應力波評價混凝土質量的影響因素分析

繆卓君

摘要：沖擊振動回波法可以利用沖擊振動所產生的應力波在混凝土內部傳播過程中遇到病害、缺陷及邊界時發生反射現象，分析傳感器接收回波的信號和特征，推算出混凝土構件的厚度、強度等物理參數，進而評價出混凝土的質量。本研究基于混凝土中應力波的傳播機理，對混凝土中應力波傳播的主要影響因素進行分析。分析指出影響混凝土強度等級的各類原材料，均對應力波波速有一定影響，其中骨料類別對于應力波波速的影響最大。此外，為提高沖擊振動回波法評定混凝土質量的精度，除降低人為因素的干擾，還可對測試面和鋼筋的影響采用等效模量的方法加以修正。

關鍵詞：混凝土;應力波;無損檢測;影響因素

中圖分類號：TU528文獻標志碼：A

0 引言

混凝土建筑物或構筑物在服役期間因其所處環境和氣候條件的影響，常出現裂縫病害。裂縫的存在不可避免會影響結構的耐久性，縮短使用壽命，甚至危及結構安全[1-3]。為此，需要對混凝土建筑物的主要受力構件進行健康檢測。工程上大都通過無損檢測技術對混凝土建筑物的外觀及強度進行檢測，進而判斷出結構物的質量和安全是否滿足相關技術要求[4]。

常見的混凝土無損檢測方法包括超聲波法、回彈法、鉆芯法和沖擊振動回波法等。其中，沖擊振動回波法是現階段應用較為普遍的一種無損檢測技術[5-6]。沖擊振動技術（簡稱IE 技術），是美國和加拿大國家標準技術研究院聯合研制開發的一種新的應力波法檢測技術。經近20年的發展和完善，相繼開發出了檢測儀器（如圖1 所示）及相應配套的應用軟件[7-8]（如圖2 所示）。應力波法檢測技術的優點在于可單面測試，擴大了應用范圍，可獲得明確、直觀的反射信號，測區布置靈活，不需耦合劑，測試方便。

沖擊振動回波儀因其彈性波頻率低，波長長，在結構混凝土質量檢測評定過程中效果較好，而得到普遍應用。沖擊振動回波儀通過在混凝土表面施加一個沖擊力，形成的振動應力波在混凝土內進行傳播，當應力波遇到介質界面后產生反射。根據被測混凝土構件的實際尺寸，可以得到應力波在混凝土中的傳播速度。從而依據波的頻譜分析，可以判定出頻率值，最終評定出混凝土的強度[9]。由此可以看出，應力波在混凝土中的傳播速度對評定混凝土強度起著決定性作用，為此，本論述主要研究分析混凝土中應力波傳播的影響因素，以期提高沖擊振動回波儀評定混凝土質量的精度。

2 影響應力波傳播的因素

應力波評定混凝土建筑物的質量主要依據的是混凝土的抗壓強度，為此可從影響混凝土強度因素入手考慮影響應力波傳播的因素。本研究主要從混凝土原材料方面考慮，通過制備水泥組、粗骨料組、鋼筋混凝土組等不同類別標準試塊展開試驗研究。試驗過程中，將各組混凝土標準試塊至于墊塊上，除澆筑底面及其對應頂面外，四個側面每個側面均布置一個測點，并以測試點為中心，在該點以等間距60 mm 為半徑選取四個點來測試應力波的波速，并以所測應力波速的平均值作為標準試塊應力波波速代表值Vp。通過 P 波波速與其強度函數曲線進行轉換可計算出混凝土試件的抗壓強度，并將同組試塊側面放于壓力機間，以（6±4）kN/s 的速度均勻連續加壓直至試塊破壞，得出實測混凝土試件抗壓強度數據。通過對比各組實測數據和應力波推算出的強度數據即可分析出各因素對應力波傳播的影響。

1 檢測方法及原理

沖擊振動回波法是利用沖擊錘在混凝土結構物的表面進行敲擊的激振方式，產成不同頻率特性的應力波。該波主要包含壓縮波（P波），剪切波（S波）和瑞利波（R波）這三種形式。應力波與地震波相同，P波穿透力最強，傳播速度最快，常作為檢測過程中的主要因素來評定混凝土質量。波速V，、彈性模量E、泊松比v、質量密度p的函數關系可用式（1）表示。

P波在傳播時遇到病害、缺陷及邊界時會出現反射現象，在沖擊點附近放置一個傳感器即可測試出該位置因多次反射的應力波而引起的表面振動響應。響應信號將以時間和位移的波形圖表現出來，依據傅里葉變化和快速傅立葉變換式原理，可將其生成頻譜圖。其中，傅里葉頻譜位移信號和頻率。的函數關 （m）n系可用式（2）表示。通過分析傳感器所接收回波的信號和特征，即可推算混凝土構件的質量。

2 影響應力波傳播的因素

應力波評定混凝土建筑物的質量主要依據的是混凝土的抗壓強度，為此可從影響混凝土強度因素入手考慮影響應力波傳播的因素。本研究主要從混凝土原材料方面考慮，通過制備水泥組、粗骨料組、鋼筋混凝土組等不同類別標準試塊展開試驗研究。試驗過程中，將各組混凝土標準試塊至于墊塊上，除澆筑底面及其對應頂面外，四個側面每個側面均布置一個測點，并以測試點為中心，在該點以等間距60mm為半徑選取四個點來測試應力波的波速，并以所測應力波速的平均值作為標準試塊應力波波速代表值Vp。通過P波波速與其強度函數曲線進行轉換可計算出混凝土試件的抗壓強度，并將同組試塊側面放于壓力機間，以（6±4）kN/s的速度均勻連續加壓直至試塊破壞，得出實測混凝土試件抗壓強度數據。通過對比各組實測數據和應力波推算出的強度數據即可分析出各因素對應力波傳播的影響。

2.1 水泥的影響

試驗研究表明水泥品種和用量不同，使得混凝土強度發展規律不同，進而對混凝土中應力波速傳播造成影響。在配合比相同的混凝土中，水泥品種不同，導致混凝土在早期強度有所不同;水泥用量不同，早期強度也不同，用量大的早期強度相對偏高。但到后期品種不同的水泥混凝土的強度發展趨勢基本是一致的，從而推斷出水泥品種對應力波在混凝土中傳播的影響不是特別顯著。

2.2 粗骨料品種的影響

彈性波波長較長，使得其測試的穩定性方面較超聲波有很大的提高。根據學者的研究，當彈性波的波長大于混凝土中骨料直徑的10倍以上時，骨料顆粒對彈性波的散射影響將大大降低。骨料種類的不同，對應力波速在混凝土中傳播產生很大的影響。而碎石和卵石是在配制混凝土過程中通常采用的兩種粗骨料。孫拴虎、唐先習[10]等人基于寒旱地區研究了混凝土的沖擊回波法的測強公式，其中碎石混凝土的測強公式為 fi =0.04935Vp5.10649，卵石混凝土的測強公式為 fi =0.0235Vp5.62665 。通過對比可以看出，應力波在骨料自身中傳播不同，加上碎石和卵石的表面情況完全不同，兩者與混凝土的粘結情況也不同，在相同的配合比下，碎石的破碎面要多于卵石，與漿液容易形成包裹，可以保證混凝土的密實性，保證混凝土的強度，因而混凝土的強度較高。卵石因為表面光滑而粘結力不如碎石，混凝土強度較低。但應力波不能區分卵石和碎石的界面狀況。因此，在相同波速的情況下，推算出來的平均強度就有所不同，所以骨料的類型不同是影響應力波在混凝土中傳播的重要因素。

2.3 測試面的影響

當應力波速測點布置在澆筑方向的側面時，因澆筑側表面平整光滑，對應力波速影響不顯著。當在構件澆筑的表面或底面檢測時，由于會遇到澆筑表面或底面產生蜂窩麻面的情況，加之與側面相比砂漿和石子分布不均勻，且測區打磨不平，影響應力波速傳播。混凝土制作過程中混凝土底面和表面石子含量不均勻，也會影響應力波速傳播。若以側面測量為準，上表面或底面檢測時則需對波速進行修正，從而可保證檢測的精度。

2.4 人為因素的影響

由于操作人員的不規范操作，出現操作錯誤，導致試驗時數據偏差大，不穩定，或者檢測的數據無規律，誤差太大，影響試驗結果，影響應力波速傳播，并且不能輕易判斷檢測結果是否可用，必須通過大量試驗來驗證，所以操作前應學習規范的操作儀器，學習相關理論知識，并且保證沖擊回波儀器已校準好，且處于良好維護狀態。操作人員科學合理的操作，把人為的影響因素降到最小。

2.5 鋼筋的影響

應力波在混凝土中傳播時，遇到鋼筋會改變波速和傳播路徑。調查研究表明，對于鋼筋混凝土結構中鋼筋的影響，在檢測中應采用等效模量的方法加以修正。在強度等級 C30的混凝土中改變1%的配筋率可以使波速提高大約1.02%。

3 影響測試精度的主要原因

3.1 傳播波速的確定

通常，在已知厚度的地方，利用單面傳播法對混凝土中的 P 波波速事先加以標定。已知厚度 T 與 P 波波速、頻率值f 的函數關系，即 T =。但是，由于混凝土材質不是十分均勻，特別是當混凝土表層與內部混凝土材質差異較大時，原材料對波速的影響會更加明顯。

3.2 反射時間的確定

當面積較大、構件較薄時，采用重復反射法是一種有效的手段。隨著構件度的增加，反射信號逐步變弱、有效次數逐漸減少。同時，激振信號與反射信號開始分離，使得分辨反射信號成為可能的同時，頻譜分析的精度有所降低。

3.3 周圍邊界的影響

當構件面積不大，或測試位置與邊界較近時，激振產生的彈性波在周圍邊界會反射。該反射波通常以表面波為主，對構件中波速的測試也有不可忽略的影響。

4 結論

混凝土中應力波的傳播受到水泥類別、粗骨料品種、鋼筋、測試面、人為因素等多方面的影響。其中，骨料與其他因素相比對應力波傳播產生的影響較大。此外，檢測時需選擇最佳的方法，并認真分析影響因素，減少人為干擾。要求檢測人員具有一定的專業技術水平，嚴格按流程操作。在進行數據整理時，對于一些偏差太大的數據，應采取舍棄的處理方法。分析出現這種大偏差情況的原因，檢測時及時修正，以期保證檢測數據的科學合理性。應力波法檢測技術可以使混凝土構件保持原有的完整性。本研究通過對應力波在混凝土中傳播的影響因素初步分析，可為應力波法更精確地檢測混凝土強度起到一定的參考和指導作用。

參考文獻：

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[10]孫拴虎，唐先習，何勇，等. 基于寒旱地區沖擊回波法混凝土無損檢測的試驗研究[J]. 混凝土，2018（8）：22-26.