石勇

（徐州市公路工程總公司，江蘇徐州 221000）

0 引言

作為建設(shè)工程領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的材料——混凝土，其憑借較好的抗壓強(qiáng)度和與鋼筋良好的黏接能力，獲得了大量的實(shí)踐應(yīng)用?；炷恋目箟簭?qiáng)度是其結(jié)構(gòu)質(zhì)量評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)，如何快速準(zhǔn)確地進(jìn)行混凝土強(qiáng)度檢測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。

在混凝土質(zhì)量的檢測(cè)與評(píng)價(jià)方面，較多學(xué)者進(jìn)行了深入探討和研究，如熊芳等[4]介紹了混凝土強(qiáng)度的回彈法檢測(cè)技術(shù)，總結(jié)了應(yīng)用原理與特點(diǎn)；王大勇[5]闡述了回彈超聲角測(cè)綜合法的檢測(cè)精度提升措施，借助試驗(yàn)?zāi)Ｐ头治隽藴y(cè)強(qiáng)曲線(xiàn)的檢測(cè)誤差等問(wèn)題。另外，也有學(xué)者討論了非線(xiàn)性超聲方法以及數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用等[6-7]。本文在前人研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，基于橋梁樁基混凝土檢測(cè)需求，提出一種新型的無(wú)損檢測(cè)手段，即在不損壞混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的前提下，利用超聲波在混凝土中的傳播速度變化，實(shí)現(xiàn)混凝土強(qiáng)度的推斷和評(píng)價(jià)。通過(guò)制作不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土試樣，在同等環(huán)境條件下開(kāi)展基于超聲波測(cè)速的混凝土強(qiáng)度分析與測(cè)定，取得了理想的效果。

1 超聲波脈沖速度測(cè)量原理

超聲波脈沖測(cè)速屬于無(wú)損檢測(cè)范疇，原理是利用超聲波在混凝土介質(zhì)中傳播后返回的時(shí)間長(zhǎng)短得出結(jié)論，因混凝土強(qiáng)度、密實(shí)度以及傳播速度之間存在特定的函數(shù)關(guān)系，故而可根據(jù)返回時(shí)間推定混凝土強(qiáng)度情況。試驗(yàn)原理見(jiàn)圖1，其中，混凝土試件的兩端面分別連接換能器，換能器通過(guò)適量的耦合器實(shí)現(xiàn)與混凝土的有效接合，避免介質(zhì)突變引起聲阻抗改變，該過(guò)程中的超聲波能順利通過(guò)混凝土介質(zhì)且不會(huì)發(fā)生反射。

圖1 直接法測(cè)量超聲脈沖速度

在圖1 中，超聲波脈沖發(fā)生器能發(fā)射超聲脈沖，試件的左側(cè)換能器接收到脈沖信號(hào)后發(fā)生激勵(lì)作用并產(chǎn)生超聲波，該聲波穿過(guò)混凝土試樣后到達(dá)右側(cè)的接收換能器中，換能器接收并檢測(cè)到聲波后將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，最終在示波器界面中得以顯示波形。由此可知，通過(guò)示波器中的波形變化可獲得從脈沖信號(hào)發(fā)出到接收到信號(hào)的時(shí)間t，再通過(guò)該時(shí)間段內(nèi)聲波所經(jīng)歷的距離（主要為混凝土試件的長(zhǎng)度d），即可得到超聲波的脈沖速度V，計(jì)算見(jiàn)式（1）：

2 混凝土試件制作

根據(jù)試驗(yàn)要求，制備三種不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土試樣，每種強(qiáng)度等級(jí)各制備2 組試樣，以保證超聲脈沖測(cè)速的準(zhǔn)確性，具體混凝土強(qiáng)度分別為15MPa、25MPa、35MPa，見(jiàn)圖2所示。

圖2 混凝土試件設(shè)計(jì)

在混凝土試件的配制過(guò)程中，水泥均采用普通硅酸鹽水泥，考慮水膠比以及骨料級(jí)配等因素，確定相應(yīng)的配合比情況見(jiàn)表1。

表1 1m3 體積混凝土各組分的配比

根據(jù)表1 中的各混凝土組分比例，制備相應(yīng)的圓柱形試樣，圓截面直徑D 為15cm，高度h 為30cm。利用下式（2）可獲得該圓柱形試樣的體積Vp為0.0053m3，根據(jù)該體積數(shù)值可進(jìn)一步確定單個(gè)試樣各組分含量，見(jiàn)表2。

表2 0.0053m3 體積混凝土各組分的配比

根據(jù)直徑和高度確定圓柱形試樣的體積后，計(jì)算獲得的砂與碎石體積數(shù)，再將其轉(zhuǎn)化為質(zhì)量形式（kg），再基于公式（3）進(jìn)行計(jì)算，得到6 個(gè)混凝土試樣中每個(gè)組分材料的含量，見(jiàn)表3。其中，各個(gè)組分材料由于存在于2 個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的試樣中，故均應(yīng)考慮2 倍的系數(shù)。

表3 兩個(gè)尺寸為0.15m×0.3m 的混凝土試件組成材料用量

根據(jù)上述相關(guān)計(jì)算確定混凝土各組分材料的用量后，即可按制備順序進(jìn)行混凝土攪拌混合成型。制作試樣時(shí)采用實(shí)心鐵質(zhì)模具，直徑和長(zhǎng)度分別等同于設(shè)計(jì)的混凝土試樣尺寸，即直徑15cm、高度30cm。將配置的混凝土投入鐵質(zhì)模具前應(yīng)將模具內(nèi)表面涂刷一層脫模劑，避免成型后混凝土與模具黏連。制備時(shí)混凝土分次灌入，每次灌入高度約為12cm，邊灌入邊用振搗棒緩慢振勻，并用橡膠錘輕敲模具側(cè)壁，保證混凝土灌注的密實(shí)度，如圖3所示。

圖3 混凝土試件的澆筑過(guò)程

灌注完混凝土后，于2 天內(nèi)進(jìn)行脫模并放置于適當(dāng)環(huán)境中開(kāi)展養(yǎng)護(hù)工作，保證混凝土試樣的水化反應(yīng)能夠充分進(jìn)行，保證強(qiáng)度充分發(fā)展。28 天的混凝土試樣保濕養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，即獲得最終待檢測(cè)的混凝土試樣成品，如圖4所示。

圖4 混凝土試樣成品

3 超聲波脈沖速度測(cè)定

在獲取的養(yǎng)護(hù)工作完成的混凝土試樣中，對(duì)每個(gè)試樣開(kāi)展超聲脈沖測(cè)速，根據(jù)設(shè)計(jì)方案，使脈沖發(fā)生器產(chǎn)生如圖5所示的信號(hào)。其中，允許改變信號(hào)的最大振幅在250V、500V、750V 和1000V 之間。此外，換能器共振頻率取為55kHz，脈沖振幅取為500V?；炷猎嚇觾啥说膿Q能器與試樣接觸位置的耦合器選用凡士林。

依次測(cè)定6 個(gè)試樣超聲速度，得到的示波器電信號(hào)曲線(xiàn)如圖5所示（35MPa 的混凝土試樣）。由圖6 可知超聲脈沖的經(jīng)歷時(shí)間——信號(hào)產(chǎn)生和接收期間的橫軸數(shù)據(jù)差值，該差值即為超聲波的傳播時(shí)間。考慮某段時(shí)間內(nèi)的換能器電壓變化情況，大致確定相應(yīng)的聲波飛行時(shí)間為73us。

圖5 35MPa 的樣品觀(guān)察到的超聲波飛行時(shí)間

圖6 超聲波脈沖信號(hào)

最后，表4 顯示了相應(yīng)的測(cè)量飛行時(shí)間值以及相應(yīng)飛行時(shí)間條件下計(jì)算得到的6 個(gè)強(qiáng)度等級(jí)混凝土試樣的超聲脈沖速度值。

表4 各試樣的飛行時(shí)間及超聲波脈沖速度

由表4 中的計(jì)算數(shù)據(jù)可知，飛行時(shí)間、脈沖速度均與混凝土的強(qiáng)度等級(jí)表現(xiàn)出明顯的關(guān)聯(lián)性。其中，混凝土抗壓強(qiáng)度越大，飛行時(shí)間越短，所計(jì)算得到的脈沖速度越大。在35MPa 混凝土試樣測(cè)定中，飛行時(shí)間最少約為72μs，脈沖速度最大約為4200m/s。該規(guī)律表明，基于超聲波的脈沖測(cè)速能有效進(jìn)行混凝土質(zhì)量評(píng)價(jià)。

在實(shí)踐中，對(duì)于所獲得的超聲波脈沖速度，將其分為幾個(gè)區(qū)間，具體為：＞4575m/s，3660～4575m/s，3050～3660m/s，2125～3050m/s 以及＜2125m/s。相應(yīng)的混凝土質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果為：優(yōu)良、良好、存在問(wèn)題、劣質(zhì)、極其劣質(zhì)。按照上述評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，35MPa 以及25MPa 的試樣均處于良好范圍，而15MPa 的試樣顯示結(jié)果為存在問(wèn)題。由此可知，混凝土強(qiáng)度較高時(shí)，評(píng)級(jí)較好，而混凝土強(qiáng)度較低時(shí)則評(píng)級(jí)較低，表明超聲脈沖測(cè)速的結(jié)果與實(shí)際情況相符。

4 結(jié)論

首先，制備了15MPa、25MPa 以及35MPa 的混凝土試樣各2 個(gè)，試樣利用圓柱形鐵質(zhì)模具制備，直徑為15cm，高度為30cm，實(shí)現(xiàn)了混凝土水泥、砂、骨料等的有效配制和分析。

其次，通過(guò)對(duì)每個(gè)混凝土試樣進(jìn)行超聲脈沖測(cè)速，根據(jù)所得數(shù)據(jù)，認(rèn)為混凝土抗壓強(qiáng)度與脈沖速度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

再次，根據(jù)超聲脈沖速度劃分的混凝土質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)中，混凝土抗壓強(qiáng)度越高，評(píng)級(jí)越高，相反時(shí)則評(píng)級(jí)越低，質(zhì)量越差。

最后，超聲脈沖測(cè)速屬于無(wú)損檢測(cè)，能在不破壞構(gòu)件的條件下實(shí)現(xiàn)混凝土強(qiáng)度等級(jí)的有效推定，未來(lái)可考慮不同試樣尺寸的混凝土強(qiáng)度檢測(cè)研究。