自密實混凝土超聲波聲時及波幅影響因素研究

張明華，陳敬，凱樂，徐心舟

（1重慶建工建材物流有限公司，重慶 401122；2重慶市建筑材料與制品工程技術研究中心，重慶 401122）

0 引言

超聲波無損檢測技術是一種方便、簡單、準確的檢測混凝土內部缺陷的無損檢測技術。在測試自密實混凝土內部缺陷時，容易受到環境、試件等各種因素的影響，從而影響測試精度。試件的溫度、強度等級、含水率、鋼插件、測試儀器[1-3]等都會造成超聲波測試數據的偏差，但是關于自密實混凝土缺陷檢測可行性和定量分析的研究較多[4-6]，而對于影響因素的研究很少，所以本文探究了混凝土含水率、強度、鋼板厚度和數量若干因素對超聲波聲學參數的影響程度。

當超聲波在不同界面傳播時，一部分會透過界面繼續傳播，一部分進行反射和折射[7-8]。當超聲波通過不同物質狀態的介質時，會表現出不同的聲學現象。通過傳播速度、傳播時間、首播波幅、頻率等聲學參數，可以判斷介質的物質狀態。

1 原材料與試驗方法

1.1 試驗目的

探究含水率、混凝土強度等級、鋼插件等因素對超聲波檢測自密實混凝土時的影響，通過對聲速、波幅數據的分析，從而確定各項因素的影響程度，為超聲波檢測提供一定的理論參考依據。

1.2 測試儀器

測試儀器具體型號如表1所示。

表1 超聲波檢測器性能介紹

1.3 原材料

采用強度等級42.5的水泥、粉煤灰選用Ⅱ級灰、S95礦渣粉，選用級配良好的卵石機制砂和河砂；選用5～10mm、10～16mm的分級配碎石；選用自密實混凝土專用聚羧酸系高性能減水劑，減水率不低于30%；拌和水采用生活用自來水。

1.4 試驗方案及配合比設計

1.4.1 自密實混凝土配合比

試驗采用自密實混凝土，具體配合比如表2所示。

表2 配合比設計

1.4.2 試驗方案

超聲波在混凝土和水中傳播會發生聲學參數的變化，試件的含水率會影響超聲波傳播速度和波幅。為探究含水率對超聲波聲速和波幅的影響，制100mm×100mm×100mm試件，浸水96h，使其達到水飽和狀態，取出試件，在100℃條件下烘干，間隔1h進行稱重，計算其相對含水率，同時對每組試件進行超聲波測試，直至試件達到恒重和無水狀態，近似等同于其含水率為0。每組試件測試3次超聲波數據求平均值。

混凝土內部一般都會有鋼插件，超聲波在遇到鋼插件時會發生折射和透射，所以當混凝土內部埋有鋼插件時，會影響超聲波聲學參數。人工設置厚度為 10mm、20mm、30mm、40mm的鋼板和數量為1、2、3、4的厚10mm的鋼板，具體布置如圖1所示，每組試件測試3次超聲波數據求平均值，分析鋼插件尺寸和數量對超聲波聲時和波幅的影響。

圖1 鋼板分布圖

2 試驗結果與討論

2.1 含水率對超聲波聲速的影響

混凝土含水率會影響超聲波聲速，以混凝土烘干狀態下超聲波聲速值為基準數據，分析不同含水率下聲速的增大值，具體數據如圖2所示。

圖2 含水率對混凝土超聲波聲速的影響

由圖2可以看出，在不同強度等級，隨著含水率的增大，聲速值隨之增大。當含水率從烘干狀態到水飽和狀態，C30混凝土超聲波聲速增大0.90km/s，C40混凝土為0.82km/s，C50混凝土為0.98km/s，C60混凝土為1.28km/s。在C30強度等級下，含水率在3.6%～4%區間時，超聲波聲速值增長迅速，聲速區間增大值為0.15km/s；當含水率超過4%時，超聲波聲速增長緩慢，含水率在4%～4.8%區間時，聲速區間增大值為0.10km/s；當含水率在4.8%～5.3%區間時，混凝土達到水飽和狀態下，聲速區間增大值為0.10km/s。在C40強度等級下，含水率在3.6%～4.1%區間時，聲速區間增大值為0.18km/s；含水率在4.1%～4.6%區間時，聲速區間增大值為0；含水率在4.6%～5.3%區間時，水飽和狀態下，聲速區間增大值為0.1km/s。在C50強度等級下，含水率在3.9%～4.1%區間時，聲速區間增大值為0.3km/s；含水率在4.1%～4.6%區間時，聲速區間增大值為0.08km/s；含水率在4.6%～5.0%時，混凝土達到水飽和狀態下，聲速區間增大值為0.18km/s。在C60強度等級下，含水率在3.75%～3.95%區間時，聲速區間增大值為0.5km/s；含水率在3.95%～4.5%區間時，聲速區間增大值為0.10km/s；含水率在4.5%～4.8%區間時，混凝土達到水飽和狀態下，聲速區間增大值為0.3km/s。在不同強度等級下，均有一含水率的臨界區間，超聲波聲速隨含水率變化不明顯。當含水率增大時，試件內部自由水增多，超聲波在水中傳播速度大于空氣，從而超聲波傳播速度也隨之增大；含水率增加到一定程度，混凝土內部孔隙充滿水，從而對超聲波聲速影響不大。但隨著混凝土強度等級的提高，含水率對聲速的影響程度增大。

2.2 含水率對超聲波波幅的影響

混凝土含水率會造成超聲波波幅的降低，為了直觀描述含水率對超聲波波幅的影響，以烘干狀態下超聲波波幅為基準值，分析不同含水率下波幅的相對降低值，具體數據如圖3所示。

圖3 含水率對混凝土超聲波波幅的影響

由圖3可以看出，隨著含水率的增大，超聲波波幅隨之降低。當含水率從烘干狀態逐漸變化為水飽和狀態，C30混凝土波幅降低47dB，C40混凝土波幅降低28.6dB，C50混凝土波幅降低28.8dB，C60混凝土波幅降低40.2dB。在C30強度等級下，含水率在3.6%～4.0%區間時，波幅區間降低值為14.15dB；含水率在4.0%～4.8%區間時，波幅區間降低值為7dB；含水率在4.8%～5.3%區間時，波幅區間降低值為10.14dB。在C40強度等級下，含水率在3.7%～3.9%區間時，波幅區間降低值為9.4dB；含水率在3.9%～4.6%區間時，波幅區間降低值為1.97dB；含水率在4.8%～5.1%區間時，波幅區間降低值為5.88dB。在C50強度等級下，含水率在3.9%～4.1%區間時，波幅區間降低值為12.21dB；含水率在4.1%～4.6%區間時，波幅區間降低值為-1.42dB；含水率在4.6%～5%區間時，波幅區間降低值為5.64dB。在C60強度等級下，含水率在3.76%～3.86%區間時，波幅區間降低值為13.3dB；含水率在3.86%～4.5%區間時，波幅區間降低值為2.91dB；含水率在4.5%～4.8%區間時，波幅區間降低值為7.16dB。不同強度等級的混凝土均存在一定的含水率臨界區間，波幅降低不明顯，甚至會有上升的波動，屬于波幅波動階段。當含水率低于或超過波幅波動臨界區間時，隨著含水率的增大，對波幅的影響隨之增大。

2.3 混凝土強度對超聲波聲速的影響

超聲波聲速受到混凝土內部致密程度的影響。隨著膠凝材料的增加，骨料級配的優化，混凝土結構致密，從而影響超聲波聲速，但對波幅影響不大。所以，分別制備了C30、C40、C50、C60四個強度等級的試件，測試其7d抗壓強度和超聲波聲速值，具體數據如圖4所示。

圖4 強度等級對混凝土超聲波聲速的影響

由圖4可以得出，隨著混凝土強度等級增大，7d抗壓強度隨之增大，超聲波聲速也隨之增大。C30混凝土7d抗壓強度為35.02MPa，C40為43.15MPa，C50為50.44MPa，C60為66.78MPa，在含水率為0的狀態下，隨著混凝土強度等級的增大，聲速增長0.4 km/s；當含水率為5.3%的狀態時，達到水飽和狀態，聲速增長0.8km/s。隨著混凝土強度等級的增大，抗壓強度隨之增大，混凝土結構更加致密和均勻，降低了大骨料界面造成的聲波散射、折射和繞射，所以超聲波傳播速度隨之增大。

2.4 鋼板數量和尺寸對超聲波聲速和波幅的影響

為了直觀描述鋼板數量和厚度對超聲波聲速和波幅的影響，以普通混凝土超聲波聲速和波幅為基準值，分析聲速相對增大值和波幅相對降低值，具體數據如圖5、圖6所示。

圖5 鋼板厚度對混凝土超聲波聲速及波幅的影響

圖6 鋼板數量對混凝土超聲波聲速及波幅的影響

由圖5可以得出，隨著鋼板厚度的增大，超聲波聲速值隨之增大，鋼板厚度由10mm增加到40mm，超聲波聲速增大值分別為0.016km/s、0.03km/s、0.06km/s、0.108km/s。10mm的鋼板對超聲波聲速并沒有太大的影響。鋼板混凝土界面和測試距離會影響超聲波聲速，在同一測試距離時，超聲波通過鋼板混凝土界面時，超聲波頻率隨之降低，從而降低聲速。超聲波在鋼板中的傳播速度大，隨著鋼板厚度的增大，可以中和超聲波聲速降低的影響，所以當鋼板尺寸為10mm時，聲速值變化不大。但隨著鋼板厚度的增大，聲速值會隨鋼板厚度的增大而增大。

隨著鋼板厚度的增大，超聲波波幅隨之降低。當鋼板厚度從10mm增加到40mm時，超聲波波幅降低值分別為5.13dB、5.88dB、6.3dB、7dB。當遇到鋼板和混凝土結合面時，一部分超聲波發生折射，一部分透過鋼板和混凝土結合面繼續傳播，從而造成波幅的減小。隨著鋼板尺寸的增大，透射鋼板造成的能量損失增大，從而使波幅減小程度增大。

由圖6可以得出，鋼板數量對超聲波聲速影響不大。鋼板從1塊增加到4塊時，聲速增加值分別為0.016km/s、0.0165 km/s、0.032km/s、0.0345km/s，鋼板數量對聲速值影響不大。由于鋼板和混凝土的結合面會造成超聲波頻率的下降，當鋼板尺寸為10mm時，加上鋼板厚度對超聲波聲速提高不大，兩者相互作用，對聲速的影響可以相互抵消。所以，隨著鋼板數量的增多，聲速值有所提高，但是影響不大。

隨著鋼板數量的增多，波幅隨之降低。當鋼板數量從1塊增加到4塊時，波幅降低值分別為5.13dB、5.97dB、6.1dB、7.9dB。當超聲波透過鋼板混凝土界面時，波幅會減小。當經過數量較多的鋼板時，隨著測試距離和厚度的雙向影響，其波幅變化值并沒有成倍數增長。

3 結論

（1）隨著混凝土含水率的增大，聲速隨之增大，波幅隨之降低。當混凝土從烘干狀態到水飽和狀態，C30混凝土超聲波聲速增 大 值 為0.90km/s，C40為0.82km/s，C50為0.98km/s，C60為1.28km/s，超聲波波幅降低值分別為47dB、28.5dB、29dB、40dB。

（2）混凝土隨著強度等級的增大，內部致密，抗壓強度隨之增大，超聲波聲速值也隨之增大。在含水率為0時，隨著混凝土強度等級的增大，聲速增長0.4 km/s；當含水率為5.3%時，達到水飽和狀態，聲速增長0.8km/s。

（3）隨著鋼板厚度的增大，超聲波聲速值隨之增大，波幅隨之降低。鋼板厚度由10mm增加到40mm，超聲波聲速增加值分別為0.016km/s、0.03km/s、0.06km/s、0.108km/s，鋼板厚度對超聲波聲速的影響會受到鋼板混凝土界面、測試距離的綜合影響，所以當鋼板厚度為10mm時，對超聲波聲速影響不大；超聲波波幅降低值分別為5.13dB、5.88dB、6.3dB、7dB。隨著鋼板數量的增多，超聲波聲速值隨之增大，波幅隨之降低。鋼板數量從1塊增加到4塊，聲速增加值分別為0.016km/s、0.0165 km/s、0.032km/s、0.0345km/s，波幅降低值分別為5.13dB、5.97dB、6.1dB、7.9dB。當經過數量較多的鋼板時，隨著測試距離和厚度的雙向影響，其聲速和波幅變化值并沒有成倍數增長。