超聲波法檢測混凝土工作應力狀態試驗研究

陳亮

(南京交通職業技術學院,江蘇 南京211188)

在當前建筑工程項目中使混凝土材料構件出現破壞的因素有很多,通常情況下出現結構損壞最主要的原因是:混凝土結構承受應力遠超出混凝土材料的最大強度。超聲波檢測方法是當前檢測項目中較為先進的技術,超聲波檢測法屬于無損檢測技術,且儀器輕便,在工程項目中使用較為便捷,所以在工程研究中得到廣泛應用。

1 試驗概況

1.1 測試設備

針對混凝土結構應用超聲波檢測法,將通過微機控制電液伺服壓力試驗機對混凝土材料的結構破壞情況進行檢驗,試驗力控制在80kN-2000kN之間；針對混凝土材料及相關非金屬材料的超聲波檢測分析儀是0.4 μs的采樣周期,傳感器是50kHz。

1.2 測試塊

由于建筑工程中混凝土材料的應力與強度有所差異,因此,將分別對應強度等級的混凝土材料試樣展開超聲波檢測,試樣以C25、C30、C35和C40進行代替。同時,參照《通用混凝土配合比設計規則》進行評價與判斷。為了研究固化時間對測試結果的影響,將強度等級與使用壽命一直的混凝土試樣組成一組。分別將每組試樣進行150mm×150mm×150mm尺寸的制備,并結合測試壽命的指標,在標準固化條件下,對28d、60d和90d混凝土試樣進行固化,根據棱柱混凝土試樣的強度,制備出尺寸為50mm×150mm×300mm的砌塊。

1.3 試驗方法

在超聲波檢測過程中,使用凡士林作為潤滑劑涂抹在立方體和棱柱的上下兩端,這是為了減少試樣兩端的摩擦阻力對混凝土內部損傷的影響。超聲平面換能器對稱地放置在垂直于加載方向的樣本中間。通過分級加載的方法,在各級載荷過程中的保壓時間不小于10min的前提下對混凝土試塊進行了載荷超聲檢測試驗,然后進行超聲檢測和數據采集[1]。

1.4 超聲波檢測原理

當超聲波的振動傳播擴展在混凝土材料中后,它傳出的信號將被換能器接收。最終傳回的信號能夠表現出混凝土材料內部結構情況,通過最終獲取的信號內容來判斷混凝土實際需要解決的問題,并以此為目標,對混凝土檢測信息進行定量分析,獲得混凝土材料的強度等級、損傷情況、缺陷指標等數據。混凝土損傷程度與強度等級的主要判斷依據是超聲波檢測中的幅值與聲速。如果混凝土材料中沒有損傷,則超聲波探頭檢測出的聲速值基本一致。

2 混凝土結構工作應力與超聲波波速之間的關系

2.1 強度一致條件下不同壽命混凝土試塊的超聲波速度變化趨勢

不同強度等級的混凝土立方體試塊的超聲波速度相差較大,固化時間分別為28d、60d和90d。強度一致、使用壽命不一致的混凝土材料試樣的原始波速數值從整體上看,未出現較大差異,且當混凝土材料試樣壽命有所增加后,原始的波速數值也出現同步增長；當混凝土材料應力水平一致時,除60天壽命的C30混凝土外,波速隨年齡增加。當C25混凝土的養護年齡為28d和60d時,在相同應力下的波速比在90d養護下的波速降低更多,應力越大,波速越大。通過檢測得出:波速對C30、C35和C40混凝土材料的壽命影響較小,由此可得,當混凝土材料構件具備較高的強度等級,且超聲波所檢測出的波速比強度數值較小的情況下,混凝土構件使用周期越長,穩固性越高。

2.2 強度等級不同的混凝土試樣超聲波速度變化趨勢

對比不同固化條件下C25、C30、C35和C40測試塊的超聲波所檢測出的波速值會根據應力水平的變化而產生同步變化,基于這一理論可以得出:當混凝土材料構件使用壽命基本一樣的情況下,強度不同的混凝土試樣所呈現出的原始波速并無太大差異。當應力水平降低后,強度不同的混凝土試樣之間的波速差異較小；當應力水平不斷加大后,強度與波速值呈正比。使用周期持續增加,強度不高的C25和C30混凝土試樣的波速差異較小,強度較高的C35和C40混凝土試樣波速差異較小[2]。

2.3 尺寸不同情況下混凝土試樣超聲波速度變化趨勢

將C25、C30、C35、C40立方體與90d棱柱體試樣進行超聲波波速檢測,通過檢測可以得出:對以上各個強度的混凝土試樣所產生的超聲波波速與應力水平進行比較,發現與立方體混凝土結構相比,棱柱體混凝土測試塊則顯的更為穩定,這是因為棱鏡的中心部分受到的影響較小。通過分析得出,當棱柱形試樣的應力水平比其實際破壞應力縮減20%時,超聲波檢測出此時的波速和原始波速基本相同。當應力水平比實際破壞應力增加70%時,波速數值將受到破壞應力水平增加的影響而產生加速降低的現象,當混凝土試樣實際破壞應力在20%-70%之間時,超聲波波速將根據應力水平的增加而逐步降低。

3 應力水平與超聲波振幅關系

通過對比固化時間分別為28d、60d和90d的立方塊的工作應力和超聲幅度的變化與棱柱體混凝土構件90d的工作應力與超聲波幅值的變化關系。從檢測結果中得出,三種不同固化年齡的立方塊和具有90d固化年齡的棱柱形試樣的應力和超聲幅值的規律性非常差。特別是具有60d或更長固化年齡的,無論是立方塊和棱柱形試樣,一樣的振幅數值可能會同時對應于多個水平高低不一致的應力。根據實驗結果,本文指出了超聲波幅值的靈敏度非常高、但卻不穩定的特征。通過對60d及90d混凝土結構試樣的試驗可以看出,不宜用幅值來檢測和評價混凝土的工作應力,因為超聲波幅值與混凝土應力對應關系太過不規律[3]。

4 超聲波檢測對混凝土材料構件應力水平的影響分析

超聲波檢測的主要目的在于為判斷混凝土材料與結構的實際應力水平提供檢測數據。基于上述關于超聲波檢測的分析,由于超聲波的振幅與混凝土應力水平之間不具備較強的規則性,因此不適合用作測試指標。在超聲波測試實驗中,由于相關實驗設備與儀器并不支持對混凝土材料的檢測,所以通常會通過差異化主頻率換能器對混凝土材料的構件進行重復性檢測。同時,由于主頻率對裂縫的觀察不敏感,所以有一定幾率出現異常現象。因此,本文僅以超聲波速度為檢測指標,以90d棱柱形試樣的超聲波檢測數據為主要研究出發點,整理并明確混凝土材料構件的自體應力水平與波速之間的關系。用于進行測試以獲得近似初始波速,其中vo的分量或結構。設被檢部位的超聲波速度為v,相對波速系數為dv,混凝土應力損傷系數為dσ。這兩個系數的表達式如下:

其中,σ代表構件檢測點應力水平；σu代表被檢測的混凝土構件的最大破壞應力水平。在混凝土應力水平測試中,采用以下兩種方式對混凝土構件實際應力進行評價與估測,找出其實際受壓面積。

4.1 工作應力階段法

如圖1所示,參照混凝土材料構件的超聲波檢測數據,可以將混凝土試樣的應力水平與超聲波速度之間的關系分為三個階段。

圖1 混凝土結構應力損傷系數與波速系數關系

4.2 混凝土應力水平與波速擬合方法

結合90d棱柱體混凝土試樣的檢測數據,將各個強度的混凝土應力水平與波速關系公式進行擬合,公式如(3)所示。

其中,σ 是混凝土構件檢測部位的工作應力,N/mm2；%V是超聲波速度,km/s；vo代表初始超聲波速度,本文取5km/s；σu代表混凝土的極限破壞應力,N/mm2；A1為應力衰減參數；%t1是系數。混凝土棱柱體的試樣系數如表1所示。

表1 混凝土棱柱體試樣數值

在混凝土結構的應力水平超聲波檢測中,可以通過公式(3)進行實際強度的計算[4]。

5 結論

綜上所述,結合混凝土材料建筑結構的強度等級差異與應力水平差異,可以得出:強度較高的混凝土材料建筑結構在超聲波檢測中的波速數值要比強度較低的混凝土材料建筑結構具備更高的穩定性,且基于棱柱體試樣受兩端壓縮面的摩擦影響較低的優質特征,棱柱體混凝土試樣與立方體試樣相比,具備更強的穩定性與強度。同時,需要注意的是,超聲波振幅與混凝土應力的對應關系不規則,因此無法使用幅值對混凝土工作贏了檢測與評估。