超聲脈沖測(cè)速法無損檢測(cè)水工混凝土質(zhì)量分析應(yīng)用

劉 盼

（遼寧省盤錦市大洼區(qū)水利局，遼寧 盤錦 124200）

混凝土是水利工程領(lǐng)域用量最多、用途最廣的一種人造石材，通過摻入外加劑、粉煤灰、礦粉等摻合料可以改善混凝土性能，摻合料組分不同所獲取的混凝土強(qiáng)度存在顯著差異[1-3]。為準(zhǔn)確評(píng)判水工混凝土質(zhì)量，國(guó)內(nèi)學(xué)者利用多種方法開展了深入研究，如譚艷等利用液壓試驗(yàn)機(jī)將混凝土壓縮至破裂，依據(jù)施加的壓力值判定其強(qiáng)度等級(jí)；閆維明等對(duì)混凝土軸壓性能利用壓軸試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量；卿龍邦等對(duì)任意荷載作用下混凝土的損傷程度利用數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行了分析；鄭丹等對(duì)不同受熱時(shí)間段和高溫受熱溫度下的混凝土力學(xué)性能利用超聲波進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)一步探討了非線性超聲法的適用條件[4-7]。本文借鑒現(xiàn)有文獻(xiàn)資料，在不改變混凝土特性或原有狀況的條件下，采用超聲脈沖測(cè)速法無損檢測(cè)了混凝土質(zhì)量，流程如圖1所示。

圖1 混凝土試件評(píng)估

總體上，可以將超聲脈沖測(cè)速法劃分成3個(gè)階段：混凝土試件的設(shè)計(jì)、制備和超聲波脈沖速度的測(cè)量，以20MPa、30MPa、40MPa三種強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1 超聲脈沖測(cè)速法

1.1 混凝土分析

混凝土是水庫(kù)大壩、堤防、擋土墻等水工結(jié)構(gòu)應(yīng)用最常見的材料，一般由水、碎石、砂石、水泥、粉煤灰、外加劑等原材料按設(shè)計(jì)配合比混合而成，水泥與水發(fā)生一系列復(fù)雜的反應(yīng)生成混凝土固體，硬化后的混凝土具有優(yōu)異的力學(xué)性能，各組分所占比例如圖2所示。

圖2 混凝土各組分所占比例

室溫條件下，精磨的水泥細(xì)粉顆粒與水發(fā)生反應(yīng)，可以在水下或空氣中凝固硬化。水泥作為一種膠凝材料能夠?qū)⒋?、?xì)骨料牢固地連接成整體，隨著時(shí)間的推移逐漸達(dá)到一定強(qiáng)度和剛度，一般水泥含量越多則混凝土強(qiáng)度越大。為提高強(qiáng)度以及降低成本，一般使用碎石、砂、外加劑等，其中外加劑有固體粉末和液體兩種類型，其摻入時(shí)間有混凝土制備過程中或配制之前兩個(gè)時(shí)段。外加劑的類型不同則其功能也存在顯著差異，一般有早強(qiáng)劑、減水劑、引氣劑、速凝和緩凝劑等等。

1.2 測(cè)量原理

目前，超聲脈沖測(cè)速法是無損檢測(cè)混凝土質(zhì)量的重要手段，該方法可在不破壞工程結(jié)構(gòu)完整性的情況下判定混凝土的質(zhì)量狀況。實(shí)際上，超聲波穿過混凝土結(jié)構(gòu)的時(shí)間是測(cè)量脈沖速度的關(guān)鍵。在混凝土試件表面安裝換能器進(jìn)行直接測(cè)量，為保證測(cè)試精度必須把足夠多的的耦合劑涂覆于混凝土與換能器之間的接合面上，確保穿過混凝土?xí)r聲波不發(fā)生反射，同時(shí)以防聲阻抗因傳播介質(zhì)的改變而減小的情況。

文章利用超聲波系統(tǒng)直接測(cè)量聲波的穿透試件的時(shí)間，主要工作流程為：①發(fā)生器發(fā)射超聲波脈沖信號(hào)并激勵(lì)換能器Tx；②換能器產(chǎn)生超聲波，采用示波器顯示產(chǎn)生的信號(hào)；③聲波到達(dá)試件末端時(shí)換能器接收器Rx檢測(cè)聲波，通過轉(zhuǎn)化處理超聲波編程電信號(hào)顯示在示波器上，如圖3所示。

圖3 超聲脈沖速度測(cè)量示意圖

因此，通過同步示波器通道能夠獲取接受信號(hào)與脈沖發(fā)射之間的時(shí)間，即聲波穿透試件的時(shí)間。根據(jù)特定混凝土試件的穿透時(shí)間t和長(zhǎng)度d，利用以下公式計(jì)算超聲波脈沖速度V，即：

2 水工混凝土無損檢測(cè)

2.1 試件制作

試驗(yàn)設(shè)計(jì)20MPa、30MPa和40MPa三種強(qiáng)度混凝土試件，為保證超聲波脈沖速度測(cè)量的精準(zhǔn)度每個(gè)強(qiáng)度制作2個(gè)試件。試驗(yàn)選用P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥配制混凝土試件，考慮骨料體積、水膠比和含水量等因素合理設(shè)計(jì)配合比，如表1所示。

表1 水工混凝土試驗(yàn)配合比

依據(jù)試件規(guī)格和表1中的數(shù)據(jù)確定每種原材料用量，混凝土試件尺寸為高0.30m×直徑0.15m的圓柱體，混凝土體積VP=π/4·D2h擬利用公式來計(jì)算，即0.0053m3，所對(duì)應(yīng)的原材料用量如表2所示。

表2 單個(gè)試件的原材料用量

根據(jù)混凝土試件體積換算碎石、砂的總用量，采用水工混凝土試驗(yàn)配合比和表2獲取的單個(gè)試件原材料用量，經(jīng)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化處理確定每組試件所需的總用量，并精準(zhǔn)稱量各原材料質(zhì)量。試驗(yàn)選用長(zhǎng)度30cm、直徑15cm的模具制作混凝土試件，澆筑前必須確保模具良好，為減少摩擦和防止粘連將礦物油均勻涂抹至模具的內(nèi)部；澆筑過程中，將配制好的混合物分3層加入試模，同時(shí)利用橡膠錘和細(xì)鐵棒振搗10～15次，如圖4所示。

圖4 試件澆筑振搗示意圖

澆筑入模后，室溫靜置24h后拆模，脫模后將混凝土試件移入標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，確保水泥充分水化，保證混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)等級(jí)。

2.2 超聲脈沖測(cè)速

將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后的混凝土試件取出，采用超聲波系統(tǒng)按照?qǐng)D3安裝方法測(cè)試每個(gè)試件的脈沖速度，換能器共振頻率達(dá)到50KHz時(shí)所檢測(cè)的脈沖信號(hào)，如圖5（a）。該條件下設(shè)定超聲脈沖振幅500v，并將凡士林作為耦合劑涂覆于混凝土與換能器之間的接合面上，依次測(cè)試各組試件獲取相應(yīng)的信號(hào)，接受換能器捕獲40MPa試件的信號(hào)，如圖5(b)。脈沖信號(hào)的初始和接受時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)于超聲波的飛行時(shí)間，依據(jù)換能器在一段時(shí)間內(nèi)的聲波電壓變化情況即可確定超聲波的飛行時(shí)間，40MPa時(shí)間的聲波飛行時(shí)間約為75μs。

圖5 接受換能器顯示的信號(hào)

各組混凝土試件的超聲波脈沖速度和飛行時(shí)間檢測(cè)結(jié)果見表3。結(jié)果顯示，混凝土的抗壓強(qiáng)度與超聲波脈沖速度密切相關(guān)，抗壓強(qiáng)度為20MPa、30MPa和40MPa混凝土試樣的超聲波脈沖速度達(dá)到較低、中等、較高水平。試驗(yàn)表明，超聲波脈沖速度會(huì)隨著混凝土抗壓強(qiáng)度的增加而增大，該變化規(guī)律更好地說明了超聲脈沖測(cè)速法評(píng)價(jià)混凝土質(zhì)量的有效性。

表3 超聲波脈沖速度與飛行時(shí)間測(cè)量值

將混凝土試件按照超聲波脈沖速度劃分成不同類型，波速超過4570m/s則判定混凝土質(zhì)量達(dá)到優(yōu)良等級(jí)，波速處于3650～4570m/s范圍時(shí)則判定混凝土質(zhì)量達(dá)到良好等級(jí)，波速處于3050～3650m/s范圍時(shí)則判定混凝土質(zhì)量存在問題，波速處于2125～3050m/s范圍時(shí)則判定混凝土質(zhì)量屬于劣質(zhì)等級(jí)，波速＜2125m/s時(shí)則判定混凝土質(zhì)量屬于非常劣質(zhì)等級(jí)。結(jié)合表3檢測(cè)結(jié)果，20MPa抗壓強(qiáng)度的混凝土試件存在質(zhì)量問題，30MP和40MPa抗壓強(qiáng)度的混凝土質(zhì)量達(dá)到良好等級(jí)。

3 結(jié) 論

通過分析水、水泥、碎石和砂等原材料用量，試驗(yàn)制作高度0.30m、直徑0.15m的三種不同強(qiáng)度的圓柱體混凝土試件，然后利用超聲波系統(tǒng)檢測(cè)每種抗壓強(qiáng)度試件的脈沖速度，并得出超聲脈沖速度會(huì)隨著混凝土抗壓強(qiáng)度的增加而增大的結(jié)論。

超聲波脈沖速度與混凝土質(zhì)量直接相關(guān)，依據(jù)不同的脈沖速度可劃分混凝土質(zhì)量等級(jí)，抗壓強(qiáng)度越低則混凝土質(zhì)量越差。另外，在混凝土質(zhì)量、鋼焊縫質(zhì)量、厚度檢測(cè)等領(lǐng)域超聲脈沖法將發(fā)揮更大的作用，未來應(yīng)考慮構(gòu)件尺寸、養(yǎng)護(hù)條件、測(cè)試環(huán)境等因素，進(jìn)一步探討混凝土質(zhì)量與超聲脈沖速度之間的關(guān)系。