水泥土超聲波試驗研究*

章 煒，陳新江，陸惠平，刑 淵，黃志義

1.浙江大學工程師學院，浙江 杭州 310015

2.湖州南潯賽誠工程材料有限公司，浙江 湖州 313009

3.華匯工程設計集團有限公司，浙江 紹興 312000

4.浙江大學交通工程研究所，浙江 杭州 310058

超聲波檢測技術是近年來逐漸興起的一種無損檢測方法，由于其不受構件幾何尺寸大小的影響、檢測速度較快以及檢測結果準確，被廣泛應用于水泥混凝土結構強度的檢測中。姜玉松等[1]對土層注漿固結時間的變化進行了研究，得到了細砂、粗砂試樣波速隨固結時間的變化規律，并以波速基本不變對應的時間作為固結硬化時間。

為了在實際工程中能有效快速地檢測水泥土的質量，文章對水泥土的超聲波特性進行了相關研究，分析了水泥土的超聲波變化規律及波速與抗壓強度之間的關系。通過超聲波變化規律更好地揭示了水泥土微觀結構的變化規律，并利用超聲波波速與抗壓強度之間的關系更好地預測了水泥土的強度發展趨勢。

1 試驗材料、方案及方法

1.1 試驗材料

試驗用土取自某工地，取土深度為2m 以下，為淤泥質黏土。經50℃恒溫鼓風干燥箱烘干至恒重，過4.75mm 篩后得到試驗備用土樣。根據《公路土工試驗規程》（JTG E40—2007）測試其基本的物理指標，測試結果見表1、表2。

表1 土樣的基本性質

表2 固化材料的化學組成 單位：%

1.2 試驗方案

設置了4 組水泥摻量組，水泥摻量分別為3%、5%、7%、9%，養護時間分別為7d、14d、28d，具體試驗方案見表3。其中，水泥摻量所占百分比是指水泥占干土重量的百分比。試驗內容主要包括無側限抗壓強度和超聲波檢測試驗。

表3 試驗方案

1.3 試驗方法

（1）試件制作及養護。根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51—2009）[2]等相關標準規范要求進行制樣，試樣采用50mm×50mm 的圓柱形試模。根據高速公路、一級公路的壓實度要求，試驗壓實度選擇96%。制樣完成后，將試樣放置在標準養護室內養護至齡期。

（2）力學性能試驗。無側限抗壓強度試驗參照《公路土工試驗規程》（JTG E40—2007）[3]采用萬能試驗機，控制軸向應變速率為1mm/min。養護至齡期時，提前一天取出浸水，浸水24h 后再進行無側限抗壓。

（3）超聲波檢測試驗。超聲波檢測試驗所用儀器為CTS-25 型非金屬超聲波檢測儀。在試驗過程中，將轉換開關撥至“AC”。開機后預熱30min，待儀器工作穩定后再進行測量。測量試件前需用先用校準棒進行校準，待調好后再測量。測量時需用黃油、凡士林等耦合劑使探頭與試件良好接觸。測試過程中觀察波形，并記錄超聲波聲時。

2 試驗結果分析

為了研究水泥土在養護過程中，超聲波的波速變化規律，對以上四組試件分別進行了無側限抗壓強度試驗和超聲波檢測試驗。超聲波檢測時間為試件成型后1d、2d、3d、7d、14d、28d。由CTS-25 型非金屬超聲波檢測儀可以測得超聲波聲時T，其與超聲波波速V 之間的關系式為：

式中：L 為試件長度，mm。

由于試件長度統一為50mm，因此超聲波波速與聲時成反比關系，即聲時越大，波速越小。一般通過試件所用的時間越小，代表試件內部越密實，結構越完整。

通過試驗可知，隨著水泥摻量和養護齡期的增大，水泥土強度也在不斷增大，與之對應的超聲波聲時卻在減小。根據具體實驗數據繪制圖形，舍去試驗中人為和試樣自身缺陷造成失真的數據，采用數學回歸分析的方法進行擬合分析。擬合分析所用的函數為線性函數、多項式函數和指數函數，擬合結果見圖1 ～圖3，分析結果見表4。

圖1 抗壓強度與波速之間線性函數擬合曲線

圖2 抗壓強度與波速之間多項式函數擬合曲線

圖3 抗壓強度與波速之間指數函數擬合曲線

表4 水泥土縱波波速與抗壓強度回歸結果

從分析結果可以看出，水泥土抗壓強度與超聲波縱波波速之間存在相關關系。其中，多項式函數和指數函數擬合較好，通過相關系數比較發現，抗壓強度與超聲波波速之間更趨向于指數函數關系。由于水泥土超聲波波速受很多因素影響，如水泥土含水率、密度、初始壓力等因素，因此要得到抗壓強度與超聲波波速之間準確的關系，還需要后期進行更深入的系統試驗。

3 結論

（1）通過試驗結果可知，水泥土的無側限抗壓強度隨著水泥摻量和養護齡期的增大而增大。（2）通過超聲波檢測試驗可知，水泥土摻量越大的試件測得的聲時越小，波速越大；水泥土試件的超聲波縱波聲速隨著養護齡期的增長而不斷增大。（3）對水泥土無側限抗壓強度和超聲波波速進行擬合分析可知，水泥土抗壓強度與超聲波縱波波速之間存在相關關系，二者更趨向于指數函數關系。