料。（2）超声处理骨料表面。功率超声波还在清洁破碎混凝土表面上有应用。用破碎的旧混凝土作粗骨料时，在碎粒表面会粘附一层水化过的水泥粉尘，这些粉尘降低了破碎混凝土与新水泥浆的粘结效果。用超声波处理破碎的旧混凝土，可清洁其表面，成型的混凝土强度可提高7％左右[8]。（3）超声振捣器的研制。功率超声波在混凝土工程中的另一个潜在应用是捣实。针对目前工程中采用的偏心式或行星式振捣器存在的噪声大，受轴承寿命限制频率提高有困难等缺点，有人提出了超声振捣器概念，并进行了一系列的研究[9,10]。提出了超声波振动器的能量模型，对超声振动棒的力学模型进行研究。该振捣器使用超声发生器产生超声振动，通过变幅杆扩大振幅，对混凝土拌合物振捣致密。该振捣器模型在理论上解决了传统振捣器的轴承寿命和噪声污染问题。但该振捣器目前还处在实验研究阶段，其捣实效果、可靠性、使用寿命等还有待研究。2功率超声波直接处理水泥基浆体的研究功率超声波直接处理水泥基浆体的研究是一个空白领域。在维普中文科技期刊全文数据库内进行相关研究检索，检索目期从1989年1月到2007年12月，没有检索到功率超声波直接处理水泥基浆体方面的内容。笔者对功率超声波直接处理水泥基浆体进行了初步研究。2.1原材料水泥：广州石井水泥公司，P.O32.5R、P.O42.5R；矿渣：柳州台泥，28d活性指数≥95%；粉煤灰：广电，二级灰；减水剂：市售FDN粉剂，推荐掺量，0.8％，减水率，25％；丁苯胶乳：市售，固含量50%。2.2试验方案为了比较超声波对不同组成的水泥浆体的影响，在标准水泥胶砂的基础上增加了矿渣、粉煤灰、减水剂、丁苯胶乳等，各组浆体配比见表1。按以下步骤进行试验：第3页(1)按表1所示的配比称量好各组份，根据需要将固体粉料（水泥、矿渣、粉煤灰）拌合均匀；(2)按《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》GB1346-2001的要求拌制水泥净浆、每组样拌制两份；(3)一份密封置于超声环境中处理10min，另一份密封静置相同时间；(4)称量处理后的浆体和静置后的浆体各675g，置于胶砂搅拌锅内，参照《水泥胶砂强度检验方法》GB17671-1999的要求进行胶砂强度试验。2.3试验结果与分析抗压强度结果见表1。表1超声处理试验Table1TestofUltrasonicTreatment编号水泥浆体配比（质量比）/g抗压强度水泥水矿渣粉煤灰减水剂胶乳处理前/MPa处理后/MPa提高率/%A420300-180--31.632.83.8B420300180---44.043.60.9C420300180-6-21.325.720.7D420300180--615.219.025.0E600300---616.818.07.1F420300-180-614.312.4-13.3注：A、B、C样所用的水泥为P.O42.5，龄期10d；D、E、F样所用的水泥为P.O32.5，龄期7d。试验表明：在上述试验条件下，功率超声波处理浆体对胶砂强度的影响与浆体组成关系密切。（1）矿渣与减水剂、矿渣与胶乳同时存在，浆体经超声处理的试件胶砂强度明显提高，C样和D样分别提高20.7%和25.0%。（2）无减水剂或胶乳时，浆体经超声波处理的试件胶砂强度变化不明显（A样、B样和E样）。（3）粉煤灰和胶乳同时存在的F样，浆体在超声波处理过程中凝聚严重，胶砂强度明显下降。对于出现的上述试验现象与结果的机理，尚在进一步研究之中。3存在的问题3.1相关的研究太少如前所述，功率超声波在混凝土工程中的应用非常少。除了前述的研究外，廖振方等人第4页在相关领域进行了深入的研究，他们将集强电场、强磁场、超声波、光辐射及空化流于一体的电液压脉冲的强极性活化水应用于混凝土。研究表明[11]，用电液压脉冲技术制备的活化水拌制混凝土，其抗压强度提高达48％以上。但是，由于立足点是电液压脉冲的强极性活化水，功率超声波的作用并不是该研究重点。并且，该研究较少从水泥物理化学角度来对研究结果进行分析。相关文章表明[11-13]，对活化水提高混凝土强度的机理分析方面并没有考虑到活化水对水泥浆体絮凝结构、表面双电层、润湿、分散等方面的影响。功率超声波因空化而产生的机械作用、热效应等对水泥浆体作用方面的研究，特别是功率超声波对矿物掺合料的活化作用还没有受到研究人员的重视。直接利用超声波处理水泥基浆体，功率超声波对水泥浆分散体系的润湿、分散、分散保持、流动性和动电性质的影响，超声处理对无机掺合料的活化作用，对减水剂减水效率的影响等都尚待进一步研究。3.2实用化研究进展缓慢功率超声处理的研究历史可以追朔到一百年前，相关的实验室研究成果非常丰富。但是，像超声除垢这样将功率超声大量应用于实践的案例还是太少。功率超声波在混凝土工程中的应用也是这样。如前所叙，功率超声波在混凝土工程中的应用研究取得了一定的成果。但这些成果基本上都处于实验室阶段。无论是超声振捣器、超声粉碎粉煤灰、超声处理水泥基浆体的研究，还是与功率超声相关的电液压脉冲活化水提高混凝土强度的研究，都没有推广到混凝土工程中去。一方面是因为这些研究还不够成熟；另一方面，大功率的超声换能器研究的滞后限制了功率超声波的推广应用[14]，功率超声波在混凝土工程中的应用也面临同样的问题。4应用前景功率超声波在清洗、医学、加工、焊接、化学等方面的应用已经相当成熟。这些应用和相关研究人员在这些方面的研究成果也为功率超声波在混凝土工程中的应用提供了一定的理论基础和借鉴作用。功率超声波在高分子材料中的应用成果丰富，可应用于高分子合成、超声加工、超声焊接等。有人为研究挤出发泡中超声波的作用，在PS材料的挤出加工过程中引入了超声波[15]。结果表明，加入超声波后挤出压力降低，泡体密度随着超声振幅的增大而增加，同时气泡变得更加细小，气泡的大小和分布更加均匀，说明超声波可促进发泡成核和泡核生长。这些成果为我们研究超声波在水泥分散体系中对气泡的影响等问题提供有益的参考。超声波的消泡作用也为提高混凝土密实度提供了一种途径。在粉体工程中，超声可用于分散粉体，其机理[16]：一方面超声波在颗粒体系中以驻波形式传播，使颗粒受到周期性的拉伸和压缩，从而使颗粒撕裂、分开；另一方面，超声波在液体中产生的空化作用，使颗粒分开。根据这一理论，当大功率超声波作用于掺减水剂的水泥基浆体时，由于驻波的拉伸和压缩作用，将会促使水泥浆体絮凝结构的解体，提高减水剂的减水效率。随着对功率超声波研究的深入，功率超声波在混凝土工程中，特别是用于处理水泥基浆体，将有广阔的应用前景。第5页参考文献：[1]曹凤国.超声加工技术[M].北京:化学工业出版社,2005年.ZAOFeng-guo.Ultrasonicmachiningtechnology[M].Beijing:ChemicalIndustryPress,2005.[2]李姜,梁梅,林影,等.超声技术在高分子材料中应用研究进展[J].应用声学,2005,24(1):53-58.LIJiang,LIANGMei,LINYing,etal.Recentdevelopmentofapplicationofultrasonictechnologytopolymer[J].ApplAcoust,2005,24(1):53-58.[3]李伟，刘亚青.超声波的空化作用在聚合物化工中的应用[J].科技情报开发与经济,2007,17(1):312-134.LIWei,LIUYa-qing.TheApplicationofCavitationofUltrasonicWaveinChemicalEngineeringofPolymer[J].Sci-TechInfDevEco,2007,17(1):312-134.[4]应崇福,安宇.声空化气泡内部的高温和高压分布[J].中国科学(A辑),2002,32(4):305-313.YINGChong-fu,ANYu.Distributionsofthehightemperatureandthehighpressureinsideacousticcavitationbubble[J].SciChina,Ser.A,2002,32(4):305-313.[5]应崇福.液体中的声处理应用和声空化工程[J].应用声学,2006,25(5):261-264.YINGChong-fu.AcousticprocessinginliquidsandAcousticcavitationengineering[J].ApplAcoust,2006,25(5):261-264.[6]王萍辉.超声空化影响因素[J].河北理工学院学报,2003