李軍偉

1 混凝土的損傷現(xiàn)象

由混凝土的試驗(yàn)研究顯示，不論拉伸和壓縮，當(dāng)其受外力作用超過(guò)某一數(shù)值后，材料的力學(xué)性能會(huì)下降。用超聲波對(duì)試件進(jìn)行觀測(cè)可知，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)某一數(shù)值(通常為材料強(qiáng)度的50%左右)后，材料的損傷隨應(yīng)力(或應(yīng)變)的增加而迅速增大[1，2]。由材料反復(fù)循環(huán)加、卸載試驗(yàn)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線清楚地表明了損傷的演變過(guò)程，其特征為:1)卸載彈性模量隨循環(huán)次數(shù)的增加而減少。2)每次循環(huán)加、卸載形成的滯回環(huán)的位置、形狀、大小都在變化。

混凝土的內(nèi)部損傷主要是指混凝土內(nèi)部微裂縫的形成、擴(kuò)展、聚合及繼續(xù)成長(zhǎng)?；炷潦且环N非均質(zhì)復(fù)合材料，在成型期間就有一些初始裂縫，也就是產(chǎn)生初始損傷存在。這些初始損傷，從宏觀尺度(粗骨料造成的非均質(zhì)性)上看，主要是在粗骨料和砂漿之間由于沉降和干縮造成的界面裂縫。從微觀尺度(細(xì)骨料造成的非均質(zhì)性)上看，主要是由于收縮不均勻造成的砂漿裂縫。

2 混凝土的損傷機(jī)制

由于外力作用下，初始裂縫會(huì)不斷擴(kuò)展、聯(lián)結(jié)，并又會(huì)有新的裂縫生成。因此，混凝土的損傷機(jī)制，主要就是各種微裂縫的形成和擴(kuò)展，最后發(fā)展至可見(jiàn)的宏觀裂縫[3]。常見(jiàn)混凝土裂縫的形式包括:

1)結(jié)構(gòu)性裂縫。裂縫形狀與結(jié)構(gòu)受力有關(guān)，一般裂縫方向與主拉應(yīng)力方向垂直。觀察同一條裂縫的裂縫寬度可能不相同，而控制裂縫寬度是指較寬區(qū)段的平均裂縫寬度，其中，較寬區(qū)段占該裂縫長(zhǎng)度 10%～15%的范圍。2)干縮裂縫。通常發(fā)生在混凝土表面水的光澤消失時(shí)，會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)的、直線的或毛發(fā)似的裂縫，這種裂縫較淺不會(huì)影響混凝土表面以內(nèi)的問(wèn)題。3)塑性收縮裂縫。通常發(fā)生在干燥、多風(fēng)的氣候條件下并互相平行出現(xiàn)，且裂縫與風(fēng)向垂直，這種裂縫通常比收縮裂縫寬且長(zhǎng)，延伸穿透混凝土整體厚度。4)鋼筋裂縫。鋼筋底層混凝土夯實(shí)不良，在混凝土凝結(jié)時(shí)會(huì)因混凝土沉陷而使鋼筋上方的混凝土出現(xiàn)裂縫。5)鋼筋銹蝕裂縫。鋼筋因生銹體積膨脹會(huì)造成表面裂縫，且會(huì)提供路徑令濕氣進(jìn)入，進(jìn)一步銹蝕，造成混凝土內(nèi)部加速惡化。

一般來(lái)說(shuō)，混凝土裂縫擴(kuò)展存在以下四個(gè)階段:

1)初始微裂縫形成階段。構(gòu)件形成過(guò)程中，由于水泥漿液硬化干縮，水分蒸發(fā)造成裂縫等原因，使構(gòu)件中形成初始微裂縫，它們大都為界面裂縫，這些裂縫是穩(wěn)定的。2)裂縫的開(kāi)裂階段。在外力作用下，構(gòu)件內(nèi)部的某些點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，致使初始微裂縫延伸或擴(kuò)展，應(yīng)力集中則隨之緩解。如荷載不再增加，將不會(huì)產(chǎn)生新裂縫，卸載時(shí)少量裂縫還可閉合。這一階段應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系是線性的。3)裂縫的穩(wěn)定擴(kuò)展階段。當(dāng)初始微裂縫開(kāi)裂后，如繼續(xù)加載，并使荷載保持不變，則裂縫將繼續(xù)擴(kuò)展，有的延伸進(jìn)入砂漿，有的相互閉合形成大裂縫，同時(shí)也有新裂縫不斷生成，如停止加載，裂縫擴(kuò)展將趨于停止。4)裂縫的不穩(wěn)定擴(kuò)展階段。當(dāng)載荷超過(guò)臨界應(yīng)力時(shí)，裂縫將繼續(xù)擴(kuò)展，聚合砂漿裂縫急劇增多，即使荷載維持不變，裂縫也將失穩(wěn)迅速擴(kuò)展，造成破壞。

3 混凝土損傷檢測(cè)

近五十多年來(lái)，許多研究者嘗試以超聲波波速量測(cè)結(jié)果與混凝土抗壓強(qiáng)度關(guān)系進(jìn)行探討，以期能建立超聲波縱波波速與混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線，作為混凝土結(jié)構(gòu)安全評(píng)估的非破壞檢測(cè)法[4，5]。下面就對(duì)超聲波的混凝土損傷檢測(cè)做一簡(jiǎn)要概述。

3.1 超聲波檢測(cè)技術(shù)

以超聲波來(lái)檢測(cè)物體時(shí)，由其發(fā)射端探頭與接收端探頭的配置方式的不同，可分為下列三種檢測(cè)法:

1)直接傳遞法(Direct Transm ission)。

將發(fā)射端與接收端探頭分置于待測(cè)物體的兩側(cè)面，由于這種配置方式，使得超聲波的傳遞路徑明確，且探頭間傳遞的能量最大，而具有較好的靈敏度，因此，為量測(cè)波速最常用的方法。

2)半直接傳遞法(Semi-direct Transm ission)。

當(dāng)欲檢測(cè)大型結(jié)構(gòu)或因結(jié)構(gòu)物埋置于地下，只露出部分的結(jié)構(gòu)體時(shí)，此時(shí)可采用半直接傳遞法，這種方法是將發(fā)射端與接收端探頭分別放置于待測(cè)物相鄰的兩面，以測(cè)定波速。其缺點(diǎn)是波傳遞路徑不明確。

3)表面?zhèn)鬟f法(Surface Transmission)。

這種方法將發(fā)射端與接收端探頭共同置于同一平面上，用于量測(cè)混凝土波速時(shí)，由于其傳遞路徑并不明確，且表面?zhèn)鬟f法僅能檢測(cè)出混凝土表層的狀況，并無(wú)法量測(cè)出混凝土內(nèi)部的狀況，但這種方法可用于當(dāng)?shù)丨h(huán)境受限制唯一可取得資料的方法。

3.2 超聲波的混凝土參數(shù)量測(cè)

波的傳遞會(huì)隨著介質(zhì)的不同而有所改變，波速也會(huì)有不同的變化。故波速與材料性質(zhì)之間存在著一定的關(guān)系。故本研究利用傳遞波速與材料特性的關(guān)系來(lái)求出混凝土的彈性模量。

1)密度。許多研究嘗試?yán)贸暡úㄋ倭繙y(cè)結(jié)果與混凝土材料密度之間的關(guān)系進(jìn)行探討，以期建立超聲波縱波波速與混凝土材料密度的關(guān)系曲線，作為現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)或桿件中混凝土材料其密度無(wú)法立即得知時(shí)的分析使用。

制作不同性質(zhì)的 28 d混凝土的試塊，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)所得密度 ρ，及利用超聲波量測(cè)的縱向波速VL的資料進(jìn)行回歸分析取得下面的關(guān)系式:

其中，ρ為密度，kg/m3;VL為縱波波速，km/s。利用這個(gè)關(guān)系式就可以用超聲波量測(cè)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)物的縱波波速并代入密度預(yù)測(cè)關(guān)系式即可求出結(jié)構(gòu)物的密度，以做分析之用。

2)混凝土的彈性常數(shù)?；炷疗焚|(zhì)的變化與其彈性模量有關(guān)，波速和材料本身的彈性特性及密度有關(guān)，已知材料的密度及波速，即可反求材料的彈性特性，當(dāng)應(yīng)力波在無(wú)限介質(zhì)內(nèi)部傳遞時(shí)，其中縱波的速度可以用于無(wú)限大固體介質(zhì)中，傳遞的縱波波速可表示為:

其中，VL為縱波波速，m/s;E為彈性模量，GPa;ρ為密度，kg/m3; v為泊松比。

由上式可知，波速與材料本身的彈性模量(E)、泊松比(v)及密度(ρ)有關(guān)，若已測(cè)得ρ值、v值，則可利用量測(cè)材料的波速來(lái)預(yù)估材料的彈性模量E值，并求出波速與彈性模量間關(guān)系。

3)受損后混凝土強(qiáng)度計(jì)算。結(jié)構(gòu)受損時(shí)由混凝土強(qiáng)度可明顯觀察其變化，而當(dāng)結(jié)構(gòu)物因外力作用、施工缺失、材料惡化等因素影響，結(jié)構(gòu)體產(chǎn)生微裂縫會(huì)造成材料常數(shù)的降低，進(jìn)而影響混凝土強(qiáng)度，當(dāng)應(yīng)力波通過(guò)缺陷處時(shí)所造成應(yīng)力波傳播速度延遲可反映出混凝土強(qiáng)度。利用該原理，量測(cè)實(shí)際含裂縫混凝土的損傷對(duì)應(yīng)力波傳播時(shí)間或傳播速度的影響，并由混凝土強(qiáng)度的弱化來(lái)反映。

首先建立不同水灰比損傷混凝土無(wú)損傷時(shí)，傳播波速與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系式:

其中，fc′為混凝土抗壓強(qiáng)度;VB為無(wú)裂縫混凝土的波速;a，b均為強(qiáng)度影響因子。

再利用同一關(guān)系式來(lái)建立含不同裂縫損傷程度混凝土?xí)r，傳播波速與損傷混凝土強(qiáng)度的關(guān)系式:

其中，fcs′為損傷混凝土強(qiáng)度;VBs為含裂縫混凝土的波速;a，b均為強(qiáng)度影響因子。

由此即可計(jì)算出當(dāng)混凝土含不同裂縫損傷程度而導(dǎo)致傳遞波速改變時(shí)，傳遞波速所反映的損傷混凝土強(qiáng)度(fcs′)。

[1] Popovics Sandor，Rose Joseph L，Popovics John S.Behavior of ultrasonic pulses in concrete[J].Cement and Concrete Research，1990，20(2):259-270.

[2] 李曉蕓.混凝土損傷的超聲波檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究[J].山西建筑，2010，36(4):89-90.

[3] 薛明琛，趙永生，湯美安.斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)在混凝土中的應(yīng)用[J].山西建筑，2007，33(36):19-20.

[4] 李驍春，吳勝興.早期混凝土超聲波測(cè)試研究進(jìn)展[J].混凝土與水泥制品，2006，149(3):11-13.

[5] 侯景鵬，史 巍，劉華新.損傷力學(xué)在混凝土強(qiáng)度分析中的應(yīng)用[J].東北電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，20(2):34-38.