基于室內試驗的沖擊彈性波在水利工程混凝土檢測中的應用

趙 杰

(新民市水利事務服務中心,遼寧 新民 110300)

0 引 言

我國水利工程數量眾多,且規模較大,在提供生產及生活用水方面具有極其重要的現實意義[1-3]。隨著現代化建設的逐步推進,水工建筑物規模不斷擴大,成為經濟發展中不可忽視的推動力量之一。混凝土易于成型、耐久性好,在交通、水利等工程領域得到廣泛的利用[4-5]。在水工建筑中,混凝土性能優劣在很大程度上直接決定著水利工程的安全性。然而,因長期受到相對惡劣條件如大風、潮汐等自然因素的影響,使得鋼筋混凝土結構遭到過早破壞,嚴重制約水利工程耐久性的提高[6-7]。同時,在正負溫度交替下,凍融破壞現象頻發,對水利工程安全性造成極大威脅。

目前,對混凝土結構的質量和耐久性進行檢測依然采取傳統方法,即通過現場鉆芯取樣,然后根據實驗結果評估其參數是否符合標準。該方法雖然具有較高的精度,但缺乏全面性,且工作量較大。因此,本文在室內環境中將沖擊彈性波作為檢測手段,對該方法的檢測過程及檢測效果進行分析,以期為水利工程中混凝土結構的安全性能評估提供理論及實踐支持,進一步優化檢測的技術手段。

1 試件制備與測試

1.1 試驗依據及裝置設備

沖擊彈性波是在外力打擊(球形錘)下產生的,具有頻率較低、能量較大的特點。該彈性波能夠來回重復發射,主要發生地點為鋼筋和混凝土結合面、混凝土底面[8-9]。在來回重復發射作用下,構件瞬態動力響應被完全激發,并在頻譜圖上顯現出厚度的頻率值。根據不同頻率值,可以求得P波的傳播速度,見圖1。

圖1 沖擊彈性波基本過程示意

在沖擊彈性波的計算中,波速通過式(1)求得:

VP=2·h·f

(1)

式中:VP為沖擊彈性波的P波波速;f為厚度頻率;h為構件的厚度。

根據沖擊彈性波實施的基本過程,本研究在室內環境中進行模擬試驗,并與超聲波檢測法進行比較。超聲波檢測法是利用超聲波在混凝土內部出現的衰減和反射,通過判斷接收的頻率及首波振幅是否降低進行缺陷損傷判斷的方法[10-11]。室內試驗所需的全部裝置設備包括5種,分別是凍融循環試驗機、壓力試驗機、動彈性模量測定儀、超聲波檢測儀以及沖擊彈性波測試儀。其中,凍融循環試驗主要通過“快凍法”進行,快速凍融試驗機為CABR-HDK9,并以25次凍融為循環,每個循環完成后均將凍融試件取出,獲得相應參數再進行記錄。壓力試驗機型號為YAW-2000D,動彈性模量測定儀為DT-20,用于共振法的測試中[12]。非金屬超聲波檢測儀為超聲波所需設備,沖擊彈性波測試儀采用的是多功能無損測試儀SCE-MATS。室內試驗的裝置設備見圖2。

圖2 室內試驗的所有裝置設備

1.2 試驗配比及方法

在橫向共振法測試中,為實現全過程的自由振動,在相應的混凝土試件下安置厚20mm的泡沫板,且該泡沫板的成型面被設定為朝上。在試件側面1/2處,發射器探頭與其微微接觸,接收器探頭則在距端面5mm與其輕微接觸。此外,將機油涂抹在兩者的接觸面,用以加強二者接觸的緊密程度。在測試次數方面,每個試件均為3次,最后以平均值為準。在超聲波對測法中,安放厚20mm的泡沫板,位于試件的下方。同時,測試面的中心放置傳感器,發射器和接收器均在同一水平線上,且所有位置均是固定的。在進行按壓時,為排除其他影響因素造成的誤差,盡可能保證按壓的壓力相同。在沖擊回波法測試中,試件的安放與超聲波對測法保持一致,并配備直徑17mm的激振錘,所有測試面均為正方形端面,數量為兩個。傳感器均被放置于測試面的中心,在兩者接觸處通過耦合劑來加強緊密度。在該部分測試過程中,所有測點均被敲擊2次,最后取8個讀數的平均值作為測試值。試驗原材料均為普通混凝土,粗骨料為5～25mm碎石,細骨料采用中粗河砂,采用木質素磺酸鈉作為引氣劑。整個室內試驗所需水源均為自來水,水泥采用P·O 42.5R型普通硅酸鹽水泥。試驗設置的水膠比對應A、B、C 3種混凝土,分別為0.55、0.50、0.50(摻引氣劑),所有混凝土的原材料均保持一致。混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比設計

所有混凝土的制備均包含立方體試塊和棱柱體試件,數量分別對應1組和2組。立方體的規格100mm×100mm×100mm,棱柱體的規格100mm×100mm×400mm。在2組棱柱體試件中,一組為AX、BX、CX;另一組為AY、BY、CY。前者為7和28d的動彈性模量,后者為抗凍性能測試。

該部分試驗內容分為兩個方面:①通過3種方法,即共振法、超聲波法和沖擊回波法,分別測試AX、BX、CX在7和28d齡期時的橫向共振頻率、超聲波波速和彈性波波速,由此求得動彈性模量。②對AY、BY、CY展開快速凍融循環測試,同樣通過3種方法測試不同凍融循環次數試件,并求取相對動彈性模量,該過程需要對試件的質量變化進行記錄。在計算動彈性模量時,沖擊彈性波一維P波波速、超聲波波速與其關系如下:

(2)

式中:V為超聲波波速;Vp1為沖擊彈性波一維P波波速;Ed1、Ed2分別為V與Vp1的動彈性模量。

在相對動彈性模量計算中,3種方法由式(3)求得:

(3)

式中:f0為初始橫向共振頻率;V0為初始超聲波波速;Vp10為初始波速;fn為第n次凍融的橫向共振頻率;Vn為第n次凍融的超聲波波速;Vp1n為第n次凍融的彈性波波速。

2 試驗結果與分析

本研究在室內進行了共振法、超聲波法和沖擊回波法的動彈性模量測試,AX、BX、CX在7和28d齡期時的測試結果見表2。由表2可知,在齡期為7d的測試結果中,共振法測得的3組編號對應Ed值分別為34.96、36.87和38.06GPa;超聲波法對應的Ed1值分別為41.70、43.46和45.35GPa;而沖擊回波法所得分別為35.97、38.15和38.53GPa,明顯低于共振法與超聲波法之間的偏差。同時,結合28d齡期時的結果可知,超聲波法測得的動彈模量最大偏差值達到21.58%,利用沖擊回波法所得動彈模與共振法的差距十分微小,即二者保持了高度的一致性,大部分組別的偏差均保持在2%以內。

表2 齡期7和28d時3種方法的測試結果

綜合所得測試結果可以發現,共振法、超聲波法和沖擊回波法在加入水膠比或引氣劑等因素后,所得結果總體上與加入前保持了較高的一致性,表明這些因素對結果的影響十分微小,可以被忽略。同時,超聲波法和沖擊彈性波均能夠有效測量動彈模。與共振法相比,兩種方法的差距在于動彈模偏差,前者偏差相對較大,后者則更小。其原因是超聲波速在傳播過程中并非一直不變,而是會受到橫向尺寸效應的影響,導致結果發生較大偏差。而對于沖擊回波法來說,通過激振錘敲擊,得到的波頻率不高,相對較為微小。在此情況下,波長較長使得骨料粒徑散射的作用難以發揮,且造成的影響較低,外界干擾被大大減弱,測試精度得到提升。因此,通過與超聲波法的對比可知,沖擊回波法求得的動彈性模量具有更高的精確度。

AY、BY、CY 3組試件的抗凍性測試結果見表3。從表3中3組試件對比可知,在凍融階段一致的情況下,同一組試件的Pn1值均比該試件的Pn值更高,表明超聲波波速對應所得相對動彈性模量與實際相比偏差較大。通過分析3組試件的Pn與Pn1值可知,兩者之間的偏差均相對較大,并且在試件接近凍融破壞前后時,這種偏差呈現出加大的趨勢。此外,在相同凍融階段,對于同一組中的試件來說,其Pn值大部分都比其Pn2值更低,但這種差距相對微小,并未超過3%,基本保持一致。

表3 AY、BY和CY 的3組試件抗凍性測試結果

綜合表3的抗凍測試結果可以發現,所有試件的質量損失率中,最大值為0.88%,均在1%以下,表明所有試件最終都出現了凍融破壞。由此可知,僅僅通過質量損失率這一指標對混凝土的抗凍性能進行評價是不夠全面的,仍然存在局限性。同時,在同一凍融階段,橫向共振頻率、超聲波波速和P波波速3種方法得到的相對動彈性模量之間存在較大差異,而沖擊回波法表現最好。

圖3為AY、BY和CY 3組混凝土的相對動彈性模量變化曲線。由圖3可知,AY、BY和CY 3組試件的Pn1、Pn和Pn2值變化趨勢總體上具有高度的一致性,并且三者的下降速度均表現為先緩慢后增加的特點。同時可知,Pn和Pn2的吻合度相對較高,沖擊回波法與共振法所得結果非常接近。此外,在凍融損傷接近臨界值時,通過超聲波法得到的讀數會發生且保持較大波動,引起該試件在相鄰次數測試間所得數值差距過大,降低了測試結果的精確度。而沖擊回波法在多次讀數過程中,不會受到其他因素的影響,所得結果基本保持穩定。因此,超聲波法和沖擊回波法均能利用動彈性模量對混凝土結構抗凍性能展開評價,但沖擊回波法既簡化了操作流程,又增加了結果的有效性和準確性,具有顯著的應用優勢。

圖3 AY、BY和CY 3組混凝土的相對動彈性模量變化曲線

在驗證沖擊彈性波技術的有效性和準確性基礎上,對該技術的可靠性展開進一步分析。這部分試驗有兩方面,即重復性檢驗和復現性檢驗。其中,重復性檢驗要求測試條件、方法、環境和設備的一致性,并對同一對象進行連續多次測試,得到相似性程度。在重復性檢驗中,設置水膠比為0.55、0.50、0.50的3種混凝土試件,分別對應A組、B組和C組,各包含3個試件。A、B、C與AX、BX、CX一一對應求得的動彈性模量結果見圖4。

圖4 A、B、C與AX、BX、CX對應得到的動彈性模量

由圖4可知,通過沖擊回波法求出的動彈性模量差距均較小。其中,試件AX1與A3之間動彈性模量差距最大,但偏差僅為0.82%。通過計算可知,在同一組混凝土試件中,所得動彈性模量之間的標準差均較小。同時,A組與AX組、B組與BX組、C組與CX組3組之間的動彈性模量均符合重復性檢驗,表明沖擊彈性波技術滿足混凝土檢測技術對重復性的要求,具有較高的適用性。

最后進行復現性檢驗,即在不同的測試條件下,通過改變設備等因素,檢驗同一被測對象所得結果的一致程度。同樣,配備水膠比為0.55、0.50、0.50的混凝土試件,分別記為J、K、I三組,并與AX、BX、CX相對應進行測試,結果見圖5。由圖5可知,在不同檢測儀器的測試結果中,J、K和I三組與AX、BX、CX 對應的混凝動彈性模量差距均十分微小,最大動彈性模量偏差0.57%,準確度較高。

圖5 J、K、I三組與AX、BX、CX對應所得動彈性模量結果

通過計算可知,J組與AX組、K組與BX 組、I組與CX組的動彈性模量測試值之間的標準差與平均值關系均符合復現性要求。綜上可以得出,沖擊彈性波可以在重復性檢驗和復現性檢驗中保持較小的偏差,并且符合檢驗要求,應用效果較好。

3 結 論

本文根據沖擊彈性波特性,確定了室內試驗的裝置設備,并進行了動彈性模量測試。結果顯示,在齡期為7d的測試結果中,沖擊回波法所得Ed值分別為35.97、38.15和38.53GPa,與共振法相差較小;在重復性和復現性檢驗中,沖擊彈性波法所得動彈性模量偏差最大分別為0.82%和0.57%,表明沖擊彈性波應用于水利工程混凝土檢測中具有較高的準確性。