趙弘，馬安

（1. 南通市建筑工程質(zhì)量檢測中心，南通 226000；2. 南通市建設(shè)混凝土有限公司，南通 226000）

超聲波檢測混凝土抗壓強(qiáng)度時的溫度修正

趙弘1，馬安2

（1. 南通市建筑工程質(zhì)量檢測中心，南通 226000；2. 南通市建設(shè)混凝土有限公司，南通 226000）

混凝土是建設(shè)工程中常用的重要材料之一，利用超聲波技術(shù)可以在不損傷混凝土結(jié)構(gòu)的前提下測定混凝土抗壓強(qiáng)度。但是目前常用的超聲波法和超聲—回彈綜合法都忽視了溫度對檢測結(jié)果的影響。通過實(shí)驗(yàn)，本文得出了不同溫度下相對于20℃時的超聲波波速修正系數(shù)，有利于更加準(zhǔn)確地運(yùn)用超聲波法或超聲—回彈綜合法推定建設(shè)工程中混凝土的抗壓強(qiáng)度值。

混凝土；超聲波；抗壓強(qiáng)度；波速；溫度

0 前言

混凝土是建設(shè)工程中重要的材料之一，是一種多相復(fù)合材料。混凝土的質(zhì)量受到原材料、配制、成型、養(yǎng)護(hù)、測試條件的制約，是一個多因素的綜合指標(biāo)。用傳統(tǒng)的混凝土試塊立方體抗壓強(qiáng)度來評定混凝土質(zhì)量的辦法并不能代表混凝土的真實(shí)狀態(tài)。

為了在不破損混凝土的情況下測試其強(qiáng)度值，就需要尋找一個或幾個與混凝土強(qiáng)度具有相關(guān)性，而檢測時又不損傷混凝土的物理量作為其抗壓強(qiáng)度的推算依據(jù)。所以用無損檢測的方法所測得的混凝土強(qiáng)度值，實(shí)際上是根據(jù)測得的其它物理量對混凝土強(qiáng)度的一個間接推算值。

1 實(shí)驗(yàn)原理

超聲波在混凝土中的傳播速度與混凝土強(qiáng)度之間有良好的相關(guān)性，混凝土強(qiáng)度越高，相應(yīng)的超聲波波速就越高，因此可以根據(jù)超聲波在混凝土中傳播速度來推定混凝土強(qiáng)度。

1.1 超聲法檢測混凝土強(qiáng)度

根據(jù)文獻(xiàn)[1]的介紹，常用的混凝土抗壓強(qiáng)度推算公式fc有：①線性擬合測強(qiáng)曲線公式：cu=105.50v－419.18；②冪函數(shù)擬合測強(qiáng)曲線公式③指數(shù)函數(shù)測強(qiáng)曲線擬合公式：式中 fcu代表混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，v 代表混凝土中超聲波縱波波速。線性擬合公式的平均相對誤差 δ=9.1%，相對標(biāo)準(zhǔn)差er=12.1%，相關(guān)系數(shù) R=0.867；冪函數(shù)擬合公式的平均相對誤差 δ=9.2%，相對標(biāo)準(zhǔn)差 er=10.9%，相關(guān)系數(shù) R=0.865；指數(shù)函數(shù)擬合公式的平均相對誤差 δ=9.3%，相對標(biāo)準(zhǔn)差er=11.7%，相關(guān)系數(shù) R=0.836。

由此可見，上述三個公式中利用的超聲波波速值與混凝土抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性均較好。并且這三個擬合公式的相關(guān)系數(shù)、平均相對誤差和相對標(biāo)準(zhǔn)差等評價指標(biāo)差別不大。在建設(shè)工程中考慮到超聲波波速與混凝土強(qiáng)度之間的相關(guān)性，推薦根據(jù)工程實(shí)際情況在線性擬合測強(qiáng)曲線公式和冪函數(shù)擬合測強(qiáng)曲線公式中選用計(jì)算。

1.2 超聲—回彈綜合法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度

在工程實(shí)踐中，可以按照 CECS02:2005《超聲回彈綜合法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》[2]的規(guī)定采用超聲—回彈綜合法進(jìn)行混凝土強(qiáng)度的檢測。這樣就引入了另一個與混凝土抗壓強(qiáng)度相關(guān)的物理量——混凝土表面硬度。利用混凝土表面硬度和混凝土中超聲波波速共同推定混凝土抗壓強(qiáng)度，既可以充分發(fā)揮這兩個物理量與混凝土抗壓強(qiáng)度之間相關(guān)性高的特點(diǎn)，又可以避免單純的回彈法只能反映混凝土表面、近表面的質(zhì)量的局限性，從而得到更加準(zhǔn)確的混凝土抗壓強(qiáng)度推定值。根據(jù)文獻(xiàn)[2]，使用超聲—回彈綜合法推定混凝土抗壓強(qiáng)度的公式為：①當(dāng)粗c骨 料為卵石時fccu=0.0056vc1.439R1.769，②當(dāng)粗骨料為碎石時fcu=0.0162v1.656R1.410，式中fcu代表混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，v 代表混凝土中超聲波縱波波速，R 代表混凝土表面回彈值。

2 溫度修正

用超聲波檢測混凝土強(qiáng)度主要是利用超聲波波速與混凝土強(qiáng)度之間的相關(guān)性對混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行換算，但是超聲波在混凝土中的傳播速度除了與混凝土的強(qiáng)度相關(guān)性較大外，同時受環(huán)境溫度的影響也十分明顯。我國地域廣闊，南北方溫差很大，在同一地區(qū)不同季節(jié)的溫差是很大的，同時用超聲波法檢測混凝土質(zhì)量的過程中也無法保證環(huán)境溫度恒定。但是目前使用的超聲法或是常用的超聲—回彈綜合法都沒有對因測試溫度不同對超聲波波速造成的影響進(jìn)行修正。

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

為了研究溫度對混凝土中超聲波傳播速度的影響，制備了 C30、C40、C50 三種強(qiáng)度等級的混凝土。配制混凝土的材料選用華新 P·O42.5 水泥，細(xì)度模數(shù)為 2.7 的長江砂，5～31.5mm 連續(xù)級配碎石，并按照表 1 配制實(shí)驗(yàn)用混凝土。

表 1 混凝土配合比 kg/m3

根據(jù)文獻(xiàn)[3]，在研究溫度對混凝土中超聲波傳播速度的影響時，可以忽略混凝土試件尺寸效應(yīng)對超聲波在混凝土中波速的影響，因此將每個強(qiáng)度的混凝土澆注成型 100mm 邊長的立方體試塊各 36 塊。將這些混凝土試塊放在 (20±1)℃、相對濕度 90% 以上的標(biāo)養(yǎng)室中標(biāo)養(yǎng) 28d，再放入溫度 30℃、相對濕度 50% 的 HBYB 型水泥恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)48h。然后用黃油作為耦合劑，用 ZBL-U510 型非金屬超聲檢測儀測試 30℃ 時超聲波在混凝土試塊中的傳播時間。依次實(shí)測完所有試塊后，將試塊重新放入水泥恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，將溫度調(diào)低 5℃，相對濕度不變，再養(yǎng)護(hù) 48h 后測試25℃ 時超聲波在混凝土試塊中的傳播時間。這樣依次測量出30℃、25℃、20℃、15℃、10℃、5℃ 等各溫度下超聲波在混凝土試塊中的傳播時間，再將試塊放入 DW—FW110 型超低溫冷凍儲存箱中養(yǎng)護(hù)，按上述方法依次測試出 0℃、-5℃、-10℃ 等各溫度下超聲波在混凝土試塊中的傳播時間，并以測得的聲時計(jì)算出超聲波在各溫度下傳播的波速。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

溫度為 -5℃～30℃ 時，測得的超聲波在 C30、C40、C50混凝土的傳播速度見表 2。

由表 2分析可知，在相同的溫度條件下對于混凝土而言，超聲波的傳播速度會隨著混凝土抗壓強(qiáng)度的提高而增大。但是在不同的溫度條件下，超聲波在抗壓強(qiáng)度較低的混凝土中的傳播速度反而有可能比在抗壓強(qiáng)度較高的混凝土中的傳播速度快。

表 2 超聲波在 C30、C40、C50 混凝土中的波速

可以按 ki=v20/vi計(jì)算超聲波在各溫度下的傳播速度相對于超聲波在同強(qiáng)度混凝土中 20℃ 時傳播速度的修正系數(shù)。（式中 ki代表溫度為 i 時超聲波在混凝土中傳播速度的溫度修正系數(shù)，v20代表溫度為 20℃ 時超聲波在混凝土中的傳播速度，vi代表溫度 i 為時超聲波在混凝土中的傳播速度）修正系數(shù)計(jì)算結(jié)果匯總見表 3。2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

表 3 超聲波波速在各溫度下相對于 20℃ 時的修正系數(shù)

（1）本次實(shí)驗(yàn)過程中采用了 36 個混凝土試塊，因?yàn)榛炷猎噳K個體差異使其測試結(jié)果存在一定差異，所以沒有進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，而是采用了每個溫度下每塊試塊測試 3 次，采集 108 個數(shù)據(jù)取平均值的方法，這在很大程度上減小了實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差。

（2）溫度對混凝土中超聲波傳播速度的影響是不可忽略的，總體上是隨著溫度降低波速增大，隨著溫度升高波速減小。當(dāng)溫度為負(fù)溫時波速提高得尤其明顯，這可能是由于負(fù)溫下混凝土中的水份凝結(jié)成固態(tài)，而超聲波在同種物質(zhì)固態(tài)中的傳播速度明顯大于在其液態(tài)、氣態(tài)中的傳播速度所致。

（3）對于不同強(qiáng)度等級的混凝土，溫度對混凝土中超聲波傳播速度修正系數(shù)的影響規(guī)律基本相同，因此對相同溫度下不同強(qiáng)度等級混凝土的修正系數(shù)值差異不大。

3 結(jié)束語

實(shí)踐表明，超聲波在混凝土中的傳播速度與混凝土的抗壓強(qiáng)度之間具有很好的相關(guān)關(guān)系，檢測精度高、誤差較小、無需破損待測試件，宜優(yōu)先選用。在建設(shè)工程質(zhì)量檢測中，只需將現(xiàn)場溫度條件下測得的混凝土中超聲波波速乘以表 5中的修正系數(shù)平均值（表中未列出的修正系數(shù)可用內(nèi)插法計(jì)算得出）即可得出 20℃ 超聲波在待測混凝土試件中的傳播速度，再用這個傳播速度參加相關(guān)計(jì)算，就可以推算出當(dāng)前齡期待測混凝土試件的抗壓強(qiáng)度推定值，使用簡便，可以有效地提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度。

混凝土無損檢測技術(shù)是一種既古老又年輕的技術(shù)，在實(shí)際的檢測工作中，最好采用兩種方法對比試驗(yàn)，以提高檢測結(jié)果的可靠性。

[1] 劉桂玲，張作鵬．混凝土抗壓強(qiáng)度超聲波法無損檢測的試驗(yàn)研究[J]．四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2011,24(3):258-260．

[2] CECS02:2005，超聲回彈綜合法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程[S]．

[3] 季家林，李惠劍，閆國亮．溫度對超聲波在混凝土中傳播速度的影響[J]．建筑材料學(xué)報(bào)，2008,11(3):349-352．

［單位地址］江蘇省南通市中遠(yuǎn)路 75 號（226000）

Temperature correction of ultrasonic testing of concrete compressive strength

Zhao Hong1,Ma'An2
(1.Nantong Construction Engineering Quality Testing Cente,Nantong 226000; 2.Nantong Construction Concrete CO., Ltd.,Nantong 226000)

Concrete is one of the commonly used and important materials in construction. We can test concrete compressive strength without damaging concrete structure by ultrasonic technique. But at present, the commonly used methods including ultrasonic method and ultrasonic wave & rebounding comprehensive method have ignored the temperature’s influence on the effect of testing concrete compressive strength by ultrasonic method. This article obtains ultrasonic velocity correction coefficients corresponding to 20 centigrate when different temperatures. The coefficients are in favor of testing concrete compressive strength accurately in traffic engineering by the method of ultrasonic method or ultrasonic wave & rebounding comprehensive method.

concrete; ultrasonic wave; compressive strength; ultrasonic velocity; temperature

趙弘，南通市建筑工程質(zhì)量檢測中心。