混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性超聲檢測方法的研究

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水工混凝土建筑物經(jīng)常受到凍融剝蝕的破壞，所以其混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍性是必須檢測的主要指標(biāo)，由于實(shí)驗(yàn)室制作的試件與結(jié)構(gòu)物上的混凝土抗凍性存在著差異，在結(jié)構(gòu)物上切割混凝土試件所引起的破損又不能被人們接受，且實(shí)驗(yàn)室測試也只對來樣負(fù)責(zé)，因此必須研究一種更加真實(shí)地反映混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性的無損檢測方法，直接檢測混凝土結(jié)構(gòu)抵抗凍融破壞的能力，這對于實(shí)施混凝土工程現(xiàn)場質(zhì)量控制，特別是對國家重點(diǎn)水工混凝土建筑物的質(zhì)量檢測及其長期耐久性評估尤為重要。
    共振法測定混凝士試件在凍融循環(huán)過程中的動(dòng)彈模變化，作為混凝土材料的抗凍性指標(biāo)，它對試件而言可算是一種無損檢測方法，但對混凝土結(jié)構(gòu)而言，共振法就無能為力^［1］。超聲波法測試量為波速、波譜和衰減系數(shù)等，其換算原理為應(yīng)力波分析及其混凝土彈性、非彈性等性能之間的關(guān)系，它不需要整體結(jié)構(gòu)的激振，而且超聲波能夠穿透混凝土結(jié)構(gòu)本身，其輻射面較大，測量值和分析計(jì)算方法選擇余地大，因此用超聲波參量表達(dá)混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)彈性模量是可行的，該方法不需要專門形狀和尺寸的混凝土試件，就可評價(jià)混凝士結(jié)構(gòu)的抗凍融指標(biāo)。

    1、超聲波法測混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng)彈模的理論依據(jù)

    1.1 計(jì)算公式       為計(jì)算動(dòng)彈模Ed，文獻(xiàn)^［2］中提出了采用常規(guī)縱波超聲換能器，依表面平測法測定混凝土表面波的速度，來確定其動(dòng)彈模E_d和泊松比μ的新方法，可在各種混凝土結(jié)構(gòu)物上直接測得其動(dòng)彈性模量。
    固體材料的動(dòng)彈模與其表面波速度之間的關(guān)系為^［3］ (1)     式中：ρ為固體的密度，V_r為表面波速度。對硬化混凝土來講，泊松比一般在0.2～0.3之間。如取μ=0.2時(shí)，則??
E_d=2.888ρV2r(2) (2)     其相對動(dòng)彈模可按下式計(jì)算： (3)     式中：V_r0為初始表面波速度。

    1.2 檢測原理       置于固體表面的縱波換能器將發(fā)出軸向的平面波，即縱波、橫波以及微弱的徑向邊緣波，換能器還發(fā)射能量更強(qiáng)的表面波并沿固體表面?zhèn)鞑?。波形的前部?yīng)是縱波，因?yàn)樗牟ㄋ僮畲?，但其振幅很?。徊ㄐ魏竺娌糠终穹蝗辉龃?，是由于波速小于縱波的表面波到達(dá)，但它的信號最強(qiáng)。采用超聲多點(diǎn)表面平測法，測試時(shí)首先確定縱波的初至點(diǎn)以及表面波的初至點(diǎn)和第—個(gè)峰值點(diǎn)，為與橫向振動(dòng)共振法作對比，試驗(yàn)中盡量做到超聲法與共振法測距和測點(diǎn)都相同，測距從試件端部算起，分別為50mm、100mm、150mm、200mm、250mm，測得混凝土材料的表面波速度后，對于密度已知的混凝土來講，則可由式（1）求得混凝土材料的動(dòng)彈性模量。

    1.3 共振法動(dòng)彈模的計(jì)算方法       共振法是用周期脈沖力激勵(lì)混凝土試件穩(wěn)態(tài)振動(dòng)，記錄其振動(dòng)參數(shù)，根據(jù)激勵(lì)頻率及振動(dòng)衰減系數(shù)，推算混凝土的彈性和非彈性性質(zhì)，可作為混凝土耐久性試驗(yàn)中的一個(gè)測試指標(biāo)得出其相對值。由于凍融損傷作用在混凝土表層中出現(xiàn)較快，因此采用橫向共振為基礎(chǔ)的測試方法，可以迅速取得有關(guān)混凝土表面性能變化的資料。
    橫向振動(dòng)的動(dòng)彈模與固有頻率關(guān)系的一般表達(dá)式為^［3］ (4)     對于矩形截面桿件：J=ba3／12;基振：m=4.73。由于試件尺寸比：L/a=4(L=400mm，a=100mm)，根據(jù)參考文獻(xiàn)^［４］，當(dāng)泊松比μ=0.2時(shí)，T_n取1.40，式(4)可簡寫成?? (5)     另外，如果按照兩種方法所測得的動(dòng)彈模相等的觀點(diǎn)，則E?d=E′d,由式(2)和式(5)得 V_r=1.084f (6)     2、用超聲波法檢測混凝土凍融試件的動(dòng)彈模

    2.1 測試方案       測量混凝土材料超聲波表面波速度的試件尺寸為100mm×100mm×400mm，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d齡期后測試。按混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法GBJ82—85執(zhí)行，試件凍融前在水中浸泡，凍融過程中均處于飽和水狀態(tài)，其中溫度控制在-17±2℃和 8±2℃之間，凍融循環(huán)在2～4h內(nèi)完成，用于融化的時(shí)間不得小于整個(gè)凍融時(shí)間的1／4。在試驗(yàn)過程中，每凍融循環(huán)50次，測量出混凝土試件的超聲波表面波速度，并同時(shí)用共振法測試混凝土試件的共振頻率。
      2.2 測試儀器       檢測設(shè)備為CTS-45型非金屬超聲波檢測儀和附加示波單元，另以數(shù)字存貯示波器來顯示波形和測量聲時(shí)。示波器由附加示波單元所產(chǎn)生的激發(fā)脈沖觸發(fā)，并有能左右自由移動(dòng)的游標(biāo)，用來測量波形上任一點(diǎn)的聲時(shí)，精度為0.1μs，從觸發(fā)開始到游標(biāo)所在位置所經(jīng)歷時(shí)間顯示在示波屏上。探頭使用一對50kHz普通縱波換能器，并用黃油做耦合劑，同時(shí)采用DT-4W自動(dòng)掃頻數(shù)字動(dòng)彈儀測量橫向共振頻率。
      2.3 測試結(jié)果       測量混凝土凍融試件在5個(gè)測距下，表面波到達(dá)初至點(diǎn)和第一個(gè)峰值點(diǎn)的聲時(shí)，按常規(guī)作圖法求出測距—聲時(shí)直線的斜率，最終得到超聲波表面波速度，在這里測量時(shí)盡量使試件處于干燥狀態(tài)。值得一提的是，試驗(yàn)用混凝土試件的抗凍性能均較高，幾乎看不到混凝土試件表面剝蝕現(xiàn)象，重量損失率僅為0.3％，混凝土表面凍融損傷層很薄，試件橫向和縱向相對變形也很小，因此在試驗(yàn)過程中混凝土材料的密度、泊松比及試件尺寸可以認(rèn)為不變。根據(jù)測試的表面波速度和共振頻率，按式（2）和式（5）計(jì)算分別得到混凝土材料的超聲法和共振法動(dòng)彈性模量，如表1所示。 表1  超聲法和共振法動(dòng)彈模測試計(jì)算結(jié)果 凍融次數(shù) 超聲法   共振法 波速／(m/s)   動(dòng)彈模／GPa   相對動(dòng)彈模(%)   頻率／Hz   動(dòng)彈模／GPa   相 對動(dòng)彈模(%) A   B   A   B   A   B 0
50
100
150
200
250
275
300 2217
2161
2135
2091
2061
2012
2000
1993 2166
2114
2105
2082
2082
2037
2037
2037   32.65
31.02
30.28
29.04
28.19
26.89
26.57
26.58 31.16
29.68
29.43
28.79
28.79
27.56
27.56
27.56   100
95.0
93.0
88.9
86.0
82.0
81.4
80.8 100
95.2
94.4
94.4
92.4
88.4
88.4
88.4   2087
2036
2013
1972
1945
1901
1890
1884 2037
1990
1981
1960
1960
1919
1919
1919   33.98
32.34
31.61
30.34
29.51
28.19
27.87
27.69 32.37
30.89
30.62
29.97
29.97
28.73
28.73
28.73   100
95.2
93.0
89.3
86.9
83.0
82.0
81.5 100
95.4
94.6
92.6
92.6
88.8
88.8
88.8 注：試件為鋼纖維混凝土，ρ取2.3×１０³kg/m³。                                         3、與共振法測混凝土動(dòng)彈模的對比

    通過對表1超聲法和共振法測得的各組相應(yīng)的動(dòng)彈模E?d與動(dòng)彈模E′_d，波速V_r與頻率f，動(dòng)彈模E_d與波速V_r之間進(jìn)行回歸分析，常數(shù)項(xiàng)用最小二乘法確定，得到回歸方程，如表2所示。 表2  回歸分析結(jié)果 項(xiàng)目 回歸方程 動(dòng)彈模E_d與動(dòng)彈模
波速V_r與頻率f
動(dòng)彈模E_d與波速V_r E_dA=0.996-1.183
V_rA=1.102f_A-83
EdA=1.245×１０^-5 E_dB=0.998-0.819
V_rB=1.092f_B-59
AEdB=1.058×１０^-5     由表2分析可見：超聲波法和共振法所測得的混凝土動(dòng)彈模之間，表面波速度與橫向共振頻率之間具有良好的線性相關(guān)性，兩種方法所測得的物理量基本符合式（6）的關(guān)系，其回歸曲線與散點(diǎn)擬合效果很好，回歸方程計(jì)算值較精確地反映了混凝土動(dòng)彈模變化的規(guī)律，混凝土動(dòng)彈模與波速之間近似成平方關(guān)系。另外從表1中可見，兩種方法所測得的相對動(dòng)彈?；鞠嗤?，因而可以用超聲波法對混凝土試件測試的動(dòng)彈模，代替共振法所測試的動(dòng)彈模數(shù)值，再用其相對動(dòng)彈模來判別混凝土抵抗凍融破壞的能力。

    4、結(jié)語

    超聲波法檢測混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性的方法研究，仿照超聲波測混凝土強(qiáng)度的基本思路，通過回歸分析建立了檢測混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性校準(zhǔn)曲線，從數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出：混凝土動(dòng)彈模與超聲波速度之間存在著良好的相關(guān)性，每組相關(guān)系數(shù)非常接近于1，相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)數(shù)值顯著；對于回歸方程效果的檢驗(yàn)，由相對標(biāo)準(zhǔn)誤差計(jì)算值很小，可知回歸方程所揭示的規(guī)律性很強(qiáng)，說明回歸方程預(yù)報(bào)的混凝土動(dòng)彈模數(shù)值比較精確。因此，對應(yīng)于混凝土結(jié)構(gòu)中測量到的某一波速，可由曲線獲得其相應(yīng)的動(dòng)彈模值，再用該動(dòng)彈模值與初始動(dòng)彈模值之比，評估出混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍性能。今后在考慮多因素影響的情況下，逐步深入完善超聲波檢測混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性的研究，建立更加完備的混凝土結(jié)構(gòu)無損檢測體系，實(shí)現(xiàn)從試件測試到結(jié)構(gòu)檢測。