混凝土損傷的超聲波檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究

李曉蕓

0 引言

混凝土是在建筑中廣泛使用的工程材料,隨著社會(huì)、工作環(huán)境日益復(fù)雜,混凝土結(jié)構(gòu)在承受靜態(tài)及準(zhǔn)靜態(tài)荷載的同時(shí),也承擔(dān)著變化劇烈且重復(fù)作用的沖擊荷載,本文旨在通過(guò)超聲波檢測(cè)儀對(duì)SHPB動(dòng)態(tài)累積沖擊作用下的混凝土損傷進(jìn)行檢測(cè),進(jìn)而對(duì)當(dāng)前混凝土狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià),為工程中結(jié)構(gòu)安全可靠性的狀態(tài)評(píng)價(jià)提供一種方法,具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

1 超聲波檢測(cè)混凝土損傷的實(shí)驗(yàn)原理

本文主要采用超聲波測(cè)試技術(shù),混凝土超聲檢測(cè)目前主要采用“穿透法”,即用一發(fā)射換能器重復(fù)發(fā)射超聲脈沖波,讓超聲波在所檢測(cè)的混凝土中傳播,然后由接收換能器接收。被接收到的超聲波轉(zhuǎn)化為點(diǎn)信號(hào)后再經(jīng)超聲儀放大顯示在示波屏上。當(dāng)超聲波經(jīng)混凝土中傳播后,它將攜帶有關(guān)混凝土材料性能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其組成的信息。通過(guò)波速大小的變化,推斷出混凝土的性能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及組成狀況。聲發(fā)射是材料變形、裂紋開裂及擴(kuò)展過(guò)程的伴生現(xiàn)象,而且聲發(fā)射過(guò)程同力學(xué)過(guò)程有著密切的相關(guān)性[1,2]。根據(jù)彈性力學(xué)有關(guān)理論可以得出:

彈性模量:

損傷值:

由于聲波在固體中傳播只有橫波和縱波兩種形式,通過(guò)超聲波檢測(cè)儀得出沖擊前后的縱波和橫波波速,代入式(1),式(2),得出沖擊損傷值。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 混凝土實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

混凝土實(shí)驗(yàn)采用C40混凝土,經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(溫度20℃±3℃,濕度 95%以上)后,加工成φ 75 mm×50 mm?；炷僚浜媳燃皡?shù)見表1。

表1 混凝土配合比及參數(shù)

2.2 SHPB實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

SHPB裝置的原型是B.Hopkinson提出的,1949年Kolsky[3]將壓桿分成兩段,試件置于輸入桿和輸出桿中間,利用該裝置可測(cè)量材料在沖擊載荷下的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系,所以SHPB桿也稱Kolsky桿。在SHPB鋼桿系統(tǒng)上對(duì)C40混凝土進(jìn)行了累積沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)。通過(guò)4次沖擊有效實(shí)驗(yàn)來(lái)討論混凝土累積損傷特性。圖1給出了實(shí)驗(yàn)的示意裝置。

2.3 超聲波檢測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文損傷檢測(cè)方法主要采用了表面直透法,通過(guò)聲波儀、配套縱橫波換能器,把發(fā)射探頭和接收探頭緊貼在兩個(gè)相對(duì)平整端面進(jìn)行測(cè)試。圖2給出了示意裝置。

表2 損傷實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

其中,Vp為縱波;Vs為橫波。

3 損傷實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本次實(shí)驗(yàn)選取3個(gè)有效數(shù)據(jù),4次累積沖擊,目的在于討論出C40混凝土的損傷演變規(guī)律?；炷猎嚰跊]有破碎狀態(tài)下進(jìn)行超聲波測(cè)試,來(lái)表征混凝土材料的損傷程度,以D表示(見表2)。從結(jié)果分析來(lái)看,C40混凝土在累積沖擊作用下,當(dāng)損傷值D＜0.2時(shí),處于完好狀態(tài);當(dāng)損傷值 D在0.4左右時(shí),內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷在外觀上表現(xiàn)明顯,但仍未對(duì)其結(jié)構(gòu)的整體性產(chǎn)生大的影響;當(dāng)D＞0.5時(shí),試件裂紋數(shù)量明顯增多,范圍也繼續(xù)擴(kuò)大;當(dāng)0.5＜D＜0.58時(shí),裂紋增多而且更加明顯,甚至出現(xiàn)貫通裂紋,再次使用波速測(cè)量,已無(wú)法全面反映混凝土整體狀況,不再量化。

4 結(jié)語(yǔ)

本文應(yīng)用超聲波無(wú)損測(cè)量方法,對(duì)在SHPB桿裝置累積沖擊下的混凝土損傷進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,通過(guò)量化損傷值宏觀的反映了混凝土內(nèi)部的損傷演化規(guī)律。

[1] 陳忠輝,傅宇方,唐春安.巖石破裂聲發(fā)射過(guò)程的圍壓效應(yīng)[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1997,16(1):65-70.

[2] 陳 勉,陳治喜,金 珩.用斜井巖芯的聲發(fā)射效應(yīng)確定深層地應(yīng)力[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1998,18(3):311-314.

[3] Kolsky H.An Investigation of the Mechanical Properties of Materials at Very High Rates of Loading[J].Proceedings of the Physical Society of London,1949(B62):676-700.

[4] 陳清山.火災(zāi)后砌體結(jié)構(gòu)受損診斷與處理[J].山西建筑,2008,34(18):81-82.