沖擊回波法定量評估低強和高強混凝土荷載損傷

丁勇楠，李曙光，田軍濤，陳改新，卿龍邦

(1.河北工業大學土木與交通學院，天津300401；2.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京100038)

0 引 言

混凝土在機械荷載作用下的損傷破壞過程是內部微裂紋的萌生和擴展過程。目前常用的評價混凝土荷載損傷程度的無損方法有超聲波波速法和沖擊回波法。國外學者Shokouhi等[1]研究了聲波表面波速隨應力增長的變化曲線；國內學者王懷亮等[2]研究了不同尺寸混凝土在受壓狀態下的超聲波波速變化規律；朱勁松等[3]研究了雙軸壓疲勞荷載下超聲波波速的變化規律。然而超聲波波速法受混凝土含水量、鋼筋等因素的影響比較大[4，5]，因此應用受限。沖擊回波法作為20世紀80年代興起的一種混凝土無損檢測技術，目前已廣泛應用于混凝土厚度和內部缺陷的檢測。Lu X等[6]采用沖擊回波法測試了混凝土動彈性模量，發現其結果與傳統共振法是一致的，證明了沖擊回波法測試動彈性模量的有效性；張建綱等[7]初步研究了不同壓縮荷載水平下混凝土內部彈性波波速的變化，但其研究對象只是抗壓強度約40MPa的混凝土。

本文采用沖擊回波法對經過不同水平單軸壓縮荷載加載后低強(C15)和高強(C70)混凝土的彈性波波速進行研究，并通過彈性波波速表征混凝土內部的損傷程度，研究荷載損傷下不同強度混凝土內部損傷發展過程的異同。

1 試驗方案

1.1 試驗過程

低強混凝土(LS系列)和高強混凝土(HS系列)均采用42.5普通硅酸鹽水泥，萘系減水劑和ZB-1G引氣劑。LS系列混凝土采用Ⅱ級粉煤灰，細骨料為河砂，粗骨料為最大粒徑30 mm的天然卵石；HS系列混凝土采用Ⅰ級粉煤灰，細骨料為天然砂，粗骨料為最大粒徑40 mm的人工碎石。LS和HS系列混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比

制作成100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件。試件放入20 ℃，相對濕度95%的標準養護室中養護。養護完畢后取出，進行彈性波波速測試，獲得未受荷載前的彈性波波速。按照《水工混凝土試驗規程》進行抗壓強度試驗，得到LS和HS系列抗壓強度分別為17.4 MPa(測試齡期6個月)和75.4 MPa(測試齡期2年)。

將LS和HS系列的每組(3塊/組)試塊通過全自動壓力試驗機以0.5 MPa/s的加荷速度分別加載到該系列混凝土抗壓強度的10%、20%、30%、50%、70%、80%，每個荷載加載一次，卸載后再次進行彈性波波速測試。

彈性波測試所用的沖擊波測試系統為四川升拓公司生產的混凝土彈性波測試系統，其基本原理見參考文獻[8]。進行彈性波波速測試時，每個試塊在垂直于加載方向的2個方向(h1和h2)分別測試一次，在平行于加載方向的方向(p)測試一次，測試方向見圖1。

圖1 彈性波測試方向示意

1.2 荷載損傷度

參考趙霄龍[9]和Ohtsu等[10]通過超聲波波速構筑損傷變量的方法，將測試所得的混凝土彈性波波速轉化為荷載損傷度，計算公式為

(1)

式中，DL為荷載損傷度；v0和、v′分別為承受荷載前、后混凝土的彈性波波速。DL的取值范圍為0～100%，即未承受荷載混凝土的損傷度為0，完全破壞混凝土的損傷度為100%。

2 結果分析

彈性波波速測試結果見表2、3。編號中的10表示所經受的荷載為抗壓強度的10%。

2.1 LS與HS系列彈性波波速對比

對LS與HS系列每個荷載下3個彈性波測試方向共9個試塊的彈性波波速求平均值，接下來再進行歸一化處理。圖2為處理后的LS和HS系列波速結果，縱坐標表示同一荷載下加載后波速(vi)與加載前波速(vs)的比值。

結合表2、3與圖2對LS和HS系列彈性波波速變化進行分析：

(1)由圖2得到，低強和高強混凝土彈性波波速隨荷載的增加而逐漸減小，但其減小速度有明顯差異。荷載從0增加到80%的過程中，高強混凝土彈性波波速下降了35%(由3.55 km/s降低至2.29 km/s)，而低強混凝土僅下降了20%(由2.85 km/s降低至2.29 km/s)。彈性波波速對高強混凝土內部的荷載損傷變化更為敏感。

表2 LS系列彈性波測試結果 km/s

圖2 LS、HS系列彈性波波速變化曲線

(2)雖然在無損狀態下，高強混凝土的初始彈性波波速要遠大于低強混凝土的初始彈性波波速；但在80%抗壓荷載水平下，兩者的彈性波波速相近，均約為2.29 km/s。

(3)隨荷載增加，LS和HS系列的彈性波波速與測試方向并無相關性。與圖2進行比較，可以看出兩個系列各方向彈性波波速的變化趨勢與兩個系列平均彈性波波速的變化趨勢保持一致。

2.3 LS與HS系列損傷度對比

LS與HS系列的損傷度是由每個荷載下3個彈性波測試方向共9個試塊的損傷度求平均值得到，如圖3所示。圖3中文獻[4]損傷度發展曲線是將文獻[4]中波速變化按照式(1)計算得到。

由圖3可知：

(1)低強和高強混凝土損傷度隨荷載的增加而逐漸增大，但其損傷發展過程是不同的。當荷載增加到80%時，低強混凝土的損傷度增加到36.7%，高強混凝土增加到56.6%。高強混凝土的損傷度在20%荷載之前與低強混凝土相近，但在20%荷載后明顯高于低強混凝土。

表3 HS系列彈性波測試結果 km/s

圖3 LS、HS系列損傷度變化

(2)隨著荷載的提高，低強混凝土的損傷度發展存在一個拐點(30%載荷處)，但高強混凝土不存在拐點。在低荷載(10%～30%)階段，混凝土內部損傷度較低且變化不大(分別為6.8%、11.6%、7.7%)；當荷載超過30%時損傷度快速增大，荷載50%～80%的損傷度分別快速增加至20.9%、29.4%、36.7%。與低強混凝土相比，高強混凝土不存在明顯拐點，損傷度隨荷載的增加快速增長，荷載由10%增加到70%時，損傷度從4.9%快速增加至54.3%，之后緩慢增加至56.6%。

(3)低強混凝土損傷度隨荷載的提高存在拐點的結論與文獻[4]的結論相似。兩者在低荷載水平階段損傷度均較低且變化不大，且在80%荷載時，損傷度數值相近。不同的是，文獻[4]中混凝土的損傷度發展拐點在60%荷載處，而本文混凝土發展拐點在30%荷載處。其原因推測與混凝土強度有關，本文混凝土強度17.4 MPa明顯低于文獻[4]中的混凝土強度44MPa。

(4)經典混凝土力學認為荷載小于30%時可認為混凝土一直處于彈性階段[11]，根據本文研究，該假設對于普通強度混凝土有一定的合理性，但對高強混凝土并不適用。

2.4 LS與HS系列損傷度方向性分析

為驗證測試方向對損傷度的影響，每個試塊均選取了3個不同的方向進行測試。LS和HS系列不同測試方向損傷度變化見圖4。由圖4可知，荷載從低到高，LS和HS系列的損傷度與測試方向并無相關性。圖3、4進行對比可知，兩個系列各方向損傷度變化趨勢與平均損傷度變化趨勢一致；LS系列各方向損傷度與平均損傷度的平均偏離為2.7%，最大偏離為20%荷載時h2方向的7.6%；HS系列各方向損傷度與平均損傷度平均偏離為1.2%，最大偏離為80%荷載時h2方向的5.4%。兩個系列混凝土3個方向損傷度變化均在合理范圍之內，也表明混凝土的受壓損傷是各向同性的。

圖4 LS、HS系列不同測試方向損傷度變化

3 結 論

應用沖擊回波法對不同強度混凝土的荷載損傷進行了研究，結果分析表明：

(1)低強和高強混凝土彈性波波速均隨荷載的增加而減小，但高強混凝土彈性波波速的下降速度要大于低強混凝土。高強混凝土無損彈性波波速要遠大于低強混凝土，但經受80%荷載后，兩者彈性波波速相近。

(2)低強和高強混凝土損傷度均隨荷載的增加而增大。荷載在20%以前兩種混凝土損傷度數值接近，大于20%時高強混凝土的損傷度明顯高于低強混凝土。

(3)低強混凝土損傷度發展在30%荷載處存在拐點，而高強混凝土損傷度隨荷載的增加快速增長，不存在發展拐點。荷載小于30%時混凝土處于彈性階段這一假設對普通混凝土有一定合理性，但對高強混凝土并不適用。

(4)隨荷載的增加，兩種混凝土彈性波波速與內部損傷度的變化與測試方向沒有相關性，說明低強和高強混凝土的受壓損傷是各向同性的。