[发明专利]用于混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的系统和方法及其使用的传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的系统和方法及其使用的传感器，更具体地，本发明涉及一种利用超声波技术进行混凝土结构的现场水化监视和损伤检测的系统和方法，以及用于该系统和方法的传感器。

背景技术

在有水的情况下，水泥颗粒中的各种化合物将会水化形成新的化合物，这些化合物逐步形成混凝土结构中硬化的水泥浆的基层结构。水泥中的C₃S和C₂S形成最重要的强度贡献物，水化硅酸钙，其非晶质的特性是众所周知的。它们的反应还产生带有与众不同的六边形片状形态的氢氧化钙。C₃A、硫酸盐和水形成名为硫化铝酸钙的六边形晶体。通常，它们被观察到呈长的细长针状。除了水化化合物之外，微孔是水化混凝土结构的另一个主要部分。根据它们的尺寸，微孔可被分类为凝胶微孔、毛细管微孔和圈闭微孔。水化化合物和微孔结构组成水化混凝土结构的基本微观结构。由于混凝土结构的微观结构确定其机械特性，所以目前做出了大量努力来研究和评估混凝土结构水化期间的微观结构发展的过程和机理。

已经有多种方法来探查早期混凝土结构的微观结构变化。由于在混凝土结构水化期间的化学反应会引起混凝土结构温度的上升，因而，混凝土结构的温度表明了水化的程度。当混凝土结构的温度下降时，就认为其水化程度接近稳定程度。因此，可以采用温度监视方法来探测混凝土结构的微观结构变化。此外，非接触式电阻率方法由Li等人引入以评估早期混凝土结构的水化过程(参见Z.Li，X.Wei，W.Li，“Preliminary Interpretation of Portland Cement Hydration Process using Resistivity Measurements”，ACIMaterials Journal，100(3)，253-257(2003))。已经发现非接触式电阻率测量适合于处于非常早的时期的混凝土结构的详细监视，因为它对液体与孔隙溶液中的离子浓度和迁移率十分敏感，并且各种截然不同的水化阶段能被识别出来(参见L.Xiao，Z.Li，“Early-age Hydration of Fresh Concrete Monitored by Non-contact Electrical Resistivity Measurement”，Cement and Concrete Research，Volume 38，Issue 3，March 2008，Pages 312-319)。

此外，Sayers和Dahlin讨论了连续测量超声压缩波的速度和幅度以反映水泥浆微观结构发展的演变的可能性(参见C.Sayers，A.Dahlin，“Propagation of Ultrasound Through Hydrating Cement Pastes at Early Times”，Advanced Cement Based Materials，1993；1：12-21)。基于它们的结果，水泥浆的微观结构发展被看待为在没有体积消失和剪切模量的情况下从不规则形状水泥颗粒的粘性悬浮液到多孔弹性固体的过程。受该思想的启发，Grosse等人制造和改进了一系列的超声波测试装置，旨在表现水泥基材料的水化过程的特性(参见C.Grosse，“About the Improvement of US Measurement Techniques for the Quality Control of Fresh Concrete”，Otto-Graf-Journal，Vol.13，2002)。Ye等人借助于HYMOSTRUC模型仿真和超声波脉冲速度测量研究了水泥基材料的微观结构的发展(参见G.Ye，P.Lura，K.Breugel，A.Fraaij，“Study on the Development of the Microstructure in Cement-based Materials by means of Numerical Simulation and Ultrasonic Pulse Velocity Measurement”，Cement and Concrete Composites，26(2004)491-497)，他们清楚地识别并生动地说明了微观结构发展和渗透概念。此外，相比传统的非接触式复电阻率监视方法和温度监视方法，超声波水化监视方法能更令人满意地探查早期混凝土的微观结构发展和水化程度。