超聲波在水泥混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測(cè)中的應(yīng)用

超聲波檢測(cè)技術(shù)是近年來逐漸興起的一種非破損檢測(cè)方法，由于其不受構(gòu)件幾何尺寸大小的影響，檢測(cè)速度較快且檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，該技術(shù)在水泥混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。本文針對(duì)超聲波檢測(cè)技術(shù)，詳細(xì)總結(jié)超聲波檢測(cè)的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用范圍，深入分析超聲波檢測(cè)技術(shù)的工作原理與檢測(cè)方法，探討超聲波檢測(cè)強(qiáng)度的影響因素，最后結(jié)合工程實(shí)踐，通過采用鉆芯取樣法與超聲波法對(duì)路段抗壓強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，確定超聲波檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)準(zhǔn)確度，結(jié)果表明，兩種不同檢測(cè)方法所得檢測(cè)結(jié)果相差不大，但超聲波檢測(cè)方法準(zhǔn)確度良好。

超聲波檢測(cè)特點(diǎn)

超聲波檢測(cè)技術(shù)是一種非破損檢測(cè)方法，可以直接對(duì)水泥混凝土進(jìn)行檢測(cè)，并較為真實(shí)地反應(yīng)水泥混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部特征，另一方面，超聲波技術(shù)還具有檢測(cè)水泥混凝土內(nèi)部空洞、凍脹、化學(xué)腐蝕等病害的功能。在這種條件下，按照常規(guī)方法測(cè)定的水泥混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并不能夠反映其整體強(qiáng)度，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)內(nèi)部隱患必定會(huì)對(duì)混凝土整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，而超聲波技術(shù)可以檢測(cè)評(píng)定混凝土內(nèi)部隱患區(qū)情況，其檢測(cè)范圍更深，檢測(cè)結(jié)果具有代表性。

超聲波技術(shù)應(yīng)用范圍

當(dāng)施工過程管理不當(dāng)或者出現(xiàn)某些意外事故，導(dǎo)致水泥混凝土出現(xiàn)質(zhì)量損傷，或在試驗(yàn)室制作水泥混凝土試件時(shí)，取樣、養(yǎng)護(hù)方法不對(duì)，試件各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)不能夠滿足規(guī)范要求時(shí)，可采用超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)試件或者施工完成后的水泥混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。

當(dāng)需要了解水泥混凝土的強(qiáng)度增長情況，為試件的脫模等提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)時(shí)，或者在出廠、吊裝、預(yù)應(yīng)力張拉水泥混凝土結(jié)構(gòu)，需要了解荷載對(duì)混凝土的強(qiáng)度要求時(shí)，可以通過采用超聲波技術(shù)，持續(xù)性監(jiān)測(cè)推定水泥混凝土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，為水泥混凝土的施工提供相應(yīng)指導(dǎo)。

當(dāng)已建水泥混凝土構(gòu)造物需要維修、加固及改建時(shí)，可以應(yīng)用無損超聲波檢測(cè)技術(shù)，對(duì)構(gòu)造物內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行檢測(cè)，為水泥混凝土和構(gòu)造物的重新設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

對(duì)于某些需要長期跟蹤管理的重要混凝土構(gòu)造物，需要通過無損超聲波技術(shù)推定其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以便判斷構(gòu)造物是否處于安全狀態(tài)。

超聲波檢測(cè)原理及測(cè)試方法

超聲波檢測(cè)原理

超聲波檢測(cè)原理主要是基于超聲波在混凝土中的傳播參數(shù)（聲速、衰減系數(shù)等）與強(qiáng)度之間關(guān)系，實(shí)質(zhì)上是超聲波的高頻振動(dòng)在水泥混凝土構(gòu)造物內(nèi)部傳播時(shí)，混凝土的每個(gè)微區(qū)上都產(chǎn)生拉壓（縱波）或剪切（橫波）等應(yīng)力應(yīng)變過程。水泥混凝土強(qiáng)度參數(shù)復(fù)雜，該參數(shù)值受到多種因素影響，建立混凝土強(qiáng)度和超聲波傳播特性之間的關(guān)系較為困難，當(dāng)前超聲波檢測(cè)混凝土強(qiáng)度還只能建立在經(jīng)驗(yàn)歸納上，主要是通過試驗(yàn)建立強(qiáng)度與聲速的關(guān)系曲線，作為其基本換算依據(jù)。

超聲波檢測(cè)方法

超聲波技術(shù)對(duì)于水泥混凝土強(qiáng)度的檢測(cè)，主要是通過超聲波檢測(cè)儀來完成，混凝土超聲波檢測(cè)儀是一種集超聲波脈沖發(fā)射器、超聲波接收器及信號(hào)轉(zhuǎn)換處理于一體的裝置，在對(duì)水泥混凝土進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，首先由超聲波檢測(cè)儀的信號(hào)發(fā)射器發(fā)射超聲波脈沖，使其穿過待測(cè)混凝土構(gòu)造物，然后再由超聲波接收器將超聲波脈沖信號(hào)接收，并傳輸、存儲(chǔ)到信息處理器中。此時(shí)，儀器經(jīng)過相應(yīng)處理，顯示出超聲脈沖穿越混凝土所用時(shí)間，接收信號(hào)的波形、波幅等，通過計(jì)算分析顯示信息，最終得到接收信號(hào)的頻譜信息。

超聲波檢測(cè)強(qiáng)度影響因素

原材料及配合比影響

由于超聲波在不同原材料中的傳播速度不同，而不同的配合比也會(huì)導(dǎo)致波速的變化，因此原材料及配合比對(duì)超聲波檢測(cè)的結(jié)果有較大影響。對(duì)于水泥混凝土，由于不同品種水泥的水化時(shí)間不同，在不同的時(shí)間段內(nèi)，水泥混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成也必然不同，因此在使用超聲波技術(shù)檢測(cè)早齡期混凝土強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)考慮水泥品種的影響；另一方面，由于水泥混凝土配合比不同，若混凝土內(nèi)部大粒徑集料較多，單位體積混凝土中骨料所占聲程增加，聲速隨之增大。同時(shí)，不同的配合比下混凝土內(nèi)部空隙率不同，空隙率的大小也會(huì)對(duì)混凝土強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響。

外部條件影響

影響超聲波檢測(cè)的外部條件因素主要有齡期、養(yǎng)護(hù)方法、溫度及含水率。隨著水泥混凝土中水泥齡期的增加，超聲波速度值增長速度小于混凝土強(qiáng)度的增加，導(dǎo)致超聲波檢測(cè)結(jié)果變化；針對(duì)混凝土養(yǎng)護(hù)方法，由于水中的混凝土水化更加充分，水中混凝土水化產(chǎn)物會(huì)將混凝土毛細(xì)孔填充，改善混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，使超聲波傳播速度加快；另外，溫度與濕度的變化，也會(huì)導(dǎo)致超聲波傳播速度的變化，影響超聲波檢測(cè)準(zhǔn)確性。

其他條件

若水泥混凝土中摻入鋼筋，由于超聲波在鋼筋介質(zhì)中的傳播速度明顯大于水泥混凝土，因此使用超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)配筋水泥混凝土檢測(cè)時(shí)，其結(jié)果往往比正常值偏大，需要設(shè)置相關(guān)修正系數(shù)，對(duì)計(jì)算所得結(jié)果進(jìn)行修正處理。

工程實(shí)踐

工程概況

檢測(cè)路段位于某縣二級(jí)公路K0+200至K8+210處，長8.1km，路基寬度為12m，路面寬度為9m，該路段為新建水泥混凝土路面，真空吸水施工工藝。為檢測(cè)施工后路面的抗壓性能，同時(shí)驗(yàn)證超聲波檢測(cè)技術(shù)準(zhǔn)確性，分別采用鉆芯取樣法與超聲波檢測(cè)法對(duì)路面進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)。

超聲波聲速與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系曲線

按施工時(shí)所采用的原材料進(jìn)行不同標(biāo)號(hào)抗壓試件檢測(cè)，抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

本文根據(jù)表1所示數(shù)據(jù)，研究混凝土試件超聲波波速與抗壓強(qiáng)度之間相關(guān)性，并采用不同函數(shù)方程對(duì)相關(guān)性進(jìn)行擬合，通過計(jì)算分析選取相對(duì)誤差、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差及相關(guān)系數(shù)，選取相對(duì)誤差與相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差較小的函數(shù)方程作為本試驗(yàn)研究材料相關(guān)性較好的最優(yōu)回歸方程。本文采用以下三種函數(shù)形式進(jìn)行擬合：線性函數(shù)方程=A+BV；冪函數(shù)方程=AVB；指數(shù)函數(shù)方程。其中：為測(cè)定區(qū)域混凝土推算強(qiáng)度，V為試件測(cè)定區(qū)域平均聲速值，A、B、C為常數(shù)項(xiàng)。根據(jù)表1所示試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合回歸方程如下所示：線性函數(shù)方程：fccu=0.0573v1222.66；冪函數(shù)函數(shù)方程：fccu=4E129v8.2075；指數(shù)函數(shù)方程：fccu=0.0083e0.0019v。

根據(jù)回歸方程計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差與相關(guān)系數(shù)見表2。

由表2可知超聲波法所擬合的三種函數(shù)公式，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差與相關(guān)系數(shù)指標(biāo)均差別不大，其中冪函數(shù)所擬合的回歸方程相關(guān)系數(shù)最大，故本文采用線性回歸方程應(yīng)用于實(shí)際工程中測(cè)定水泥混凝土構(gòu)件強(qiáng)度。

表1 抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

表2 擬合函數(shù)計(jì)算結(jié)果

表3 路段抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

強(qiáng)度檢測(cè)

抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度是水泥混凝土的重要控制指標(biāo)，本文首先采用超聲波法對(duì)檢測(cè)道路不同斷面抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，之后根據(jù)《公路水泥混凝土路面施工細(xì)則》（JTG/T F30-2014），采用鉆芯取樣法再次對(duì)檢測(cè)路段抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，路段抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

由表3可知，使用超聲波法與鉆芯取樣法所得路段抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果相差不大，超聲波檢測(cè)法作為無損檢測(cè)方法，其檢測(cè)精度較高。