張 峰，蔡建軍，李樹忱，牛平霞，李守凱

1)山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，濟(jì)南250061;2)山東高速青島發(fā)展有限公司，山東青島266100;3)舊橋檢測(cè)與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100088

中國(guó)北方地區(qū)海洋環(huán)境中的普通混凝土結(jié)構(gòu)，因受到除冰鹽和凍融協(xié)同作用，保護(hù)層混凝土表面剝落、疏松，加快了結(jié)構(gòu)表面的氯離子向鋼筋表面的擴(kuò)散速度，加速了鋼筋銹蝕. 鋼筋銹蝕后的體積膨脹將導(dǎo)致混凝土保護(hù)層破壞，進(jìn)一步加劇鋼筋的銹蝕及混凝土的剝落脹裂［1-4］. 有效評(píng)估混凝土的凍融損傷對(duì)結(jié)構(gòu)的服役壽命有重要影響. 對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)凍融損傷的評(píng)估，目前主要還處在材料層次，主要集中在室內(nèi)評(píng)估混凝土凍融損傷程度方面［5-8］. 超聲波檢測(cè)在結(jié)構(gòu)工程中已有較多應(yīng)用.Naffa 等［9-10］采用高頻超聲波檢測(cè)了混凝土的化學(xué)損傷程度，研究了應(yīng)力波與混凝土彈性、非彈性等性能之間的關(guān)系. 羅騏先［11］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，進(jìn)而確定其動(dòng)彈模和泊松比，該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. 目前未見定量檢測(cè)混凝土凍融損傷厚度的研究文獻(xiàn). 本研究利用超聲脈沖法檢測(cè)鹽凍環(huán)境下的混凝土構(gòu)件損傷層厚度的變化規(guī)律，為鹽凍條件下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及耐久性設(shè)計(jì)時(shí)混凝土保護(hù)層厚度的選取提供參考.

1 凍融混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)力波的傳播

應(yīng)力波在固體中的傳播見圖1. 假定上層固體為凍融后的混凝土，下層固體為未凍融的混凝土.

圖1 入射波在異質(zhì)界面上的反射波和折射波Fig.1 The reflected wave and refracted wave of the Incident wave in the heterogeneous interface

在海洋惡劣環(huán)境下，隨著結(jié)構(gòu)服役時(shí)間的增加，表層混凝土凍融后產(chǎn)生了大量微裂紋，波的傳播速度v1比內(nèi)部未損傷混凝土的傳播速度v2要小.增大入射角θ1，使得折射角θ2增至π/2. 達(dá)到這個(gè)臨界條件，射線被折射到界面. 臨界入射角θic根據(jù)Snell 定律計(jì)算(θ2= π/2)為

超聲脈沖速率檢測(cè)是指縱向超聲脈沖穿過混凝土所需要的時(shí)間，通常采用頻率為20 ～150 kHz 的縱波. 通過電子計(jì)時(shí)把脈沖開始和接收到的時(shí)間記錄下來(lái)，再乘以波傳播的平均速率，即可得出傳播的距離.

校驗(yàn)材料均勻性的有效方法是沿厚層混凝土的表面放置一系列的接收器，如圖2. 發(fā)射器發(fā)出脈沖，根據(jù)惠根斯原理，波陣面上的每一個(gè)點(diǎn)都可以作為次級(jí)球形波的波源，并形成一系列波陣面. 如果材料是均勻的，可以繪出一條直線. 如果有大量異質(zhì)出現(xiàn)，點(diǎn)將會(huì)偏離這條直線.

圖2 平測(cè)傳送的多接收器示意圖Fig.2 Configuration of many receivers transmission method

假定厚度為h，凍融后混凝土中波的傳播速率為v1，未凍融混凝土中的傳播速率為v2. 采用以下方法檢測(cè)結(jié)構(gòu)表面凍融損傷層厚度. 在混凝土表面放一系列接收器. 首先，靠近發(fā)射器的接收器只能感應(yīng)到表面層并且時(shí)間-距離點(diǎn)的斜率為1/v1. 但是隨著距離(或時(shí)間)的增加，低層的影響被感應(yīng)到，當(dāng)波以臨界入射角θic入射時(shí)，折射角將會(huì)平行兩種材料的界面. 沿著斜率為1/v2外推得到x = 0，可以得到與縱軸的截距ti，如圖3，則可得到混凝土的凍融損傷厚度表達(dá)式［12］為

圖3 混凝土凍融損傷層波速傳播示意圖Fig.3 The concrete freeze-thaw damage layer wave velocity propagation diagram

2 凍融損傷厚度檢測(cè)

2.1 混凝土材料

為得到混凝土結(jié)構(gòu)在凍融損傷下的性能退化規(guī)律，進(jìn)行了試件的室內(nèi)快速凍融試驗(yàn). 試塊制作所需原材料均取自青島海灣大橋施工現(xiàn)場(chǎng)，混凝土設(shè)計(jì)配合比與海灣橋施工現(xiàn)場(chǎng)的配合比一致:水膠比0.34，水泥164 kg/m3，礦粉212 kg/m3，粉煤灰94 kg/m3，砂子737 kg/m3，碎石938 kg/m3，水155 kg/m3，減水劑4.47 kg/m3，阻銹劑6 kg/m3，引氣劑0.011 8 kg/m3.

為研究混凝土凍融厚度，對(duì)4 個(gè)凍融300 次后的混凝土試塊進(jìn)行凍融厚度檢測(cè). 混凝土試塊尺寸為100 mm ×100 mm ×400 mm，沿400 mm 方向8等分，每個(gè)測(cè)點(diǎn)間距為50 mm，將發(fā)射器固定，移動(dòng)接收器，測(cè)試得到不同超聲波傳播長(zhǎng)度的首波到達(dá)時(shí)間.

2.2 凍融損傷厚度測(cè)試結(jié)果

對(duì)凍融300 次后的混凝土試塊進(jìn)行測(cè)試，共4個(gè)試塊，每個(gè)試塊測(cè)試3 次，結(jié)果如表1.

表1 混凝土試塊測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of concrete test tubes

對(duì)表1 進(jìn)行分析可得到圖4. 圖4 中的v1和v2分別為凍融損傷層波速和未損傷層波速. 限于篇幅，只顯示第1 次測(cè)試結(jié)果.

圖4 第1 次測(cè)試傳播時(shí)間與測(cè)試距離的關(guān)系Fig.4 Relationship of travel time and test distance in the first test

分析表1 和圖4 得到表2. 由表2 可得到300次混凝土凍融后的損傷厚度為29.5 mm.

李金玉等［13］通過研究得出室內(nèi)外凍融循環(huán)次數(shù)之間的對(duì)比關(guān)系在1 ∶10 ～1 ∶15 之間，平均為1∶12.5，即室內(nèi)一次快速凍融循環(huán)相當(dāng)于自然條件下12.5 次凍融循環(huán). 賈超等［14］指出青島地區(qū)混凝土每年天然凍融次數(shù)約為47 次. 根據(jù)該描述可以通過計(jì)算得到，天然凍融次數(shù)為3 750 次，即青島海灣大橋運(yùn)營(yíng)79.8 年后混凝土的凍融厚度為29.5 mm. 據(jù)此可以推算青島海灣大橋運(yùn)營(yíng)100 年時(shí)的混凝土凍融厚度為37 mm.

表2 凍融損傷厚度計(jì)算結(jié)果Table 2 Compute results of freeze-thaw damage thickness

結(jié) 語(yǔ)

本研究基于無(wú)損檢測(cè)方法，采用非金屬超聲波檢測(cè)儀，依據(jù)波速在不同物質(zhì)中的傳播速度差異，采用平測(cè)法對(duì)凍融后的混凝土試塊進(jìn)行凍融損傷厚度檢測(cè)與評(píng)估，并在室內(nèi)對(duì)4 個(gè)凍融300 次后的混凝土試塊進(jìn)行了室內(nèi)混凝土試塊凍融厚度檢測(cè). 本研究所提供引氣混凝土試塊在300 次混凝土凍融后的損傷厚度為29.5 mm，據(jù)此可以推算青島海灣大橋運(yùn)營(yíng)100 年時(shí)的混凝土凍融厚度為37 mm. 并未超過混凝土保護(hù)層厚度50 mm.

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