1 引言

混凝土是建筑工程中重要的施工材料， 在混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量控制中，強度屬于重點指標。 通過應(yīng)用無損檢測技術(shù)，能在不損傷建筑結(jié)構(gòu)的前提下獲取抗壓強度數(shù)據(jù)[1-2]，具體以應(yīng)力波法頗具代表性，依托低頻應(yīng)力波的特點，可及時獲取混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量數(shù)據(jù)，如內(nèi)部缺陷、厚度等。 應(yīng)力波法的應(yīng)用細節(jié)多，需圍繞此項方法做深入的探討。

2 混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測技術(shù)

近年來，無損檢測技術(shù)不斷發(fā)展，該技術(shù)已達到國際先進水平。 同時，隨著我國檢測技術(shù)規(guī)程的出臺，為檢測技術(shù)規(guī)范化提供了法律保障。 無損檢測技術(shù)常用于驗證和鑒定結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工質(zhì)量，檢測其是否達到質(zhì)量要求。 建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)的常用無損檢測技術(shù)包括超聲波檢測技術(shù)、 紅外線檢測技術(shù)、沖擊回波檢測技術(shù)。

3 試驗準備

3.1 原材料的準備及配合比設(shè)計

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

混凝土強度等級為C30～C50，共4 個系列，針對各自進行配合比設(shè)計，如表1 所示。 系列A、B，按照膠凝材料總質(zhì)量的0.3%取用減水劑；系列C：減水劑摻量、礦渣粉摻量分別取膠凝材料總質(zhì)量的0.5%、20.7%；系列D：減水劑摻量取膠凝材料總質(zhì)量的0.8%，礦渣粉摻量與系列C 一致。

表1 混凝土配合比

3.2 試件的制備方法

采用100 mm×100 mm×300 mm 的棱柱體試件和100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件，各強度等級均有前述2 種規(guī)格的試件，3 個一組，試驗內(nèi)容包含強度測試、超聲波測試、沖擊共振測試，獲取各齡期的試驗結(jié)果。 制作長1 200 mm、高1 200 mm、厚250 mm 的試驗墻，高度方向按照自上而下的順序劃分為C30～C50 共4 個強度等級， 各自分別澆筑2 層，由此細分為4 個大層、8 個小層，每完成150 mm 小層的澆搗后，進行后一層的施工，最后針對成型的試驗墻做沖擊回波測試。嚴格按照配合比拌制混凝土、制作試件，與試驗環(huán)境相同的室外環(huán)境中養(yǎng)護。

4 試驗方法

4.1 強度測試

每3 個試件為一組，分齡期依次用TYA-2000E 型微機控制恒加載壓力試驗機進行試驗，加載速度取0.5 MPa/s。

4.2 超聲波測試

測試的基礎(chǔ)參數(shù)為：采樣率0.1 μs，采樣字節(jié)1 K，脈沖寬度5 μs，脈沖電壓250 V。 為測試適配HS-SB1W 型波速測試儀， 取凡士林均勻涂抹至縱波換能器和試件兩面， 配套圓鐵塊，借助此裝置提供足夠的換能器壓緊力，在外力作用下使換能器與試件密切耦合，以便測試的順利進行。

4.3 沖擊共振波測試

向試件的一端布設(shè)涂抹耦合劑的傳感器， 用小錘敲擊試件的另一端以產(chǎn)生縱向振動， 測試過程中傳感器接收振動頻率信號，經(jīng)由Emodumeter 儀器針對采集到的信息進行分析和計算，最終獲得被測試件的共振基頻數(shù)據(jù)，此項數(shù)據(jù)與動態(tài)彈性模量Ed具備如下關(guān)系[3]：

Ed=DMn2（1）

D=4（L/bt） （2）

式中，D 為試件尺寸，m，M 為試件質(zhì)量，kg；n 為縱向共振頻率，Hz；L 為試件長度，m；b、t 分別為試件橫截面的長、寬，m。

僅考慮一維均質(zhì)彈性體，Ed和沖擊波速VP的關(guān)系見式（3），其中ρ 為試件的表觀密度，g/cm3。

Ed=Vp2ρ （3）

聯(lián)立式（1）～式（3），則有：

Vp=2nL （4）

4.4 沖擊回波測試

沖擊回波測試采用的是帶有彈性柔桿和傳感接收器的小車及電腦， 其中小車的彈性柔桿屬于產(chǎn)生機械沖擊的重要工具， 小車的傳感接收器則負責(zé)接收沖擊期間在試件上產(chǎn)生的反射波信號，小車的兩類裝置共布設(shè)在同一檢測面，信號處理和數(shù)據(jù)輸出由電腦負責(zé)。 在各強度等級混凝土層的中間布設(shè)測點，各點間距控制在100 mm。

對接收到的發(fā)射波信號執(zhí)行FFT 變換， 根據(jù)變化結(jié)果生成頻域曲線，鎖定此圖形中的高峰值，此時的頻率則為厚度頻率。 具體計算方法，見式（5）：

式（5）、式（6）中，f 為厚度頻率；Cpp為縱波通過板厚的速度；T為實心板厚；Cp為縱波的波速。

因此，若要確定縱波波速，需明確厚度的具體值，根據(jù)測定的厚度頻率反推即可。

5 試驗檢測結(jié)果與分析

5.1 齡期對應(yīng)力波波速的影響機制

圖1 反映的是混凝土抗壓強度與齡期的關(guān)系， 其涵蓋本次試驗檢測采用的不同強度等級，分析發(fā)現(xiàn)，混凝土抗壓強度隨著齡期的增加而提高；在齡期一致的條件下，若混凝土的強度等級提高，則相應(yīng)的抗壓強度越高。 以28 d 齡期為例，各組的抗壓強度為：A 組37.7 MPa、B 組39.7 MPa、C 組54.6 MPa、D 組61.0 MPa。 根據(jù)28d 齡期的抗壓強度也能夠明確：A、B、C、D 各組的混凝土強度等級逐步提高， 相應(yīng)的抗壓強度隨之增加。

圖1 混凝土抗壓強度與齡期的關(guān)系

分析超聲波波速、沖擊共振波波速、沖擊回波波速與齡期的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，隨著齡期的增加，3 種應(yīng)力波波速逐步加大，對比分析波動程度，發(fā)現(xiàn)超聲波的增長波動較為明顯；在齡期一致的條件下，混凝土強度等級越高，則應(yīng)力波波速提高，相比沖擊共振波波速和沖擊回波波速，混凝土的超聲波波速更高。 混凝土齡期增加，固結(jié)狀態(tài)越發(fā)良好，結(jié)構(gòu)內(nèi)部具有密實性，因此實測的抗壓強度提高， 應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)中的傳播能夠高速進行，全程所遇的干擾較少，表現(xiàn)出波速大的特點。

5.2 設(shè)計強度等級對相關(guān)關(guān)系的影響機制

在設(shè)計強度等級一致的前提下，混凝土抗壓強度的增加將帶來應(yīng)力波波速的提高。 設(shè)計強度較低時，超聲波波速和抗壓強度的線性關(guān)系偏弱，相比之下更具線性關(guān)系的是沖擊共振波波速和沖擊回波波速；設(shè)計強度較高時，共振波波速、沖擊回波波速兩者與抗壓強度的線性關(guān)系偏弱，超聲波波速更強；沖擊回波波速和沖擊共振波波速與抗壓強度呈現(xiàn)良好線性關(guān)系，在本次試驗檢測的4 種設(shè)計強度等級中均存在此特點。

設(shè)計強度較低，水灰比偏大，混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺乏密實性，對超聲波傳播產(chǎn)生干擾作用，與抗壓強度增長雖然存在線性關(guān)系，但較為微弱；設(shè)計強度較高，由于水灰比偏低以及結(jié)構(gòu)密實度較高，有利于超聲波的傳播，期間遇到的干擾有限，因此與抗壓強度的增長呈明顯的線性關(guān)系； 對于沖擊共振波和沖擊回波， 兩者的共性在于均是由于機械振動所引起的應(yīng)力波，單面檢測可基于應(yīng)力波的反射特性而實現(xiàn)，反射期間波的能量衰弱，波速隨著傳播的進行而降低，但值得肯定的是，其仍能夠表征混凝土的抗壓強度。

5.3 抗壓強度與應(yīng)力波的關(guān)系

混凝土抗壓強度提高時，結(jié)構(gòu)的密實度加大，應(yīng)力波傳播時的波速較大，呈明顯的相關(guān)關(guān)系。 擬合抗壓強度與各應(yīng)力波波速的平均值有效數(shù)據(jù)，得到抗壓強度分別與超聲波波速、沖擊共振波波速、沖擊回波波速的擬合關(guān)系式，具體見式（7）～式（9），根據(jù)擬合關(guān)系式可以得知，抗壓強度與3 種應(yīng)力波波速均具有明顯的線性相關(guān)性，R2均超過0.92，但此特點僅在混凝土結(jié)構(gòu)強度在20～60 MPa 時適用。

fc=0.052 34v-179.045 95，R2=0.951 84 （7）

fc=0.054 35v-167.793 72，R2=0.922 （8）

fc=0.060 28v-186.342 34，R2=0.928 47 （9）式中，fc為混凝土抗壓強度，MPa；v 為應(yīng)力波波速，m/s；R 為材料系數(shù)。

6 結(jié)語

經(jīng)前述分析，做如下總結(jié)：

1）隨著混凝土齡期的增加，應(yīng)力波波速加大；在齡期一致的前提下，應(yīng)力波波速由于設(shè)計強度的增加而提高；在抗壓強度一致的前提下， 沖擊共振波波速和沖擊回波波速僅存在微小的差距，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，兩者均是超聲波波速的0.9 倍左右。

2）從各類波波速與混凝土抗壓強度的線性程度來看，具有沖擊共振波和沖擊回波較強而超聲波波速較弱的特點，此關(guān)系與混凝土設(shè)計強度等級有關(guān)， 線性關(guān)系由于設(shè)計強度等級的降低而減弱，呈現(xiàn)出一定程度的非線性關(guān)系。

3）所述3 種波均可較好地表征混凝土的抗壓強度，線性相關(guān)性良好，超聲波、沖擊共振波、沖擊回波的相關(guān)系數(shù)分別為0.951 84、0.922、0.928 47。

4）設(shè)計強度等級的變化基本不會帶來抗壓強度與沖擊回波波速線性關(guān)系的改變，同時檢測不易受到鋼筋的影響，可滿足單面檢測的要求。