超聲成像在混凝土凍融循環損傷評估中的應用研究

摘 要：文章旨在探究超聲成像在混凝土凍融（F-T）循環評估中的應用。通過利用超聲成像技術，研究了未摻入引氣劑和摻入引氣劑后混凝土在凍融循環中不同程度的損傷情況；在超聲成像處理中，引入了不可評估區域比例（NAAP）和NAAP加權的平均超聲速度作為評估參數，并將其與ASTM和RILEM標準中接觸式超聲測量方法的損傷評估標準進行比較。研究結果表明，相較于接觸式超聲速度測量，超聲成像的主要優勢在于能夠檢測到由于加速凍融循環引起的混凝土早期損傷。

關鍵詞：混凝土；凍融循環；超聲成像技術；混凝土開裂

中圖分類號：U414.1A080244

0"引言

凍融（Freezing-thawing，F-T）損傷是混凝土在低溫氣候條件下面臨的主要問題之一。反復的F-T循環引起水泥漿基體逐漸膨脹，會導致混凝土開裂和剝落［1］。針對加速F-T循環下混凝土的抵抗能力評估，已經制定了不同的標準，如UNE 12390-9、ASTM C666/C666M-03、prENV-9等［2］。然而，這些標準在測試方法和評估混凝土試件損傷的方式上存在差異［3］。通常，混凝土對F-T損傷的抵抗能力根據內部和外部損傷的類型進行評估和分類。例如，使用材料質量損失評估外部損傷和結垢，而內部損傷通常通過超聲波測量脈沖傳輸時間（UPTT）和橫向基本頻率測量值進行評估［4］。聲學成像技術為混凝土結構和膠凝材料的評估提供了一種有效的方法，通過在材料的每個點進行超聲衰減和速度測量，實現了不規則和缺陷的識別［5］。例如，可以使用速度、振幅和頻率峰值的測量來評估經過F-T循環的混凝土試件的損傷。然而，仍然需要開發適用于評估混凝土損傷情況的聲學成像系統。

本研究的目的是評估圓柱形混凝土試件的損傷情況。選取兩組混凝土試件進行試驗，其中一組摻入引氣劑，并進行加速F-T循環。在F-T循環前后，分別進行超聲接觸測量和水浸超聲自動檢測。通過自動檢測系統，生成超聲速度和衰減圖像，并比較F-T循環前后試件的破壞狀態。此外，從這些超聲成像中提取兩個參數，以評估混凝土試件的損傷情況，并與ASTM和RILEM標準的破壞準則進行比較。

1"破壞準則

混凝土的抗凍性根據強度損失、重量變化、膨脹度、基頻和超聲脈沖傳輸時間等不同的標準來評估，評估損傷的破壞準則見表1。本研究基于ASTM C 666標準，F-T循環前后的超聲速度測量的破壞準則，損傷因子D計算方法為：

D=（RDME）N300（1）

式中：N——達到相對動態彈性模量的臨界值所需的F-T循環次數;

RDME——相對動態彈性模量。

在ASTM C666標準中通過RDME評價混凝土抗凍性的變化，計算公式為：

RDME=V2nV20×100（2）

式中：V0和Vn——

材料初始狀態下和經歷n次F-T循環后混凝土超聲波速。

根據RILEM TC176標準，與超聲脈沖傳輸時間等效的相對速度（Relative Velocity，RV）用于評估混凝土的損傷情況和抗凍性能。RV是超聲波在經過混凝土試件時相對于無損試件的傳播速度，RV的變化可以展示混凝土內部損傷情況。

RV=（VnV0）×100（3）

2"試驗設計

2.1"材料

按照《鋼筋混凝土結構設計規范》（GB50010-2015）制備圓柱形HA-30混凝土試件（300 mm×150 mm）。硅酸鹽水泥標號為42.5；河砂細度模數為2.71，粒徑范圍為0～5 mm；石灰石骨料細度模數為6.96，粒徑范圍為5～20 mm；引氣劑為Aer5，摻加量為水泥重量的0.022%，HA-30混凝土配合比見表2。

2.2"F-T循環試驗

F-T循環試驗按照ASTM C666標準進行加速F-T循環，包括300個加速周期，每個周期持續4 h，溫度為10 ℃～17 ℃，整個試驗持續50 d（見圖1）。

3"超聲無損檢測

3.1"接觸法超聲速度測量

接觸法超聲速度測量是一種用于計算相對速度（RV）和相對動態彈性模量（RDME）的方法。使用接觸超聲儀器采用徑向超聲波進行測量，傳感器的頻率為54 kHz，直徑為50 mm。徑向超聲波從試件中心點沿徑向發射，測量徑向超聲波通過試件的時間。

3.2"超聲徑向掃描系統

如圖2（a）所示是一種用于便攜式超聲數據采集和成像的系統，由一個便攜式浸沒式水箱和兩個傳感器（T1和T2）組成，傳感器的頻率為413.5 kHz。該系統提供兩種不同的運動方式，一種是圍繞圓柱體軸心進行旋轉運動，另一種是沿試件高度方向進行移動。

掃描網格的高度為5 mm，直徑為2 mm。掃描系統采用SENDAS超聲波系統來發射和接收信號，通過測量振幅和飛行時間來生成試件表面或內部特征的衰減和速度圖。混凝土試件的超聲波速V1為：

V1=Xctc-twater+（Xc/Vwater）（4）

式中：Xc——試件的長度；

tc——超聲波通過試件的時間；

twater——超聲波在水中的移動時間；

Vwater——超聲波在水中的速度；

α——衰減系數，表示超聲波在混凝土中傳播時的能量損失。

α=20log10（AsAw）（5）

式中：As——入射超聲波的振幅;

Aw——經過水后的超聲波振幅。

軸向掃描系統具有3個笛卡爾軸，如圖2（b）所示可以在水平、垂直和深度方向上進行移動掃描。通過獲取HA-30/00-2試件在旋轉軸方向上的超聲波信息，生成每個切片的速度和衰減圖像。該系統的空間分辨率為4 mm。

4"結果分析

4.1"超聲波接觸測量

如表3和表4所示分別列出了在加速F-T循環前（V0）和循環后（Vf）的HA-30/00組和HA-30/05組試件的超聲接觸速度、相對動態彈性模量變化率以及相對超聲速度（RV=Vf/V0）。得出如下結論：HA-30/00組試件在F-T循環后超聲波速度下降，而HA-30/05組試件則相反。根據表3中的RDME和RV數據，HA/30-00-2和HA/30-00-3試件顯示出最嚴重的損傷程度。根據RILEM標準，這兩個試件內部已經遭受了嚴重損傷，然而根據ASTM標準，試件展現出良好的抗凍性能。因此，可以得出RILEM標準比ASTM標準更為嚴格的結論。根據表4中的RV和RDME數據，所有試件均達到RILEM標準規定的無明顯損傷標準，同時也符合ASTM標準規定的抗凍性能優秀的標準。

4.2"超聲波徑向成像

HA-30/00組試件F-T循環前后的超聲成像見圖3。由圖3可知，在F-T循環前，HA-30/00-1和HA-30/00-2試件的損傷程度相似，但在F-T循環后，損傷區域的差異變得明顯。此外，在試件進行F-T循環時，衰減顯著增加。

HA-30/05組試件在F-T循環前后的超聲成像結果見圖4。由圖4可以觀察到，在HA-30/05試件進行F-T循環時，衰減減小、速度增大，這種變化與未經F-T循環的試件相似。而HA-30/05-0試件在F-T循環過程中沒有發生明顯的損傷，這表明摻入引氣劑可以增強混凝土在F-T循環后的抗凍性能。

不可評估區域比例（NAAP）是用于評估超聲成像中無法測量超聲速度的區域的參數，表示超聲波無法通過試件的區域所占的比例。在本試驗中，衰減值＞350 dB/m被認為是不可評估區域，可以計算RV、RDME和可評估區域的平均超聲速度Vt和V0。如表5和表6所示分別顯示了HA-30/00組和HA-30/05組試件的試驗結果。

表5中HA-30/00組試件的NAAP值各不相同，表明試件出現了不規則的損傷。損傷最小的是HA-30/00-1試件，NAAP為16.47%；損傷最大的是HA-30/00-3試件，NAAP為61.03%。表6中HA-30/05組試件RV和RDME均＞100%，表明試件沒有出現明顯損傷，與接觸測量方法得到的RV和RDME值一致。

4.3"超聲波軸向成像

為了進行F-T循環的損傷評估，選擇上下表面無開裂或剝落，但產生嚴重損傷的HA-30/00-2試件，將HA-30/00-2試件切成4個50 mm的切片（切片1～4）和1個60 mm的切片（切片5），切片示意圖及循環前后試件HA-30/00-2的徑向速度見圖5。

對切片進行軸向掃描，分析定位超聲波不可評估區域的損傷。HA-30/00-2試件不同切片的軸向成像見圖6。圖6（a）中切片1上有明顯衰減，這表明超聲波在靠近切片表面的區域無法沿軸向穿透材料。此外，切片2～4顯示出相似的衰減水平，切片5的衰減略高。圖6（b）中切片表面上存在一些毫米厚度的區域，速度＜4.4 km/s。

如表7所示列出了HA-30/00-2試件切片1～5的平均速度Vf。由表7可知，切片3和4的軸向平均速度比HA-30/00-2試件初始徑向平均速度高出3%。這可能是由于軸向掃描相對于徑向掃描的長度更短，從而導致更高的速度測量結果（見圖7）。同時，水泥水化作用可能會對凍融結果產生影響。切片4的速度最高，被認為受損輕微，選擇在切片4上進行比較（表中標記為Vf/Vf4）。表7中Vf/Vf4的結果顯示切片1的速度明顯下降，而其他切片的變化較小。

4.4"破壞標準比較

從超聲成像中獲得的平均速度只對應于試件的可評估區域。超聲波接觸測量值對應的破壞標準（RV和RDME）不能直接與從超聲成像中獲得的破壞標準進行比較。應考慮可評估區域比例和不可評估區域比例對應的平均速度，故提出Vff參數作為加權平均速度NAAP的術語，定義為：

Vff=βV0×NAAP+Vf（1-NAAP）（6）

式中：β——一個常量值，指給定的破壞百分比。

根據RILEM標準提出的試件的損傷程度，令β=0.8，使用Vff/V0和（Vff/V0）2代替RV和RDME。由此可知，大多數情況下接觸測量與超聲成像得到的結果沒有顯著差異，如后頁圖8所示。

超聲成像提供了F-T循環試驗中損傷變化的圖像，對于嚴重損傷或無損試件的損傷評估，通常接觸測量RV或RDME的結果與超聲成像的結果沒有顯著差異。然而，使用超聲成像的主要優點是能檢測到早期損傷，而接觸測量無法檢測或量化。

5"結語

本文為了研究超聲成像作為一種評估工具在混凝土F-T循環試驗中的應用，對兩組混凝土試件進行F-T循環試驗，F-T循環前后分別進行接觸式和浸入式超聲檢測；設計了自動超聲徑向掃描系統，進行精確測量，生成速度和衰減圖像，量化損傷的程度；提出兩個參數（NAAP和NAAP中的加權平均速度）來評估混凝土試件的損傷。使用超聲成像的優點是可以檢測早期損傷并對受凍融循環影響的混凝土試件進行替代評估，參數的提出能夠及早發現損傷，并對試件進行全面評估。

參考文獻：

［1］石松濤，徐"飛，李"琦.凍融循環作用下超高延性纖維增強水泥基復合材料加固力學性能試驗研究［J］.科學技術與工程，2023，23（11）：4 745-4 754.

［2］趙洪凱，耿慶林，任"偉.透水混凝土微細觀凍融損傷研究進展［J］.應用化工，2022，51（12）：3 702-3 706.

［3］張"謹，龔敏鋒.混凝土損傷變量及評價標準在抗震性能化設計中的應用［J］.建筑結構，2022，52（21）：33-41，138.

［4］李娟娟. 混凝土結構內部損傷超聲檢測方法研究［D］.南昌：南昌航空大學，2017.

［5］田建行. 混凝土結構內部缺陷的超聲成像檢測方法研究［D］.保定：河北大學，2022.20240326