超聲波原位監(jiān)測水泥穩(wěn)定級配碎石微結(jié)構(gòu)形成過程的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超聲波原位監(jiān)測水泥穩(wěn)定級配碎石微結(jié)構(gòu)形成過程的方法，包括以下步驟：(1)將級配碎石、水泥、水均勻拌合，然后將新拌材料裝入倒梯形凹槽模具中，得新拌水泥穩(wěn)定級配碎石；(2)將模具中的新拌水泥穩(wěn)定級配碎石進(jìn)行振動壓實(shí)，使其填滿凹槽模具并且表面與模具上表面平齊，然后將超聲波發(fā)射/接收探頭分別固定在模具的兩側(cè)；(3)設(shè)置超聲信號采集時間間隔，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和記錄，待記錄的超聲波波速穩(wěn)定后停止記錄。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明方法新穎，準(zhǔn)確度高，能夠?qū)崿F(xiàn)原位、無損、實(shí)時地檢測水泥穩(wěn)定級配碎石微結(jié)構(gòu)形成過程及發(fā)展規(guī)律，研究水泥穩(wěn)定級配碎石微結(jié)構(gòu)的影響因素。
【專利說明】
超聲波原位監(jiān)測水泥穩(wěn)定級配碎石微結(jié)構(gòu)形成過程的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種超聲波原位監(jiān)測水泥穩(wěn)定級配碎石微結(jié)構(gòu)形成過程的方法，屬于高速鐵路路基用水泥穩(wěn)定級配碎石微結(jié)構(gòu)演變研究領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國改革開發(fā)步伐的不斷加快以及經(jīng)濟(jì)和科技的跨越，我國的鐵路技術(shù)持續(xù)快速，尤其是是高鐵技術(shù)快速發(fā)展，集中體現(xiàn)了中國鐵路交通實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的進(jìn)程，使中國鐵路基礎(chǔ)設(shè)施總體水平實(shí)現(xiàn)歷史跨越式。高速鐵路工程系統(tǒng)中路基是承受軌道結(jié)構(gòu)和列車荷載的基礎(chǔ)，是鐵路工程的重要組成部分，除應(yīng)具備基本功能外，還應(yīng)額外滿足列車高速運(yùn)行時沖擊荷載的要求?？刂谱冃问锹坊O(shè)計的關(guān)鍵，而路基材料變形是軌道變形的主要來源，目前我國嚴(yán)寒地區(qū)高鐵路基材料大部分使用水泥穩(wěn)定級配碎石。
[0003]水泥穩(wěn)定級配碎石是目前廣泛用于高鐵路基的半剛性材料，是在級配碎石中摻加少量的水泥和水，經(jīng)過均勻攪拌、壓實(shí)等而形成的一種路基材料。加入級配碎石中的水泥和水發(fā)生反應(yīng)后，形成膠凝材料能夠凝結(jié)在骨料之間，增加了一定的密實(shí)度。然而，水泥在路基材料中的作用機(jī)理尚不明確，是主要起到填充作用還是膠結(jié)作用；水泥穩(wěn)定級配碎石前期微結(jié)構(gòu)形成過程也需要進(jìn)行研究。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中，對水泥穩(wěn)定級配碎石微結(jié)構(gòu)形成過程的檢測方法，主要包括試驗和數(shù)值模擬的方法。例如掃描電鏡和X-CT掃描等，這些試驗方法均需要對樣品進(jìn)行局部破壞或者只能觀測某一時刻的結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)確度差，而且無法實(shí)現(xiàn)原位檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是對高鐵路基用水泥穩(wěn)定級配碎石微結(jié)構(gòu)形成過程及影響因素研究的創(chuàng)新，提供一種超聲波原位監(jiān)測水泥穩(wěn)定級配碎石的微結(jié)構(gòu)形成過程的方法，與其他方法相比，具有方法新穎，準(zhǔn)確度高，能夠?qū)崿F(xiàn)原位、無損、實(shí)時地檢測水泥穩(wěn)定級配碎石微結(jié)構(gòu)形成過程及發(fā)展規(guī)律等優(yōu)點(diǎn)。
[0006]技術(shù)方案:為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明公開了一種超聲波原位監(jiān)測水泥穩(wěn)定級配碎石微結(jié)構(gòu)形成過程的方法，包括以下步驟:
[0007](I)將級配碎石、水泥、水均勻拌合，然后將新拌材料裝入倒梯形凹槽模具中，得新拌水泥穩(wěn)定級配碎石；
[0008](2)將模具中的新拌水泥穩(wěn)定級配碎石進(jìn)行振動壓實(shí)，使其填滿凹槽模具并且表面與模具上表面平齊，然后將超聲波發(fā)射/接收探頭分別固定在模具的兩側(cè)；
[0009](3)設(shè)置超聲信號采集時間間隔，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和記錄，待記錄的超聲波波速穩(wěn)定后停止記錄。
[0010]作為優(yōu)選，步驟(I)中所述級配碎石為0.075?31.5mm連續(xù)級配的碎石，其是由標(biāo)準(zhǔn)方孔篩篩分出單粒徑碎石，將碎石按照實(shí)際路基級配曲線進(jìn)行混合所得。
[0011]作為另一種優(yōu)選，步驟(I)中所述水泥為P.152.5娃酸鹽水泥，水為自來水。
[0012]作為另一種優(yōu)選，步驟(I)中所述級配碎石摻量為85?95%，水泥摻量為3?7%，水摻量為2?8%。
[0013]作為另一種優(yōu)選，步驟(I)中所述倒梯形凹槽模具的大小為上底10cm、下底長7cm、高9cm、寬10cm。
[0014]作為另一種優(yōu)選，步驟(2)中所述探頭表面涂抹有一層均勻的凡士林。
[0015]作為另一種優(yōu)選，步驟(3)中所述采集時間間隔為:24h內(nèi)每30min采集一次數(shù)據(jù)，24h以后每60min采集一次數(shù)據(jù)。
[0016]作為另一種優(yōu)選，步驟(3)中所述超聲發(fā)射/接收頻率最高為500kHz，脈沖寬度為I?10us0
[0017]具體方法包括如下步驟:
[0018]第一步:用標(biāo)準(zhǔn)方孔篩篩分出單粒徑碎石，將碎石按照實(shí)際路基級配曲線進(jìn)行混合，按照級配碎石摻量為85?95%，水泥摻量為3?7%，水摻量為2?8%，將級配碎石、水泥、水均勾拌合，然后將新拌材料裝入上底10cm、下底長7 cm、高9cm、寬1cm的倒梯形凹槽模具中；
[0019]第二步:將模具中的新拌水泥穩(wěn)定級配碎石進(jìn)行振動壓實(shí)，使其填滿凹槽模具并且表面與模具上表面平齊。然后將超聲波發(fā)射/接收探頭通過配套夾頭分別固定在模具的兩側(cè)，探頭表面涂抹一層均勻的凡士林使其與待測樣品充分接觸，提高結(jié)果的準(zhǔn)確性；
[0020]第三步:設(shè)置信號采集時間間隔，24h內(nèi)每30min采集一次數(shù)據(jù)，24h以后每60min采集一次數(shù)據(jù)，連接計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和記錄。待記錄的超聲波波速基本穩(wěn)定后停止記錄，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，研究水泥在級配碎石中的作用機(jī)理以及監(jiān)測水泥穩(wěn)定級配碎石微結(jié)構(gòu)形成過程。
[0021]本發(fā)明是對水泥穩(wěn)定級配碎石在開始形成至穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的實(shí)時原位監(jiān)測，準(zhǔn)確度較高，且測試過程不影響其微結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展。
[0022]本發(fā)明超聲波原位監(jiān)測水泥穩(wěn)定級配碎石的微結(jié)構(gòu)形成過程的方法，其機(jī)理如下:超聲波在混凝土中的傳播速度與混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成關(guān)系密切，不同介質(zhì)中的傳播速度是不同的，與介質(zhì)的密度、彈性模量、泊松比有密切關(guān)系。一般來說，彈性模量越高，混凝土結(jié)構(gòu)越密實(shí)，其聲速也越快。在水泥穩(wěn)定級配碎石中，由于水泥發(fā)生水化生成的水化產(chǎn)物使得級配碎石之間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，水化產(chǎn)物既能填充級配碎石之間的空隙，又能夠使碎石之間相互膠結(jié)形成一個整體，因此超聲波在材料中的傳播速度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化有著緊密的聯(lián)系，通過實(shí)時記錄超聲波在水泥穩(wěn)定級配碎石中的傳播速度，實(shí)現(xiàn)對其微結(jié)構(gòu)形成和發(fā)展的原位檢測。由于粉煤灰不發(fā)生水化反應(yīng)，因此粉煤灰在級配碎石中僅起到填充作用，設(shè)置摻加等量粉煤灰的實(shí)驗組能夠判斷水泥在其中是否起到填充作用。級配碎石中水泥摻量的不同，形成的水泥穩(wěn)定級配碎石結(jié)構(gòu)不同，因此根據(jù)實(shí)時超聲波波速數(shù)據(jù)，能夠原位無損地探究水泥穩(wěn)定級配碎石的微結(jié)構(gòu)形成和發(fā)展規(guī)律。
[0023]技術(shù)效果:相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明方法新穎，準(zhǔn)確度高，能夠?qū)崿F(xiàn)原位、無損、實(shí)時地檢測水泥穩(wěn)定級配碎石微結(jié)構(gòu)形成過程及發(fā)展規(guī)律，研究水泥穩(wěn)定級配碎石微結(jié)構(gòu)的影響因素。
【附圖說明】
[0024]圖1:水泥/粉煤灰對超聲波在級配碎石中傳播的影響；
[0025]圖2:水泥摻量對超聲波在級配碎石中傳播的影響。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明的技術(shù)解決方案。本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0027]下述所有實(shí)施例中:
[0028]級配碎石為0.075?31.5mm連續(xù)級配的碎石，其是由標(biāo)準(zhǔn)方孔篩篩分出單粒徑碎石，將碎石按照實(shí)際路基級配曲線進(jìn)行混合所得。
[0029]水泥為P.152.5娃酸鹽水泥，水為自來水。
[°03°] 倒梯形凹槽模具的大小為上底10cm、下底長7 cm、高9cm、寬10cm。
[0031]采集時間間隔為:24h內(nèi)每30min采集一次數(shù)據(jù)，24h以后每60min采集一次數(shù)據(jù)。
[0032]實(shí)施例1
[0033]按質(zhì)量分?jǐn)?shù)稱取原料，稱取級配碎石90%，粉煤灰5%，水摻量為5 %，充分拌合后裝入倒梯形凹槽模具中，將模具中的新拌水泥穩(wěn)定級配碎石進(jìn)行振動壓實(shí)，使其填滿凹槽模具并且表面與模具上表面平齊。然后將超聲波發(fā)射/接收探頭通過配套夾頭分別固定在模具的兩側(cè)，探頭表面涂抹一層均勻的凡士林使其與待測樣品充分接觸，超聲波頻率為54kHz，探頭之間距離為11cm。試驗測得超聲波波速基本不隨時間變化，約為364m/s。
[0034]實(shí)施例2
[0035]按質(zhì)量分?jǐn)?shù)稱取原料，稱取級配碎石90%，水泥5%，水摻量為5 %，充分拌合后裝入倒梯形凹槽模具中，將模具中的新拌水泥穩(wěn)定級配碎石進(jìn)行振動壓實(shí)，使其填滿凹槽模具并且表面與模具上表面平齊。然后將超聲波發(fā)射/接收探頭通過配套夾頭分別固定在模具的兩側(cè)，探頭表面涂抹一層均勻的凡士林使其與待測樣品充分接觸，超聲波頻率為54kHz，探頭之間距離為I lcm。試驗測得初始超聲波波速為368m/s，100min時超聲波波速為1324m/s，2000min時超聲波波速為2789m/s，3000min時超聲波波速為3026m/s。
[0036]實(shí)施例3
[0037]按質(zhì)量分?jǐn)?shù)稱取原料，稱取級配碎石95%，水泥3%，水摻量為2 %，充分拌合后裝入倒梯形凹槽模具中，將模具中的新拌水泥穩(wěn)定級配碎石進(jìn)行振動壓實(shí)，使其填滿凹槽模具并且表面與模具上表面平齊。然后將超聲波發(fā)射/接收探頭通過配套夾頭分別固定在模具的兩側(cè)，探頭表面涂抹一層均勻的凡士林使其與待測樣品充分接觸，超聲波頻率為54kHz，探頭之間距離為I lcm。試驗測得初始超聲波波速為312m/s，100min時超聲波波速為338m/s，2000min時超聲波波速為2185m/s，3000min時超聲波波速為2591m/s。
[0038]實(shí)施例4
[0039]按質(zhì)量分?jǐn)?shù)稱取原料，稱取級配碎石85%，水泥7 %，水摻量為8 %，充分拌合后裝入倒梯形凹槽模具中，將模具中的新拌水泥穩(wěn)定級配碎石進(jìn)行振動壓實(shí)，使其填滿凹槽模具并且表面與模具上表面平齊。然后將超聲波發(fā)射/接收探頭通過配套夾頭分別固定在模具的兩側(cè)，探頭表面涂抹一層均勻的凡士林使其與待測樣品充分接觸，超聲波頻率為54kHz，探頭之間距離為I lcm。試驗測得初始超聲波波速為293m/s，100min時超聲波波速為1828m/s，2000min時超聲波波速為2857m/s，3000min時超聲波波速為3133m/s。
[0040]檢測結(jié)果分析:
[0041]說明書附圖1中最下面曲線為超聲在級配碎石中傳播情況，中間曲線表示摻加5%粉煤灰時超聲波波速隨時間變化，最上面曲線表示摻加5%水泥(水灰比相同)時超聲波波速隨時間變化。由圖可以看出，只摻加粉煤灰時，超聲波波速相對應(yīng)不摻有一定的提高，不隨時間變化。摻加水泥時，前期和摻加粉煤灰時效果相同，600min后波速逐漸升高，至后期趨于平穩(wěn)。主要原因是前期水泥在級配碎石中僅起到填充作用，而后期由于水化反應(yīng)更多地起到膠結(jié)作用。
[0042]附圖2中三條曲線分布表示水泥摻量3%、5 %、7 % (質(zhì)量分?jǐn)?shù))時超聲波波速隨時間變化的規(guī)律。由圖可以看出，反應(yīng)前期超聲波波速基本相同；隨著時間進(jìn)行，水化反應(yīng)程度增加，超聲波波速逐漸增大;反應(yīng)后期超聲波波速均趨于穩(wěn)定，且水泥摻量越大，超聲波波速越高。主要原因為，水化前期水泥在其中主要起到填充作用；而隨著水化程度增加，水泥在其中起到膠結(jié)作用，水化產(chǎn)物使得碎石之間相互膠結(jié)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)；當(dāng)水化趨勢變緩，超聲波波速也就逐漸趨于穩(wěn)定。由于水泥摻量越高，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)越密實(shí)，最終超聲波速也越大。
【主權(quán)項】
1.一種超聲波原位監(jiān)測水泥穩(wěn)定級配碎石微結(jié)構(gòu)形成過程的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將級配碎石、水泥、水均勻拌合，然后將新拌材料裝入倒梯形凹槽模具中，得新拌水泥穩(wěn)定級配碎石； (2)將模具中的新拌水泥穩(wěn)定級配碎石進(jìn)行振動壓實(shí)，使其填滿凹槽模具并且表面與模具上表面平齊，然后將超聲波發(fā)射/接收探頭分別固定在模具的兩側(cè)； (3)設(shè)置超聲信號采集時間間隔，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和記錄，待記錄的超聲波波速穩(wěn)定后停止記錄。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(I)中所述級配碎石為0.075?31.5mm連續(xù)級配的碎石，其是由標(biāo)準(zhǔn)方孔篩篩分出單粒徑碎石，將碎石按照實(shí)際路基級配曲線進(jìn)行混合所得。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(I)中所述水泥為P.152.5硅酸鹽水泥，水為自來水。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計，步驟(I)中所述級配碎石摻量為85?95%，水泥摻量為3?7%，水摻量為2?8%。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(I)中所述倒梯形凹槽模具的大小為上底10cm、下底長7cm、高9cm、寬10cm。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(2)中所述探頭表面涂抹有一層均勻的凡士林。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(3)中所述采集時間間隔為:24h內(nèi)每30min采集一次數(shù)據(jù)，24h以后每60min采集一次數(shù)據(jù)。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(3)中所述超聲發(fā)射/接收頻率最高為500kHz，脈沖寬度為I?I OOys。
【文檔編號】G01N29/07GK105973991SQ201610304998
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月10日
【發(fā)明人】蔣金洋, 潘利, 趙國堂, 佘偉, 楊國濤
【申請人】東南大學(xué), 中國鐵路總公司