尚新想，謝友均，馬昆林，龍廣成

(中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

混凝土是一種重要的土木工程建筑材料，用量巨大，其強度關系著整個工程結構的安全。從1930年開始，研究人員便嘗試將不破壞混凝土結構性能的無損檢測技術與之結合，力圖實現(xiàn)對現(xiàn)場工程結構抗壓強度的連續(xù)有效檢測。目前，超聲波測試混凝土抗壓強度已相對成熟，DEMⅠRBO?A等[1]發(fā)現(xiàn)大體積礦物摻合料混凝土的抗壓強度與超聲波波速之間滿足相關程度達0.96以上的冪指數(shù)關系；趙望達等[2]發(fā)現(xiàn)環(huán)形混凝土電桿的抗壓強度與超聲波波速之間滿足線性方程；WANG等[3]發(fā)現(xiàn)再生廢棄液晶玻璃混凝土的抗壓強度與超聲波波速之間呈非線性關系；GHOSH等[4]發(fā)現(xiàn)聚合物混凝土的抗壓強度與超聲波波速之間滿足線性關系。以上研究結果表明，超聲波在混凝土內(nèi)部的傳播速度與各組分的性質密切相關，在不同種類的混凝土上呈現(xiàn)不同的關系。同時，高頻的超聲波易受混凝土內(nèi)非均質性和鋼筋等影響而引起復雜的反射和散射[5-6]。因此，研究人員開始發(fā)掘其他無損檢測技術在測試混凝土抗壓強度上的應用：孫其臣等[7]發(fā)現(xiàn)沖擊回波法測試混凝土動彈性模量的結果與傳統(tǒng)共振法大致相等；張景奎等[8]通過測試不同尺寸、不同強度的素混凝土和鋼筋混凝土，發(fā)現(xiàn)28 d后的齡期和強度對沖擊回波波速影響不大；SAJID等[9]發(fā)現(xiàn)沖擊共振波在估算混凝土砌體單元抗壓強度上比超聲波要可靠；JIANG等[10]研究了自密實混凝土充填層在不同齡期下的沖擊回波頻譜，準確換算出沖擊回波在不同齡期自密實充填層中的波速。CARINO[11]提出的沖擊回波法，是一種依靠機械沖擊來產(chǎn)生瞬態(tài)低頻應力波的無損檢測技術。它克服了超聲波易受混凝土內(nèi)部鋼筋影響的缺點[12]，也解決了沖擊共振波不可單面檢測的難題，此外，沖擊回波法測試無需耦合劑，能在現(xiàn)場的鋼筋混凝土結構檢測中發(fā)揮較大作用。沖擊回波同超聲波和沖擊共振波一樣，均屬于應力波，但在混凝土抗壓強度的檢測上卻鮮有研究。本文借此對不同配比的混凝土進行相關實驗，建立混凝土抗壓強度與3種應力波波速之間的關系式，比較3種應力波波速的特性，探討沖擊回波法檢測混凝土抗壓強度的可行性。

1 試驗

1.1 原材料及配合比

試驗選用42.5級普通硅酸鹽水泥，聚羧酸系減水劑，細骨料選用級配合格的Ⅱ區(qū)河砂，細度模數(shù)2.7，表觀密度2 630 kg/m3，粗骨料選用級配合格的破碎石灰石，最大粒徑25mm，表觀密度2 680 kg/m3。

進行C30～C50強度等級的4個系列的混凝土設計和試件制作，其配合比如表1所示。其中：系列A和系列B分別為C30和C35強度等級，減水劑摻量均為膠凝材料總質量的0.3%；系列C為C40強度等級，礦粉摻量為膠凝材料總質量的20.7%，減水劑摻量為膠凝材料總質量的0.5%；系列D為C50強度等級，礦粉摻量占比同系列C，減水劑摻量為膠凝材料總質量的0.8%。

表1 混凝土配合比Table 1 M ix proportion of concrete kg/m3

1.2 試件制備

每一強度等級均成型100 mm×100 mm×100mm的立方體試件和100mm×100mm×300mm的棱柱體試件，3個一組進行不同齡期的強度測試、超聲波測試和沖擊共振測試。同時成型長×厚×高為1 200mm×250mm×1 200mm的試驗墻，在相同齡期進行沖擊回波測試。試件拆模后，均放置在相同的室外環(huán)境下養(yǎng)護。

試驗墻制作簡介：1 200mm的高度均分成由上到下的C30～C50 4個強度等級，每一強度等級的混凝土分2層澆注，即澆注150mm振搗密實后再澆注下一層。

1.3 試驗方法

1.3.1 強度測試

圖1給出了混凝土抗壓強度測試示意，選用TYA-2000E型微機控制恒加載壓力試驗機，按《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T50081 2019)[13]進行試驗。3個試件一組按齡期測試，加載速度為0.5MPa/s。

圖1 混凝土抗壓強度測試Fig.1 Testof compressive strength

1.3.2 超聲波測試

圖2給出了混凝土超聲波波速測試示意，選用HS-SB1W型波速測試儀，參數(shù)設置為0.1μs采樣率、1 K采樣字節(jié)、250 V脈沖電壓和5μs脈沖寬度。實驗中需將HS-4810P10縱波換能器和試件兩面測試點均勻地涂抹一層凡士林，并用一圓鐵塊保持穩(wěn)定的換能器壓緊力，使換能器與試件之間進行良好的耦合并上下對準。

圖2 混凝土超聲波波速測試Fig.2 Testof U ltrasonicwave velocity

1.3.3 沖擊共振波測試

圖3給出了混凝土共振頻率測試示意，采用美國標準規(guī)范ASTMC215中的沖擊振動法[14]：通過小錘敲擊試件端部，使試件產(chǎn)生縱向振動，振動頻率信號由另一端涂抹耦合劑的傳感器接收，通過Emodumeter儀器的分析和計算，可以直接輸出共振基頻數(shù)據(jù)。

圖3 共振頻率測試Fig.3 Testof resonance frequency

試件縱向共振基頻與動態(tài)彈性模量Ed之間的函數(shù)關系如式(1)所示。式中，D=4(L/bt)，為試件尺寸，m-1；L為試件長度，m；b為試件橫截面的長，m；t為試件橫截面的寬，m；M為試件質量，kg，保留一位小數(shù)；n為縱向共振頻率，Hz。

孫其臣等[7]指出一維均質彈性體的動彈性模量和沖擊波速vP滿足式(2)，其中ρ為試件的表觀密度。將式(1)和式(2)聯(lián)立，可得沖擊共振波的波速如式(3)。

1.3.4 沖擊回波測試

沖擊回波法是用小鋼球等機械沖擊方式在混凝土表面進行沖擊，產(chǎn)生包括縱波(P波)、橫波(S波)和表面波(R波)在內(nèi)的沖擊應力脈沖，產(chǎn)生的表面波沿敲擊表面?zhèn)鞑?，縱波和橫波以球面波在敲擊表面的垂直方向傳播[15]。遇到波阻抗有差異的界面時，縱波和橫波會發(fā)生反射；反射波到達混凝土敲擊表面時，就產(chǎn)生瞬態(tài)共振位移[16]。已有研究證明當檢測點靠近沖擊點0.2～0.5倍深度時，縱波引起的位移變化大于橫波[17-18]，加上縱波在混凝土內(nèi)部的傳播速度快于橫波，故縱波的多次反射信號在測試中占據(jù)主要地位。

圖4給出了此次試驗的測試系統(tǒng)，系統(tǒng)由帶有彈性柔桿和傳感接收器的小車及電腦組成。彈性柔桿用作產(chǎn)生應力波的機械沖擊途徑，接收傳感器采集反射波信號，二者處于同一檢測面；電腦用作信號處理與輸出數(shù)據(jù)。圖5給出了試驗測點的分布，位于每一強度等級混凝土層的中間并間隔100mm。

圖4 沖擊回波法測試系統(tǒng)Fig.4 Basic principle of impactechomethod

圖5 沖擊回波測點分布Fig.5 Distribution of impactechomeasuring points

當接收到的發(fā)射波信號主要由傳播距離—墻厚度引起時，F(xiàn)FT變換得到的頻域曲線會出現(xiàn)一個高峰值，對應的頻率稱為“厚度頻率”，可由式(4)計算。式中，f為厚度頻率；T為實心板厚；CPP為縱波通過板厚的速度，與縱波的波速之間存在一個系數(shù)關系，板式結構中取CPP=0.96CP。也因如此，得到測定縱波波速的方法：已知厚度，由測得的厚度頻率來反推波速。

2 結果與分析

2.1 齡期對應力波波速的影響

圖6給出了混凝土抗壓強度和應力波波速與齡期的關系，其中，圖6(a)為4個設計強度等級(系列A～D)混凝土抗壓強度與齡期的結果，由圖6可知：隨著齡期的增長，混凝土抗壓強度均增大；在齡期相同時，設計強度等級越高的混凝土抗壓強度較高。28 d齡期時，A，B，C和D組混凝土抗壓強度分別為37.7，39.7，54.6和61.0MPa，滿足本研究設計要求。

圖6(b)，6(c)和6(d)為混凝土超聲波波速、沖擊共振波波速和沖擊回波波速與齡期之間的結果，由圖6可知：3種應力波波速均隨著齡期的增加而增大，超聲波的增長波動性較大；在相同齡期時，設計強度等級越高的混凝土具有更高的應力波波速；同一齡期下，混凝土的超聲波波速要明顯高于沖擊共振波波速和沖擊回波波速。

圖6 混凝土抗壓強度、應力波波速與齡期的相關關系Fig.6 Correlation betw een concrete compressive strength，tresswave velocity and age

隨著齡期的增長，混凝土內(nèi)部結構逐漸密實，抗壓強度隨之增長，應力波在混凝土內(nèi)部傳播時受到的干擾減弱，從而獲得更大的波速。

2.2 設計強度等級對相關關系的影響

圖7為不同設計強度等級下應力波波速與混凝土抗壓強度相關關系的結果。由圖7可知：在設計強度等級相同時，應力波波速隨著抗壓強度的增長而增加；設計強度等級較低時，如C30和C35，超聲波波速和抗壓強度之間并不適合線性關系，線性相關程度明顯弱于沖擊共振波波速和沖擊回波波速；設計強度等級較高時，如C40和C50，超聲波波速和抗壓強度之間滿足線性關系，線性相關程度高于沖擊共振波波速和沖擊回波波速；在4種設計強度等級下，沖擊共振波波速和沖擊回波波速均與抗壓強度滿足較好的線性關系。

圖7 不同設計強度等級下(系列A～D)應力波波速與混凝土抗壓強度相關關系Fig.7 Correlation between stresswave velocity and concrete compressive strength under differentdesign strength grades(From seriesA to D)

設計強度等級較低(如C30和C35)時，混凝土內(nèi)部會因較大的水灰比而導致結構密實程度較弱，超聲波傳播時受干擾程度嚴重，與抗壓強度增長的線性相關關系不強；設計強度等級較高(如C40和C50)時，混凝土內(nèi)部會因較低的水灰比和外加劑而導致結構密實程度較強，超聲波傳播時受干擾程度較低，與抗壓強度增長的線性相關關系較強；沖擊共振波和沖擊回波均是由機械振動產(chǎn)生的應力波，沖擊回波利用應力波的反射實現(xiàn)單面檢測，其能量也會在反射中減弱，從而導致波速降低，但仍能較好地表征混凝土抗壓強度。

2.3 抗壓強度與應力波的關系

圖8為混凝土抗壓強度與應力波波速之間的關系結果，8(a)，8(b)和8(c)分別為超聲波波速、沖擊共振波波速和沖擊回波波速。由圖8可知：混凝土超聲波波速、沖擊共振波波速和沖擊回波波速均隨著抗壓強度的增加而增大，二者有著很好的相關性；數(shù)據(jù)點整體位于抗壓強度20～60 MPa，應力波波速3 300～4 700m/s區(qū)間；在較低抗壓強度時，混凝土超聲波波速明顯高于3 700m/s，沖擊共振波波速與沖擊回波波速均大于3 300m/s；相同混凝土抗壓強度條件下，沖擊共振波波速和沖擊回波波速接近，大致為超聲波波速的0.9倍。

圖8 混凝土抗壓強度與應力波波速相關關系Fig.8 Correlation between concrete compressive strength and stresswave velocity

混凝土抗壓強度越高，其內(nèi)部孔隙等缺陷較少、結構更加密實，應力波傳播時便獲得較大的波速，二者之間存在明顯的相關關系?；炷量箟簭姸扰c每種應力波波速之間有24組平均值有效數(shù)據(jù)，分別將之擬合，式(5)給出了混凝土抗壓強度與超聲波波速的擬合關系式，式(6)給出了混凝土抗壓強度與沖擊共振波波速的擬合關系式，式(7)給出了混凝土抗壓強度與沖擊回波波速的擬合關系式。從擬合的關系式中可知：混凝土抗壓強度和3種應力波波速之間均滿足一次線性關系式，且線性相關程度均較強、在0.92以上，但關系式僅適用于20～60MPa的結構混凝土。

3 結論

1)混凝土應力波波速隨齡期的增加而增大，相同齡期時，設計強度等級高的混凝土應力波波速較大；相同混凝土抗壓強度條件下，沖擊共振波波速和沖擊回波波速接近，是超聲波波速的0.9倍左右。

2)超聲波波速與混凝土抗壓強度之間的線性相關程度在穩(wěn)定程度上弱于沖擊共振波和沖擊回波，易受設計強度等級的影響，在較低設計強度等級時偏向于非線性關系。

3)超聲波、沖擊共振波和沖擊回波均能良好地表征20～60MPa混凝土的抗壓強度，且具有較高的線性相關性，相關系數(shù)分別為0.951 84，0.922和0.928 47。

4)混凝土抗壓強度與沖擊回波波速之間的線性關系不易受設計強度等級影響，始終保持較高的相關程度；結合其可單面檢測和幾乎不受鋼筋影響的特點，沖擊回波法將為鋼筋混凝土結構質量的高效、可靠檢測評價提供強有力支持。