沖擊回波法測(cè)混凝土動(dòng)彈性模量試驗(yàn)影響因素分析

郭學(xué)兵

（山西省交通科技研發(fā)有限公司 橋梁工程防災(zāi)減災(zāi)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030032）

0 引言

混凝土動(dòng)彈性模量是指在小應(yīng)變條件下的切線(xiàn)彈性模量。一般通過(guò)共振法測(cè)得材料的基頻，通過(guò)基頻與動(dòng)彈性模量的關(guān)系，推導(dǎo)得到動(dòng)彈性模量，為了與常規(guī)靜壓試驗(yàn)得到的彈性模量有所區(qū)別，稱(chēng)共振法測(cè)得的為動(dòng)彈性模量[1]。混凝土動(dòng)彈性模量測(cè)量原理是通過(guò)混凝土中的波速與混凝土泊松比、密度以及結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系，建立波速與動(dòng)彈性模量的特定函數(shù)關(guān)系。

沖擊回波法（Impact-Echo Method，下文簡(jiǎn)稱(chēng)IEM）是20 世紀(jì)80 年代發(fā)展起來(lái)的一種無(wú)損檢測(cè)方法。IEM是基于應(yīng)力波（也稱(chēng)為彈性波，是一種機(jī)械波）的檢測(cè)技術(shù)。通過(guò)激振被測(cè)物，使被測(cè)物產(chǎn)生振動(dòng)，激發(fā)應(yīng)力波，應(yīng)力波在被測(cè)物中的傳播特性可以反映結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。將波在被測(cè)物中的傳播參數(shù)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)，從而得到目標(biāo)數(shù)據(jù)。

通過(guò)激發(fā)錘可以在物體中產(chǎn)生彈性波。彈性波包含 P 波（縱波）、S 波（橫波）和瑞利波等多種波型[2]。彈性波的各種成分波的傳播速度不同，其中P波的波速最快。然而P 波的波速并不是定值，其與傳播物的尺寸、形狀以及P 波的激發(fā)波長(zhǎng)等有關(guān)。當(dāng)傳播物為細(xì)長(zhǎng)物體（長(zhǎng)細(xì)比大于2）時(shí)，P 波波速為一維波速，波速與結(jié)構(gòu)參數(shù)存在函數(shù)關(guān)系如式（1）所示：

式中：Ed為材料的動(dòng)彈性模量；ρ 為密度。

根據(jù)式（1），如果激發(fā)了一維波速，通過(guò)測(cè)量波速和被測(cè)物的密度，即可得到動(dòng)彈性模量。而如何測(cè)得準(zhǔn)確的應(yīng)力波在被測(cè)物中傳播波速成為關(guān)鍵。本文研究了沖擊回波法在測(cè)量應(yīng)力波在混凝土標(biāo)準(zhǔn)棱柱試件中的傳播波速的適用性。通過(guò)設(shè)置不同的振源與傳感器相對(duì)位置、不同的傳感器布設(shè)位置以及使用的激發(fā)錘不同尺寸等，探討了不同激振、采集方式等因素對(duì)混凝土棱柱試件波速測(cè)量的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料和設(shè)備

混凝土彈性模量試驗(yàn)采用的是150 mm×150 mm×300 mm 棱柱試件。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范要求，制備了6 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的C55 標(biāo)準(zhǔn)試件用于測(cè)定振源與傳感器相對(duì)位置的影響、傳感器位置的影響。制備了6 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的C25 標(biāo)準(zhǔn)試件用于測(cè)定激振錘尺寸的影響。使用四川升拓檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司的預(yù)應(yīng)力混凝土梁多功能檢測(cè)儀來(lái)測(cè)量彈性波在混凝土棱柱試件中的波速，如圖1 所示。

圖1 測(cè)量波速試驗(yàn)

1.2 測(cè)試方案

測(cè)試時(shí)試件沿長(zhǎng)度方向豎直放置。試件下方墊軟泡沫材料，盡量使試件在被激振時(shí)保持自由振動(dòng)。以上表面為測(cè)試面，如此上表面即為一個(gè)150 mm×150 mm 的正方形。

1.2.1 振源與傳感器相對(duì)位置的布置

為測(cè)試振源與傳感器相對(duì)位置對(duì)波速測(cè)量結(jié)果的影響，在測(cè)試面某邊中點(diǎn)選定一個(gè)測(cè)點(diǎn)布設(shè)傳感器，以此為端點(diǎn)分別朝對(duì)邊的端點(diǎn)和中點(diǎn)方向設(shè)置3條放射線(xiàn)，在放射線(xiàn)上依次以 20 mm、40 mm、60 mm、80 mm、100 mm、120 mm 為間距布設(shè)激振點(diǎn)，如圖2 所示。

圖2 傳感器與振源不同相對(duì)位置布設(shè)

1.2.2 傳感器位置的布置

為測(cè)試傳感器在測(cè)試面放置位置的不同對(duì)波速測(cè)量結(jié)果的影響，在測(cè)試面呈X 狀布設(shè)5 個(gè)傳感器點(diǎn)，圍繞每一個(gè)傳感器點(diǎn)按“十”字形分別布設(shè)4 個(gè)激振點(diǎn)，激振點(diǎn)距傳感器點(diǎn)間距20 mm，如圖3 所示。

圖3 傳感器不同位置布設(shè)

1.2.3 激發(fā)錘尺寸的選擇

IEM通過(guò)激振錘在物體表面產(chǎn)生應(yīng)力波，激振錘的尺寸對(duì)P 波的激發(fā)波長(zhǎng)有影響。所用的預(yù)應(yīng)力混凝土梁多功能檢測(cè)儀攜帶有多種尺寸的激振錘，其中適用于小尺寸被測(cè)物的有17 mm 和10 mm 兩種規(guī)格，測(cè)試其對(duì)波速測(cè)試的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 振源與傳感器間距的影響

通過(guò)設(shè)置不同的振源與傳感器相對(duì)位置，按圖2 分別對(duì)6 塊試件測(cè)試，得到結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 激振點(diǎn)與傳感器不同相對(duì)位置測(cè)試 km/s

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)棱柱試件，在150 mm×150 mm×300 mm 尺度下，因測(cè)動(dòng)彈性模量而測(cè)長(zhǎng)度方向的波速時(shí)，由表1 可知：

a）對(duì)于任一試件，極差占平均值的比例小于1%。

b）當(dāng)振源和傳感器間距一定時(shí)，振源繞傳感器周?chē)幗嵌任恢脤?duì)測(cè)試結(jié)果影響較小，可忽略。

c）當(dāng)振源繞傳感器周?chē)幗嵌任恢靡欢〞r(shí)，振源和傳感器間距對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較小，可忽略。

d）為了實(shí)際測(cè)試時(shí)操作方便，可設(shè)置振源與傳感器間距為20 mm。

2.2 傳感器位置的影響

根據(jù)2.1 的測(cè)試結(jié)果，通過(guò)布設(shè)不同的傳感器位置，按圖3 分別對(duì)6 塊試件測(cè)試，得到結(jié)果見(jiàn)表2。其中所列為每個(gè)傳感器點(diǎn)周?chē)? 個(gè)激振點(diǎn)的均值。

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)棱柱試件，在150 mm×150 mm×300 mm 尺度下，因測(cè)動(dòng)彈性模量而測(cè)長(zhǎng)度方向的波速時(shí)，由表2 可知：

a）對(duì)于任一試件，極差占平均值的比例小于1%。

b）實(shí)際布設(shè)的傳感器位置不同，對(duì)結(jié)果影響較小，可忽略。

c）考慮到試件的制作過(guò)程中，如果試件澆筑導(dǎo)致隨著深度不同，密度出現(xiàn)顯著差異，會(huì)導(dǎo)致試塊平躺狀態(tài)下，下層粗集料較多而密度較大。當(dāng)以本文方法放置、測(cè)試試件時(shí)，兩側(cè)的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)差異，密度大的測(cè)點(diǎn)處波速會(huì)較大。所以應(yīng)盡量把測(cè)點(diǎn)布設(shè)在測(cè)試面的中心。

表2 傳感器不同布設(shè)位置測(cè)試 km/s

2.3 激發(fā)錘尺寸的影響

根據(jù)2.1 和2.2 的測(cè)試結(jié)果，將傳感器布設(shè)在測(cè)試面的中心，圍繞傳感器點(diǎn)布設(shè)5 個(gè)激振點(diǎn)，激振點(diǎn)距傳感器點(diǎn)間距20 mm。得到結(jié)果見(jiàn)表3。其中所列為每個(gè)傳感器點(diǎn)周?chē)? 個(gè)激振點(diǎn)的均值。

表3 不同激振錘尺寸測(cè)試 km/s

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)棱柱試件，在150 mm×150 mm×300 mm 尺度下，因測(cè)動(dòng)彈性模量而測(cè)長(zhǎng)度方向的波速時(shí)，由表3 可知：

a）對(duì)于任一試件，用17 mm 激振錘測(cè)試結(jié)果與10 mm 激振錘測(cè)試結(jié)果極差占平均值的比例小于1%。

b）對(duì)于本尺度試驗(yàn)，使用17 mm 激振錘或10 mm激振錘測(cè)試對(duì)結(jié)果影響較小，可忽略。

3 結(jié)論

通過(guò)研究利用IEM 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)棱柱試件的動(dòng)彈性模量時(shí)的應(yīng)力波波速，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)棱柱試件，在150 mm×150 mm×300 mm 尺度下，可知：

a）布設(shè)不同的振源與傳感器相對(duì)位置（包括間距與相對(duì)角度）對(duì)波速測(cè)試結(jié)果影響較小，不足5%。

b）布設(shè)不同的傳感器位置對(duì)波速測(cè)試結(jié)果影響較小，不足5%。

c）使用不同尺寸的激振錘，特別是17 mm 激振錘和10 mm 激振錘測(cè)試對(duì)結(jié)果影響較小，不足5%。