預制混凝土梁超聲波聲速與密實度的關系試驗研究

李學斌 馬林 呂啟兵 楊心怡 文云杰 李玉 何勇 田曉旺

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國水利水電第七工程局有限公司，成都 610213；3.中鐵三局集團有限公司，太原 030001；4.中國中鐵一局集團有限公司，西安 710054；5.中鐵上海工程局集團有限公司，上海 201906

超聲波可以用來檢測混凝土的密實度、強度、動彈性模量、厚度、缺陷等，超聲波法已成為混凝土無損檢測的一種常用方法。影響超聲波在混凝土中傳播的因素較多，當超聲波在傳播路徑上遇到介質發生變化或缺陷時將產生繞射、折射或反射，通常會出現聲時延長、波幅下降、主頻降低、波形畸變等變化。秦旭［1］通過連續箱橋的現場試驗對超聲波法檢測混凝土密實度進行了研究；張玉敏等［2］通過試件試驗對混凝土抗壓強度和彈性模量與超聲波聲速的關系進行了研究；劉桂玲等［3］通過試件試驗研究了混凝土抗壓強度與超聲波聲速的關系，提出了測強擬合曲線。目前我國鐵路現行標準中對混凝土超聲波聲速與密實度之間的關系尚無規定。

本文通過1孔32m預制簡支箱梁聲速試驗以及混凝土試件聲速、強度試驗，研究混凝土聲速與密實度和強度的關系，可為鐵路箱梁混凝土密實度檢測提供參考。

1 混凝土超聲法原理

超聲法是依據彈性波理論，把混凝土作為傳輸介質，測量超聲脈沖波在混凝土中的傳播時間［4］。超聲波測試儀有兩個聲波換能器：①發射換能器是將聲波儀輸出的具有一定重復性頻率的電信號轉換成聲信號，發射到混凝土中。②接收換能器是將混凝土中傳播的聲信號轉換成電信號，傳輸到聲波儀的接收系統中。在已知混凝土構件厚度的情況下，測量超聲波在混凝土中的傳播時間，即可計算出超聲波在混凝土中的傳播速度。

混凝土中超聲波的傳播速度能夠反映混凝土的密實度，混凝土的密實度與強度存在直接聯系。當混凝土材料一致時，混凝土越密實，其強度越高，混凝土中超聲波聲速越高；混凝土越疏松，其強度越低，混凝土中超聲波聲速越低。

2 混凝土超聲波聲速影響因素

混凝土中原材料不同對超聲波的傳播速度影響不同。粗骨料在混凝土中的占比較大，含粗骨料較多的混凝土聲速相對較高，若使用彈性模量較高的粗骨料會使聲速增大。不同品種石子的超聲波聲速不同，同品種的石子產地不同聲速也會有差別［5］。合理的砂率能夠提升混凝土的密實度，增強黏聚性。礦物摻和料（粉煤灰、礦粉和硅灰）的粒徑比較小，具有高度分散的特性，有效提高了混凝土的密實度，從而提高了聲速［6］。混凝土配合比不同，聲速存在較大差別。水灰比較大的混凝土，水分易蒸發，內部孔隙多，聲速較低；水灰比較小的混凝土，內部孔隙少、比較密實，聲速較高［7］。在混凝土強度相同的情況下，當粗骨料用量不變、水泥用量增加時，聲速會降低。早強混凝土聲速較高，應考慮水泥品種的影響，對于較長齡期的混凝土，可以忽略水泥品種對聲速的影響［8］。混凝土的彈性模量越高，其聲速越高。不同強度等級的混凝土，其聲速與抗壓強度和彈性模量之間的關系有顯著差異［2］。

超聲波在鋼筋中的傳播速度比在混凝土中高1.2~1.9倍，測試時應盡量避開鋼筋密集區，消除鋼筋對聲速的影響。混凝土結構的溫度在5~40℃時對聲速影響不大，但在0℃以下時聲速會增加，溫度較高時聲速會減小。混凝土結構的濕度過大時聲速也會增加。

3 試驗梁概況

試驗梁為高速鐵路單線預制簡支箱梁，設計為全預應力混凝土結構。梁長32.6m，計算跨度31.5m；梁高2.8m，腹板厚0.3m；梁頂寬7.4m，頂板厚0.25m；梁底寬3.4m，底板厚0.28m；梁體腹板縱向鋼筋的豎向間距為0.15m，腹板箍筋的橫向間距為0.125m，腹板通風孔的縱向間距為2.0m。預制箱梁采用C50等級的混凝土，配合比見表1。

表1 預制箱梁混凝土配合比

箱梁澆筑混凝土時，腹板的內外側面、頂板和底板的底面均采用鋼模板支撐，混凝土表面施工質量較好。頂板和底板的頂面在混凝土初凝前采用機器或人工收面，頂面容易出現混凝土離析且不平整，密實度較差導致聲速偏低。試驗選取表面施工質量和平整度較好的腹板進行混凝土超聲波聲速測試，聲速修正值為1.0。箱梁腹板測試截面見圖1。

圖1 腹板測試截面

各測試截面均選在腹板通風孔的豎向位置，便于測量測點間的距離。為避免普通鋼筋對聲速的影響，測試前先用鋼筋探測儀將測試截面附近橫向和豎向普通鋼筋的位置標示出來，測點選在普通鋼筋位置形成的網格中心。測點位置也避開了腹板內的預應力管道，保證測試區域為素混凝土。腹板混凝土超聲波聲速測試采用對測法［9］，測試截面見圖2。

圖2 腹板對測法測試截面

在箱梁兩側腹板共選取了24個測試截面，南側腹板測試截面編號為S1~S12，北側腹板測試截面編號為N1~N12。同一測試截面測點自上而下順序編號，共計104個測點。測試時每個測點測試3次，取3次的平均值作為該測點的聲速。測試時現場環境溫度為5~10℃，箱梁混凝土齡期為28d，標準試件混凝土抗壓強度為60.1MPa，梁體混凝土強度已達到設計強度。

4 試驗結果及分析

4.1 梁體試驗結果

通過對104個測點實測值的統計分析，各測點聲速測試值分布見圖3。

圖3 腹板聲速測試值分布

由圖3可知：箱梁腹板聲速最大值為4871m/s，最小值為4439m/s，平均值為4682m/s，標準差為108m/s，95%保證率值為4504m/s。聲速測試值分布圖中有7個測點的測試值小于95%保證率值，這些測點都是測試截面最下面的一個測點，位于最上層預應力管道的上方或最上面2層預應力管道之間。該區域的混凝土聲速偏低一些，密實度較差，原因是混凝土澆筑時該位置附近沒有充分振搗。

目前，我國鐵路規范或標準中沒有給出混凝土超聲波聲速與密實度及強度之間的對應關系。JTGH12—2003《公路隧道養護技術規范》［10］中給出了引用自前蘇聯、美國和加拿大提供的聲速與混凝土密實度及強度的對應關系。本文測試值的95%保證率值為4504m/s，大于JTGH12—2003中的4500m/s，混凝土的密實度等級可評定為卓越，說明測試箱梁腹板混凝土的施工質量較好。混凝土澆筑時應多注意預應力管道附近的振搗施工，保證該區域混凝土的密實度。

南廣高速鐵路16孔C50混凝土簡支箱梁的超聲波聲速測試范圍為4400~5130m/s［11］，本文測試范圍為4439~4871m/s，結合JTGH12—2003的參考值可知，鐵路C50混凝土簡支箱梁的超聲波聲速在4500m/s以上時可認為混凝土的密實度較好。

4.2 試件試驗結果

為保證混凝土品質的一致性，在箱梁混凝土施工過程中，從底板、腹板和頂板的澆筑部位隨機取樣制作混凝土強度試件。試件為邊長150mm的立方體，采用振動臺成型。依據TB10426—2019《鐵路工程結構混凝土強度檢測規程》［12］，取試件澆筑方向的側面為測試面。試件共有2組平行的測試面（A組和B組），采用對測法測試，聲速修正值為1.0。試件聲速測試測點布置見圖4。測試時實驗室內環境溫度為15~20℃，試件混凝土齡期均大于28d。取每組面上3個測點測試值的平均值作為該組面的測試值，試件聲速取2個組面測試值的平均值。試件聲速測試完后即在壓力試驗機上進行強度測試。

圖4 試件聲速測試測點布置

試驗共測試21個混凝土試件，測試結果見表2。可知：混凝土試件實測強度在52.4~64.9MPa，聲速在4758~5181m/s。試件實測強度最大值為64.9MPa，對應聲速為5017m/s；強度最小值為52.4MPa，對應聲速為4918m/s；實測聲速最大值為5181m/s，對應強度為57.3MPa；聲速最小值為4758m/s，對應強度為53.1MPa。

表2 試件聲速和強度測試結果

試件聲速和強度關系見圖5。用聲速和強度平均值線將測試值落區分為A、B、C、D區。可知：①A區聲速和強度均較低；B區聲速高、強度低；C區聲速低、強度高；D區聲速和強度均較高。②落在4個區的測試值個數分別為7、4、2、8，占比分別為33%、19%、10%、38%。③測試值分布圖并非完全呈聲速越高、強度越大的變化規律。少數試件出現聲速低強度高和聲速高強度低的情況。由于混凝土是非勻質的彈塑性材料且試件中粗骨料的占比不同，測試值的離散性比較大。Propovics等［13］研究指出混凝土聲速對強度的敏感性較差。對比A區和D區測試值的占比，總體呈聲速越高強度越高的規律。胡在良等［14］研究表明鐵路高性能混凝土波速與抗壓強度在整體趨勢上呈正相關關系。然而，聲速和強度之間的關系還難以用一個通用公式表達。

圖5 試件聲速-強度分布

由強度在54MPa以下的4組測試值推算出，混凝土聲速大于4600m/s時，其強度大于50MPa。

5 結論

1）鐵路C50混凝土簡支箱梁的超聲波聲速在4 600 m/s以上時，可認為混凝土的密實度較好，其強度可以達到50 MPa的要求。

2）梁體預應力管道附近混凝土容易出現密實度不足，澆筑時應多注意預應力管道附近混凝土的振搗施工，保證該區域混凝土的密實度。

3）對混凝土梁實體強度進行無損檢測時仍需依據超聲回彈綜合法來確定。

4）混凝土越密實，聲速和強度也越高。由于混凝土材料的非勻質性和聲速的影響因素較多，且本次試驗研究的樣本較少，混凝土聲速和強度之間的關系還難以用一個通用公式表達，應進一步開展超聲波聲速與混凝土密實度、強度和彈性模量之間相互關系的研究。