章 煒，陳新江，陸惠平，刑 淵，黃志義

1.浙江大學(xué)工程師學(xué)院，浙江 杭州 310015

2.湖州南潯賽誠工程材料有限公司，浙江 湖州 313009

3.華匯工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，浙江 紹興 312000

4.浙江大學(xué)交通工程研究所，浙江 杭州 310058

超聲波檢測技術(shù)是近年來逐漸興起的一種無損檢測方法，由于其不受構(gòu)件幾何尺寸大小的影響、檢測速度較快以及檢測結(jié)果準(zhǔn)確，被廣泛應(yīng)用于水泥混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的檢測中。姜玉松等[1]對土層注漿固結(jié)時(shí)間的變化進(jìn)行了研究，得到了細(xì)砂、粗砂試樣波速隨固結(jié)時(shí)間的變化規(guī)律，并以波速基本不變對應(yīng)的時(shí)間作為固結(jié)硬化時(shí)間。

為了在實(shí)際工程中能有效快速地檢測水泥土的質(zhì)量，文章對水泥土的超聲波特性進(jìn)行了相關(guān)研究，分析了水泥土的超聲波變化規(guī)律及波速與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。通過超聲波變化規(guī)律更好地揭示了水泥土微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，并利用超聲波波速與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系更好地預(yù)測了水泥土的強(qiáng)度發(fā)展趨勢。

1 試驗(yàn)材料、方案及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自某工地，取土深度為2m 以下，為淤泥質(zhì)黏土。經(jīng)50℃恒溫鼓風(fēng)干燥箱烘干至恒重，過4.75mm 篩后得到試驗(yàn)備用土樣。根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）測試其基本的物理指標(biāo)，測試結(jié)果見表1、表2。

表1 土樣的基本性質(zhì)

表2 固化材料的化學(xué)組成 單位：%

1.2 試驗(yàn)方案

設(shè)置了4 組水泥摻量組，水泥摻量分別為3%、5%、7%、9%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為7d、14d、28d，具體試驗(yàn)方案見表3。其中，水泥摻量所占百分比是指水泥占干土重量的百分比。試驗(yàn)內(nèi)容主要包括無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和超聲波檢測試驗(yàn)。

表3 試驗(yàn)方案

1.3 試驗(yàn)方法

（1）試件制作及養(yǎng)護(hù)。根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）[2]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求進(jìn)行制樣，試樣采用50mm×50mm 的圓柱形試模。根據(jù)高速公路、一級公路的壓實(shí)度要求，試驗(yàn)壓實(shí)度選擇96%。制樣完成后，將試樣放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至齡期。

（2）力學(xué)性能試驗(yàn)。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）[3]采用萬能試驗(yàn)機(jī)，控制軸向應(yīng)變速率為1mm/min。養(yǎng)護(hù)至齡期時(shí)，提前一天取出浸水，浸水24h 后再進(jìn)行無側(cè)限抗壓。

（3）超聲波檢測試驗(yàn)。超聲波檢測試驗(yàn)所用儀器為CTS-25 型非金屬超聲波檢測儀。在試驗(yàn)過程中，將轉(zhuǎn)換開關(guān)撥至“AC”。開機(jī)后預(yù)熱30min，待儀器工作穩(wěn)定后再進(jìn)行測量。測量試件前需用先用校準(zhǔn)棒進(jìn)行校準(zhǔn)，待調(diào)好后再測量。測量時(shí)需用黃油、凡士林等耦合劑使探頭與試件良好接觸。測試過程中觀察波形，并記錄超聲波聲時(shí)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了研究水泥土在養(yǎng)護(hù)過程中，超聲波的波速變化規(guī)律，對以上四組試件分別進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和超聲波檢測試驗(yàn)。超聲波檢測時(shí)間為試件成型后1d、2d、3d、7d、14d、28d。由CTS-25 型非金屬超聲波檢測儀可以測得超聲波聲時(shí)T，其與超聲波波速V 之間的關(guān)系式為：

式中：L 為試件長度，mm。

由于試件長度統(tǒng)一為50mm，因此超聲波波速與聲時(shí)成反比關(guān)系，即聲時(shí)越大，波速越小。一般通過試件所用的時(shí)間越小，代表試件內(nèi)部越密實(shí)，結(jié)構(gòu)越完整。

通過試驗(yàn)可知，隨著水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增大，水泥土強(qiáng)度也在不斷增大，與之對應(yīng)的超聲波聲時(shí)卻在減小。根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制圖形，舍去試驗(yàn)中人為和試樣自身缺陷造成失真的數(shù)據(jù)，采用數(shù)學(xué)回歸分析的方法進(jìn)行擬合分析。擬合分析所用的函數(shù)為線性函數(shù)、多項(xiàng)式函數(shù)和指數(shù)函數(shù)，擬合結(jié)果見圖1 ～圖3，分析結(jié)果見表4。

圖1 抗壓強(qiáng)度與波速之間線性函數(shù)擬合曲線

圖2 抗壓強(qiáng)度與波速之間多項(xiàng)式函數(shù)擬合曲線

圖3 抗壓強(qiáng)度與波速之間指數(shù)函數(shù)擬合曲線

表4 水泥土縱波波速與抗壓強(qiáng)度回歸結(jié)果

從分析結(jié)果可以看出，水泥土抗壓強(qiáng)度與超聲波縱波波速之間存在相關(guān)關(guān)系。其中，多項(xiàng)式函數(shù)和指數(shù)函數(shù)擬合較好，通過相關(guān)系數(shù)比較發(fā)現(xiàn)，抗壓強(qiáng)度與超聲波波速之間更趨向于指數(shù)函數(shù)關(guān)系。由于水泥土超聲波波速受很多因素影響，如水泥土含水率、密度、初始壓力等因素，因此要得到抗壓強(qiáng)度與超聲波波速之間準(zhǔn)確的關(guān)系，還需要后期進(jìn)行更深入的系統(tǒng)試驗(yàn)。

3 結(jié)論

（1）通過試驗(yàn)結(jié)果可知，水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增大而增大。（2）通過超聲波檢測試驗(yàn)可知，水泥土摻量越大的試件測得的聲時(shí)越小，波速越大；水泥土試件的超聲波縱波聲速隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長而不斷增大。（3）對水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和超聲波波速進(jìn)行擬合分析可知，水泥土抗壓強(qiáng)度與超聲波縱波波速之間存在相關(guān)關(guān)系，二者更趨向于指數(shù)函數(shù)關(guān)系。