基于超聲透射法的新拌混凝土密度檢測研究

娜仁高娃

（內蒙古交通職業(yè)技術學院，赤峰 024005）

1 前言

混凝土生產和施工過程中，對其密度進行檢測和控制是必不可少的環(huán)節(jié)。通過實時監(jiān)測和控制混凝土的密度，可以及時發(fā)現(xiàn)和解決潛在的質量問題，確保混凝土的質量符合設計要求和相關標準。基于超聲透射法的新拌混凝土密度檢測，可以在不破壞混凝土樣品的情況下，快速獲取其內部結構和密度的信息。該檢測方法還具有較高的可靠性和重復性，能夠為混凝土質量控制、強度預測、施工監(jiān)控和耐久性評估提供有力支持。下文就相關內容進行簡要論述。

2 超聲透射法概述

超聲透射法是一種非破壞性測試技術，通過使用超聲波在材料中的傳播特性和反射信號來獲取材料的內部信息。它基于超聲波在不同密度或組織結構的材料中傳播速度和衰減的差異，從而實現(xiàn)對材料性質、缺陷及內部結構的評估和檢測。該方法通常涉及將超聲波從一個傳感器（發(fā)射器）發(fā)送到被測試材料，并通過另一個傳感器（接收器）記錄接收到的反射信號，然后分析這些信號以提取有關材料性質的信息。

攪拌后的混凝土中，隨著水泥水化反應的進行和混凝土凝結過程的發(fā)展，混凝土內部的孔隙逐漸被水泥膠體充填，混凝土的密實度逐漸增加，密實度的增加會使聲波在混凝土中傳播的速度加快。

基于這一原理，超聲透射法通過發(fā)送超聲波并測量其傳播時間來獲得聲速值，然后將聲速值與已知密度的標定樣品進行對比，建立聲速與密度的關系曲線。超聲透射法通過發(fā)送一束高頻超聲波穿過混凝土樣品，并在另一側接收傳播回來的信號[1]。根據接收到的信號的傳播時間，可以計算出超聲波在混凝土中的傳播速度，通過比較已知密度的標定樣品與待測混凝土之間的聲速差異，可以推斷混凝土的密度。這種方法具有高精度、快速和非破壞性的特點，可以實時監(jiān)測混凝土的密度變化，并提供準確的密度數(shù)值，為工程施工和質量控制提供重要依據。超聲波透射固體介質的密度計算公式如下：

c 為超聲波在固體介質中的傳播速度，m/s；ρ 為固體介質的密度，kg/m3；σ 為固體介質的泊松比；E 為固體介質的彈性模量，N/mm2。

3 基于超聲透射法的新拌混凝土密度檢測特點

基于超聲透射法的新拌混凝土密度檢測具有非破損性、實時性、準確性、便捷性和適用性廣等特點，為新拌混凝土的質量監(jiān)控提供了有效手段。

（1）非破損性。這種檢測方法不會對混凝土造成任何破壞，因此可以在不損害混凝土結構和性能的情況下進行密度檢測。

（2）實時性。超聲透射法可以在混凝土澆筑后立即進行密度檢測，無需等待混凝土完全硬化，從攪拌到凝結階段，可以持續(xù)跟蹤密度變化，并及時獲取數(shù)據，從而實現(xiàn)了對新拌混凝土質量的實時監(jiān)控[2]。

（3）準確性。通過測量超聲波在混凝土中的傳播速度和衰減程度，可以準確地計算出混凝土的密度，為工程質量控制提供了可靠的數(shù)據支持。

（4）便捷性。超聲透射法檢測設備相對簡單，操作方便，可以在施工現(xiàn)場快速進行密度檢測，提高了檢測效率。

（5）適用性廣。超聲透射法適用于各種類型的新拌混凝土密度檢測，包括普通混凝土、高性能混凝土等，具有廣泛的應用前景。

4 基于超聲透射法的新拌混凝土密度檢測

4.1 準備工作

超聲密度檢測試驗裝置通常包括單片機、超聲換能器、試樣容器等。單片機是超聲密度檢測儀器的控制核心，用于控制和處理數(shù)據，負責發(fā)送和接收超聲波信號，并通過算法計算出試樣的密度值。超聲換能器是將電能轉換為超聲波能量的裝置，它同時充當超聲發(fā)射器和接收器的角色。當作為發(fā)射器時，它將電信號轉換為超聲波并將其傳播到試樣中，當作為接收器時，它會接收到經過試樣后反射回來的超聲波信號。試樣容器是放置待測混凝土樣品的容器。通常是一個具有適當尺寸和形狀的容器，以確保混凝土樣品與超聲換能器之間的良好接觸，試樣容器的材料應足夠堅固，以承受試樣的重量并保持穩(wěn)定。

在進行實際測試之前，需要對儀器進行校準，包括校準儀器上的參數(shù)設置、增益調整、頻率校準等。超聲發(fā)射器和接收器需要通過標定樣品來校準，使用已知密度的標定樣品進行測試，記錄傳播時間和接收信號強度，并與已知密度值進行比較，以確保儀器的準確性和可靠性。如果使用計算機或其他數(shù)據采集設備，需要確保其與超聲透射儀器之間的連接正常，設置合適的采樣頻率和數(shù)據處理方式。

4.2 取樣

基于超聲透射法的新拌混凝土密度檢測過程中，準確的取樣方法對于獲得可靠的測試結果至關重要，因此在操作過程中務必仔細注意并按照標準取樣規(guī)程進行操作，本次操作采用C30 混凝土配合比，按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》進行設計，具體參數(shù)見表1。

表1 混凝土配合比

首先，保證所取得的樣品具有代表性，能夠準確反映整個混凝土批次的特性，樣品應從不同位置和深度處采集，并在整個批次中均勻混合。確定需要取樣的混凝土批次的大小，通常情況下較大批次的取樣可以提供更好的代表性，但同時也要考慮操作的可行性和取樣的難度。根據實際需要確定所需的樣品數(shù)量，通常建議取三個以上的樣品進行測試，以獲得更可靠的平均值。使用適當?shù)娜悠骶邅聿杉瘶悠罚珑P子、鍬或專用的取樣工具，取樣器具必須干凈且無殘留物，避免污染樣品[3]。

其次，取樣時，應在混凝土表面清除雜質和污染物的區(qū)域采取；從不同深度取樣，以確保代表不同部位的混凝土；避免取樣時對樣品施加過多壓力，以防止擠壓和改變樣品密度。

再次，取得樣品后，應盡快將其放置在密封的容器中，防止水分蒸發(fā)和外部污染物的進入，保持樣品的濕潤狀態(tài)，以避免水分損失和樣品性質的變化。

4.3 超聲透射檢測

4.3.1 階段Ⅰ（0～160min）：流動期

在混凝土的流動期，由于混凝土中存在大量的氣泡和未完全水化的顆粒，超聲波在其內部傳播時會遇到強烈的折射和衰減現(xiàn)象。由于混凝土的流動期類似于懸浮液，其中的氣泡和顆粒會散射和吸收超聲波能量，導致傳播速度降低，這使得超聲波在流動期的混凝土中傳播困難，造成穿透混凝土的聲速偏低。因此，在進行超聲透射法檢測時，需要考慮到混凝土流動期特有的問題，并采用相應的校正方法來解決聲速偏低的情況，一種常見的方法是通過已知密度樣本進行衰減校正，建立聲速與密度之間的關系，以消除混凝土密度對透射信號的影響。總之混凝土流動期的特殊性會對超聲透射法的檢測產生一定的影響，需要通過合適的校正方法來解決聲速偏低的問題，以確保密度檢測的準確性。

4.3.2 階段Ⅱ（160～390min）：凝結期

凝結期，包裹在水泥顆粒表層的水化膜在外界滲透壓的作用下被破壞，水泥顆粒中的凝膠不斷增加，凝膠的形成會改變混凝土的聲波傳播速度和衰減特性，檢測過程中需要根據實際情況進行校準，可以使用已知密度的樣本來建立聲速和密度之間的關系，并將其應用于待檢測的混凝土樣本。此外，凝結期混凝土中的凝膠分布不均勻，因此在選擇測量位置時需避免可能存在異常的區(qū)域，如凝膠聚集或空洞部分，應采用合適的超聲透射方式，如多個探頭的平均測量，以提高測量的準確性和可靠性[4]。

混凝土在凝結過程中會逐漸失去流動性，混凝土的強度會隨著凝結時間的推移而逐漸增加。通過檢測可以了解混凝土在不同凝結時間下的強度差異，有助于評估施工過程中混凝土的強度發(fā)展情況。混凝土中的水泥膠體在凝結過程中會發(fā)生物理和化學變化，形成更為致密的結構，通過連續(xù)檢測可以研究混凝土在不同凝結時間下的顯微結構演變。混凝土密度在凝結過程中可能發(fā)生微小的變化。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，混凝土凝結過程在1h 內的狀態(tài)變化并不明顯，因此選擇每間隔1h，對相應階段的混凝土進行檢測，以研究混凝土在不同凝結時間下的狀態(tài)差異。由于混凝土密實度的增加和固相的增多，聲波在混凝土中的傳播速度逐漸增大，聲速大約以200m/s左右的速度增長。這種聲速增長與混凝土密度減小之間存在一定的正相關關系，因為聲波的傳播速度往往受到介質的密度和彈性特性的影響。因此，在超聲透射法中，通過測量聲速的變化可以推斷混凝土在凝結期的密度變化情況。

4.3.3 階段Ⅲ（390min 以后）：硬化期

混凝土的硬化期，水化反應會導致大量水化產物的生成，而混凝土中的固相總量緩慢增加。這是因為水化過程中，水泥顆粒與水發(fā)生反應形成水化產物，逐漸填充混凝土中的空隙。隨著凝結時間的增長，混凝土的密度逐漸減小，聲速逐漸增大，相對誤差值變化不大，這一現(xiàn)象驗證了拌合混凝土凝結的物態(tài)變化過程。研究發(fā)現(xiàn)，硬化期，混凝土完全固化，超聲波在混凝土中以固相傳播為主，混凝土密度下降到2240kg/m3，并趨于穩(wěn)定，超聲波聲速迅速上升到3500m/s 左右。

4.4 數(shù)據采集和分析

基于超聲透射法的新拌混凝土密度檢測過程中，正確采集信號并進行預處理，進行衰減校正，并使用適當?shù)臄?shù)據分析方法來計算密度，這些步驟都是必不可少的。同時還要仔細對結果進行解釋，并記錄下采集和分析過程的詳細信息，以便后續(xù)參考和驗證。

首先，使用超聲透射裝置對混凝土樣品進行掃描，收集超聲波透射信號，確保超聲波發(fā)射器和接收器對準，并與樣品表面保持良好的接觸，采集到的信號將包含有關混凝土內部結構和密度變化的信息。其次，對采集到的信號進行預處理，以去除可能存在的干擾或噪音，可以使用濾波、去基線等技術來清潔信號，并保留感興趣的頻率段。由于混凝土會吸收和散射超聲波，導致信號衰減，對采集到的信號進行衰減校正，通常采用經驗公式或已知密度樣本進行校準。然后使用適當?shù)乃惴ê湍Ｐ蛠碛嬎慊炷恋拿芏龋Ｓ玫姆椒ㄊ抢寐暡ㄔ诓牧现械膫鞑ニ俣扰c密度之間的關系，如經驗公式或經驗回歸模型。通過對采集到的信號與已知密度樣本進行比較，可以推斷出混凝土的密度[5]。再次，解釋和報告密度推斷結果時，需要考慮其他因素的影響，如水灰比、顆粒含量等。同時要記錄下使用的校準方法和數(shù)據處理過程，以保證結果的可靠性和重復性。

需要注意的是，使用超聲換能器檢測新拌混凝土密度，經過多次重復試驗，得到在不同時間內超聲波聲速與密度的測量均值，與現(xiàn)行檢測方法得到的標準密度值進行比較，計算得到密度檢測的相對誤差。

5 結論

總而言之，基于超聲透射法的新拌混凝土密度檢測成效顯著。該方法通過發(fā)射超聲波并接收反射信號，能夠快速、準確地測量新拌混凝土的密度。相較于傳統(tǒng)方法，超聲透射法具有非破損性、實時性、便捷性等優(yōu)點，能夠提高檢測效率，為工程質量控制提供了有力支持。同時，超聲透射法還能夠有效避免因人為因素導致的誤差，提高檢測結果的準確性。因此，基于超聲透射法的新拌混凝土密度檢測在工程實踐中具有廣泛的應用前景。