混凝土抗壓強度無損檢測中應力波的應用

1 引言

混凝土是建筑工程中重要的施工材料， 在混凝土結構的質量控制中，強度屬于重點指標。 通過應用無損檢測技術，能在不損傷建筑結構的前提下獲取抗壓強度數據[1-2]，具體以應力波法頗具代表性，依托低頻應力波的特點，可及時獲取混凝土結構的質量數據，如內部缺陷、厚度等。 應力波法的應用細節多，需圍繞此項方法做深入的探討。

2 混凝土結構無損檢測技術

近年來，無損檢測技術不斷發展，該技術已達到國際先進水平。 同時，隨著我國檢測技術規程的出臺，為檢測技術規范化提供了法律保障。 無損檢測技術常用于驗證和鑒定結構的設計與施工質量，檢測其是否達到質量要求。 建筑工程混凝土結構的常用無損檢測技術包括超聲波檢測技術、 紅外線檢測技術、沖擊回波檢測技術。

3 試驗準備

3.1 原材料的準備及配合比設計

試驗材料包含：42.5 級普通硅酸鹽水泥；級配合格的破碎石灰石（粗骨料），表觀密度2 680 kg/m3，最大粒徑25 mm；級配合格的Ⅱ區河砂（細骨料），表觀密度2 630 kg/m3，細度模數2.7；聚羧酸系減水劑。

混凝土強度等級為C30～C50，共4 個系列，針對各自進行配合比設計，如表1 所示。 系列A、B，按照膠凝材料總質量的0.3%取用減水劑；系列C：減水劑摻量、礦渣粉摻量分別取膠凝材料總質量的0.5%、20.7%；系列D：減水劑摻量取膠凝材料總質量的0.8%，礦渣粉摻量與系列C 一致。

表1 混凝土配合比

3.2 試件的制備方法

采用100 mm×100 mm×300 mm 的棱柱體試件和100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件，各強度等級均有前述2 種規格的試件，3 個一組，試驗內容包含強度測試、超聲波測試、沖擊共振測試，獲取各齡期的試驗結果。 制作長1 200 mm、高1 200 mm、厚250 mm 的試驗墻，高度方向按照自上而下的順序劃分為C30～C50 共4 個強度等級， 各自分別澆筑2 層，由此細分為4 個大層、8 個小層，每完成150 mm 小層的澆搗后，進行后一層的施工，最后針對成型的試驗墻做沖擊回波測試。嚴格按照配合比拌制混凝土、制作試件，與試驗環境相同的室外環境中養護。

4 試驗方法

4.1 強度測試

每3 個試件為一組，分齡期依次用TYA-2000E 型微機控制恒加載壓力試驗機進行試驗，加載速度取0.5 MPa/s。

4.2 超聲波測試

測試的基礎參數為：采樣率0.1 μs，采樣字節1 K，脈沖寬度5 μs，脈沖電壓250 V。 為測試適配HS-SB1W 型波速測試儀， 取凡士林均勻涂抹至縱波換能器和試件兩面， 配套圓鐵塊，借助此裝置提供足夠的換能器壓緊力，在外力作用下使換能器與試件密切耦合，以便測試的順利進行。

4.3 沖擊共振波測試

向試件的一端布設涂抹耦合劑的傳感器， 用小錘敲擊試件的另一端以產生縱向振動， 測試過程中傳感器接收振動頻率信號，經由Emodumeter 儀器針對采集到的信息進行分析和計算，最終獲得被測試件的共振基頻數據，此項數據與動態彈性模量Ed具備如下關系[3]：

Ed=DMn2（1）

D=4（L/bt） （2）

式中，D 為試件尺寸，m，M 為試件質量，kg；n 為縱向共振頻率，Hz；L 為試件長度，m；b、t 分別為試件橫截面的長、寬，m。

僅考慮一維均質彈性體，Ed和沖擊波速VP的關系見式（3），其中ρ 為試件的表觀密度，g/cm3。

Ed=Vp2ρ （3）

聯立式（1）～式（3），則有：

Vp=2nL （4）

4.4 沖擊回波測試

沖擊回波測試采用的是帶有彈性柔桿和傳感接收器的小車及電腦， 其中小車的彈性柔桿屬于產生機械沖擊的重要工具， 小車的傳感接收器則負責接收沖擊期間在試件上產生的反射波信號，小車的兩類裝置共布設在同一檢測面，信號處理和數據輸出由電腦負責。 在各強度等級混凝土層的中間布設測點，各點間距控制在100 mm。

對接收到的發射波信號執行FFT 變換， 根據變化結果生成頻域曲線，鎖定此圖形中的高峰值，此時的頻率則為厚度頻率。 具體計算方法，見式（5）：

式（5）、式（6）中，f 為厚度頻率；Cpp為縱波通過板厚的速度；T為實心板厚；Cp為縱波的波速。

因此，若要確定縱波波速，需明確厚度的具體值，根據測定的厚度頻率反推即可。

5 試驗檢測結果與分析

5.1 齡期對應力波波速的影響機制

圖1 反映的是混凝土抗壓強度與齡期的關系， 其涵蓋本次試驗檢測采用的不同強度等級，分析發現，混凝土抗壓強度隨著齡期的增加而提高；在齡期一致的條件下，若混凝土的強度等級提高，則相應的抗壓強度越高。 以28 d 齡期為例，各組的抗壓強度為：A 組37.7 MPa、B 組39.7 MPa、C 組54.6 MPa、D 組61.0 MPa。 根據28d 齡期的抗壓強度也能夠明確：A、B、C、D 各組的混凝土強度等級逐步提高， 相應的抗壓強度隨之增加。

圖1 混凝土抗壓強度與齡期的關系

分析超聲波波速、沖擊共振波波速、沖擊回波波速與齡期的關系發現，隨著齡期的增加，3 種應力波波速逐步加大，對比分析波動程度，發現超聲波的增長波動較為明顯；在齡期一致的條件下，混凝土強度等級越高，則應力波波速提高，相比沖擊共振波波速和沖擊回波波速，混凝土的超聲波波速更高。 混凝土齡期增加，固結狀態越發良好，結構內部具有密實性，因此實測的抗壓強度提高， 應力波在結構中的傳播能夠高速進行，全程所遇的干擾較少，表現出波速大的特點。

5.2 設計強度等級對相關關系的影響機制

在設計強度等級一致的前提下，混凝土抗壓強度的增加將帶來應力波波速的提高。 設計強度較低時，超聲波波速和抗壓強度的線性關系偏弱，相比之下更具線性關系的是沖擊共振波波速和沖擊回波波速；設計強度較高時，共振波波速、沖擊回波波速兩者與抗壓強度的線性關系偏弱，超聲波波速更強；沖擊回波波速和沖擊共振波波速與抗壓強度呈現良好線性關系，在本次試驗檢測的4 種設計強度等級中均存在此特點。

設計強度較低，水灰比偏大，混凝土結構的內部缺乏密實性，對超聲波傳播產生干擾作用，與抗壓強度增長雖然存在線性關系，但較為微弱；設計強度較高，由于水灰比偏低以及結構密實度較高，有利于超聲波的傳播，期間遇到的干擾有限，因此與抗壓強度的增長呈明顯的線性關系； 對于沖擊共振波和沖擊回波， 兩者的共性在于均是由于機械振動所引起的應力波，單面檢測可基于應力波的反射特性而實現，反射期間波的能量衰弱，波速隨著傳播的進行而降低，但值得肯定的是，其仍能夠表征混凝土的抗壓強度。

5.3 抗壓強度與應力波的關系

混凝土抗壓強度提高時，結構的密實度加大，應力波傳播時的波速較大，呈明顯的相關關系。 擬合抗壓強度與各應力波波速的平均值有效數據，得到抗壓強度分別與超聲波波速、沖擊共振波波速、沖擊回波波速的擬合關系式，具體見式（7）～式（9），根據擬合關系式可以得知，抗壓強度與3 種應力波波速均具有明顯的線性相關性，R2均超過0.92，但此特點僅在混凝土結構強度在20～60 MPa 時適用。

fc=0.052 34v-179.045 95，R2=0.951 84 （7）

fc=0.054 35v-167.793 72，R2=0.922 （8）

fc=0.060 28v-186.342 34，R2=0.928 47 （9）式中，fc為混凝土抗壓強度，MPa；v 為應力波波速，m/s；R 為材料系數。

6 結語

經前述分析，做如下總結：

1）隨著混凝土齡期的增加，應力波波速加大；在齡期一致的前提下，應力波波速由于設計強度的增加而提高；在抗壓強度一致的前提下， 沖擊共振波波速和沖擊回波波速僅存在微小的差距，經對比發現，兩者均是超聲波波速的0.9 倍左右。

2）從各類波波速與混凝土抗壓強度的線性程度來看，具有沖擊共振波和沖擊回波較強而超聲波波速較弱的特點，此關系與混凝土設計強度等級有關， 線性關系由于設計強度等級的降低而減弱，呈現出一定程度的非線性關系。

3）所述3 種波均可較好地表征混凝土的抗壓強度，線性相關性良好，超聲波、沖擊共振波、沖擊回波的相關系數分別為0.951 84、0.922、0.928 47。

4）設計強度等級的變化基本不會帶來抗壓強度與沖擊回波波速線性關系的改變，同時檢測不易受到鋼筋的影響，可滿足單面檢測的要求。