李學(xué)斌 馬林 呂啟兵 楊心怡 文云杰 李玉 何勇 田曉旺

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，成都 610213；3.中鐵三局集團(tuán)有限公司，太原 030001；4.中國(guó)中鐵一局集團(tuán)有限公司，西安 710054；5.中鐵上海工程局集團(tuán)有限公司，上海 201906

超聲波可以用來(lái)檢測(cè)混凝土的密實(shí)度、強(qiáng)度、動(dòng)彈性模量、厚度、缺陷等，超聲波法已成為混凝土無(wú)損檢測(cè)的一種常用方法。影響超聲波在混凝土中傳播的因素較多，當(dāng)超聲波在傳播路徑上遇到介質(zhì)發(fā)生變化或缺陷時(shí)將產(chǎn)生繞射、折射或反射，通常會(huì)出現(xiàn)聲時(shí)延長(zhǎng)、波幅下降、主頻降低、波形畸變等變化。秦旭［1］通過(guò)連續(xù)箱橋的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)超聲波法檢測(cè)混凝土密實(shí)度進(jìn)行了研究；張玉敏等［2］通過(guò)試件試驗(yàn)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量與超聲波聲速的關(guān)系進(jìn)行了研究；劉桂玲等［3］通過(guò)試件試驗(yàn)研究了混凝土抗壓強(qiáng)度與超聲波聲速的關(guān)系，提出了測(cè)強(qiáng)擬合曲線。目前我國(guó)鐵路現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)混凝土超聲波聲速與密實(shí)度之間的關(guān)系尚無(wú)規(guī)定。

本文通過(guò)1孔32m預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁聲速試驗(yàn)以及混凝土試件聲速、強(qiáng)度試驗(yàn)，研究混凝土聲速與密實(shí)度和強(qiáng)度的關(guān)系，可為鐵路箱梁混凝土密實(shí)度檢測(cè)提供參考。

1 混凝土超聲法原理

超聲法是依據(jù)彈性波理論，把混凝土作為傳輸介質(zhì)，測(cè)量超聲脈沖波在混凝土中的傳播時(shí)間［4］。超聲波測(cè)試儀有兩個(gè)聲波換能器：①發(fā)射換能器是將聲波儀輸出的具有一定重復(fù)性頻率的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)，發(fā)射到混凝土中。②接收換能器是將混凝土中傳播的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳輸?shù)铰暡▋x的接收系統(tǒng)中。在已知混凝土構(gòu)件厚度的情況下，測(cè)量超聲波在混凝土中的傳播時(shí)間，即可計(jì)算出超聲波在混凝土中的傳播速度。

混凝土中超聲波的傳播速度能夠反映混凝土的密實(shí)度，混凝土的密實(shí)度與強(qiáng)度存在直接聯(lián)系。當(dāng)混凝土材料一致時(shí)，混凝土越密實(shí)，其強(qiáng)度越高，混凝土中超聲波聲速越高；混凝土越疏松，其強(qiáng)度越低，混凝土中超聲波聲速越低。

2 混凝土超聲波聲速影響因素

混凝土中原材料不同對(duì)超聲波的傳播速度影響不同。粗骨料在混凝土中的占比較大，含粗骨料較多的混凝土聲速相對(duì)較高，若使用彈性模量較高的粗骨料會(huì)使聲速增大。不同品種石子的超聲波聲速不同，同品種的石子產(chǎn)地不同聲速也會(huì)有差別［5］。合理的砂率能夠提升混凝土的密實(shí)度，增強(qiáng)黏聚性。礦物摻和料（粉煤灰、礦粉和硅灰）的粒徑比較小，具有高度分散的特性，有效提高了混凝土的密實(shí)度，從而提高了聲速［6］。混凝土配合比不同，聲速存在較大差別。水灰比較大的混凝土，水分易蒸發(fā)，內(nèi)部孔隙多，聲速較低；水灰比較小的混凝土，內(nèi)部孔隙少、比較密實(shí)，聲速較高［7］。在混凝土強(qiáng)度相同的情況下，當(dāng)粗骨料用量不變、水泥用量增加時(shí)，聲速會(huì)降低。早強(qiáng)混凝土聲速較高，應(yīng)考慮水泥品種的影響，對(duì)于較長(zhǎng)齡期的混凝土，可以忽略水泥品種對(duì)聲速的影響［8］?；炷恋膹椥阅Ａ吭礁?，其聲速越高。不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，其聲速與抗壓強(qiáng)度和彈性模量之間的關(guān)系有顯著差異［2］。

超聲波在鋼筋中的傳播速度比在混凝土中高1.2~1.9倍，測(cè)試時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)鋼筋密集區(qū)，消除鋼筋對(duì)聲速的影響。混凝土結(jié)構(gòu)的溫度在5~40℃時(shí)對(duì)聲速影響不大，但在0℃以下時(shí)聲速會(huì)增加，溫度較高時(shí)聲速會(huì)減小。混凝土結(jié)構(gòu)的濕度過(guò)大時(shí)聲速也會(huì)增加。

3 試驗(yàn)梁概況

試驗(yàn)梁為高速鐵路單線預(yù)制簡(jiǎn)支箱梁，設(shè)計(jì)為全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。梁長(zhǎng)32.6m，計(jì)算跨度31.5m；梁高2.8m，腹板厚0.3m；梁頂寬7.4m，頂板厚0.25m；梁底寬3.4m，底板厚0.28m；梁體腹板縱向鋼筋的豎向間距為0.15m，腹板箍筋的橫向間距為0.125m，腹板通風(fēng)孔的縱向間距為2.0m。預(yù)制箱梁采用C50等級(jí)的混凝土，配合比見(jiàn)表1。

表1 預(yù)制箱梁混凝土配合比

箱梁澆筑混凝土?xí)r，腹板的內(nèi)外側(cè)面、頂板和底板的底面均采用鋼模板支撐，混凝土表面施工質(zhì)量較好。頂板和底板的頂面在混凝土初凝前采用機(jī)器或人工收面，頂面容易出現(xiàn)混凝土離析且不平整，密實(shí)度較差導(dǎo)致聲速偏低。試驗(yàn)選取表面施工質(zhì)量和平整度較好的腹板進(jìn)行混凝土超聲波聲速測(cè)試，聲速修正值為1.0。箱梁腹板測(cè)試截面見(jiàn)圖1。

圖1 腹板測(cè)試截面

各測(cè)試截面均選在腹板通風(fēng)孔的豎向位置，便于測(cè)量測(cè)點(diǎn)間的距離。為避免普通鋼筋對(duì)聲速的影響，測(cè)試前先用鋼筋探測(cè)儀將測(cè)試截面附近橫向和豎向普通鋼筋的位置標(biāo)示出來(lái)，測(cè)點(diǎn)選在普通鋼筋位置形成的網(wǎng)格中心。測(cè)點(diǎn)位置也避開(kāi)了腹板內(nèi)的預(yù)應(yīng)力管道，保證測(cè)試區(qū)域?yàn)樗鼗炷?。腹板混凝土超聲波聲速測(cè)試采用對(duì)測(cè)法［9］，測(cè)試截面見(jiàn)圖2。

圖2 腹板對(duì)測(cè)法測(cè)試截面

在箱梁兩側(cè)腹板共選取了24個(gè)測(cè)試截面，南側(cè)腹板測(cè)試截面編號(hào)為S1~S12，北側(cè)腹板測(cè)試截面編號(hào)為N1~N12。同一測(cè)試截面測(cè)點(diǎn)自上而下順序編號(hào)，共計(jì)104個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)試時(shí)每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試3次，取3次的平均值作為該測(cè)點(diǎn)的聲速。測(cè)試時(shí)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度為5~10℃，箱梁混凝土齡期為28d，標(biāo)準(zhǔn)試件混凝土抗壓強(qiáng)度為60.1MPa，梁體混凝土強(qiáng)度已達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 梁體試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)104個(gè)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值的統(tǒng)計(jì)分析，各測(cè)點(diǎn)聲速測(cè)試值分布見(jiàn)圖3。

圖3 腹板聲速測(cè)試值分布

由圖3可知：箱梁腹板聲速最大值為4871m/s，最小值為4439m/s，平均值為4682m/s，標(biāo)準(zhǔn)差為108m/s，95%保證率值為4504m/s。聲速測(cè)試值分布圖中有7個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試值小于95%保證率值，這些測(cè)點(diǎn)都是測(cè)試截面最下面的一個(gè)測(cè)點(diǎn)，位于最上層預(yù)應(yīng)力管道的上方或最上面2層預(yù)應(yīng)力管道之間。該區(qū)域的混凝土聲速偏低一些，密實(shí)度較差，原因是混凝土澆筑時(shí)該位置附近沒(méi)有充分振搗。

目前，我國(guó)鐵路規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有給出混凝土超聲波聲速與密實(shí)度及強(qiáng)度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。JTGH12—2003《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》［10］中給出了引用自前蘇聯(lián)、美國(guó)和加拿大提供的聲速與混凝土密實(shí)度及強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。本文測(cè)試值的95%保證率值為4504m/s，大于JTGH12—2003中的4500m/s，混凝土的密實(shí)度等級(jí)可評(píng)定為卓越，說(shuō)明測(cè)試箱梁腹板混凝土的施工質(zhì)量較好。混凝土澆筑時(shí)應(yīng)多注意預(yù)應(yīng)力管道附近的振搗施工，保證該區(qū)域混凝土的密實(shí)度。

南廣高速鐵路16孔C50混凝土簡(jiǎn)支箱梁的超聲波聲速測(cè)試范圍為4400~5130m/s［11］，本文測(cè)試范圍為4439~4871m/s，結(jié)合JTGH12—2003的參考值可知，鐵路C50混凝土簡(jiǎn)支箱梁的超聲波聲速在4500m/s以上時(shí)可認(rèn)為混凝土的密實(shí)度較好。

4.2 試件試驗(yàn)結(jié)果

為保證混凝土品質(zhì)的一致性，在箱梁混凝土施工過(guò)程中，從底板、腹板和頂板的澆筑部位隨機(jī)取樣制作混凝土強(qiáng)度試件。試件為邊長(zhǎng)150mm的立方體，采用振動(dòng)臺(tái)成型。依據(jù)TB10426—2019《鐵路工程結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度檢測(cè)規(guī)程》［12］，取試件澆筑方向的側(cè)面為測(cè)試面。試件共有2組平行的測(cè)試面（A組和B組），采用對(duì)測(cè)法測(cè)試，聲速修正值為1.0。試件聲速測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4。測(cè)試時(shí)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)環(huán)境溫度為15~20℃，試件混凝土齡期均大于28d。取每組面上3個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試值的平均值作為該組面的測(cè)試值，試件聲速取2個(gè)組面測(cè)試值的平均值。試件聲速測(cè)試完后即在壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。

圖4 試件聲速測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)共測(cè)試21個(gè)混凝土試件，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2?？芍夯炷猎嚰?shí)測(cè)強(qiáng)度在52.4~64.9MPa，聲速在4758~5181m/s。試件實(shí)測(cè)強(qiáng)度最大值為64.9MPa，對(duì)應(yīng)聲速為5017m/s；強(qiáng)度最小值為52.4MPa，對(duì)應(yīng)聲速為4918m/s；實(shí)測(cè)聲速最大值為5181m/s，對(duì)應(yīng)強(qiáng)度為57.3MPa；聲速最小值為4758m/s，對(duì)應(yīng)強(qiáng)度為53.1MPa。

表2 試件聲速和強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

試件聲速和強(qiáng)度關(guān)系見(jiàn)圖5。用聲速和強(qiáng)度平均值線將測(cè)試值落區(qū)分為A、B、C、D區(qū)。可知：①A區(qū)聲速和強(qiáng)度均較低；B區(qū)聲速高、強(qiáng)度低；C區(qū)聲速低、強(qiáng)度高；D區(qū)聲速和強(qiáng)度均較高。②落在4個(gè)區(qū)的測(cè)試值個(gè)數(shù)分別為7、4、2、8，占比分別為33%、19%、10%、38%。③測(cè)試值分布圖并非完全呈聲速越高、強(qiáng)度越大的變化規(guī)律。少數(shù)試件出現(xiàn)聲速低強(qiáng)度高和聲速高強(qiáng)度低的情況。由于混凝土是非勻質(zhì)的彈塑性材料且試件中粗骨料的占比不同，測(cè)試值的離散性比較大。Propovics等［13］研究指出混凝土聲速對(duì)強(qiáng)度的敏感性較差。對(duì)比A區(qū)和D區(qū)測(cè)試值的占比，總體呈聲速越高強(qiáng)度越高的規(guī)律。胡在良等［14］研究表明鐵路高性能混凝土波速與抗壓強(qiáng)度在整體趨勢(shì)上呈正相關(guān)關(guān)系。然而，聲速和強(qiáng)度之間的關(guān)系還難以用一個(gè)通用公式表達(dá)。

圖5 試件聲速-強(qiáng)度分布

由強(qiáng)度在54MPa以下的4組測(cè)試值推算出，混凝土聲速大于4600m/s時(shí)，其強(qiáng)度大于50MPa。

5 結(jié)論

1）鐵路C50混凝土簡(jiǎn)支箱梁的超聲波聲速在4 600 m/s以上時(shí)，可認(rèn)為混凝土的密實(shí)度較好，其強(qiáng)度可以達(dá)到50 MPa的要求。

2）梁體預(yù)應(yīng)力管道附近混凝土容易出現(xiàn)密實(shí)度不足，澆筑時(shí)應(yīng)多注意預(yù)應(yīng)力管道附近混凝土的振搗施工，保證該區(qū)域混凝土的密實(shí)度。

3）對(duì)混凝土梁實(shí)體強(qiáng)度進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)時(shí)仍需依據(jù)超聲回彈綜合法來(lái)確定。

4）混凝土越密實(shí)，聲速和強(qiáng)度也越高。由于混凝土材料的非勻質(zhì)性和聲速的影響因素較多，且本次試驗(yàn)研究的樣本較少，混凝土聲速和強(qiáng)度之間的關(guān)系還難以用一個(gè)通用公式表達(dá)，應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)展超聲波聲速與混凝土密實(shí)度、強(qiáng)度和彈性模量之間相互關(guān)系的研究。