劉宏翔 杜二霞*

(河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 保定 071002)

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超聲波檢測(cè)混凝土應(yīng)力的試驗(yàn)分析

劉宏翔 杜二霞*

(河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 保定 071002)

通過對(duì)測(cè)法記錄了不同齡期不同應(yīng)力狀態(tài)下混凝土試塊的聲速值，分析了超聲波波速隨混凝土齡期的變化規(guī)律，并建立了超聲波波速與應(yīng)力之間的回歸曲線，預(yù)測(cè)了超聲波檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

混凝土，超聲波檢測(cè)，應(yīng)力，回歸曲線

0 引言

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的提升，建筑行業(yè)正處于飛速發(fā)展的階段。為了解決資源開發(fā)、交通運(yùn)輸以及滿足人們的居住舒適性，越來越多的高速公路、鐵路、橋梁、高層建筑、地下工程等在不斷地建設(shè)。而在整個(gè)建筑工程中，建筑材料質(zhì)量的好壞直接影響到整體建筑的質(zhì)量，為了預(yù)防建筑材料內(nèi)部的缺陷，使工程在施工及運(yùn)行中具備安全穩(wěn)定性，應(yīng)使用科學(xué)合理的檢測(cè)技術(shù)來進(jìn)行缺陷檢測(cè)。

建筑的核心材料是混凝土。目前對(duì)混凝土內(nèi)部缺陷的存在、大小、位置和性質(zhì)進(jìn)行無損檢測(cè)的手段大體可分為兩大類：一類是機(jī)械波法，其中包括超聲脈沖波、沖擊脈沖波和聲發(fā)射等；另一類是穿透輻射法[1]。穿透輻射法對(duì)于非勻質(zhì)的混凝土的穿透能力有限，而超聲波對(duì)于檢測(cè)混凝土的穿透能力強(qiáng)，測(cè)試速度快，操作簡(jiǎn)單，作業(yè)安全，所以被廣泛使用于混凝土的缺陷檢測(cè)中。

1 理論基礎(chǔ)

超聲波法的基本原理是超聲儀按一定頻率不斷的重復(fù)激發(fā)發(fā)射換能器發(fā)射超聲脈沖波，超聲波脈沖經(jīng)過混凝土介質(zhì)中的傳播被接收換能器接收，接收換能器將接收到的攜帶混凝土力學(xué)性能、材料組成、有無缺陷等信息的超聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳給超聲儀，超聲儀處理后，轉(zhuǎn)換成聲學(xué)參數(shù)(聲時(shí)、聲速、振幅、頻率以及波形)顯示在液晶顯示器上。準(zhǔn)確測(cè)定并處理這些聲學(xué)參數(shù)，我們可以了解到混凝土的性能及其他相關(guān)的質(zhì)量信息[2，3]。

2 實(shí)驗(yàn)研究目的

利用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)混凝土試塊單軸豎向施加荷載，通過超聲波檢測(cè)儀檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)在不同齡期不同應(yīng)力狀態(tài)下超聲波波速的變化，分析混凝土的超聲波波速隨齡期的變化規(guī)律，建立不同工作應(yīng)力狀態(tài)下超聲波波速與應(yīng)力之間的回歸曲線，為在役混凝土檢測(cè)提供參考。利用回歸曲線進(jìn)行超聲檢測(cè)能快速、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)混凝土中存在的缺陷，及時(shí)對(duì)建筑物的安全進(jìn)行評(píng)價(jià)，并為處理病險(xiǎn)工程提供科學(xué)依據(jù)。

3 實(shí)驗(yàn)儀器和混凝土試塊參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)采用的儀器包括無錫建儀儀器機(jī)械有限公司制造的TYE-3000型壓力試驗(yàn)機(jī)以及由北京智博聯(lián)科技有限公司生產(chǎn)的ZBL-U520/510非金屬超聲波檢測(cè)儀。水泥是河北太行水泥股份有限公司的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料是河北省保定市滿城縣售賣的天然河砂，粗骨料是河北省保定市滿城縣售賣的天然碎石，最大粒徑40 mm，最小粒徑5 mm，外加劑為聚羧酸高性能減水劑?；炷恋脑O(shè)計(jì)強(qiáng)度為C20，配合比為：水膠比0.509，水泥442 kg，砂661.7 kg，石子992.5 kg，水225 kg，減水劑2.21?；炷猎噳K尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，試模采用鋼模。

4 測(cè)驗(yàn)步驟

4.1 清理編號(hào)

測(cè)試面為混凝土試塊澆筑面的兩個(gè)側(cè)面，將測(cè)試面清理擦拭干凈，并對(duì)混凝土試塊編號(hào)。

4.2 布點(diǎn)畫線

超聲波測(cè)試法采用“對(duì)測(cè)”，在兩個(gè)相對(duì)的測(cè)試面上畫出相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置在上、中兩個(gè)位置，避免不同測(cè)距對(duì)結(jié)果的影響，超聲測(cè)點(diǎn)布置見圖1。

4.3 涂耦合劑

為了便于區(qū)分不同的測(cè)點(diǎn)，采用凡士林、黃油兩種耦合劑，一臺(tái)超聲儀的換能器通過黃油與測(cè)點(diǎn)耦合，另一臺(tái)超聲儀的換能器通過凡士林與測(cè)點(diǎn)耦合。每對(duì)換能器與測(cè)點(diǎn)耦合時(shí)，應(yīng)保證發(fā)射器和換能器的軸線始終在同一直線上，以避免不同測(cè)距對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶來的影響。

5 數(shù)據(jù)分析

在連續(xù)均勻加載的過程中，對(duì)于C20混凝土試塊在所加荷載達(dá)到3 MPa，6 MPa，9 MPa，12 MPa，15 MPa時(shí)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試采樣上、中兩點(diǎn)處的超聲波速(精確至0.000 1 km/s),取平均值，保留小數(shù)后兩位有效數(shù)字。計(jì)算公式如下：

其中，v為試件混凝土聲速代表值,精確至0.01 km/s；v1，v2分別為測(cè)點(diǎn)上、中兩處的混凝土聲速值,精確至0.01 km/s。

通過采集每個(gè)測(cè)試齡期中C20混凝土試塊在單軸豎向壓力下的應(yīng)力達(dá)到3 MPa，6 MPa，9 MPa，12 MPa，15 MPa時(shí)五種應(yīng)力狀態(tài)下的超聲波波速V，分析波速隨齡期的變化規(guī)律，如圖2所示。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析后，為了更準(zhǔn)確的找到應(yīng)力與聲速之間的關(guān)系，本實(shí)驗(yàn)采用擬合效果非常好的專用數(shù)據(jù)處理工具——origin9.0軟件分別按照冪函數(shù)σ=AVB、線性函數(shù)σ=A+BV、二次多項(xiàng)式σ=A+BV+CV2、三次多項(xiàng)式σ=A+BV+CV2+DV3、指數(shù)函數(shù)σ=ABV，σ=A-BCV，σ=e(A+BV+CV2)，σ=σ0+Ae(R0V)八個(gè)回歸模型對(duì)應(yīng)力和超聲聲速進(jìn)行回歸分析，建立對(duì)應(yīng)的回歸方程。通過對(duì)各類回歸方程及相關(guān)度比較可以得知，線性函數(shù)和二次多項(xiàng)式兩個(gè)模型的擬合效果最好，可以將這兩個(gè)模型用于研究聲速與應(yīng)力的關(guān)系。所得到的C20混凝土回歸方程：1)線性函數(shù)：σ=327.886-69.423V；2)二次多項(xiàng)式函數(shù)：σ=-1 619.475+800.380V-98.435V2。其擬合曲線如圖3，圖4所示。

6 測(cè)驗(yàn)結(jié)論

1)從圖2中可以看出C20混凝土聲速值范圍為4.06 km/s～4.90 km/s。

2)從圖2中可以看出在同一應(yīng)力水平下，混凝土試塊超聲波波速值隨著齡期有所增長(zhǎng)，在早期，聲速增長(zhǎng)較快，28 d以后，聲速增長(zhǎng)緩慢。這是由于早期混凝土內(nèi)部含水量高，測(cè)得的超聲波波速值偏高。隨著齡期的增長(zhǎng)，含水率降低，水化作用形成微小孔隙，影響超聲波波速，超聲波波速無法大幅度地提高，增長(zhǎng)緩慢。

3)同一齡期的混凝土的超聲波速，隨著應(yīng)力的增長(zhǎng)，波速降低。這是因?yàn)殡S著荷載增大，混凝土內(nèi)部開始出現(xiàn)損傷，產(chǎn)生空隙，裂縫逐漸貫通，超聲波在空氣中的傳播速度比在固體中的低，而且超聲波經(jīng)過固體和氣體交界面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射或繞射，所以降低了超聲波速。

7 發(fā)展趨勢(shì)

在我國(guó)的建筑工程中，超聲波在探測(cè)混凝土的強(qiáng)度以及內(nèi)部缺陷等應(yīng)用得越發(fā)廣泛，如超聲波檢測(cè)在我國(guó)云南漫灣的應(yīng)用中，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益[4]；超聲波對(duì)互通式立交橋中腹板混凝土的檢測(cè)讓工程達(dá)到安全可靠性[5]。在基礎(chǔ)的低應(yīng)變檢測(cè)過程中，利用聲速和應(yīng)力的回歸方程，測(cè)得聲速后，即可根據(jù)公式推斷出相對(duì)的應(yīng)力，從而作為低應(yīng)變檢測(cè)的一個(gè)可靠的基本數(shù)據(jù)；為了預(yù)防橋梁的疲勞破壞，可以通過超聲波檢測(cè)橋梁在每天行車過程中聲速的變化規(guī)律，通過建立聲速與應(yīng)力的回歸方程來避免某個(gè)時(shí)間段內(nèi)應(yīng)力的連續(xù)反復(fù)作用。

隨著高層建筑結(jié)構(gòu)、大跨度橋梁結(jié)構(gòu)以及某些特種結(jié)構(gòu)的發(fā)展，一種新的建筑材料即高強(qiáng)混凝土將被廣泛應(yīng)用，高強(qiáng)混凝土具有抗壓強(qiáng)度高，抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此對(duì)于高強(qiáng)混凝土的超聲波檢測(cè)具有重要意義。因高強(qiáng)混凝土內(nèi)部較為密實(shí)，跟普通混凝土的聲速值將不再相同，故建立高強(qiáng)混凝土的聲速與應(yīng)力的回歸曲線對(duì)未來建筑結(jié)構(gòu)的工作具有指導(dǎo)意義。

[1] 韓 林，孫 超，王 寓.超聲波技術(shù)在檢測(cè)混凝土缺陷中的應(yīng)用[J].城市道橋與防洪，2011，7(7)：278.

[2] 余紅發(fā).混凝土非破損測(cè)強(qiáng)技術(shù)研究[M].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,1999.

[3] Jones R,Fa ca oaru I .Recommendations for testing concrete by the ultrasonic pulse method[J].Matériaux Et Constructions,1969,2(4):275-284.

[4] 王國(guó)瀅.超聲波檢測(cè)技術(shù)在漫灣的應(yīng)用[J].云南水電技術(shù),1996(1):41-44.

[5] 韓 林，孫 超，王 寓.超聲波技術(shù)在檢測(cè)混凝土缺陷中的應(yīng)用[J].城市道橋與防洪，2011，7(7)：278-279.

Experimental analysis of the ultrasonic testing for concrete stress

Liu Hongxiang Du Erxia*

(CollegeofBuildingEngineering,HebeiUniversity,Baoding071002,China)

The authors record the ultrasonic wave velocity of concrete in different stress conditions and different ages using counter measure method. Then the authors analyze the variation of ultrasonic wave velocity with the age of concrete. On this basis, the regression curve between ultrasonic wave velocity and working stress is established and the development trend of ultrasonic detection technology is predicted.

concrete, ultrasonic testing, stress, regression curve

1009-6825(2017)13-0047-03

2017-02-24

劉宏翔(1998- )，男，學(xué)生

杜二霞(1976- )，女，講師

TU317

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