混凝土損傷的超聲波檢測技術實驗研究

李曉蕓

0 引言

混凝土是在建筑中廣泛使用的工程材料,隨著社會、工作環境日益復雜,混凝土結構在承受靜態及準靜態荷載的同時,也承擔著變化劇烈且重復作用的沖擊荷載,本文旨在通過超聲波檢測儀對SHPB動態累積沖擊作用下的混凝土損傷進行檢測,進而對當前混凝土狀態進行評價,為工程中結構安全可靠性的狀態評價提供一種方法,具有積極的現實意義。

1 超聲波檢測混凝土損傷的實驗原理

本文主要采用超聲波測試技術,混凝土超聲檢測目前主要采用“穿透法”,即用一發射換能器重復發射超聲脈沖波,讓超聲波在所檢測的混凝土中傳播,然后由接收換能器接收。被接收到的超聲波轉化為點信號后再經超聲儀放大顯示在示波屏上。當超聲波經混凝土中傳播后,它將攜帶有關混凝土材料性能、內部結構及其組成的信息。通過波速大小的變化,推斷出混凝土的性能、內部結構及組成狀況。聲發射是材料變形、裂紋開裂及擴展過程的伴生現象,而且聲發射過程同力學過程有著密切的相關性[1,2]。根據彈性力學有關理論可以得出:

彈性模量:

損傷值:

由于聲波在固體中傳播只有橫波和縱波兩種形式,通過超聲波檢測儀得出沖擊前后的縱波和橫波波速,代入式(1),式(2),得出沖擊損傷值。

2 實驗設計

2.1 混凝土實驗設計

混凝土實驗采用C40混凝土,經標準養護(溫度20℃±3℃,濕度 95%以上)后,加工成φ 75 mm×50 mm。混凝土配合比及參數見表1。

表1 混凝土配合比及參數

2.2 SHPB實驗設計

SHPB裝置的原型是B.Hopkinson提出的,1949年Kolsky[3]將壓桿分成兩段,試件置于輸入桿和輸出桿中間,利用該裝置可測量材料在沖擊載荷下的應力—應變關系,所以SHPB桿也稱Kolsky桿。在SHPB鋼桿系統上對C40混凝土進行了累積沖擊壓縮實驗。通過4次沖擊有效實驗來討論混凝土累積損傷特性。圖1給出了實驗的示意裝置。

2.3 超聲波檢測實驗設計

本文損傷檢測方法主要采用了表面直透法,通過聲波儀、配套縱橫波換能器,把發射探頭和接收探頭緊貼在兩個相對平整端面進行測試。圖2給出了示意裝置。

表2 損傷實驗結果統計表

其中,Vp為縱波;Vs為橫波。

3 損傷實驗結果及分析

本次實驗選取3個有效數據,4次累積沖擊,目的在于討論出C40混凝土的損傷演變規律。混凝土試件在沒有破碎狀態下進行超聲波測試,來表征混凝土材料的損傷程度,以D表示(見表2)。從結果分析來看,C40混凝土在累積沖擊作用下,當損傷值D＜0.2時,處于完好狀態;當損傷值 D在0.4左右時,內部結構損傷在外觀上表現明顯,但仍未對其結構的整體性產生大的影響;當D＞0.5時,試件裂紋數量明顯增多,范圍也繼續擴大;當0.5＜D＜0.58時,裂紋增多而且更加明顯,甚至出現貫通裂紋,再次使用波速測量,已無法全面反映混凝土整體狀況,不再量化。

4 結語

本文應用超聲波無損測量方法,對在SHPB桿裝置累積沖擊下的混凝土損傷進行了實驗研究,通過量化損傷值宏觀的反映了混凝土內部的損傷演化規律。

[1] 陳忠輝,傅宇方,唐春安.巖石破裂聲發射過程的圍壓效應[J].巖土力學與工程學報,1997,16(1):65-70.

[2] 陳 勉,陳治喜,金 珩.用斜井巖芯的聲發射效應確定深層地應力[J].巖石力學與工程學報,1998,18(3):311-314.

[3] Kolsky H.An Investigation of the Mechanical Properties of Materials at Very High Rates of Loading[J].Proceedings of the Physical Society of London,1949(B62):676-700.

[4] 陳清山.火災后砌體結構受損診斷與處理[J].山西建筑,2008,34(18):81-82.