基于超聲波無損檢測的混凝土抗壓強度試驗研究

徐超杰，蘇曉輝

(1.中鐵建南沙投資發(fā)展有限公司，廣東 廣州 511455；2.中建二局土木工程集團有限公司，北京 101100)

混凝土是一種廣泛應(yīng)用于建筑和基礎(chǔ)設(shè)施工程中的材料，其抗壓強度指標是評估其強度和可靠性的關(guān)鍵參數(shù)，常規(guī)的強度檢測為破壞性檢測。近些年使用超聲波對混凝土試塊強度進行無損檢測常用的是壓縮波（P 波），具有能量較低、可在固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)介質(zhì)中傳播等特點，導(dǎo)致使用P 波進行混凝土強度檢測時難以建立統(tǒng)一的檢測模型。零階水平剪切波（SH 波）是唯一的非頻散導(dǎo)波，再加上該波只有一個位移分量，更易于對波的信號進行處理和分析。

基于上述原因，本文對比研究了P 波和SH波在不同抗壓強度混凝土中的傳播速度和頻率，得到二者與混凝土抗壓強度的關(guān)聯(lián)關(guān)系；同時研究了P 波和SH 波在同標號試塊下的傳播速度以及頻率變化，得出二者對同標號混凝土的敏感性差異，總結(jié)出兩種波在混凝土抗壓強度檢測中的特點，得出SH 波相較于P 波在理論上更有助于實現(xiàn)對混凝土試塊抗壓強度精確地進行無損檢測的結(jié)論。

1 試驗研究條件及方案

凝土試塊原材料制備：采用金隅冀東水泥，標號為P·O42.5；試驗用砂含水率5.2%，細度模數(shù)為2.6；試驗用骨料粒徑不大于40mm；所用水為廣州市地區(qū)飲用自來水。本次試驗按照C25、C30、C35、C40、C45 五種不同的強度等級來配制混凝土試塊，如表1 所示。

表1 混凝土配合比（單位：kg/m3）

選取C30、C35、C45 試塊各3 塊，用于超聲波測試以及抗壓強度試驗；混凝土試塊采用抗壓強度檢測標準尺寸規(guī)格，為150mm×150mm×150mm，表面覆膜，一天后凝固成型脫模，在20±2℃、相對濕度95%養(yǎng)護室中養(yǎng)護28 天。

2 超聲波試驗測試

2.1 超聲測試設(shè)備

本次試驗采用中巖科技RSM-SY6（C)型號非金屬聲波檢測儀，它是一種高效、精準、可靠的無損檢測儀器，主要用于檢測非金屬材料的內(nèi)部缺陷、裂紋、疲勞等問題。檢測儀采用超聲波技術(shù)，通過發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，測量接受探頭到達時間，再根據(jù)發(fā)射距離從而得到波速。本儀器可以智能化自動處理數(shù)據(jù)，在測量界面直接給出波速，而波頻則需要根據(jù)測量所得超聲波周期進行換算。

2.2 超聲測試流程

本次超聲波測量分為P 波波速和波頻測量以及SH 波波速和波頻測量，由于P 波波速波頻測量需要耦合劑，因此首先進行SH 波波速波頻的測量。測量之前需要先對儀器進行參數(shù)設(shè)置，其中，測距為兩個探頭之間的距離，取混凝土試塊的邊長150mm；測量電壓選擇低壓；頻率選擇512kHz；放大倍數(shù)選擇自動，為8 000 倍。

測量點位選擇如圖1 所示，將試塊分為25 等份，去掉周圍與中心區(qū)域，留下8 個測量區(qū)域，每個點位測量3 次，將3 個試塊測量的平均波速波頻數(shù)值作為該強度下的波速波頻值。

圖1 超聲測量點位

SH 波測量完畢后進行P 波測量，需要在試塊的測量位置與探頭表面均勻涂抹一層耦合劑。耦合劑的作用是使探頭與測量表面緊密貼合，以排除空氣的干擾，并且不能對探頭造成損傷，本次試驗所用耦合劑為凡士林。測量時，需保證兩個探頭在同一直線上，并施加一定壓力。

3 混凝土抗壓強度測試

3.1 抗壓強度試驗設(shè)備

抗壓強度測試儀器選用TYE-600B 壓力型萬能試驗機。按照GB/T 50107-2010《混凝土強度檢驗評定標準》執(zhí)行，由于試塊強度均不超過C45，抗壓強度加載速率取0.5MPa/s。每組強度等級3 個試塊，試塊尺寸均為150mm×150mm×150mm，所以取算數(shù)平均值的95%作為其抗壓強度值。

3.2 抗壓強度測試結(jié)果

5 個不同標號混凝土試塊抗壓強度檢測結(jié)果均達標，其實測抗壓強度值及平均強度值如表2所示。

表2 不同標號混凝土試塊抗壓強度實測結(jié)果

4 測試結(jié)果規(guī)律分析

4.1 超聲波波速與混凝土抗壓強度關(guān)聯(lián)關(guān)系

將測得的各試塊P 波與SH 波波速數(shù)據(jù)使用測強分析軟件進行分析，得出不同混凝土標號試塊通過的波速的平均值。

表3 為測得不同標號混凝土試塊P 波通過時的波速平均值，隨著混凝土試塊強度的提高，P波波速值也在不斷增大，試塊強度從30.4MPa 增加到46.2MPa，增加了15.8MPa，P 波波速從4 542m/s 提高到4 760m/s，共提高了118m/s，平均每MPa 增速7.5m/s。

表3 P波通過不同強度混凝土試塊時的波速

表4 為測得不同標號混凝土試塊P 波通過時的波速平均值，不同強度的混凝土試塊，通過的波速也不同，并且SH 波波速大約為P 波波速的1/2，這一結(jié)論也符合二者的波速規(guī)律。隨著混凝土強度的提高，SH 波波速值也在增大，試塊強度從30.4MPa 到46.2MPa，一共增加了15.8MPa，SH 波波速從2 230m/s 提高到2 574m/s，共提高了344m/s，平均每MPa 增速21.8m/s。

表4 SH波通過不同強度混凝土試塊時的波速

通過表3、表4 可以得出，P 波波速與SH波波速都會隨著混凝土試塊抗壓強度的提高而增加，并且SH 波敏感性更高，平均每MPa 強度增速達到21.8m/s，約為P 波增速7.5m/s 的3 倍，因此利用SH 波測量混凝土強度更加容易測得混凝土強度的微小變化，得到更加準確的結(jié)果。

圖2 與圖3 分別為P 波與SH 波波速與混凝土抗壓強度值的關(guān)聯(lián)曲線以及擬合成的二元一次函數(shù)，由圖可以看到，二者都存在一定的相關(guān)關(guān)系，但P 波波速與混凝土抗壓強度值的擬合關(guān)系明顯差于SH 波，這是由于P 波為壓縮波，可以在空氣和水中傳播，而在混凝土試塊中的孔隙率以及含水率等因素的影響下，試塊內(nèi)部存在缺陷，這會導(dǎo)致聲波速度有較大變化。而SH 波則只能在固體中傳播，因此不受到孔隙率以及含水率的影響，性質(zhì)更佳。

圖2 混凝土強度與P波波速關(guān)聯(lián)曲線

圖3 混凝土強度與SH波波速關(guān)聯(lián)曲線

4.2 超聲波波頻與混凝土抗壓強度關(guān)聯(lián)關(guān)系

將測得的P 波以及SH 波周期經(jīng)過換算得出各抗壓強度下的P 波以及SH 波頻率，如表5 所示，不同的強度混凝土試塊，通過的P 波以及SH 波波頻各不相同，隨著混凝土試塊強度的提高，超聲波頻率也在增加。這是由于超聲波頻率在遇到混凝土中的缺陷時，其頻率會產(chǎn)生衰減，而強度越大，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)越均勻，缺陷越小。因此越是強度高的混凝土其內(nèi)部缺陷越少，通過的超聲波頻率越大。

表5 P波與SH波通過不同強度混凝土波頻變化

如圖4、圖5 所示，P 波頻率從45.1kHz 增加到47.6kHz；而SH 波頻率從21.2kHz 增加到26.3kHz，增加幅度比P 波頻率大，這說明了同P 波、SH 波波速一樣，SH 波波頻對抗壓強度的敏感性更大，因此利用SH 波測量混凝土強度更加容易測得混凝土強度的微小變化，從而得到更加準確的結(jié)果。

圖4 混凝土強度與P波波頻關(guān)聯(lián)曲線

圖5 混凝土強度與SH波波頻關(guān)聯(lián)曲線

5 結(jié)論與展望

本文通過研究P 波和SH 波參數(shù)與混凝土抗壓強度之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，得到的結(jié)論如下。

1）P 波波速、波頻約為SH 波的2 倍。

2）在與不同強度等級混凝土試塊的關(guān)聯(lián)性方面，隨著混凝土標號的提高，P 波和SH 波波速和頻率均會明顯加強，SH 波比P 波敏感度更高，關(guān)聯(lián)性更好。

3）SH 波比P 波更加適合用來建立波速、波頻等參數(shù)與混凝土抗壓強度之間的模型，能在混凝土試塊的無損檢測領(lǐng)域提供更有利的發(fā)展方向。

近些年，我們在利用超聲波對混凝土試塊進行無損檢測的技術(shù)研究領(lǐng)域取得了一定成果，但在實際應(yīng)用中仍然存在諸多問題和困難，如混凝土強度無損檢測測強曲線受到區(qū)域性的嚴重制約、單獨使用超聲法測量存在的局限性、測量結(jié)果也會收到混凝土原材料類型、配合比變化以及測量方式等的影響，更多的適用于實驗室理想條件下，但是也為超聲波無損檢測技術(shù)在混凝土工程中的發(fā)展提供了未來。