超聲波原位監(jiān)測水泥穩(wěn)定級配碎石微結構形成過程的方法
【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)定級配碎石微結構形成過程的方法，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)定級配碎石進行振動壓實，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；(3)設置超聲信號采集時間間隔，進行數據采集和記錄，待記錄的超聲波波速穩(wěn)定后停止記錄。相對于現有技術，本發(fā)明方法新穎，準確度高，能夠實現原位、無損、實時地檢測水泥穩(wěn)定級配碎石微結構形成過程及發(fā)展規(guī)律，研究水泥穩(wěn)定級配碎石微結構的影響因素。
【專利說明】
超聲波原位監(jiān)測水泥穩(wěn)定級配碎石微結構形成過程的方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種超聲波原位監(jiān)測水泥穩(wěn)定級配碎石微結構形成過程的方法，屬于高速鐵路路基用水泥穩(wěn)定級配碎石微結構演變研究領域。
【背景技術】
[0002]隨著我國改革開發(fā)步伐的不斷加快以及經濟和科技的跨越，我國的鐵路技術持續(xù)快速，尤其是是高鐵技術快速發(fā)展，集中體現了中國鐵路交通實現跨越式發(fā)展的進程，使中國鐵路基礎設施總體水平實現歷史跨越式。高速鐵路工程系統(tǒng)中路基是承受軌道結構和列車荷載的基礎，是鐵路工程的重要組成部分，除應具備基本功能外，還應額外滿足列車高速運行時沖擊荷載的要求?？刂谱冃问锹坊O計的關鍵，而路基材料變形是軌道變形的主要來源，目前我國嚴寒地區(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，經過均勻攪拌、壓實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)生反應后，形成膠凝材料能夠凝結在骨料之間，增加了一定的密實度。然而，水泥在路基材料中的作用機理尚不明確，是主要起到填充作用還是膠結作用；水泥穩(wěn)定級配碎石前期微結構形成過程也需要進行研究。
[0004]現有技術中，對水泥穩(wěn)定級配碎石微結構形成過程的檢測方法，主要包括試驗和數值模擬的方法。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行局部破壞或者只能觀測某一時刻的結構，準確度差，而且無法實現原位檢測。
【發(fā)明內容】
[0005]發(fā)明目的:為了解決上述技術問題，本發(fā)明是對高鐵路基用水泥穩(wěn)定級配碎石微結構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)定級配碎石的微結構形成過程的方法，與其他方法相比，具有方法新穎，準確度高，能夠實現原位、無損、實時地檢測水泥穩(wěn)定級配碎石微結構形成過程及發(fā)展規(guī)律等優(yōu)點。
[0006]技術方案:為了實現上述發(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)定級配碎石微結構形成過程的方法，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)定級配碎石進行振動壓實，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；
[0009](3)設置超聲信號采集時間間隔，進行數據采集和記錄，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，其是由標準方孔篩篩分出單粒徑碎石，將碎石按照實際路基級配曲線進行混合所得。
[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內每30min采集一次數據，24h以后每60min采集一次數據。
[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:用標準方孔篩篩分出單粒徑碎石，將碎石按照實際路基級配曲線進行混合，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)定級配碎石進行振動壓實，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，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，提高結果的準確性；
[0020]第三步:設置信號采集時間間隔，24h內每30min采集一次數據，24h以后每60min采集一次數據，連接計算機進行數據采集和記錄。待記錄的超聲波波速基本穩(wěn)定后停止記錄，將得到的數據進行整理分析，研究水泥在級配碎石中的作用機理以及監(jiān)測水泥穩(wěn)定級配碎石微結構形成過程。
[0021]本發(fā)明是對水泥穩(wěn)定級配碎石在開始形成至穩(wěn)定結構的實時原位監(jiān)測，準確度較高，且測試過程不影響其微結構的形成和發(fā)展。
[0022]本發(fā)明超聲波原位監(jiān)測水泥穩(wěn)定級配碎石的微結構形成過程的方法，其機理如下:超聲波在混凝土中的傳播速度與混凝土內部結構和組成關系密切，不同介質中的傳播速度是不同的，與介質的密度、彈性模量、泊松比有密切關系。一般來說，彈性模量越高，混凝土結構越密實，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物使得級配碎石之間結構發(fā)生變化，水化產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形成一個整體，因此超聲波在材料中的傳播速度和內部結構的變化有著緊密的聯系，通過實時記錄超聲波在水泥穩(wěn)定級配碎石中的傳播速度，實現對其微結構形成和發(fā)展的原位檢測。由于粉煤灰不發(fā)生水化反應，因此粉煤灰在級配碎石中僅起到填充作用，設置摻加等量粉煤灰的實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)定級配碎石結構不同，因此根據實時超聲波波速數據，能夠原位無損地探究水泥穩(wěn)定級配碎石的微結構形成和發(fā)展規(guī)律。
[0023]技術效果:相對于現有技術，本發(fā)明方法新穎，準確度高，能夠實現原位、無損、實時地檢測水泥穩(wěn)定級配碎石微結構形成過程及發(fā)展規(guī)律，研究水泥穩(wěn)定級配碎石微結構的影響因素。
【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。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖進一步描述本發(fā)明的技術解決方案。本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0027]下述所有實施例中:
[0028]級配碎石為0.075?31.5mm連續(xù)級配的碎石，其是由標準方孔篩篩分出單粒徑碎石，將碎石按照實際路基級配曲線進行混合所得。
[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內每30min采集一次數據，24h以后每60min采集一次數據。
[0032]實施例1
[0033]按質量分數稱取原料，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)定級配碎石進行振動壓實，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，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]實施例2
[0035]按質量分數稱取原料，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)定級配碎石進行振動壓實，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，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]實施例3
[0037]按質量分數稱取原料，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)定級配碎石進行振動壓實，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，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]實施例4
[0039]按質量分數稱取原料，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)定級配碎石進行振動壓實，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，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更多地起到膠結作用。
[0042]附圖2中三條曲線分布表示水泥摻量3%、5 %、7 % (質量分數)時超聲波波速隨時間變化的規(guī)律。由圖可以看出，反應前期超聲波波速基本相同；隨著時間進行，水化反應程度增加，超聲波波速逐漸增大;反應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作用，水化產物使得碎石之間相互膠結，內部結構更加密實；當水化趨勢變緩，超聲波波速也就逐漸趨于穩(wěn)定。由于水泥摻量越高，材料內部結構越密實，最終超聲波速也越大。
【主權項】
1.一種超聲波原位監(jiān)測水泥穩(wěn)定級配碎石微結構形成過程的方法，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)定級配碎石進行振動壓實，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； (3)設置超聲信號采集時間間隔，進行數據采集和記錄，待記錄的超聲波波速穩(wěn)定后停止記錄。2.根據權利要求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，其是由標準方孔篩篩分出單粒徑碎石，將碎石按照實際路基級配曲線進行混合所得。3.根據權利要求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.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，按質量分數計，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.根據權利要求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.根據權利要求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.根據權利要求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內每30min采集一次數據，24h以后每60min采集一次數據。8.根據權利要求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, 中國鐵路總公司