邵 帥

(盤錦水務集團有限公司，遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

一般地，以混凝土材料制成的結(jié)構(gòu)使用壽命可分為早期性能退化、損傷起始與積累過程、最終斷裂破壞3個階段。其中，外部特征形態(tài)比較明顯的有最終的斷裂破壞及結(jié)構(gòu)損傷起始和積累過程，一旦結(jié)構(gòu)出現(xiàn)宏觀裂紋將大大縮減其剩余的使用壽命。所以，科學診斷與監(jiān)測結(jié)構(gòu)及材料早期性能尤為重要。1929年，為探測金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷Sokolov最早提出超聲波技術，經(jīng)過長期發(fā)展超聲無損檢測現(xiàn)已成為材料性能檢測的主要手段，并廣泛應用于多個工程領域。

混凝土是一種內(nèi)部存在廣泛分布空洞、微裂紋等多種缺陷的各向異性多相復合材料，特別是顯著影響混凝土力學性能的骨料與砂漿界面過渡區(qū)。因此，混凝土中聲波的傳播要遠遠比均勻介質(zhì)復雜，聲波會出現(xiàn)散射、折射和反射現(xiàn)象，并產(chǎn)生明顯的衰減。雖然混凝土強度檢測時，超聲脈沖法可以檢測出其內(nèi)部的缺陷問題，但各種因素易對超聲傳播聲速與混凝土強度間的定量關系產(chǎn)生影響，難以直接利用檢測結(jié)果確定混凝土的損傷情況和真實強度。

混凝土超聲波速的影響因素既有配合比、水泥、骨料等原材料性能的內(nèi)部條件，又有檢測頻率、含水率以及試件溫度等外部因素，為了保證混凝土超聲無損檢測精度必須綜合考慮各種因素的影響程度及其作用機理[1-2]。據(jù)此，文章深入探究了混凝土聲學參數(shù)受含水量和檢測頻率的影響規(guī)律，旨在促進無損檢測技術在水工混凝土中的應用推廣。

1 試驗設計

試驗按照相關標準制作混凝土試件，并將標準養(yǎng)護28d后的試件放于水中，經(jīng)60d浸泡使其達到完全飽水狀態(tài)，然后利用烘箱烘干操作控制混凝土試件的含水量，完成超聲檢測，最后用壓力試驗機破壞并測量其超聲波速，試驗過程中所用的超聲測量頻次有100、50、30、15kHz，從而揭示混凝土超聲損傷檢測受含水率和檢測頻率的影響規(guī)律。

1.1 試件的制作

混凝土的主要組成材料有礦物添加劑、水、骨料、砂石、水泥和其他化學成分，混凝土強度在很大程度上取決于各種成分比值。試驗所用水泥為P.O 32.5水泥，塌落度35-50mm，強度C30，碎石粒徑5-20mm，中砂，依據(jù)設計規(guī)范確定混凝土試件的配合比。配合比設計，見表1。

表1 配合比設計

混凝土試件采用鋼膜成型，尺寸為100mm×100mm×100mm，成型之前清理干凈鋼膜，并用礦物油涂抹鋼膜內(nèi)壁以便脫模。首先，根據(jù)設計配合比稱取相應的水泥、砂石用量，按順序投入攪拌機，先將水泥與骨料干拌均勻，然后按配合比稱取所需水量倒入攪拌機，繼續(xù)攪拌至規(guī)定時間倒出裝模。啟動振搗臺，將入模試件振搗密實并常溫放置24h，脫模后置于標養(yǎng)室養(yǎng)護至規(guī)定齡期28d，標養(yǎng)完成后取出試件浸泡水中60d，確保試件吸水飽和，以備后用。

1.2 超聲試驗

試驗過程中，為探討超聲檢測受不同含水率的影響作用，對飽水狀態(tài)的試件用烘箱進行烘干處理，即試件含水量用烘干時間來控制。為了防止試驗過程中混凝土試件因高溫烘干而出現(xiàn)損傷，先以60℃烘干24h再以105℃烘至含水量為0。設定超聲檢測頻次為4h/次，在超聲波速測量之前先對混凝土試件稱重確定其含水量，最后烘干至含水率為0，即試件質(zhì)量不變狀態(tài)。

試驗時，通過稱出試件的最初重量、每次干燥后重量、最后烘干無含水重量以及重量差可以計算出每次的含水率，從而獲取不同含水率條件下混凝土試件的超聲波速。聲波測試時主要應用超聲檢測儀，本次試驗選用智能RSM-SY5聲波檢測儀，該儀器的測量系統(tǒng)有聲波發(fā)射、采集裝置以及配套的控制分析軟件。試驗數(shù)據(jù)的初步處理利用RSM-SY5自帶的軟件完成，然后向電腦輸入儀器采集的數(shù)據(jù)信號，按系統(tǒng)操作流程完成相應的分析。

1.3 混凝土加載

試件加載所用的壓力試驗機為YE30液壓式，該試驗機能夠以預先設定好的加載大小、速度對試件加壓，通過電腦控制可以進行分級加載。本次試驗實行分級加載，控制逐級加載幅度為50kN一級，直至試件完全破壞。試驗過程中，待各級荷載穩(wěn)定后對混凝土試件采用4種頻率開展超聲測量，并對超聲參數(shù)進行準確記錄。

為保證混凝土試件的測定空間，更好的比較分析15k的超聲換能器探頭，試驗時以正常角度與試件排放角度呈45°進行檢測[3]。

1.4 耦合劑選用

考慮到混凝土被測表面粗糙不平的實際情況，無論擠壓的多密實，混凝土表面與換能器輻射面接觸時兩者之間仍會有空氣夾層阻隔。一般地，空氣與固體的阻抗特性具有較大差異，絕大部分超聲能量被反射而無法貫入混凝土內(nèi)部。所以，需要將膏體或者液體耦合劑填充于混凝土與換能器之間，通過排掉二者之間的空氣形成耦合劑層，一般選用石膏漿、凡士林、黃油等較廉價的膏體作為平面換能器的耦合劑。試驗過程中，以等壓力耦合的方式耦合混凝土試塊與換能器，耦合劑選用凡士林。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 含水量的影響分析

含水量與超聲波速之間的關系，見圖1。圖1中橫、縱坐標代表混凝土的含水量和超聲波速，混凝土完全干燥和飽水狀態(tài)的含水量為0%、6%(重量百分比)。

(a)試件1

(b)試件2

(c)試件3

(d)試件4

(c)試件5

(d)試件6

由圖1可知，隨著含水量的增加混凝土試件的超聲波速波動增大，這與空氣中超聲波速低于水中的物理事實相符。以檢測頻率50kHz為例，試塊飽水狀態(tài)和完全干燥狀態(tài)的超聲波速約為4000m/s、3500/s。另外，試件的超聲波速測量值受檢測頻率的影響較大，波速隨檢測頻率的增加而增大，其增大幅度逐漸變緩并趨于穩(wěn)定。保水狀態(tài)下的試塊，從15kHz探頭頻率提高至30kHz時測量的超聲波速值增量達到15%，繼續(xù)增大探頭頻率至100kHz測量的超聲波速值增量僅有約5%，可見波速增加量隨著頻率的不斷增大逐漸趨于穩(wěn)定。

2.2 頻率的影響分析

外加荷載與試件超聲波速的關系，見圖2。圖2中的橫、縱坐標為外加荷載和超聲波速(m/s)，不同監(jiān)測頻率用不同曲線反映。考慮到室內(nèi)加載過程中，在烘干的混凝土試塊吸收空氣中的水分，故以外界環(huán)境含水量作為試塊的含水量。

由圖2可知，隨著外加荷載的增加試件的超聲波速逐漸減少，超聲波速下降速度在外加荷載較小時比較緩慢，而超聲波速下降速度在外加荷載較大時下降速度較快。由此表明，混凝土內(nèi)微裂紋隨著外加荷載的增加逐漸擴展，試塊內(nèi)部開始出現(xiàn)損傷，加之宏觀彈性模量的下降使得超聲波速測量值減小。此外，增加探測頻率會導致不同含水量混凝土試件的超聲波速的增大。

(a)試件1

(b)試件2

(a)試件3

(b)試件4

2.3 深層理論分析

1)超聲檢測受含水量的影響。隨著含水量的增加自由水分逐漸替代混凝土內(nèi)空隙中的空氣，與空氣相比水作為一種不可壓縮液體，其變形量在外荷載作用下相對較小。所以，在外荷載作用下水與混凝土材料基體疊加后的總變形量逐漸減小。從宏觀上，該變化特征表現(xiàn)為彈性模量的增大，由于材料的彈性模量與超聲波速測量平均值呈正比，所以測量的超聲波速隨含水量的增加而增大。

2)超聲檢測受頻率的影響。能量輸入越高意味著檢測頻率就越高，混凝土內(nèi)相鄰質(zhì)點位移信息在超聲波傳播過程中的傳遞動力越高，信息傳遞速度越快。研究表明，隨著加載速率的增加混凝土強度和彈性模量也會隨之增加。從微觀上，增大檢測頻率相當于提高了超聲檢測時混凝土的彈性模量，超聲波速測量值也會增大。

此外，超聲波的檢測頻率越高其波長就越短，傳播的方向性和靈敏度就越好，由于能量衰減大導致探測距離較短。因此，要合理選擇超聲波頻率檢測混凝土缺陷，在確保能夠探測信號能夠清晰接受的情況下，為了進一步提高檢測的靈敏度要選擇較高的探測頻率。一般地，混凝土材料超聲波速的最適用檢測頻率為25-100kHz，頻率范圍為25-200kHz。試驗過程中，結(jié)合實際情況并兼顧各種因素，可以將探頭超聲發(fā)射頻率設為50kHz。

3 結(jié) 論

文章探討了混凝土損傷超聲檢測受含水量和超聲檢測頻率的影響，通過初步分析及試驗研究得出的主要結(jié)論如下：

1)在外荷載作用下混凝土的變形量隨含水量的增加而減少，宏觀彈性模量和超聲波速檢測值也隨之增加。此外，超聲波速增長速度隨著混凝土含水量的增加而趨于平緩。

2)超聲檢測頻率越大則輸入的能量越高，混凝土內(nèi)相鄰質(zhì)點位移信息在超聲波傳播過程中的傳遞動力越高，信息傳遞速度越快。從微觀上，增大檢測頻率相當于提高了超聲檢測時混凝土的彈性模量，超聲波速測量值也會增大，超聲波速的增長速度隨著頻率的不斷增加而趨于平緩。

3)隨著外加荷載的增大混凝土超聲波速逐漸減小，并且其減小幅度逐漸增大，混凝土逐漸產(chǎn)生損傷并進一步發(fā)展。