超声波原位监测水泥稳定级配碎石微结构形成过程的方法
【专利摘要】本发明公开了一种超声波原位监测水泥稳定级配碎石微结构形成过程的方法，包括以下步骤：(1)将级配碎石、水泥、水均匀拌合，然后将新拌材料装入倒梯形凹槽模具中，得新拌水泥稳定级配碎石；(2)将模具中的新拌水泥稳定级配碎石进行振动压实，使其填满凹槽模具并且表面与模具上表面平齐，然后将超声波发射/接收探头分别固定在模具的两侧；(3)设置超声信号采集时间间隔，进行数据采集和记录，待记录的超声波波速稳定后停止记录。相对于现有技术，本发明方法新颖，准确度高，能够实现原位、无损、实时地检测水泥稳定级配碎石微结构形成过程及发展规律，研究水泥稳定级配碎石微结构的影响因素。
【专利说明】
超声波原位监测水泥稳定级配碎石微结构形成过程的方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种超声波原位监测水泥稳定级配碎石微结构形成过程的方法，属于高速铁路路基用水泥稳定级配碎石微结构演变研究领域。
【背景技术】
[0002]随着我国改革开发步伐的不断加快以及经济和科技的跨越，我国的铁路技术持续快速，尤其是是高铁技术快速发展，集中体现了中国铁路交通实现跨越式发展的进程，使中国铁路基础设施总体水平实现历史跨越式。高速铁路工程系统中路基是承受轨道结构和列车荷载的基础，是铁路工程的重要组成部分，除应具备基本功能外，还应额外满足列车高速运行时冲击荷载的要求。控制变形是路基设计的关键，而路基材料变形是轨道变形的主要来源，目前我国严寒地区高铁路基材料大部分使用水泥稳定级配碎石。
[0003]水泥稳定级配碎石是目前广泛用于高铁路基的半刚性材料，是在级配碎石中掺加少量的水泥和水，经过均匀搅拌、压实等而形成的一种路基材料。加入级配碎石中的水泥和水发生反应后，形成胶凝材料能够凝结在骨料之间，增加了一定的密实度。然而，水泥在路基材料中的作用机理尚不明确，是主要起到填充作用还是胶结作用；水泥稳定级配碎石前期微结构形成过程也需要进行研究。
[0004]现有技术中，对水泥稳定级配碎石微结构形成过程的检测方法，主要包括试验和数值模拟的方法。例如扫描电镜和X-CT扫描等，这些试验方法均需要对样品进行局部破坏或者只能观测某一时刻的结构，准确度差，而且无法实现原位检测。
【发明内容】
[0005]发明目的:为了解决上述技术问题，本发明是对高铁路基用水泥稳定级配碎石微结构形成过程及影响因素研究的创新，提供一种超声波原位监测水泥稳定级配碎石的微结构形成过程的方法，与其他方法相比，具有方法新颖，准确度高，能够实现原位、无损、实时地检测水泥稳定级配碎石微结构形成过程及发展规律等优点。
[0006]技术方案:为了实现上述发明目的，本发明公开了一种超声波原位监测水泥稳定级配碎石微结构形成过程的方法，包括以下步骤:
[0007](I)将级配碎石、水泥、水均匀拌合，然后将新拌材料装入倒梯形凹槽模具中，得新拌水泥稳定级配碎石；
[0008](2)将模具中的新拌水泥稳定级配碎石进行振动压实，使其填满凹槽模具并且表面与模具上表面平齐，然后将超声波发射/接收探头分别固定在模具的两侧；
[0009](3)设置超声信号采集时间间隔，进行数据采集和记录，待记录的超声波波速稳定后停止记录。
[0010]作为优选，步骤(I)中所述级配碎石为0.075?31.5mm连续级配的碎石，其是由标准方孔筛筛分出单粒径碎石，将碎石按照实际路基级配曲线进行混合所得。
[0011]作为另一种优选，步骤(I)中所述水泥为P.152.5娃酸盐水泥，水为自来水。
[0012]作为另一种优选，步骤(I)中所述级配碎石掺量为85?95%，水泥掺量为3?7%，水掺量为2?8%。
[0013]作为另一种优选，步骤(I)中所述倒梯形凹槽模具的大小为上底10cm、下底长7cm、高9cm、宽10cm。
[0014]作为另一种优选，步骤(2)中所述探头表面涂抹有一层均匀的凡士林。
[0015]作为另一种优选，步骤(3)中所述采集时间间隔为:24h内每30min采集一次数据，24h以后每60min采集一次数据。
[0016]作为另一种优选，步骤(3)中所述超声发射/接收频率最高为500kHz，脉冲宽度为I?10us0
[0017]具体方法包括如下步骤:
[0018]第一步:用标准方孔筛筛分出单粒径碎石，将碎石按照实际路基级配曲线进行混合，按照级配碎石掺量为85?95%，水泥掺量为3?7%，水掺量为2?8%，将级配碎石、水泥、水均勾拌合，然后将新拌材料装入上底10cm、下底长7 cm、高9cm、宽1cm的倒梯形凹槽模具中；
[0019]第二步:将模具中的新拌水泥稳定级配碎石进行振动压实，使其填满凹槽模具并且表面与模具上表面平齐。然后将超声波发射/接收探头通过配套夹头分别固定在模具的两侧，探头表面涂抹一层均匀的凡士林使其与待测样品充分接触，提高结果的准确性；
[0020]第三步:设置信号采集时间间隔，24h内每30min采集一次数据，24h以后每60min采集一次数据，连接计算机进行数据采集和记录。待记录的超声波波速基本稳定后停止记录，将得到的数据进行整理分析，研究水泥在级配碎石中的作用机理以及监测水泥稳定级配碎石微结构形成过程。
[0021]本发明是对水泥稳定级配碎石在开始形成至稳定结构的实时原位监测，准确度较高，且测试过程不影响其微结构的形成和发展。
[0022]本发明超声波原位监测水泥稳定级配碎石的微结构形成过程的方法，其机理如下:超声波在混凝土中的传播速度与混凝土内部结构和组成关系密切，不同介质中的传播速度是不同的，与介质的密度、弹性模量、泊松比有密切关系。一般来说，弹性模量越高，混凝土结构越密实，其声速也越快。在水泥稳定级配碎石中，由于水泥发生水化生成的水化产物使得级配碎石之间结构发生变化，水化产物既能填充级配碎石之间的空隙，又能够使碎石之间相互胶结形成一个整体，因此超声波在材料中的传播速度和内部结构的变化有着紧密的联系，通过实时记录超声波在水泥稳定级配碎石中的传播速度，实现对其微结构形成和发展的原位检测。由于粉煤灰不发生水化反应，因此粉煤灰在级配碎石中仅起到填充作用，设置掺加等量粉煤灰的实验组能够判断水泥在其中是否起到填充作用。级配碎石中水泥掺量的不同，形成的水泥稳定级配碎石结构不同，因此根据实时超声波波速数据，能够原位无损地探究水泥稳定级配碎石的微结构形成和发展规律。
[0023]技术效果:相对于现有技术，本发明方法新颖，准确度高，能够实现原位、无损、实时地检测水泥稳定级配碎石微结构形成过程及发展规律，研究水泥稳定级配碎石微结构的影响因素。
【附图说明】
[0024]图1:水泥/粉煤灰对超声波在级配碎石中传播的影响；
[0025]图2:水泥掺量对超声波在级配碎石中传播的影响。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图进一步描述本发明的技术解决方案。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0027]下述所有实施例中:
[0028]级配碎石为0.075?31.5mm连续级配的碎石，其是由标准方孔筛筛分出单粒径碎石，将碎石按照实际路基级配曲线进行混合所得。
[0029]水泥为P.152.5娃酸盐水泥，水为自来水。
[°03°] 倒梯形凹槽模具的大小为上底10cm、下底长7 cm、高9cm、宽10cm。
[0031]采集时间间隔为:24h内每30min采集一次数据，24h以后每60min采集一次数据。
[0032]实施例1
[0033]按质量分数称取原料，称取级配碎石90%，粉煤灰5%，水掺量为5 %，充分拌合后装入倒梯形凹槽模具中，将模具中的新拌水泥稳定级配碎石进行振动压实，使其填满凹槽模具并且表面与模具上表面平齐。然后将超声波发射/接收探头通过配套夹头分别固定在模具的两侧，探头表面涂抹一层均匀的凡士林使其与待测样品充分接触，超声波频率为54kHz，探头之间距离为11cm。试验测得超声波波速基本不随时间变化，约为364m/s。
[0034]实施例2
[0035]按质量分数称取原料，称取级配碎石90%，水泥5%，水掺量为5 %，充分拌合后装入倒梯形凹槽模具中，将模具中的新拌水泥稳定级配碎石进行振动压实，使其填满凹槽模具并且表面与模具上表面平齐。然后将超声波发射/接收探头通过配套夹头分别固定在模具的两侧，探头表面涂抹一层均匀的凡士林使其与待测样品充分接触，超声波频率为54kHz，探头之间距离为I lcm。试验测得初始超声波波速为368m/s，100min时超声波波速为1324m/s，2000min时超声波波速为2789m/s，3000min时超声波波速为3026m/s。
[0036]实施例3
[0037]按质量分数称取原料，称取级配碎石95%，水泥3%，水掺量为2 %，充分拌合后装入倒梯形凹槽模具中，将模具中的新拌水泥稳定级配碎石进行振动压实，使其填满凹槽模具并且表面与模具上表面平齐。然后将超声波发射/接收探头通过配套夹头分别固定在模具的两侧，探头表面涂抹一层均匀的凡士林使其与待测样品充分接触，超声波频率为54kHz，探头之间距离为I lcm。试验测得初始超声波波速为312m/s，100min时超声波波速为338m/s，2000min时超声波波速为2185m/s，3000min时超声波波速为2591m/s。
[0038]实施例4
[0039]按质量分数称取原料，称取级配碎石85%，水泥7 %，水掺量为8 %，充分拌合后装入倒梯形凹槽模具中，将模具中的新拌水泥稳定级配碎石进行振动压实，使其填满凹槽模具并且表面与模具上表面平齐。然后将超声波发射/接收探头通过配套夹头分别固定在模具的两侧，探头表面涂抹一层均匀的凡士林使其与待测样品充分接触，超声波频率为54kHz，探头之间距离为I lcm。试验测得初始超声波波速为293m/s，100min时超声波波速为1828m/s，2000min时超声波波速为2857m/s，3000min时超声波波速为3133m/s。
[0040]检测结果分析:
[0041]说明书附图1中最下面曲线为超声在级配碎石中传播情况，中间曲线表示掺加5%粉煤灰时超声波波速随时间变化，最上面曲线表示掺加5%水泥(水灰比相同)时超声波波速随时间变化。由图可以看出，只掺加粉煤灰时，超声波波速相对应不掺有一定的提高，不随时间变化。掺加水泥时，前期和掺加粉煤灰时效果相同，600min后波速逐渐升高，至后期趋于平稳。主要原因是前期水泥在级配碎石中仅起到填充作用，而后期由于水化反应更多地起到胶结作用。
[0042]附图2中三条曲线分布表示水泥掺量3%、5 %、7 % (质量分数)时超声波波速随时间变化的规律。由图可以看出，反应前期超声波波速基本相同；随着时间进行，水化反应程度增加，超声波波速逐渐增大;反应后期超声波波速均趋于稳定，且水泥掺量越大，超声波波速越高。主要原因为，水化前期水泥在其中主要起到填充作用；而随着水化程度增加，水泥在其中起到胶结作用，水化产物使得碎石之间相互胶结，内部结构更加密实；当水化趋势变缓，超声波波速也就逐渐趋于稳定。由于水泥掺量越高，材料内部结构越密实，最终超声波速也越大。
【主权项】
1.一种超声波原位监测水泥稳定级配碎石微结构形成过程的方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)将级配碎石、水泥、水均匀拌合，然后将新拌材料装入倒梯形凹槽模具中，得新拌水泥稳定级配碎石； (2)将模具中的新拌水泥稳定级配碎石进行振动压实，使其填满凹槽模具并且表面与模具上表面平齐，然后将超声波发射/接收探头分别固定在模具的两侧； (3)设置超声信号采集时间间隔，进行数据采集和记录，待记录的超声波波速稳定后停止记录。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(I)中所述级配碎石为0.075?31.5mm连续级配的碎石，其是由标准方孔筛筛分出单粒径碎石，将碎石按照实际路基级配曲线进行混合所得。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(I)中所述水泥为P.152.5硅酸盐水泥，水为自来水。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，按质量分数计，步骤(I)中所述级配碎石掺量为85?95%，水泥掺量为3?7%，水掺量为2?8%。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(I)中所述倒梯形凹槽模具的大小为上底10cm、下底长7cm、高9cm、宽10cm。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述探头表面涂抹有一层均匀的凡士林。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述采集时间间隔为:24h内每30min采集一次数据，24h以后每60min采集一次数据。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述超声发射/接收频率最高为500kHz，脉冲宽度为I?I OOys。
【文档编号】G01N29/07GK105973991SQ201610304998
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】蒋金洋, 潘利, 赵国堂, 佘伟, 杨国涛
【申请人】东南大学, 中国铁路总公司