混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性超聲檢測(cè)方法的研究

混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性超聲檢測(cè)方法的研究

摘要依據(jù)固體結(jié)構(gòu)動(dòng)彈模與表面波速度的本構(gòu)關(guān)系，采用超聲波技術(shù)檢測(cè)混凝土凍融試件的動(dòng)彈模，并與共振法測(cè)出的動(dòng)彈模進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)出其內(nèi)在相關(guān)規(guī)律，建立起預(yù)報(bào)混凝土動(dòng)彈模的回歸方程，由測(cè)得的波速計(jì)算出相應(yīng)的動(dòng)彈模，再利用動(dòng)彈模之比評(píng)定出混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍性。通過(guò)初步試驗(yàn)和檢測(cè)方法的研究表明，此研究方法思路切實(shí)可行，可供混凝土耐久性檢測(cè)工程參考。

關(guān)鍵詞超聲檢測(cè)共振法混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性

水工混凝土建筑物經(jīng)常受到凍融剝蝕的破壞，所以其混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍性是必須檢測(cè)的主要指標(biāo)，由于實(shí)驗(yàn)室制作的試件與結(jié)構(gòu)物上的混凝土抗凍性存在著差異，在結(jié)構(gòu)物上切割混凝土試件所引起的破損又不能被人們接受，且實(shí)驗(yàn)室測(cè)試也只對(duì)來(lái)樣負(fù)責(zé)，因此必須研究一種更加真實(shí)地反映混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性的無(wú)損檢測(cè)方法，直接檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)抵抗凍融破壞的能力，這對(duì)于實(shí)施混凝土工程現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制，特別是對(duì)國(guó)家重點(diǎn)水工混凝土建筑物的質(zhì)量檢測(cè)及其長(zhǎng)期耐久性評(píng)估尤為重要。

共振法測(cè)定混凝士試件在凍融循環(huán)過(guò)程中的動(dòng)彈模變化，作為混凝土材料的抗凍性指標(biāo)，它對(duì)試件而言可算是一種無(wú)損檢測(cè)方法，但對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)而言，共振法就無(wú)能為力［1］。超聲波法測(cè)試量為波速、波譜和衰減系數(shù)等，其換算原理為應(yīng)力波分析及其混凝土彈性、非彈性等性能之間的關(guān)系，它不需要整體結(jié)構(gòu)的激振，而且超聲波能夠穿透混凝土結(jié)構(gòu)本身，其輻射面較大，測(cè)量值和分析計(jì)算方法選擇余地大，因此用超聲波參量表達(dá)混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)彈性模量是可行的，該方法不需要專門形狀和尺寸的混凝土試件，就可評(píng)價(jià)混凝士結(jié)構(gòu)的抗凍融指標(biāo)。

1超聲波法測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng)彈模的理論依據(jù)

計(jì)算公式為計(jì)算動(dòng)彈模Ed，文獻(xiàn)［2］中提出了采用常規(guī)縱波超聲換能器，依表面平測(cè)法測(cè)定混凝土表面波的速度，來(lái)確定其動(dòng)彈模Ed和泊松比μ的新方法，可在各種混凝土結(jié)構(gòu)物上直接測(cè)得其動(dòng)彈性模量。

固體材料的動(dòng)彈模與其表面波速度之間的關(guān)系為［3］式中：ρ為固體的密度，Vr為表面波速度。對(duì)硬化混凝土來(lái)講，泊松比一般在～之間。如取μ=時(shí)，則

Ed=ρV2r(2)

其相對(duì)動(dòng)彈?？砂聪率接?jì)算

式中：Vr0為初始表面波速度。

檢測(cè)原理置于固體表面的縱波換能器將發(fā)出軸向的平面波，即縱波、橫波以及微弱的徑向邊緣波，換能器還發(fā)射能量更強(qiáng)的表面波并沿固體表面?zhèn)鞑?。波形的前部?yīng)是縱波，因?yàn)樗牟ㄋ僮畲?，但其振幅很??；波形后面部分振幅突然增大，是由于波速小于縱波的表面波到達(dá)，但它的信號(hào)最強(qiáng)。采用超聲多點(diǎn)表面平測(cè)法，測(cè)試時(shí)首先確定縱波的初至點(diǎn)以及表面波的初至點(diǎn)和第—個(gè)峰值點(diǎn)，為與橫向振動(dòng)共振法作對(duì)比，試驗(yàn)中盡量做到超聲法與共振法測(cè)距和測(cè)點(diǎn)都相同，測(cè)距從試件端部算起，分別為50mm、100mm、150mm、200mm、250mm，測(cè)得混凝土材料的表面波速度后，對(duì)于密度已知的混凝土來(lái)講，則可由式求得混凝土材料的動(dòng)彈性模量。

共振法動(dòng)彈模的計(jì)算方法共振法是用周期脈沖力激勵(lì)混凝土試件穩(wěn)態(tài)振動(dòng)，記錄其振動(dòng)參數(shù)，根據(jù)激勵(lì)頻率及振動(dòng)衰減系數(shù)，推算混凝土的彈性和非彈性性質(zhì)，可作為混凝土耐久性試驗(yàn)中的一個(gè)測(cè)試指標(biāo)得出其相對(duì)值。由于凍融損傷作用在混凝土表層中出現(xiàn)較快，因此采用橫向共振為基礎(chǔ)的測(cè)試方法，可以迅速取得有關(guān)混凝土表面性能變化的資料。

橫向振動(dòng)的動(dòng)彈模與固有頻率關(guān)系的一般表達(dá)式為［3］

對(duì)于矩形截面桿件：J=ba3／12;基振：m=。由于試件尺寸比：L/a=4(L=400mm，a=100mm)，根據(jù)參考文獻(xiàn)［４］，當(dāng)泊松比μ=時(shí)，Tn取，式(4)可簡(jiǎn)寫成

另外，如果按照兩種方法所測(cè)得的動(dòng)彈模相等的觀點(diǎn)，則Ed=E′d,由式(2)和式(5)得

2用超聲波法檢測(cè)混凝土凍融試件的動(dòng)彈模

測(cè)試方案測(cè)量混凝土材料超聲波表面波速度的試件尺寸為100mm×100mm×400mm，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d齡期后測(cè)試。按混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法GBJ82—85執(zhí)行，試件凍融前在水中浸泡，凍融過(guò)程中均處于飽和水狀態(tài)，其中溫度控制在-17±2℃和8±2℃之間，凍融循環(huán)在2～4h內(nèi)完成，用于融化的時(shí)間不得小于整個(gè)凍融時(shí)間的1／4。在試驗(yàn)過(guò)程中，每?jī)鋈谘h(huán)50次，測(cè)量出混凝土試件的超聲波表面波速度，并同時(shí)用共振法測(cè)試混凝土試件的共振頻率。

測(cè)試儀器檢測(cè)設(shè)備為CTS-45型非金屬超聲波檢測(cè)儀和附加示波單元，另以數(shù)字存貯示波器來(lái)顯示波形和測(cè)量聲時(shí)。示波器由附加示波單元所產(chǎn)生的激發(fā)脈沖觸發(fā)，并有能左右自由移動(dòng)的游標(biāo)，用來(lái)測(cè)量波形上任一點(diǎn)的聲時(shí)，精度為μs，從觸發(fā)開(kāi)始到游標(biāo)所在位置所經(jīng)歷時(shí)間顯示在示波屏上。探頭使用一對(duì)50kHz普通縱波換能器，并用黃油做耦合劑，同時(shí)采用DT-4W自動(dòng)掃頻數(shù)字動(dòng)彈儀測(cè)量橫向共振頻率。

測(cè)試結(jié)果測(cè)量混凝土凍融試件在5個(gè)測(cè)距下，表面波到達(dá)初至點(diǎn)和第一個(gè)峰值點(diǎn)的聲時(shí)，按常規(guī)作圖法求出測(cè)距—聲時(shí)直線的斜率，最終得到超聲波表面波速度，在這里測(cè)量時(shí)盡量使試件處于干燥狀態(tài)。值得一提的是，試驗(yàn)用混凝土試件的抗凍性能均較高，幾乎看不到混凝土試件表面剝蝕現(xiàn)象，重量損失率僅為％，混凝土表面凍融損傷層很薄，試件橫向和縱向相對(duì)變形也很小，因此在試驗(yàn)過(guò)程中混凝土材料的密度、泊松比及試件尺寸可以認(rèn)為不變。根據(jù)測(cè)試的表面波速度和共振頻率，按式和式計(jì)算分別得到混凝土材料的超聲法和共振法動(dòng)彈性模量，如表1所示。注：試件為鋼纖維混凝土，ρ取×１０3kg/m3。

3與共振法測(cè)混凝土動(dòng)彈模的對(duì)比

通過(guò)對(duì)表1超聲法和共振法測(cè)得的各組相應(yīng)的動(dòng)彈模Ed與動(dòng)彈模E′d，波速Vr與頻率f，動(dòng)彈模Ed與波速Vr之間進(jìn)行回歸分析，常數(shù)項(xiàng)用最小二乘法確定，得到回歸方程，如表2所示。由表2分析可見(jiàn)：超聲波法和共振法所測(cè)得的混凝土動(dòng)彈模之間，表面波速度與橫向共振頻率之間具有良好的線性相關(guān)性，兩種方法所測(cè)得的物理量基本符合式的關(guān)系，其回歸曲線與散點(diǎn)擬合效果很好，回歸方程計(jì)算值較

精確地反映了混凝土動(dòng)彈模變化的規(guī)律，混凝土動(dòng)彈模與波速之間近似成平方關(guān)系。另外從表1中可見(jiàn)，兩種方法所測(cè)得的相對(duì)動(dòng)彈?；鞠嗤?，因而可以用超聲波法對(duì)混凝土試件測(cè)試的動(dòng)彈模，代替共振法所測(cè)試的動(dòng)彈模數(shù)值，再用其相對(duì)動(dòng)彈模來(lái)判別混凝土抵抗凍融破壞的能力。

4結(jié)語(yǔ)

超聲波法檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性的方法研究，仿照超聲波測(cè)混凝土強(qiáng)度的基本思路，通過(guò)回歸分析建立了檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性校準(zhǔn)曲線，從數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出：混凝土動(dòng)彈模與超聲波速度之間存在著良好的相關(guān)性，每組相關(guān)系數(shù)非常接近于1，相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)數(shù)值顯著；對(duì)于回歸方程效果的檢驗(yàn)，由相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差計(jì)算值很小，可知回歸方程所揭示的規(guī)律性很強(qiáng)，說(shuō)明回歸方程預(yù)報(bào)的混凝土動(dòng)彈模數(shù)值比較精確。因此，對(duì)應(yīng)于混凝土結(jié)構(gòu)中測(cè)量到的某一波速，可由曲線獲得其相應(yīng)的動(dòng)彈模值，再用該動(dòng)彈模值與初始動(dòng)彈模值之比，評(píng)估出混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍性能。今后在考慮多因素影響的情況下，逐步深入完善超聲波檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性的研究，建立更加完備的混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)從試件測(cè)試到結(jié)構(gòu)檢測(cè)。

參考文獻(xiàn)

［1］國(guó)家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心.混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)［M］。北京：中國(guó)