劉 盼

（遼寧省盤錦市大洼區(qū)水利局，遼寧 盤錦 124200）

混凝土是水利工程領(lǐng)域用量最多、用途最廣的一種人造石材，通過摻入外加劑、粉煤灰、礦粉等摻合料可以改善混凝土性能，摻合料組分不同所獲取的混凝土強(qiáng)度存在顯著差異[1-3]。為準(zhǔn)確評判水工混凝土質(zhì)量，國內(nèi)學(xué)者利用多種方法開展了深入研究，如譚艷等利用液壓試驗機(jī)將混凝土壓縮至破裂，依據(jù)施加的壓力值判定其強(qiáng)度等級；閆維明等對混凝土軸壓性能利用壓軸試驗進(jìn)行測量；卿龍邦等對任意荷載作用下混凝土的損傷程度利用數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行了分析；鄭丹等對不同受熱時間段和高溫受熱溫度下的混凝土力學(xué)性能利用超聲波進(jìn)行檢測，并進(jìn)一步探討了非線性超聲法的適用條件[4-7]。本文借鑒現(xiàn)有文獻(xiàn)資料，在不改變混凝土特性或原有狀況的條件下，采用超聲脈沖測速法無損檢測了混凝土質(zhì)量，流程如圖1所示。

圖1 混凝土試件評估

總體上，可以將超聲脈沖測速法劃分成3個階段：混凝土試件的設(shè)計、制備和超聲波脈沖速度的測量，以20MPa、30MPa、40MPa三種強(qiáng)度作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

1 超聲脈沖測速法

1.1 混凝土分析

混凝土是水庫大壩、堤防、擋土墻等水工結(jié)構(gòu)應(yīng)用最常見的材料，一般由水、碎石、砂石、水泥、粉煤灰、外加劑等原材料按設(shè)計配合比混合而成，水泥與水發(fā)生一系列復(fù)雜的反應(yīng)生成混凝土固體，硬化后的混凝土具有優(yōu)異的力學(xué)性能，各組分所占比例如圖2所示。

圖2 混凝土各組分所占比例

室溫條件下，精磨的水泥細(xì)粉顆粒與水發(fā)生反應(yīng)，可以在水下或空氣中凝固硬化。水泥作為一種膠凝材料能夠?qū)⒋?、?xì)骨料牢固地連接成整體，隨著時間的推移逐漸達(dá)到一定強(qiáng)度和剛度，一般水泥含量越多則混凝土強(qiáng)度越大。為提高強(qiáng)度以及降低成本，一般使用碎石、砂、外加劑等，其中外加劑有固體粉末和液體兩種類型，其摻入時間有混凝土制備過程中或配制之前兩個時段。外加劑的類型不同則其功能也存在顯著差異，一般有早強(qiáng)劑、減水劑、引氣劑、速凝和緩凝劑等等。

1.2 測量原理

目前，超聲脈沖測速法是無損檢測混凝土質(zhì)量的重要手段，該方法可在不破壞工程結(jié)構(gòu)完整性的情況下判定混凝土的質(zhì)量狀況。實際上，超聲波穿過混凝土結(jié)構(gòu)的時間是測量脈沖速度的關(guān)鍵。在混凝土試件表面安裝換能器進(jìn)行直接測量，為保證測試精度必須把足夠多的的耦合劑涂覆于混凝土與換能器之間的接合面上，確保穿過混凝土?xí)r聲波不發(fā)生反射，同時以防聲阻抗因傳播介質(zhì)的改變而減小的情況。

文章利用超聲波系統(tǒng)直接測量聲波的穿透試件的時間，主要工作流程為：①發(fā)生器發(fā)射超聲波脈沖信號并激勵換能器Tx；②換能器產(chǎn)生超聲波，采用示波器顯示產(chǎn)生的信號；③聲波到達(dá)試件末端時換能器接收器Rx檢測聲波，通過轉(zhuǎn)化處理超聲波編程電信號顯示在示波器上，如圖3所示。

圖3 超聲脈沖速度測量示意圖

因此，通過同步示波器通道能夠獲取接受信號與脈沖發(fā)射之間的時間，即聲波穿透試件的時間。根據(jù)特定混凝土試件的穿透時間t和長度d，利用以下公式計算超聲波脈沖速度V，即：

2 水工混凝土無損檢測

2.1 試件制作

試驗設(shè)計20MPa、30MPa和40MPa三種強(qiáng)度混凝土試件，為保證超聲波脈沖速度測量的精準(zhǔn)度每個強(qiáng)度制作2個試件。試驗選用P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥配制混凝土試件，考慮骨料體積、水膠比和含水量等因素合理設(shè)計配合比，如表1所示。

表1 水工混凝土試驗配合比

依據(jù)試件規(guī)格和表1中的數(shù)據(jù)確定每種原材料用量，混凝土試件尺寸為高0.30m×直徑0.15m的圓柱體，混凝土體積VP=π/4·D2h擬利用公式來計算，即0.0053m3，所對應(yīng)的原材料用量如表2所示。

表2 單個試件的原材料用量

根據(jù)混凝土試件體積換算碎石、砂的總用量，采用水工混凝土試驗配合比和表2獲取的單個試件原材料用量，經(jīng)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化處理確定每組試件所需的總用量，并精準(zhǔn)稱量各原材料質(zhì)量。試驗選用長度30cm、直徑15cm的模具制作混凝土試件，澆筑前必須確保模具良好，為減少摩擦和防止粘連將礦物油均勻涂抹至模具的內(nèi)部；澆筑過程中，將配制好的混合物分3層加入試模，同時利用橡膠錘和細(xì)鐵棒振搗10～15次，如圖4所示。

圖4 試件澆筑振搗示意圖

澆筑入模后，室溫靜置24h后拆模，脫模后將混凝土試件移入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，確保水泥充分水化，保證混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計等級。

2.2 超聲脈沖測速

將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后的混凝土試件取出，采用超聲波系統(tǒng)按照圖3安裝方法測試每個試件的脈沖速度，換能器共振頻率達(dá)到50KHz時所檢測的脈沖信號，如圖5（a）。該條件下設(shè)定超聲脈沖振幅500v，并將凡士林作為耦合劑涂覆于混凝土與換能器之間的接合面上，依次測試各組試件獲取相應(yīng)的信號，接受換能器捕獲40MPa試件的信號，如圖5(b)。脈沖信號的初始和接受時間間隔對應(yīng)于超聲波的飛行時間，依據(jù)換能器在一段時間內(nèi)的聲波電壓變化情況即可確定超聲波的飛行時間，40MPa時間的聲波飛行時間約為75μs。

圖5 接受換能器顯示的信號

各組混凝土試件的超聲波脈沖速度和飛行時間檢測結(jié)果見表3。結(jié)果顯示，混凝土的抗壓強(qiáng)度與超聲波脈沖速度密切相關(guān)，抗壓強(qiáng)度為20MPa、30MPa和40MPa混凝土試樣的超聲波脈沖速度達(dá)到較低、中等、較高水平。試驗表明，超聲波脈沖速度會隨著混凝土抗壓強(qiáng)度的增加而增大，該變化規(guī)律更好地說明了超聲脈沖測速法評價混凝土質(zhì)量的有效性。

表3 超聲波脈沖速度與飛行時間測量值

將混凝土試件按照超聲波脈沖速度劃分成不同類型，波速超過4570m/s則判定混凝土質(zhì)量達(dá)到優(yōu)良等級，波速處于3650～4570m/s范圍時則判定混凝土質(zhì)量達(dá)到良好等級，波速處于3050～3650m/s范圍時則判定混凝土質(zhì)量存在問題，波速處于2125～3050m/s范圍時則判定混凝土質(zhì)量屬于劣質(zhì)等級，波速＜2125m/s時則判定混凝土質(zhì)量屬于非常劣質(zhì)等級。結(jié)合表3檢測結(jié)果，20MPa抗壓強(qiáng)度的混凝土試件存在質(zhì)量問題，30MP和40MPa抗壓強(qiáng)度的混凝土質(zhì)量達(dá)到良好等級。

3 結(jié) 論

通過分析水、水泥、碎石和砂等原材料用量，試驗制作高度0.30m、直徑0.15m的三種不同強(qiáng)度的圓柱體混凝土試件，然后利用超聲波系統(tǒng)檢測每種抗壓強(qiáng)度試件的脈沖速度，并得出超聲脈沖速度會隨著混凝土抗壓強(qiáng)度的增加而增大的結(jié)論。

超聲波脈沖速度與混凝土質(zhì)量直接相關(guān)，依據(jù)不同的脈沖速度可劃分混凝土質(zhì)量等級，抗壓強(qiáng)度越低則混凝土質(zhì)量越差。另外，在混凝土質(zhì)量、鋼焊縫質(zhì)量、厚度檢測等領(lǐng)域超聲脈沖法將發(fā)揮更大的作用，未來應(yīng)考慮構(gòu)件尺寸、養(yǎng)護(hù)條件、測試環(huán)境等因素，進(jìn)一步探討混凝土質(zhì)量與超聲脈沖速度之間的關(guān)系。