超聲波檢測混凝土應力的試驗分析

劉宏翔 杜二霞*

(河北大學建筑工程學院，河北 保定 071002)

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超聲波檢測混凝土應力的試驗分析

劉宏翔 杜二霞*

(河北大學建筑工程學院，河北 保定 071002)

通過對測法記錄了不同齡期不同應力狀態下混凝土試塊的聲速值，分析了超聲波波速隨混凝土齡期的變化規律，并建立了超聲波波速與應力之間的回歸曲線，預測了超聲波檢測技術的發展趨勢。

混凝土，超聲波檢測，應力，回歸曲線

0 引言

近年來，隨著社會經濟的提升，建筑行業正處于飛速發展的階段。為了解決資源開發、交通運輸以及滿足人們的居住舒適性，越來越多的高速公路、鐵路、橋梁、高層建筑、地下工程等在不斷地建設。而在整個建筑工程中，建筑材料質量的好壞直接影響到整體建筑的質量，為了預防建筑材料內部的缺陷，使工程在施工及運行中具備安全穩定性，應使用科學合理的檢測技術來進行缺陷檢測。

建筑的核心材料是混凝土。目前對混凝土內部缺陷的存在、大小、位置和性質進行無損檢測的手段大體可分為兩大類：一類是機械波法，其中包括超聲脈沖波、沖擊脈沖波和聲發射等；另一類是穿透輻射法[1]。穿透輻射法對于非勻質的混凝土的穿透能力有限，而超聲波對于檢測混凝土的穿透能力強，測試速度快，操作簡單，作業安全，所以被廣泛使用于混凝土的缺陷檢測中。

1 理論基礎

超聲波法的基本原理是超聲儀按一定頻率不斷的重復激發發射換能器發射超聲脈沖波，超聲波脈沖經過混凝土介質中的傳播被接收換能器接收，接收換能器將接收到的攜帶混凝土力學性能、材料組成、有無缺陷等信息的超聲波轉換成電信號傳給超聲儀，超聲儀處理后，轉換成聲學參數(聲時、聲速、振幅、頻率以及波形)顯示在液晶顯示器上。準確測定并處理這些聲學參數，我們可以了解到混凝土的性能及其他相關的質量信息[2，3]。

2 實驗研究目的

利用萬能試驗機對混凝土試塊單軸豎向施加荷載，通過超聲波檢測儀檢測混凝土結構在不同齡期不同應力狀態下超聲波波速的變化，分析混凝土的超聲波波速隨齡期的變化規律，建立不同工作應力狀態下超聲波波速與應力之間的回歸曲線，為在役混凝土檢測提供參考。利用回歸曲線進行超聲檢測能快速、準確地發現混凝土中存在的缺陷，及時對建筑物的安全進行評價，并為處理病險工程提供科學依據。

3 實驗儀器和混凝土試塊參數

本實驗采用的儀器包括無錫建儀儀器機械有限公司制造的TYE-3000型壓力試驗機以及由北京智博聯科技有限公司生產的ZBL-U520/510非金屬超聲波檢測儀。水泥是河北太行水泥股份有限公司的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，細骨料是河北省保定市滿城縣售賣的天然河砂，粗骨料是河北省保定市滿城縣售賣的天然碎石，最大粒徑40 mm，最小粒徑5 mm，外加劑為聚羧酸高性能減水劑。混凝土的設計強度為C20，配合比為：水膠比0.509，水泥442 kg，砂661.7 kg，石子992.5 kg，水225 kg，減水劑2.21。混凝土試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，試模采用鋼模。

4 測驗步驟

4.1 清理編號

測試面為混凝土試塊澆筑面的兩個側面，將測試面清理擦拭干凈，并對混凝土試塊編號。

4.2 布點畫線

超聲波測試法采用“對測”，在兩個相對的測試面上畫出相對應的兩個測點，測點布置在上、中兩個位置，避免不同測距對結果的影響，超聲測點布置見圖1。

4.3 涂耦合劑

為了便于區分不同的測點，采用凡士林、黃油兩種耦合劑，一臺超聲儀的換能器通過黃油與測點耦合，另一臺超聲儀的換能器通過凡士林與測點耦合。每對換能器與測點耦合時，應保證發射器和換能器的軸線始終在同一直線上，以避免不同測距對實驗數據帶來的影響。

5 數據分析

在連續均勻加載的過程中，對于C20混凝土試塊在所加荷載達到3 MPa，6 MPa，9 MPa，12 MPa，15 MPa時進行測試。測試采樣上、中兩點處的超聲波速(精確至0.000 1 km/s),取平均值，保留小數后兩位有效數字。計算公式如下：

其中，v為試件混凝土聲速代表值,精確至0.01 km/s；v1，v2分別為測點上、中兩處的混凝土聲速值,精確至0.01 km/s。

通過采集每個測試齡期中C20混凝土試塊在單軸豎向壓力下的應力達到3 MPa，6 MPa，9 MPa，12 MPa，15 MPa時五種應力狀態下的超聲波波速V，分析波速隨齡期的變化規律，如圖2所示。

對試驗數據進行初步分析后，為了更準確的找到應力與聲速之間的關系，本實驗采用擬合效果非常好的專用數據處理工具——origin9.0軟件分別按照冪函數σ=AVB、線性函數σ=A+BV、二次多項式σ=A+BV+CV2、三次多項式σ=A+BV+CV2+DV3、指數函數σ=ABV，σ=A-BCV，σ=e(A+BV+CV2)，σ=σ0+Ae(R0V)八個回歸模型對應力和超聲聲速進行回歸分析，建立對應的回歸方程。通過對各類回歸方程及相關度比較可以得知，線性函數和二次多項式兩個模型的擬合效果最好，可以將這兩個模型用于研究聲速與應力的關系。所得到的C20混凝土回歸方程：1)線性函數：σ=327.886-69.423V；2)二次多項式函數：σ=-1 619.475+800.380V-98.435V2。其擬合曲線如圖3，圖4所示。

6 測驗結論

1)從圖2中可以看出C20混凝土聲速值范圍為4.06 km/s～4.90 km/s。

2)從圖2中可以看出在同一應力水平下，混凝土試塊超聲波波速值隨著齡期有所增長，在早期，聲速增長較快，28 d以后，聲速增長緩慢。這是由于早期混凝土內部含水量高，測得的超聲波波速值偏高。隨著齡期的增長，含水率降低，水化作用形成微小孔隙，影響超聲波波速，超聲波波速無法大幅度地提高，增長緩慢。

3)同一齡期的混凝土的超聲波速，隨著應力的增長，波速降低。這是因為隨著荷載增大，混凝土內部開始出現損傷，產生空隙，裂縫逐漸貫通，超聲波在空氣中的傳播速度比在固體中的低，而且超聲波經過固體和氣體交界面時，會發生反射或繞射，所以降低了超聲波速。

7 發展趨勢

在我國的建筑工程中，超聲波在探測混凝土的強度以及內部缺陷等應用得越發廣泛，如超聲波檢測在我國云南漫灣的應用中，取得了良好的經濟效益[4]；超聲波對互通式立交橋中腹板混凝土的檢測讓工程達到安全可靠性[5]。在基礎的低應變檢測過程中，利用聲速和應力的回歸方程，測得聲速后，即可根據公式推斷出相對的應力，從而作為低應變檢測的一個可靠的基本數據；為了預防橋梁的疲勞破壞，可以通過超聲波檢測橋梁在每天行車過程中聲速的變化規律，通過建立聲速與應力的回歸方程來避免某個時間段內應力的連續反復作用。

隨著高層建筑結構、大跨度橋梁結構以及某些特種結構的發展，一種新的建筑材料即高強混凝土將被廣泛應用，高強混凝土具有抗壓強度高，抗震性能好等優點，因此對于高強混凝土的超聲波檢測具有重要意義。因高強混凝土內部較為密實，跟普通混凝土的聲速值將不再相同，故建立高強混凝土的聲速與應力的回歸曲線對未來建筑結構的工作具有指導意義。

[1] 韓 林，孫 超，王 寓.超聲波技術在檢測混凝土缺陷中的應用[J].城市道橋與防洪，2011，7(7)：278.

[2] 余紅發.混凝土非破損測強技術研究[M].北京:中國建材工業出版社,1999.

[3] Jones R,Fa ca oaru I .Recommendations for testing concrete by the ultrasonic pulse method[J].Matériaux Et Constructions,1969,2(4):275-284.

[4] 王國瀅.超聲波檢測技術在漫灣的應用[J].云南水電技術,1996(1):41-44.

[5] 韓 林，孫 超，王 寓.超聲波技術在檢測混凝土缺陷中的應用[J].城市道橋與防洪，2011，7(7)：278-279.

Experimental analysis of the ultrasonic testing for concrete stress

Liu Hongxiang Du Erxia*

(CollegeofBuildingEngineering,HebeiUniversity,Baoding071002,China)

The authors record the ultrasonic wave velocity of concrete in different stress conditions and different ages using counter measure method. Then the authors analyze the variation of ultrasonic wave velocity with the age of concrete. On this basis, the regression curve between ultrasonic wave velocity and working stress is established and the development trend of ultrasonic detection technology is predicted.

concrete, ultrasonic testing, stress, regression curve

1009-6825(2017)13-0047-03

2017-02-24

劉宏翔(1998- )，男，學生

杜二霞(1976- )，女，講師

TU317

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