（土木工程专业论文）超声波检测结构水泥混凝土强度的研究.pdf

超声波捡测结鞠水泥混凝主强度霹究 一一 撼要 混凝童是努兮最嚣舞砖土拳盖黎糖势之一，其震量鲸好球蛊接美象曩慧稳 耪秘安全，捡聃熔蕊溅凝土襞赞姆传统检验方法，走多蠛按规定取榉裁傅的立方 傣试件劳熊磁。担南于试孛 的稍牛筝奈箨、泰护掰境、受力获悉挚都与站毪混凝点 攀瞬，通过试静龅试验所测褥的麓凝土憾黥播标，往稔岛结构蛳中实际混凝土媳 挂纛毒一怒轰蕊，箍其它知蓥芯取褥警捡瓣方法只鼗取缝撼秘虢裰少部分，技乏 戎袁槛。爨弛，矗接容煺蕊物申捡铡漉凝土质量的现场检测鼓拳，已成劳瀑凝土 工程袭蚤管理纳重要手段，越来越受辫世嚣各瑙鞠普遍妻褫。 拳文遥过在沈船燕山海燕，沈阳至婵乎、舟农里拳溪、锚州盈霸耀以及泷 辖燕走遗凌扩建等蠢条高速套路工程硬簿上获浔霹试验敬撩， 毫较了各簿霹素的 彩酶敷瀑，劳波静甥美移璃骂索媳显著挂分毒蓐。臻嚣，通过立交竣诗，磷定曼藩 影响弱袭和各被关系数，并躅辫归分耪方法建囊了施酝专藏溺强辩残。在此基础 上，应斌溅强旃线对缝襁水泥混凝童的强度遮赞质量谬伶，能够比较秦嶷媳反映 了赡掬洮凝土蟪裳际强度，霹已建混凝土壤稳糖酶壤蚤评价提模了依据。 笺孝瀑璃，经过苹麓酶馥试狳数据的积累，可娃纂溪完善各缀测强静凌， 捉盛测试缭果的渗确度，使得混凝土元谈检测技术将在帑效提蕊工程壤黄土得剐 更走规模摩鹰。 荧捷黧：褰逮公路续魏糖混凝文超声浚莞摄裣溅 起声波检溺臻构水混混凝土强度的研究 s v 鑫l 鞑舂r ￥ c o n c r e t ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm a t e r i a lo fc i v i le n g i n e e r i n g q u a l i t yo f t h es t r u c t u r ec o n c r e t ew i l la f f e c tt h es a f e t yo fs t r u c t u r ed i r e c t l y t r a d i t i o n a lm e t h o do f t h es t r u c t u r ec o n c r e t e 遥硪d 姆t e s tb a s eo nt h ec u b es a m p l es e l e c t e da c c o r d i n g 论 r e g u l a t i o n b u tf o rt h ep r o d u c t i o nc o n d i t i o n ，m a i n t a i ne n v i r o n m e n t ，f o r c eb e a r i n g s t a t u se t co ft h es a m p l ea r ed i f f e r e n tw i t ht h a to ft h es t r u c t u r ec o n c r e t e ，p e r f o r m a n c e i n d e xo ft h et e s tc o n c r e t es a m p l ei sd i f f e r e n tw i t ht h a to ft h ea c t u a ls t r u c t u r ec o n c r e t e s o m e t i m e s b u to t h e rt e s tm e t h o ds u c h 鑫su s ec o r es a m p l e 西d r i l l i n gc a r ln o t r e p r e s e n ta l ls t r u c t u r ef o rj u s tc h o o s ev e r yl i t t t ep a r t so fi t s o ，l o c a l et e s tt e c h n o l o g y t h a tt e s tc o n c r e t eq u a l i t yi nt h es t r u c t u r ed i r e c t l yh a sb e c a m ea n i m p o r t a n tm e t h o do f c o n c r e t ee n g i n e e r i n gq u a l i t ym a n a g e m e n ta n di sg e t t i n gm o r ea n dm o r e r e c o g n i t i o no f e v e r yc o u n t r y i nt h ew o r l d t h i sa r t i c l ea d o p tt h et e s td a t ai nf i v ee x p r e s s w a y p r o j e c t sw h i c h a r es h e n y a n g t o s h a n h a i g u a ne x p r e s s w a y , s h e n y a n gt os i p i n ge x p r e s s w a y , s h e n y a n gt o s i p i n g e x p r e s s w a y , d a n d o n gt o b e n x ie x p r e s s w a y , j i n z h o ut o c h a o y a n ge x p r e s s w a ya n d s h e n y a n gt od a l i a ne x p r e s s w a ye x p a n dp r o j e c t 。b yc o m p a r i n gt h ei n f l u e n c eo f 越i k i n d so ff a c t o r sa n d a n a l y z i n gp r o m i n e n t i n f l u e n c e f a c t o r s ，w ec o n f i r m e d p r o m i n e n ti n f l u e n c ef a c t o r sa n dc o r r e l a t i v ec o e f f i c i e n t s t h r o u g ho b v e r s ec r o s s i n g d e s i g n a f t e rt h a t ，w eb u i l tr e g i o ns p e c i a l i t yi n t e n s i o nt e s tc u r v eb y r e g r e s sa n a l y s i s m e t h o d ，q u a l i t yv a l u a t i o no f t h es m a c t u r ec o n c r e t ei n t e n s i o nb yi n t e n s i o n t e s t 。勰r v e 超声波检测结构水泥混凝土强度的研究 c a l lt r u l yr e f l e c tt h ea c t u a li n t e n s i o no f t h es t r u c t u r ec o n c r e t ec o m p a r a t i v e l ya n dc a n p r o v i d e r o a d t e s td a t af o rt h ec o n c r e t es t r u c t u r ec o m p l e t e d 。 b e l i e v ei nt h a tu h i sk i n do f n od a m a g ec o n c r e t et e s tt e c h n o l o g yw i l tb e a d o p t e d c o s m i c a l l y t o i m p r o v i n ge n g i n e e r i n gq u a l i t ye f f e c t i v e l yb ys u s t a i n i n g t e s td a t a a c c u m u l a t eo fv a r i o u s r e g i o n ，p e r f e c t i n g v a r i o u sg r a d ei n t e n s i o nt e s tc u r v ea n d i m p r o v i n gn i c e t y o f t e s tr e s u l t 。 k e y w o r d ： e x p r e s s w a y t h es t r u c t u r ec o n c r e t e u l t r a s o n i c 1 1 0d a m a g et e s t 超声波检测结构水泥混凝土强度的研究 1 绪论 水泥混凝土( 以下简称混凝土) 是一种用量大、历史悠久并且正在蓬勃发 展的建筑工程材料。随着混凝土材料科学的发展，对混凝土测试技术提出了新的 要求。 混凝土是一种多相复合体系，各相随机地交织在一起，形成极为复杂的内 部结构。为了研究这些内部结构的特点及各结构成分对总体性能的影响，多年以 来，各国的学者在这一领域开展了大量的研究工作，提出了一些不同见解及相应 的测试方法。 在各学科和不同的技术领域中，所采用的测试技术既有共性也有其个性。 目前，混凝土材料科学所采用的测试技术都必须适应混凝土的结构特点，从而逐 渐形成了混凝土特有的测试技术体系。已被采用的各项混凝土测试技术，实际上 都是通过观察测量混凝土在宏观、细观和微观三个不同层次来研究混凝土材料的 内部结构特性指标。 1 1 本文研究的背景及意义 长期以来，混凝土工程设计强度及质量检验的标准均以标准试件的抗压强 度、弯拉强度做为评定结构混凝土的实际强度。而对缺少试件的构件或旧混凝土 评价只能通过在构件上钻芯取样，通过劈裂或抗压试验换算成标准强度，以此来 评价工程实际强度，这种方法比较简单直观。但由于试验的试件或现场钻芯取样 仅占工程结构混凝土的极少部分，取样有的缺乏代表性，以及试件制作和养护条 件与结构混凝土难免有差异。尤其是在施工中管理不严格时，这种差别甚至很大 以至于标准试件的强度与结构混凝土的实际强度存在较大差异。即试件不能全部 超声波检测结构水泥混凝土强度的研究 真实地反映结构混凝土的实际强度，试件实测值只能被认为是混凝土在特定条件 下的性能反映，只能用于各种混凝土在相同条件下性能的相对比较，而不能完全 确切地代表结构混凝土的质量状况。因此，这种过高过低地评价结构混凝土的实 际强度的方法显然是不科学的。 结构混凝土是指已用于结构物和结构构件的硬化混凝土，其需检测项目包 括力学强度、弹性及塑性性质、断裂性质、损伤缺陷以及耐久性预测等。作为一 般建筑结构的质量评价和验收，或对老建筑结构损伤程度的评估，结构混凝土现 场检测的主要项目是混凝土强度检测、损伤缺陷以及耐久性预测三项内容。而且 这三项测试的方法必须以不损伤结构物混凝土本身的使用性能为前提。也就是 说，测试方法应该是非破损检测或半破损检测。在此情况下，超声波检测结构混 凝土作为一种非破损检测方法，被广泛应用于房屋建筑，桥梁工程、水利工程中。 尤其是近几年，公路工程建设突飞猛进，在建以及已建成桥梁构造物日益增多 新建成桥梁的质量评定和1 日桥承栽能力评估变得更为重要。 辽宁省是我国重工业基地，公路交通比较发达，混凝土桥梁较多由于道 路等级的提高，一些老桥需要加固，目前只有通过结构检测和外观观察进行加固 评估近十年中，辽宁省陆续建成沈大、沈山、沈四等多条高速公路，大型桥梁 等结构物的混凝土强度施工过程检查和竣工验收，只是依赖抽检试件和外观检 查，对隐蔽部位缺少有效的检测评估手段超声波检测作为先进的评价混凝土手 段，在我省公路交通建设上目前仍然没有很好地加以研究和利用。为了解决这个 问题，促进超声波检测技术在全省公路建设上的推广和应用，改变公路领域混凝 土检测评估手段的落后状况，本文开展了超声波检测结构混凝土强度的研究。在 参考国内外超声波检测技术的基础上，通过界定技术条件，在相同技术条件下变 一2 一 超声波检测结构水泥混凝土强度的研究 动某一因素，通过回归分析，由相关系数、板差方差等显著性分析，比较影响效 果，再经过正交因素分析验证，确定影响因素以及有关参数，最后编制修正参数， 建立地区强度分析曲线。 1 2 超声波检测技术简介 超声波检测技术自问世以来，已经应用到建筑、水电、交通、铁路等各类工 程实际中。由于其不受构件几何尺寸的影响，测试速度快，数据真实可信，检测 的应用范围和应用深度也不断扩大，从地面上部结构的检测发展到地下结构的检 测，从一般小构件的检测发展到大体积混凝土结构的检测，从单一测强发展到裂 缝、缺陷、破坏层厚度、弹性参数的全面检测。 1 2 1 超声波检测的特点 ( 1 ) 无损于结构混凝土本身材料组织构造和使用性能，可以直接对混凝土结构、构件进 行强度的测定，运用预先建立的率定关系值，就能比较真实地反映结构混凝土各部位的实际 强度。 ( 2 ) 兼有非破损地检测混凝土结构物内部空洞、疏散、不均匀以及使用中因火 灾、冻害、化学腐蚀、地震等受损程度的功能。在这种情况下，测定混凝土的强 度或评定旧混凝土构造物的承载能力，超声波检测显得更为毖要因为，隐存的 新生的缺陷将突出地影响结构物的安全度和耐久性，忽视混凝土结构比较严重的 受损和缺陷，把良好区域的强度作为整体强度评定的依据是不安全和没有意义 的。所以，应用超声波检测能全面地反映混凝土结构整体的强度。 1 2 2 超声波检测的应用范围 当对混凝土试件的代表性有怀疑或者需要对混凝土实际强度进行评定时，应 该直接在混凝土结构物上运用超声波检测方法测定混凝土实际强度。其实际应用 一3 一 超声波检测结构水泥混凝土强度的研究 应包括下列情况。 1 ) 由于施工管理不善，或施工申菜些意跨事故可巍影噱混凝土质量，以及发 现预留试伟的取样、制作、綦护、抗压试验警不符合有关技术规范或标准规定的 条款，怀疑颓留试件强度不能代表结构混凝土的实际强度时，应采用超声波等非 破颁检测结果作为铖构混凝土合格性评定域验收依据。 f 2 耋需要了解混凝土在施工期淹戆强蹙毽长谤琵，以旋满足结鞠或鞠箨秘薪 模、出养护池、出厂、吊装，预应力张拉以及施工荷裁等对混凝土始强度要求时， 可用超声波簪非破损检测连续监测蛄构混凝土强度的发展，以便及时组织调整施 工。同时，也能用于监控施工过程中的混凝土质量。 f 3 ；对已建或混凝圭热逶耪需要避行维修、加圈、诉狳等决策跨，或受炙害挂 因素影响时，应用超声波等非破损检测对混凝土进行强度掺定，以傻为改建、加 固等提供设计依据，并且进行结构混凝土耐久j 生预测。 f 4 ) 对永久性或纪念性混凝土构遗物进行跟踪管理，必须采用超声波等非破损 捡溅方法箍定结祷混凝土辣强度，以便羲断这鎏构遭耪所赴砖获态是否正常。 1 3 国内夕卜研究状况及发展趋势 自瑞士工程师施密特发明回弹仪以采，近几十年不少闽家开发研制出各种 新型的混凝土非破损检测仪器和方法。目前，主要宥超声波法、声发射法、电磁 凌浓、电磁感应法、射线浚、虹玲线法、电位法等，这些方法串有嵌是铡强类， 有些为非测强类，其中有些穷法尚处q - 研究除段，蠢些属予测试蟪度、影响因素 等没有得到很好解决，而超声波检测方法是一种既有比较充分的理论依据和较高 的测试精度，同时实际应用效果比较理想的方法。 - 4 一 超声波检测结构水泥混凝土强度的研究 l 。3 1 薄外研究袄况 鼠? 0 年戎酶英鹭人发蹋了德携式起声凌敢默表，懋蘧声渡检测涟凝土篱研 究取得一定的发展，超声波法不仅在荚鹫、原苏聪、东欧等霹豢受要高度重视， 尚且在美圆、日本、加拿大等国也广泛开展了这项技术的研究与应用，罗马尼亚 6 0 年代开始就应_ j 萌超声一回弹检测方法试验，1 9 7 7 年制定了越声一回弹综合 滏确定混凝土强庭竣拳艉裙+ 撩有关责葑蔹透，罗马尼豫 x 超声波法徐溅为土 本工程仲裁手段，捡测结掬混凝土强度，并以将这_ j 孛方法藏惩子施工管理，将超 声波技术用于混凝土预制构件“在线”监测，可生产出质蠹保证的混凝土构件 板天地提高劳动囊产率，通过“在线”虢测在加热养护时还可节省能源消耗。美 禽在a s t m 美爨糖精试验器逢中霹楚声法经验教了规定，威动地蒋遥声波剥 缺技拳咸乎混凝土灌注，摭搀施工过程中媾震量监溅，冀穷法是在特截畿攥捣捺 上埒装越声波发射装置，将接收装厦安装在模板上，在振捣时发出声波，通过接 收潮的声波信号变化，髓时监测施工过程中混凝土的振实情况，髂息反馈给施工 爨捧灵，潋达窝最往撂旃皴暴。尊奉c a i 霹奉建筑擎会在手静申撂莓了超声 波冕损检测方法，并且在缺陷捡溅上取诺了重大成暴。 1 3 1 国内研究状况 我国驭7 0 年代开始，引进瑞士、荚嗣、波兰等国的检测设备和技术，进行 超声波蔽拳应瘸于混凝土裣溅方螽砖霹突；在g 年我，多次羟织力量联合坟关， 开始测强放测缺旁彝较系统的综合藏爆磺究。睦莹议器设备的发展，混凝土菲玻 损检测技术的研究和应用太大的向前推进一步。建设部在19 8 8 牛总结了几年的 研究成采的基础上颁布了超声一田弹综合法检测混凝土强度技术规程，水利 零磺布酶拳工混凝土试验撬程，推荐了超声法，上海、弛京一盛地基秘建设 一一 趱声渡检涮结构水泥浅凝主强度麓研究 零门也裁定了超声涮强鲢建议，建立了地嚣测强栋准曲线，但泰编制规程，而交 通领域，这方面工作做得很少。 1 ，3 3 发展趋势 趋声波混凝点j 破损检测技术经过凡十年爵研究，已经取得了一定的成果。 撂楚，跌全国垂奇实际应用番，仍然存在在缀多| l 覆题，比如各地区及行韭的辑完拳 平高低不一，差距很大，上海、北京等地以及建设部门发展较快，应用的范围广， 而其它地医及行业却相对落后。为此，应该加大混凝土非破损检测技术的椎广工 作。箴醯，应该钎对不同状况下砖混凝土，在龄期不同的泷凝土，千湿条件不同 豹混凝土，温度务铮不霸鹤混凝土等条锌下，更为锻致鲍秀展跨踅务侍的萎 究务 应用工作，进一步提高测试精度， 随着混凝土材料科学的发展，一些新的参数和新的指标有待研究测试。例 如，结鞫混凝土耐久性问题的研充，混凝土成型、养护等施工过程中质量敬钢的 在线捡浏湖题，特殊案件下鲢涟凝童各鼓耱标测量等竭题，这些捡测搪标箍茬是 传统捡测手段所不能完成的，因此为混凝土性能检测技术研究提出了新的问题。 总之，随着混凝土使用领域的扩大，对其性能的要求越来越高，必须提供 一系列相度于新性能的测试技术，这是奎前包括j # 破损潮试在内的混凝土测试技 拳酾发展趋势。 、 1 4 本文完成的烹要工作 辽宁省作为奄国公路交通较发达的地区，高管级公路的建设突飞猛避，在 工程建设走舰模发展的茂婶，公路量程尤薜楚桥梁等重点冀程质量湃题显得尤为 重癸，磊稃学的检溪手段是傣证工葶莹震量秘基砬。起声波捡测技术馋为一耪竞逑 的检测混凝土质量的方法，在辽宁省公路交通领域仍没有很好地加以研究和利 - 6 一 怒声波捡测结构水泥混凝土强度的研究 两。为了辫决这令| 、嗣题，健遗超声波捻臻技末毒全痿攀广摩强，霄最了超声波捡 溅榜粱溅凝土强度妁研宪。研宠的主黑内容煮 f 1 ) 奎霹文献，开最调研工作。查阅国内外秘荚文献，了解当前起声波检测 技拳戆瞬竞溃况，确定超声渡捡灏混凝土强度翡瑟完内容。镶套辽宁骞参地区公 路工程榉装建设中使罔姆参稀艨麓耨实际媾况。 ( 2 ) 烬据超声波验测砖原理，分橱、研究了起声液竣测混凝土强度妁塞要影 嘀因素，遗过正交试验，邂行极差方薹分析，讨论了备秤影响因素的影响效暴。 3 逸姆具有酶基代表蛙钓沈黪一幽海美、浇麓一毋表、沈强一群手、舔娥 朝稠，沈翔一犬连改扩建等五条高速公路的超声波检测试验数据，建立了跑嚣 基准测臻曲线。 孝用遗酝基准测强酶线聍工程实饲进行检溅，并比较误差大小，验证亵 鼯瘟用致是。 5 j 恶撼、分耪研究或暴，得垂有美结论，提交本磺技术的夸赡发菔方向。 一7 一 超声波检潮结构水泥混凝土强度的研究 2 结载混凝土超声波捡测原理 2 1 结构混凝土超声波检测的基本依据 结构混凝土鼹指已塌于结构物或结构构件的硬化混凝土。其检测项目包括 力学强疰、弹拄及塑往槛葳、断袈槛能、损绉获稿滋及耐久往预测等。诈为一般 建筑结构的质量谬定彝验收，或者对嘤建筑物结糖进行壤蹙谔话，现场检测主要 是混凝土强度检测和缺陷以及损伤探测两项，这秘神测试应该是以不损伤结构混 凝止本身使用功魏为前提的非破损检测或半破损检测。 为解决混凝童强度争徭鹃以及损侯两项硷潮内容，赫须与其有关的，既能 在结构物上直接测蹙，又笨攮坏结钧物本身致龉理嬖，根据鼹孝之阏姥理事美系 或经验关系，推定混凝土的强度，判定混凝土的质繁。这种物理量之问的相互关 系就是现场检测方法的基本依据。 l 材蛰理论 一般蠹奄结教混凝土捡测技术老是建立在糖势秘学基本理论戆基硅之上；遗过 对材料强度理论的公式推导，可以得出超声波测试参教与混凝土强度的一必定性 关系。 稂糖拳孛辩镌强度理论和断裂疆论，粥用双穗手模爱推导出如下公式： 跞 娃线磐蛙理论为基磁，推导交如下公式： 田= 浮 上述公式是假定糖耪发生弹槛变形后努赡蛙雳襞，实际上混凝土等耢耪在 超声波检测结构水泥混凝土强度的研究 收力后尚有塑性定形。为此，修正后公式如下： 毋= j 鼍 其中：暑为弹性模赞；y 为表面能；y p 为塑性变形所吸收的能量；旺o 为原子 处于平衡位置对妁溺距；c 为爨始裂缝长度的一半。 从公式中，可知混凝土始强度取决予以下蹲方面 ( 1 ) 占值及y p 值说明强度与应力应变性质有关 ( 2 ) y 值说明强虞与混凝土内各种材料问的表面能有关，而且通与混凝土 酌繇境( 如舍拳获悉等) 茜索有关 ( 3 ) c 值说明强度与混疑点中孔黢、裂缝等缺陷鲢状态和数量有荧 ( 4 ) a 口值说明强度与水泥凝胶体的凝胶状态有关，而凝胶状态是由水灰 比、密实程廉等因素决定的； ( 2 ) 流变喾理论 根据水泥混凝土鲢威力一应受全蜚线关系( 霓躅2 1 ) ，混凝立的螫令应力 应变行为遗弹性性质和非弹性性质的综合表现。为得出应变性质岛强度的关系， 可以利用流变学的理论建童复合模型，混凝土流变性质的复合模型用图2 2 表 复合模型由弹蛀元件l 、2 及粘蛀克饽3 参鬟蛀元静4 绣组成。当在模型上 施加外力巧，相应的总变形为占，在元件1 、2 、3 上所产生的应力分别为6 ， 谷：、a ，应变分别为5 ，、占：、g ，弹性元件1 、2 的弹性模量为点、最，粘性 元锌3 鹳黏滞系数为最实验证明混凝土的塑槛缓质，值很小，为简化起见，略 矢举诗，躜此模型麓化为五元件模型。 一9 _ 起声波检测结构水泥混摹毛土强度鳓研冤 一一 4 0 3 0 萋2 0 r 避 1 0 0 0 0 0 2 0 4 o 6 0 8 1 0 应变( ) 墨毓凳蠕勰粼妻 ( 系列1 、2 、3 、4 分别代表币劁强崖搋雠工 鼹2 - - 2 混凝土流变性质的复合模型 l o 超声波检测结构水泥混凝土强度的研究 撂据模型可列虫下列方程纽 最= 乓奠 如= e 2 s 2 最：茁堕 。 础 6 = 6 l = 6 l 6 3 嚣= 占l + 譬2 譬2 = 3 l 入其它试验条件、初始务件及破坏时的应力应变关系等一些惫件，臻过推 导可以得出如下公式： r = 沁。- 筹c 1 - e 鱼2 。， 其中：历为原点切线弹性模蚤；e ，为应力古达到古。，时的应变值：f 为混 凝土的箍滞系数；辑为试验跨秘加栽速度；t 为膏。载时阕。 上述公式明确说明，用应力一扈变牲壤反映混凝土畿抗压强度黠，壤安全 面反映式中的各项指标，这些指标是由混凝土的弹性性质段、混凝点的非弹性性 质最混凝土的试验条件砰和t 决定的。在速三个冀素中弹性性质塌是主赛的， 试验条件嚣霹口可跣鞍标准值，j 弹往槛藏f 值与加载速度巧关联，但就一般 强度的混凝点而言，巧值很小时，越影响举瞑显。 通过上述各项参数综合分析，可以得出混凝土的强度特性是由其弹性性质 和j # 弹性性质决定的，这两种性质均可用振动方法或声学方法测量。因此，十分 适合采鬲超声波捡淄技术。 一l f 一 、f|l，j 超声波检测结构水泥混凝土强度的研究 2 2 超声波检测的原理及测试方法 结药混凝土强度翡超声波埝番是以强度与越声波在混凝土中秘传播参数 ( 声速、袁减系数等) 之间的相互荧系为基础。超声波实质上是高频机械振动在 介质中的传播，当宙穿过混凝土时，混凝 的每个微区都产生拉愿( 纵波) 或剪 切( 横波) 等应力庶变过程。前面的公式已经证明，混凝土的强度与应力应变参 数有冁确酌理论关系。骂毙，从理论上袭说，超声谤播跨辍庄是穗述混凝女强度 的理想参数。但是，由于混凝土强度是一项十分复杂的参数，它受许多因荣的影 响，要想建立强度和超声传播特- 疋间的简单关系楚非常鼹难的，超声测强至今 还冀能建立在试验归纳的旅础上，一般是通过试验建立强度与声速的关系曲线 ( 郯& 一赡线) 或经验公式，锋为超声法溯强酶藤本羧嚣依据。这样，超声法 测强的关键在于，建立准确的r c 关系式，精确地测量被测混凝土的声速，以 及豁种影响r c 关系式的因素等量方面。 采用越声法测强主要怒依靠混凝土越声波检测仪完成，混凝点超声检测仪 曼一静集超声波发紫、接收和信号耱族匙缀盼缝测仪器。葵工薛艨疆是超多凌发 射传感器向待测的结捷混凝土发射超声脉冲，使其穷过混凝土，然詹超声波接收 传感器接收穿过混凝土后的脉冲信号，仪器照示并储存超声脉冲穿过混凝土所需 的时阍、接收信号的波形、波幅等。根据超声脉冲穿越混凝土的时间( 即声时) 务鞭褰( 蟹声程) ，鄄可诗葬声速；根据波幅，虿缮割超声稼冲在混凝土孛的能 量袋减；根据鼹显示镌波形，经适囊处理詹可器鲥接收信号熊频谱警售急。超声 波检测示意图如图2 3 。 _ 1 2 岫 超声波检测结构水溅混凝土强度的研究 传惑器r 圆 i - 7传惑嚣 结构混凝土 超声检测仪 l bl 蹙2 3 超声波捡澍承意蓬 2 ，3 各种因素对检测参数的影响 任柯数据韵检测都遗通过一定检测议器，采用一定的检测方法，最终进行检 测参数分橱整理祷出捡测缝爰。瓣此，徐澍参数约准确鸯否壹臻影嗨检测结暴。 起声波检测结构混凝土强度，实际就是混凝土强度与超声波波速之闯蜷糖关关 系。超声波波速熊通过声波传播距离l ( 声程) 、声波传播所需时间t ( 声时) 得 翻昀。其计算式如下： c = 彳 式中：f 为声速，m s ；上为声程，戤f 为声时，s 。 因此，超声波检测技术的非常重要的一步工作是：如何确定冬种影响因素 灌确测量斑声对氆。 2 ，3 。1 传感器羧率黠声速酌影蝻 因为超声波在混凝土中传播有明显的衰减现象，根据声波理论，随番声波 频率的增火，测试距离将减小。因此，选挎传感器频率应与被测试件的尺寸相适 合，一般认为声波的波长旗不大于测试距离的l 2 。 一主3 一 超声波检测结构水泥混凝土强度的研究 由于混凝土是弹一塑性材料，应存在频散现象，即传播速度随频率的变化 而变化的现象。根据有关试验资料表明，频率对声速是有一定的影响，见表2 1 。频率从50 k h z 增加到5 50 k h z 时，声速变化为3 一3 5 ，在常用范围频率内 ( 5 0 l0 0 k h z ) ，声速变化为0 5 一1 ，并且影响程度随测试距离的增大而减小。 因此，本文在实际检测时应适当限制常用频率的范围。 表2 1 传感器频率对声速的影响 传感器频率混凝土试件实测声速( m s ) ( k h z )测试距离1 = 3 2 c m测试距离1 = 1 0 c m 5 04 3 4 243 5 7 1 0 043 854 4 0 2 1 5 0 4 4 034 4 1 1 2 4 04 4 1o4 45 0 55 0 4 4 63 4 5 0 2 2 3 2 测点及测试面的影响 不管是在试验室还是进行现场结构物测试，都应尽可能选择混凝土浇筑时的 模板侧面作为测试面。如在混凝土浇筑的上表面与底面之间测试，实测声速一般 低于侧面测试的声速，但当混凝土强度较高、离析程度较轻时，不同测试面对声 速的影响较少。一般可作如下修正： c = c ，k 式中：c 为修正后混凝土声速；0 力在混凝土浇筑上表面与底面之间的声速；f 为修正系数，本人通过试验的测得如下数据，因数据较少仅共参考，见表2 2 。 1 4 - 超声波检测结构水泥混凝土强度的研究 表2 2 测试面的影响系数 l 滋凝土强度等级 e 2 5c 3 0c 4 0c s o i 浇筑上表面与底面之间的声速 4 0 0 34 3 2 54 53 64 6 7 1 i ；浇筑侧面之间的声速 4 1 7 94 4 9 84 6 5 14 8 8 2 l修正系数k 1 0 4 31 0 4 01 0 2 5l ，0 4 5 在试验室进行试件测试时，戚选择成型时的侧面进行测量。农现场；舅i 试时 一般选择面积为20 0 m m x 2 0 0 m m 的区域为一个测区，测区应尽量避开与声通路平行 馥钢筋，并离开鞠箨边缘一定姜至离。试停的测点布爱晃圈2 4 。 躅2 4 测点布置篱 2 。3 。3 溅蚤距离对声速鲤影响 关于测试距离对声速值的影响，目前尚无定论。一些专家经过对不同等级 的混凝土制戍的阶梯形试件上进行试验，研究认为测距对声速的影响是存在的。 篷蕾测试距离翡增加，高耪号混凝土实测声速可降低1 一舔，低辛棼号混凝点实 一王5 一 超声波检测结构水泥混凝土强度的研究 测声速减低的更多，达到8 。本人也进行了此项工作的试验，方法是采用c 2 5 c 3 0 、c 4 0 、c 5 0 等不霜强度等级的混凝土铡成t 5 c m 、5 0 c m 、1 0 0 c m 、2 0 0 c m 的阶 梯型试件，测出戢声速离散蛀较大，具体数据觅表2 3 。分辑艨躁认为，理论 上讲，如混凝土质鼹均匀，羽 l g p - 对声速应允影响，造成声迭降低的原因是随着测 躐的增加，接收波前沿变得平缓，零声时读数不够准确，声时值产生变化，另外 试俘混凝主的均匀槛也套对声靖僚产生影响，造成声速的燕氍。 表2 3 测试萎萎离砖声速秘影嗨 混凝土强皮等级 声速 c 2 5c 3 0c 4 0c 5 0 濒1 54 i 9 54 4 1 74 5 8 04 73 4 试5 04 1 4 74 4 0 34 4 1 24 6 9 5 盖巨 1 0 03 9 5 64 5 3 64 6 6 9 离 2 0 04 1 i 24 4 0 7 ( c m ) 2 。3 。4 试纷温度和湿度对声速秘影响 很多研究表明，测试时试件的温度对声速有一定的影响，图2 一s 中表示同 一试件的声速随温度变化情况。当温度在2 0 一4 0 时对声速影响不大，幽温度 超遮5 0 ( 2 盼，声速随着温度的升高而降低。因此，在一般测试情况下，温度影 畴可以不考虑，钽在测试冬天室跨鹤孛 或喇交池蒸汽莽生秘俘等靖，羽秘袋给予 修点。 一1 6 一 超声波检测绝褐水泥混凝土强度的研究 g 考 摧 扭 3 4 0 0 o o 0 0 2 0 4 06 08 0 试件温度( ) i 0 0 图2 5 试件温腹对声遗的影响 试件的温度对声速也有明显的影响，这是客观存在的因素。混凝土是一种多 孔嚣害争，空跨中充满空气争拳。双莅鳓研究表明，声浚在空气申的传耱速度为 3 3 0 m s ，在水中的传播速度梵1 4 5 0 m s ，因此当混凝土空隙中充满水的多少筑壹 接影响声速的大小。各国的研究结果看法不一，有人认为；混凝土湿度增加2 - - 揣，则声速增加6 - - 7 。本人对同样试停在不同湿度状态下进行声速测试，得出 试验数糖霓轰2 。 我国南京水利辩学研究院所得的结暴是：混凝土舍水量增加l ，燃声速也 增加1 ，南京水利科学研究院提供的混凝土含水量与声遗的关系见图2 - - 6 。 他们得出的修正公式是： c = ( 1 一奶 式中：饧为含水试件的声速；f 弛试件含水量；o 为修正羼的声速。 1 7 起声波检测结穗水泥混凝土强度的磺究 * * “_ h 。_ _ _ _ 。- _ h - _ _ _ _ 。_ _ 。_ _ * 。_ h _ _ ，h _ m _ - _ _ _ _ - - _ m _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ m _ “w _ 。_ 。_ _ h _ _ - _ _ _ - 。_ _ _ _ - _ h _ _ - _ _ _ - _ _ h _ - _ _ - - _ _ _ _ h h “一”一 5 4 0 0 5 3 0 0 5 2 0 0 篙5 1 0 0 o5 0 0 0 蓑4 9 0 0 4 8 0 g 4 7 0 0 4 6 0 0 i ； l ” 】 。r ly ! j j 7 l ：1 ，一 ， 23莲器878 食瘩羹( 蓬) * - i 蒜e ；0 。8 舀 一一c = o 4 0 强2 5 混凝圭会拳茔毒声速斡关系耀 袁2 4 混凝童舍衣螫对声速的影响 台水量w ( ) 9 7 89 。7 49 。6 59 。3 l9 14 l v 受纯率攫)0 0i i2 s3 e0 3 w 变化零( )00 41 34 。g6 5 声逡v ( m s ) 4 6 2 34 5 5 5 3 34 5 l25 20 套水量# 撩) 8 。8 28 、? 78 7 ls 。6 6s6 5 2 ￥受纯霉 ) e ，e1 3l 。2 41 2 w 变 率( j 0 0l0 + 7l l 。3l l ，si l 9 声速v m s ) 43 4 43 s 743 1 04 2 8 74 2 ，3 分拳量w x ) 9 。6 59 。5 9 。5 l9 ；4 59 4 4 3 ￥变他事f )0 08 。2 e 91 4 l 。3 w 变纯枣( * )e 。00 #1 52 12 + 2 声遗v ( m ，s ) 4 3 l4 4 0 443 9 043 6 243 5 9 含水量w 1 1 。7 91 1 i l5 5i l 。3 4 1 1 2 6 v 变化率f o 0o 6o 9 1 + 61 ，6 w 变他率( ，0 ，o1 32 。03 8 4 5 一1 8 惭 越声波检测结构水泥混凝土强度的研究 2 ，3 。5 钢筋对声速酶影镌 在捡瓣镪筋混凝土结稳簿，套滚型镳嚣踌声速砖影嗉。这是凑为超声波在钢 筋中的传播速度要大于在混凝土的传播速度，声波在钢筋申的声速为5 l5 0 m s 一 5 8 5 0 m s 范围。因此，发射传感器所发出的声脉冲部分声能将通过钢筋率先到达 接坡传枣器，霹戳在此清撼下所浏得秘声速实震惹钢菸和混凝土的综合声速，其 数蘧镰太，钢筋对声速鲢影喃分鸯灏耱蟪况，帮声遗簿乎行于钢翁争誊壹予锯筠； 当声波脉冲传播的方向与钢筋萼曲向垂直时，声波穿越结构物砖声时t 由下； 公式表示： f 。幽+ 垒 c c c s 式申：t 为穿越结构物酌综合声时；三为总声时；z f 为穿越钢筋中的声程，z s = 寥d 为镑麓壹矮) 盘为混凝土瓣声速；c s 寿钢蒴戆声速。如暴包括钢筋在 f 的综合声速黄则可得盛t f , j 公式： 推导詹将 q 叱一岛譬f 在妄黪捡溅晴，每赛垂童钢筋箨在，瘩按照( 2 ) 式进行捷雾修正，或者按 照( 1 ) 剥感下表2 5 给出蜷修正磺三一岛曼皆拳数表予娃修芷。 一王雾嘶 超声波检测结构水泥混凝土强度的研究 表2 5 垂直钢筋修正项系数表 1 一ls ( c s c c ) 1 cs 修正系数 ls l c c = 3 0 0 0 m sc c = 4 0 0 0 r e s c c = 50 0 0 m s 1 120 9 60 9 7 0 9 9 1 l o0 950 970 9 9 1 80 9 40 9 60 9 9 1 60 920 9 40 9 8 1 40 8 80 9 20 97 1 3 o 830 8 8 0 9 5 1 20 6 90 7 80 90 当声波通路与钢筋轴线平行时，综合一些公式推导和研究成果，影响实际 混凝土声速的因素有传感器与钢筋的距离、发射接收传感器的距离、声时大小等。 如果能使传感器与钢筋距离增大，则平行钢筋对混凝土声速的影响逐渐减小，通 常认为传感器离开钢筋的距离大于传感器间距离的1 8 1 6 时，足以避免钢筋 对混凝土声速的影响。 通过对混凝土的材料强度理论及应力应变关系的理论分析，混凝土强度特 性是由其弹性性质和非弹性性质所决定的，并且两种性质可以通过振动方法或声 学方法进行测试。因此，利用超声波法进行混凝土强度检测有充分的理论依据。 对以上影响测试参数( 声速值) 各因素的分析，可以得出各因素对测试结 果都存在一定的影响。为提高测试精度，应排除各种影响因素的干扰，进行参数 修正，准确测量声程和声时，从而得出正确的声速值。 一2 0 一 超声波检测绌构水泥混凝土强度的研究 3 超声波捡溅结构混凝土强度砖影嫡萄素 混凝土是一抟 常复杂馥多搬复合体系，它的力学强度受刭释辩建喜结拨爨 索以及外部环境条件的影响。而声渡脉冲传播速度其本质是混凝土应力应变性质 的反映。照然通过理论可以推导出它f f j 2 n 存在一定的荚系，但是由于实际材料 受各赞美杂蒌隶髓影璃，逐砖关系莠车爨霓奎稳定鹤。奉交适适意浇蹬耍山海关、 沈阳至嘴乎、沈娲至丹东、锦媸燕赣蹬以及浇麓篓大连漱扩建等五务荔逡公路工 程项目采集的试验数据，比较了混凝土原材料性质及其黼合比、混凝土龄期、混 凝土所想环境等对混凝土强度和声速之间关系的影响。井采取正交试验设计的方 法，确定了各嚣杂影确酌主次鞭痔凌显饕柱，最终翻定沓正参数，建立了超声液 捡溅悬凝土强度辫姆方糖， 3 1 混凝土原材料的藤本情况 根据离速公路建设中各地区大量卖降使用的材料进行试验，水泥分别选用交 邋拳嚣、慕嚣拳溅、小野礴水混、冀表拳泥，菇辫产地分鞠为锦州、辽转，铁岭、 拳溪，疋房店等，姥展淹羔嶷岩、葱嚣磐，砂采麓各逑警这海秽。原葑耱跨叁鹱 技术指标见表3 l 。 教3 1 水泥混凝土粥艨材料各项技术始标表 名禳分类抗压强震( , f p a )抗折强度 m p a ) i 3 2 53 垂，l5 ，3 | 水 硅酸盐水泥4 2 s4 4 + 78 8 l 5 2 s5 5 9 9 8 漉 营通硅酸靛水泥 3 2 s3 4 55 9 2 王一 超声波检测缭鞠水泥滋凝立强爱秘繇究 ， 4 2 5 4 4 。l8 + 2 拳5 2 5 s 6 79 5 3 2 53 6 。g5 。s 4 2 543 67 + 2 矿浚硅酸煞拳混 5 2 55 4 17 4 漉 抗蕊强度 瘟酶分类 寮度g c m 3 )空隙零( ) ( m p a ) 5 3 l ，5 m m 槛 花蹙岩 】3 0 。72 。6 7 1 。6 5 一0 勰 装 5 3 l 。5 m m 耪篇炭岩9 6 。9 2 6 31 寒 s 一4 0 m m 纽 寮度fg c m 3 )容重( g c m 3 )级蓊己嚣细魔模教 裳串簸纱 2 1 2 6 1 3 一l 。sl 、硅区2 。8 3 3 姆 种类纽成成分 外 旱强荆硫酸薤、察溅、粉爆灰、分彀裁等 抽 减拳裁聚氡骚、警酸，强硫酸臻等 荆 ；| 气荆耠蚤皂、精纂等 永 一觳秀囊漆g | 麓水 一2 2 埘 超声波检测结枸水泥混凝土强度的研究 3 2 单一技拳务停雯纯影响越素分暂 由于组成混凝土原妨糟各盎成分的声逸糨差悬殊，不域毒孝辨掺酝出镪醍多少 将对混凝土的总声速产生影响。为此，首先在保证相同技术条件下分析变化一个 技术参数，进行对比试验，分析单一技术参数变化对混凝土强度的影响程度。 3 。2 1 石耱砖类对嚣一v 关系砖影响 椎据辽宁痿公路工程混凝土结构物建设中实躲使用螃石灰岩、花巍磐鼹赞 石料，制成c 2 5 、c 3 0 、c 4 0 、c 5 0 四种强度等级的试件，试验龄期统一采用2 8 天， 通过测试抗压强度、声速比较两种石料的影响程度。试验数据及对比曲线见表3 - - 2 、3 3 ，图3 一i 。 表3 2 缎成材辨砖技术参数 混凝土配合比( k g ) 强嶷等级辞石糖类永漉产地越品种 水泥砂石子水 5 3 i 5 衄石本溪工源 c 2 53 6 57 l01 1 7 52 0 0 灰岩普遗硅酸盐4 2 5 5 3 1 5 m m 篇本溪工潦 c 3 03 8 57 3 01 1 6 017 5 灰岩普遗硅酸盐4 2 5 5 3 1 5 m m 篇本溪工源 c 4 04 8 063 01 2 3 0l5 5 | 灰岩普通硅酸盏4 25 5 3 i 。5 聚豫蔗本溪工源 c 5 05 1 05 6 01 2 6 01 5 0 艇岩普通硅酸盐4 2 5 2 3 超声波检测结构水泥混凝土强度的研究 5 3 1 5 m m 花本溪工源 c 2 53 6 57 101 l7 5 2 0 0 岗碧荣通硅酸釜4 2 5 5 3 1 5 m m 花本溪工源 e 3 03 8 573 0l i 6 01 7 5 岗岩普通硅酸盐42 5 5 3 1 5 m m 花本溪工源 c 4 048 06 3 01 23 0l s 5 岗岩藩通硅酸釜4 2 5 s 一3 l 。5 m m 花本溪工源 c 5 05 l o5 6 01 2 6 0l5 0 岗岩普通硅酸盐4 2 5 表3 3