功率超声波应用于混凝土的研究

　　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400 km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,有关研究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%.

　　(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].