超聲-回彈綜合法在混凝土抗壓強度檢測的應用

摘要：通過研究超聲-回彈綜合法則，在調查和評估混凝土抗壓強度過程中的應用特點，展示了雙參數法相對于單參數檢測法的優勢;通過分析檢測過程中涉及的不確定因素，對檢測評價方法進行實驗探究與優化，以發揮出超聲-回彈法在結構混凝土強度的質量控制作用。

關鍵詞：非破損檢測;混凝土檢測;超聲-回彈法;雙參數評價

0" "引言

近年來，非破壞性檢測技術（NDT）在建筑混凝土強度檢測以及破壞性實驗當中的應用越來越廣泛。其中，超聲波脈沖法與回彈儀法，對混凝土性能變化的反應特性可以互補，為此常結合使用，形成了超聲-回彈檢測法，并逐步成為了現代建筑結構質量監測過程一類常用的可靠技術手段。將超聲法與回彈儀法相結合來評判混凝土的抗壓強度，同樣需要構建一個數據處理與評價模型，這個模型可以通過識別各數據之間的相關性來建立。

1" "超聲-回彈綜合檢測法

1.1" "超聲-回彈綜合檢測法的應用現狀

為了滿足混凝土抗壓測試的需要，當認為取樣檢測方法存在偏差時，一般采取非破損檢驗方法進行復核。非破損檢測方法就是在不影響結構本身的基礎上，直接測定混凝土強度的相關參數，從而得到檢測部分混凝土抗壓性、均勻性與穩定性等特性參數。

隨著建筑質量控制水平的不斷提高以及相關檢測方法技術標準的建立，綜合檢測技術得到了快速發展。綜合法是通過結合兩種以上的無損檢測技術，來獲得各類能反應混凝土抗壓強度的參數，并根據參數與抗壓強度之間的聯系，建立綜合數值評價模型。其測定的參數更全面，與單一檢測方法相比，它能更準確地評價混凝土的抗壓特性[1]。

隨著檢測儀器升級，超聲-回彈法操作逐漸簡化，測試精度不斷提高，可適用于更多的檢測環境。目前，超聲-回彈混凝土檢測技術主要應用于建筑物質量評價，具體包括：建筑物驗收、現有建筑的安全性評價、建筑結構老化與耐久性評價等;建筑抗風險能力評價，包括對自然災害如地震、洪澇災害以及人為事故如火災等;建筑地基變形破壞性評價，如細軟土質、膨脹土以及凍土等引起的結構應力變化而導致的建筑結構損傷。

1.2" "超聲-回彈綜合檢測法原理與特性

超聲波脈沖法與回彈法測定抗壓強度，都以材料的應力、特性變化與抗性的關系為依據，這是二者綜合的基礎。但是超聲波脈沖法在反應材料特性方面更有優勢，這主要是因為測定過程中脈沖完全穿過材料，可以深度探究材料內部的結構信息。而回彈法主要反映出材料的塑性特性與彈性，對混凝土測試件的表面性質的反映更準確[2]。

超聲穿透過程中，超聲波的性質受到混凝土部件的影響，聲速、振幅和頻率都會發生變化，被接收器接受后轉化為電信號，通過分析聲學參數的變化可推斷混凝土的具體性能。在各類聲學參數中，最重要的參數是聲速，攜帶有構件內部的裂縫信息以及彈性性能信息。不同類型的混凝土數據處理的方式不同，一般聲速與彈性性能之間的關系式如公式（1）：

（1）

式中：E為楊氏模量，單位為MPa;μ為泊松比。彈性模量E與混凝土的抗壓強度密切相關，對于固定化學組成的混凝土，彈性模量越大，整體結構越密實，穿過的聲速越大。當內部有裂縫時候導致能量損失，聲速降低。通過建立強度與聲速之間關系模型，就可以通過測量聲速來測定混凝土強度。

關系式準確性是影響檢測方法有效性關鍵因素[3]。強度與聲速之間的關系式可參照經驗公式來建立，一般關系如公式（2）。其中：a1、b1為實驗參數，可通過數據擬合獲得。

f =a1v b1" " " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

回彈法是利用彈擊后的回彈能量的大小來反應混凝土的表面，它對表面的硬度反映最為直接。具體測定時，為反映混凝土部件彈性形變情況以及回彈能量大小，一般會引入回彈值R的概念，用于量化混凝土的彈性與塑性特征，其測定公式如下：

（3）

其中：x/l為回彈測定儀的測定彈簧回彈長度與初始長度的比值;ex/e為剩余動能與初始動能之間的比值，二者之間的能量損耗就是部件形變吸收的能量。R與f之間的關系式可通過實驗進行回歸測算，也可以參照類似組成的混凝土部件的經驗公式來建立，關系方程如公式（4）。其中：其中a2、b2也為實驗參數，可通過數據擬合獲得[4]。

f =a2 Rb2" " " " " " " " " " " " " " " " "（4）

超聲-回彈綜合檢測法，是在超聲波脈沖法與回彈法的基礎上測定聲速值ν與回彈值R，以混凝土強度f為目標函數，對ν和R進行參數擬合。如果建立的擬合方程統計學顯著性能滿足要求，便可以實現對f的有效評價。這種模型的建立必須以標定曲線作為數據處理的基礎，基礎標定曲線的建立必須是建立在大量的實驗數據的基礎上，這是目前影響超聲-回彈技術測試精度的最主要因素。

2" "超聲-回彈綜合法強度實驗

2.1" 混凝土強度檢測

工程中適用的水泥的品種不同，適用的制備工具與技術不同，形成的混凝土構件的性質各不相同，對超聲-回彈檢測技術的精度會產生一定的影響。常見的影響因素包括水泥骨料的品種與用量，摻雜粉煤灰的性質與粒徑大小、含水率、碳化程度、成型工藝等。

本次實驗以東莞市為例，選擇近期工程實驗混凝土樣品共計1000塊，以同樣條件進行檢測。實驗采用自動數顯回彈儀和非金屬超聲波檢測儀器，來測定混凝土回彈值與聲速值。本部分采用回歸擬合法建立分析模型，來預測測試塊的抗壓強度。無損檢測獲得樣品的相關數據后，卸去樣品上的壓力，將其放入傳統的壓力板機中進行抗壓測試。這種最原始的全損式壓力最能反映混凝土構件的真實抗壓水平。

2.1.1" "超聲波脈沖法測定ν

本實驗中選擇的測試樣品均為棱長100mm的正立方體混凝土快，選擇一對側面作為測試面。測試必須為澆筑面的側面，測距為100mm，本次實驗中的超聲與回彈的具體測點布置如圖1所示。

按照超聲回彈綜合技術規范將測試儀的發射和接收探頭放置在既定位置，采用對測的方法，依次記錄顯示的傳聲時間記為ti，i為測試點標號。根據傳聲時間計算平均聲速值，計算式如下：

（5）

式中，ti的單位為us，v-的單位為km/s，本式已完成單位換算，可采用讀數直接代入計算[5]。對實驗結果按照Grubbs原則進行剔除，容錯度選擇為0.05，篩選后測試件有效數據為934例，聲速測試結果如表1所示。

2.1.2" "回彈法測定R

具體操作同樣按照技術規范進行，具體檢測點的布置見圖1。在相對的發射面和接收面測定8點共16個回彈值，每個測點僅垂直彈擊一次。獲得的16個測試結果取中位第10個數據來計算平均彈力值，計為R-。回彈值測試結果如表2所示。

2.1.3" "抗壓測試

標準的抗壓強度測試采用實板壓力試驗機。將待測部件放置在壓力機的置物臺正中心，按照測試額定加壓速率對部件進行壓力測試，當試件出現明顯形變或者影響結構裂痕時，記錄試件破損時承載的最大負荷，記為破壞荷載F，本研究中的目標函數混凝土的抗壓強度f與破壞荷載F的關系式如下：

f =F/A" " " " " " " " " " " " " " " " "（6）

式中，A為實驗中的試件承載面積，數值為1×104mm2。回彈值測試結果如表3所示。

2.2" "混凝土強度評價

構建混凝土強度參數模型時，最常用的數據處理方法為回歸法，數據處理以回彈值與聲速值為參數、以抗壓值為目標參數進行回歸擬合。本次采用SPSS數據處理軟件進行自動數據擬合。擬合初始方程類型選擇超聲-回彈綜合法時經驗方程 [6]如下：

f =a3vb3RC3" " " " " " " " " " " " " " "（7）

以檢測結果為原始數據，可以得到單一檢測方法與綜合檢測方法對混凝土構件的抗壓行性的測算公式，擬合所得的結果如表4所示。

相關性r越高，說明回歸關系式的擬合程度越好，由此可以看出，建立的超聲-回彈法關系曲線更加貼近數據本身，誤差率最小，用于評價混凝土構件的結構特征更準確。經驗回歸方程雖可以簡化回歸擬合的難度，減小數據處理量，但針對具體混凝土材料檢測時，擬合度仍受到一些限制。在檢測數據充足情況下，可以根據檢測數據建立更準確的分析模型，來提高關系式的精準度 [7]。

2.3" "RBF神經網絡推算模型

RBF神經網絡是通過設定路徑的方式來處理函數擬合問題，通過逼近數據的方式建立方程。混凝土的強度可由多種參數反映，因此模型建立的過程實際是多參數的曲線擬合問題。

分析過程需要分為輸入層，本項目中主要是聲速與回彈值以及外觀完整度。輸出層一般為響應信號，本項目中為抗壓強度f。外觀完整度分為無裂痕（賦值1）、淺裂痕（賦值0.5）、明顯裂痕（賦值0），聲速與回彈值采用上述初始測試值，模型自由度為2。

采用Matlab的BP處理模塊，對934組實驗數據進行處理后進行函數擬合，建立神經網絡模型。取5塊標準檢測塊進行對照實驗，測定聲速與回彈值，按照回歸模型推定抗壓強度f1;記錄表觀裂縫評價值，根據神經網絡模型推定混凝土強度f2;對標準塊進行傳統抗壓測試，通過破壞荷載計算抗壓強度f，得到的具體結果如表5所示。由表5數據可知，神經網絡網絡法則建立的關系模型推斷出的f2更貼近f，預測誤差更小，建立的關系式更能反映目標與輸入闡述之間的數量關系[8]。

需要注意的是，如果缺乏實測數據或者類似項目提供的基礎數據，更適用于采用回歸分析法來確定待測參數，其可方便快捷的建立起里評價模型。兩種評價模型需要根據檢測的實際需要進行選取。

4" "結語

超聲-回彈法作為無損綜合測試方法，精度受到多種因素的影響。通過對樣品經檢測值進行數據的統計與分析，證明了綜合法相對于單因素法擁有更高的準確度。通過建立推算關系式，明確了超聲-回彈法測定f的過程以及存在問題。

當輸入參數較少的時候更適用采用回歸法建立推算模型，當輸入參數大于2時，更適合采用RBF神經網絡法來建立推算模型。通過在聲速與回彈度之外引入一個外觀評價參數，可以有效提高推算模型的晶振度。

參考文獻

[1] 潘偉行.超聲回彈綜合法測強度及影響因素的研究[J].混凝土，2002（8）：24-25.

[2] 李波.超聲回彈綜合法檢測混凝土強度試驗研究[D].西安：西安理工大學，2010.

[3] 張顯軍.超聲回彈綜合法評定構件混凝土強度的研究[D].哈爾濱：東北林業大學，2007.

[4] 劉維剛，韓明嵐，陳建林，劉君昌.超聲回彈法檢測高強混凝土強度的試驗研究[J].混凝土，2007（10）：15-17.

[5] 單巍. 超聲回彈綜合法評定長齡期混凝土強度的研究[D].長春：吉林大學，2011.

[6] 王茂杰. 超聲回彈綜合法檢測泵送混凝土抗壓強度研究[D].蘭州：蘭州大學，2014.

[7] 穆卿文. 超聲—回彈綜合法檢測青島地區混凝土抗壓強度的應用技術研究[D].青島：青島理工大學，2015.

[8] 李珂.商品混凝土強度非破損檢測方法的研究[D].鄭州：鄭州大學，2002.