混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性超聲檢測方法的研究

混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性超聲檢測方法的研究

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

關(guān)鍵詞超聲檢測共振法混凝土結(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的主要指標(biāo)，由于實驗室制作的試件與結(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，且實驗室測試也只對來樣負(fù)責(zé)，因此必須研究一種更加真實地反映混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性的無損檢測方法，直接檢測混凝土結(jié)構(gòu)抵抗凍融破壞的能力，這對于實施混凝土工程現(xiàn)場質(zhì)量控制，特別是對國家重點水工混凝土建筑物的質(zhì)量檢測及其長期耐久性評估尤為重要。

共振法測定混凝士試件在凍融循環(huán)過程中的動彈模變化，作為混凝土材料的抗凍性指標(biāo)，它對試件而言可算是一種無損檢測方法，但對混凝土結(jié)構(gòu)而言，共振法就無能為力［1］。超聲波法測試量為波速、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，測量值和分析計算方法選擇余地大，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，就可評價混凝士結(jié)構(gòu)的抗凍融指標(biāo)。

1超聲波法測混凝土結(jié)構(gòu)動彈模的理論依據(jù)

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

固體材料的動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。對硬化混凝土來講，泊松比一般在～之間。如取μ=時，則

Ed=ρV2r(2)

其相對動彈?？砂聪率接嬎?/p>

式中：Vr0為初始表面波速度。

檢測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)射能量更強的表面波并沿固體表面?zhèn)鞑?。波形的前部?yīng)是縱波，因為它的波速最大，但其振幅很?。徊ㄐ魏竺娌糠终穹蝗辉龃?，是由于波速小于縱波的表面波到達(dá)，但它的信號最強。采用超聲多點表面平測法，測試時首先確定縱波的初至點以及表面波的初至點和第—個峰值點，為與橫向振動共振法作對比，試驗中盡量做到超聲法與共振法測距和測點都相同，測距從試件端部算起，分別為50mm、100mm、150mm、200mm、250mm，測得混凝土材料的表面波速度后，對于密度已知的混凝土來講，則可由式求得混凝土材料的動彈性模量。

共振法動彈模的計算方法共振法是用周期脈沖力激勵混凝土試件穩(wěn)態(tài)振動，記錄其振動參數(shù)，根據(jù)激勵頻率及振動衰減系數(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中的一個測試指標(biāo)得出其相對值。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。

橫向振動的動彈模與固有頻率關(guān)系的一般表達(dá)式為［3］

對于矩形截面桿件：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，Tn取，式(4)可簡寫成

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

2用超聲波法檢測混凝土凍融試件的動彈模

測試方案測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齡期后測試。按混凝土長期性能和耐久性能試驗方法GBJ82—85執(zhí)行，試件凍融前在水中浸泡，凍融過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，用于融化的時間不得小于整個凍融時間的1／4。在試驗過程中，每凍融循環(huán)50次，測量出混凝土試件的超聲波表面波速度，并同時用共振法測試混凝土試件的共振頻率。

測試儀器檢測設(shè)備為CTS-45型非金屬超聲波檢測儀和附加示波單元，另以數(shù)字存貯示波器來顯示波形和測量聲時。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的游標(biāo)，用來測量波形上任一點的聲時，精度為μs，從觸發(fā)開始到游標(biāo)所在位置所經(jīng)歷時間顯示在示波屏上。探頭使用一對50kHz普通縱波換能器，并用黃油做耦合劑，同時采用DT-4W自動掃頻數(shù)字動彈儀測量橫向共振頻率。

測試結(jié)果測量混凝土凍融試件在5個測距下，表面波到達(dá)初至點和第一個峰值點的聲時，按常規(guī)作圖法求出測距—聲時直線的斜率，最終得到超聲波表面波速度，在這里測量時盡量使試件處于干燥狀態(tài)。值得一提的是，試驗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變形也很小，因此在試驗過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)測試的表面波速度和共振頻率，按式和式計算分別得到混凝土材料的超聲法和共振法動彈性模量，如表1所示。注：試件為鋼纖維混凝土，ρ取×１０3kg/m3。

3與共振法測混凝土動彈模的對比

通過對表1超聲法和共振法測得的各組相應(yīng)的動彈模Ed與動彈模E′d，波速Vr與頻率f，動彈模Ed與波速Vr之間進(jìn)行回歸分析，常數(shù)項用最小二乘法確定，得到回歸方程，如表2所示。由表2分析可見：超聲波法和共振法所測得的混凝土動彈模之間，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，兩種方法所測得的物理量基本符合式的關(guān)系，其回歸曲線與散點擬合效果很好，回歸方程計算值較

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

4結(jié)語

超聲波法檢測混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性的方法研究，仿照超聲波測混凝土強度的基本思路，通過回歸分析建立了檢測混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性校準(zhǔn)曲線，從數(shù)理統(tǒng)計結(jié)果得出：混凝土動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)檢驗數(shù)值顯著；對于回歸方程效果的檢驗，由相對標(biāo)準(zhǔn)誤差計算值很小，可知回歸方程所揭示的規(guī)律性很強，說明回歸方程預(yù)報的混凝土動彈模數(shù)值比較精確。因此，對應(yīng)于混凝土結(jié)構(gòu)中測量到的某一波速，可由曲線獲得其相應(yīng)的動彈模值，再用該動彈模值與初始動彈模值之比，評估出混凝土結(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)無損檢測體系，實現(xiàn)從試件測試到結(jié)構(gòu)檢測。

參考文獻(xiàn)

［1］國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心.混凝土無損檢測技術(shù)［M］。北京：中國