刘宏翔 杜二霞*
(河北大学建筑工程学院，河北 保定 071002)
超声波检测混凝土应力的试验分析
刘宏翔 杜二霞*
(河北大学建筑工程学院，河北 保定 071002)
通过对测法记录了不同龄期不同应力状态下混凝土试块的声速值，分析了超声波波速随混凝土龄期的变化规律，并建立了超声波波速与应力之间的回归曲线，预测了超声波检测技术的发展趋势。
混凝土，超声波检测，应力，回归曲线
0 引言
近年来，随着社会经济的提升，建筑行业正处于飞速发展的阶段。为了解决资源开发、交通运输以及满足人们的居住舒适性，越来越多的高速公路、铁路、桥梁、高层建筑、地下工程等在不断地建设。而在整个建筑工程中，建筑材料质量的好坏直接影响到整体建筑的质量，为了预防建筑材料内部的缺陷，使工程在施工及运行中具备安全稳定性，应使用科学合理的检测技术来进行缺陷检测。
建筑的核心材料是混凝土。目前对混凝土内部缺陷的存在、大小、位置和性质进行无损检测的手段大体可分为两大类：一类是机械波法，其中包括超声脉冲波、冲击脉冲波和声发射等；另一类是穿透辐射法[1]。穿透辐射法对于非匀质的混凝土的穿透能力有限，而超声波对于检测混凝土的穿透能力强，测试速度快，操作简单，作业安全，所以被广泛使用于混凝土的缺陷检测中。
1 理论基础
超声波法的基本原理是超声仪按一定频率不断的重复激发发射换能器发射超声脉冲波，超声波脉冲经过混凝土介质中的传播被接收换能器接收，接收换能器将接收到的携带混凝土力学性能、材料组成、有无缺陷等信息的超声波转换成电信号传给超声仪，超声仪处理后，转换成声学参数(声时、声速、振幅、频率以及波形)显示在液晶显示器上。准确测定并处理这些声学参数，我们可以了解到混凝土的性能及其他相关的质量信息[2，3]。
2 实验研究目的
利用万能试验机对混凝土试块单轴竖向施加荷载，通过超声波检测仪检测混凝土结构在不同龄期不同应力状态下超声波波速的变化，分析混凝土的超声波波速随龄期的变化规律，建立不同工作应力状态下超声波波速与应力之间的回归曲线，为在役混凝土检测提供参考。利用回归曲线进行超声检测能快速、准确地发现混凝土中存在的缺陷，及时对建筑物的安全进行评价，并为处理病险工程提供科学依据。
3 实验仪器和混凝土试块参数
本实验采用的仪器包括无锡建仪仪器机械有限公司制造的TYE-3000型压力试验机以及由北京智博联科技有限公司生产的ZBL-U520/510非金属超声波检测仪。水泥是河北太行水泥股份有限公司的P.O42.5普通硅酸盐水泥，细骨料是河北省保定市满城县售卖的天然河砂，粗骨料是河北省保定市满城县售卖的天然碎石，最大粒径40 mm，最小粒径5 mm，外加剂为聚羧酸高性能减水剂。混凝土的设计强度为C20，配合比为：水胶比0.509，水泥442 kg，砂661.7 kg，石子992.5 kg，水225 kg，减水剂2.21。混凝土试块尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，试模采用钢模。
4 测验步骤
4.1 清理编号
测试面为混凝土试块浇筑面的两个侧面，将测试面清理擦拭干净，并对混凝土试块编号。
4.2 布点画线
超声波测试法采用“对测”，在两个相对的测试面上画出相对应的两个测点，测点布置在上、中两个位置，避免不同测距对结果的影响，超声测点布置见图1。
4.3 涂耦合剂
为了便于区分不同的测点，采用凡士林、黄油两种耦合剂，一台超声仪的换能器通过黄油与测点耦合，另一台超声仪的换能器通过凡士林与测点耦合。每对换能器与测点耦合时，应保证发射器和换能器的轴线始终在同一直线上，以避免不同测距对实验数据带来的影响。
5 数据分析
在连续均匀加载的过程中，对于C20混凝土试块在所加荷载达到3 MPa，6 MPa，9 MPa，12 MPa，15 MPa时进行测试。测试采样上、中两点处的超声波速(精确至0.000 1 km/s),取平均值，保留小数后两位有效数字。计算公式如下：
其中，v为试件混凝土声速代表值,精确至0.01 km/s；v1，v2分别为测点上、中两处的混凝土声速值,精确至0.01 km/s。
通过采集每个测试龄期中C20混凝土试块在单轴竖向压力下的应力达到3 MPa，6 MPa，9 MPa，12 MPa，15 MPa时五种应力状态下的超声波波速V，分析波速随龄期的变化规律，如图2所示。
对试验数据进行初步分析后，为了更准确的找到应力与声速之间的关系，本实验采用拟合效果非常好的专用数据处理工具——origin9.0软件分别按照幂函数σ=AVB、线性函数σ=A+BV、二次多项式σ=A+BV+CV2、三次多项式σ=A+BV+CV2+DV3、指数函数σ=ABV，σ=A-BCV，σ=e(A+BV+CV2)，σ=σ0+Ae(R0V)八个回归模型对应力和超声声速进行回归分析，建立对应的回归方程。通过对各类回归方程及相关度比较可以得知，线性函数和二次多项式两个模型的拟合效果最好，可以将这两个模型用于研究声速与应力的关系。所得到的C20混凝土回归方程：1)线性函数：σ=327.886-69.423V；2)二次多项式函数：σ=-1 619.475+800.380V-98.435V2。其拟合曲线如图3，图4所示。
6 测验结论
1)从图2中可以看出C20混凝土声速值范围为4.06 km/s～4.90 km/s。
2)从图2中可以看出在同一应力水平下，混凝土试块超声波波速值随着龄期有所增长，在早期，声速增长较快，28 d以后，声速增长缓慢。这是由于早期混凝土内部含水量高，测得的超声波波速值偏高。随着龄期的增长，含水率降低，水化作用形成微小孔隙，影响超声波波速，超声波波速无法大幅度地提高，增长缓慢。
3)同一龄期的混凝土的超声波速，随着应力的增长，波速降低。这是因为随着荷载增大，混凝土内部开始出现损伤，产生空隙，裂缝逐渐贯通，超声波在空气中的传播速度比在固体中的低，而且超声波经过固体和气体交界面时，会发生反射或绕射，所以降低了超声波速。
7 发展趋势
在我国的建筑工程中，超声波在探测混凝土的强度以及内部缺陷等应用得越发广泛，如超声波检测在我国云南漫湾的应用中，取得了良好的经济效益[4]；超声波对互通式立交桥中腹板混凝土的检测让工程达到安全可靠性[5]。在基础的低应变检测过程中，利用声速和应力的回归方程，测得声速后，即可根据公式推断出相对的应力，从而作为低应变检测的一个可靠的基本数据；为了预防桥梁的疲劳破坏，可以通过超声波检测桥梁在每天行车过程中声速的变化规律，通过建立声速与应力的回归方程来避免某个时间段内应力的连续反复作用。
随着高层建筑结构、大跨度桥梁结构以及某些特种结构的发展，一种新的建筑材料即高强混凝土将被广泛应用，高强混凝土具有抗压强度高，抗震性能好等优点，因此对于高强混凝土的超声波检测具有重要意义。因高强混凝土内部较为密实，跟普通混凝土的声速值将不再相同，故建立高强混凝土的声速与应力的回归曲线对未来建筑结构的工作具有指导意义。
[1] 韩 林，孙 超，王 寓.超声波技术在检测混凝土缺陷中的应用[J].城市道桥与防洪，2011，7(7)：278.
[2] 余红发.混凝土非破损测强技术研究[M].北京:中国建材工业出版社,1999.
[3] Jones R,Fa ca oaru I .Recommendations for testing concrete by the ultrasonic pulse method[J].Matériaux Et Constructions,1969,2(4):275-284.
[4] 王国滢.超声波检测技术在漫湾的应用[J].云南水电技术,1996(1):41-44.
[5] 韩 林，孙 超，王 寓.超声波技术在检测混凝土缺陷中的应用[J].城市道桥与防洪，2011，7(7)：278-279.
Experimental analysis of the ultrasonic testing for concrete stress
Liu Hongxiang Du Erxia*
(CollegeofBuildingEngineering,HebeiUniversity,Baoding071002,China)
The authors record the ultrasonic wave velocity of concrete in different stress conditions and different ages using counter measure method. Then the authors analyze the variation of ultrasonic wave velocity with the age of concrete. On this basis, the regression curve between ultrasonic wave velocity and working stress is established and the development trend of ultrasonic detection technology is predicted.
concrete, ultrasonic testing, stress, regression curve
1009-6825(2017)13-0047-03
2017-02-24
刘宏翔(1998- )，男，学生
杜二霞(1976- )，女，讲师
TU317
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