混凝土结构抗冻性超声检测方法的研究

混凝土构造抗冻性超声检测方法的研究摘要：根据固体构造动弹模与外表波速度的本构关系，采用超声波技术检测混凝土冻融试件的动弹模，并与共振法测出的动弹模进展比照，总结出其内在相关规律，建立起预报混凝土动弹模的回归方程，由测得的波速计算出相应的动弹模，再利用动弹模之比评定出混凝土构造的抗冻性。通过初步试验和检测方法的研究说明，此研究方法思路实在可行，可供混凝土耐久性检测工程参考。关键词：超声检测共振法混凝土构造抗冻性水工混凝土建筑物经常受到冻融剥蚀的破坏，所以其混凝土构造的抗冻性是必须检测的主要指标，由于实验室制作的试件与构造物上的混凝土抗冻性存在着差异，在构造物上切割混凝土试件所引起的破损又不能被人们承受，且实验室测试也只对来样负责，因此必须研究一种更加真实地反映混凝土构造抗冻性的无损检测方法，直接检测混凝土构造抵抗冻融破坏的才能，这对于施行混凝土工程现场质量控制，特别是对国家重点水工混凝土建筑物的质量检测及其长期耐久性评估尤为重要。共振法测定混凝士试件在冻融循环过程中的动弹模变化，作为混凝土材料的抗冻性指标，它对试件而言可算是一种无损检测方法，但对混凝土构造而言，共振法就无能为力［1］。超声波法测试量为波速、波谱和衰减系数等，其换算原理为应力波分析及其混凝土弹性、非弹性等性能之间的关系，它不需要整体构造的激振，而且超声波可以穿透混凝土构造本身，其辐射面较大，测量值和分析计算方法选择余地大，因此用超声波参量表达混凝土构造的动弹性模量是可行的，该方法不需要专门形状和尺寸的混凝土试件，就可评价混凝士构造的抗冻融指标。1超声波法测混凝土构造动弹模的理论根据1.1计算公式为计算动弹模Ed，文献［2］中提出了采用常规纵波超声换能器，依外表平测法测定混凝土外表波的速度，来确定其动弹模Ed和泊松比μ的新方法，可在各种混凝土构造物上直接测得其动弹性模量。固体材料的动弹模与其外表波速度之间的关系为［3］(1)(2)其相对动弹模可按下式计算：(3)式中：Vr0为初始外表波速度。1.2检测原理置于固体外表的纵波换能器将发出轴向的平面波，即纵波、横波以及微弱的径向边缘波，换能器还发射能量更强的外表波并沿固体外表传播。波形的前部应是纵波，因为它的波速最大，但其振幅很小；波形后面局部振幅突然增大，是由于波速小于纵波的外表波到达，但它的信号最强。采用超声多点外表平测法，测试时首先确定纵波的初至点以及外表波的初至点和第—个峰值点，为与横向振动共振法作比照，试验中尽量做到超声法与共振法测距和测点都一样，测距从试件端部算起，分别为50、100、150、200、250，测得混凝土材料的外表波速度后，对于密度的混凝土来讲，那么可由式〔1〕求得混凝土材料的动弹性模量。1.3共振法动弹模的计算方法共振法是用周期脉冲力鼓励混凝土试件稳态振动，记录其振动参数，根据鼓励频率及振动衰减系数，推算混凝土的弹性和非弹性性质，可作为混凝土耐久性试验中的一个测试指标得出其相对值。由于冻融损伤作用在混凝土表层中出现较快，因此采用横向共振为根底的测试方法，可以迅速获得有关混凝土外表性能变化的资料。横向振动的动弹模与固有频率关系的一般表达式为［3］(4)(5)Vr=1.084f(6)2用超声波法检测混凝土冻融试件的动弹模2.1测试方案测量混凝土材料超声波外表波速度的试件尺寸为100×100×400，标准养护28d龄期后测试。按混凝土长期性能和耐久性能试验方法GBJ82—85执行，试件冻融前在水中浸泡，冻融过程中均处于饱和水状态，其中温度控制在-17±2℃和8±2℃之间，冻融循环在2～4h内完成，用于融化的时间不得小于整个冻融时间的1／4。在试验过程中，每冻融循环50次，测量出混凝土试件的超声波外表波速度，并同时用共振法测试混凝土试件的共振频率。2.2测试仪器检测设备为TS-45型非金属超声波检测仪和附加示波单元，另以数字存贮示波器来显示波形和测量声时。示波器由附加示波单元所产生的激发脉冲触发，并有能左右自由挪动的游标，用来测量波形上任一点的声时，精度为0.1μs，从触发开场到游标所在位置所经历时间显示在示波屏上。探头使用一对50kHz普通纵波换能器，并用黄油做耦合剂，同时采用DT-4自动扫频数字动弹仪测量横向共振频率。2.3测试结果测量混凝土冻融试件在5个测距下，外表波到达初至点和第一个峰值点的声时，按常规作图法求出测距—声时直线的斜率，最终得到超声波外表波速度，在这里测量时尽量使试件处于枯燥状态。值得一提的是，试验用混凝土试件的抗冻性能均较高，几乎看不到混凝土试件外表剥蚀现象，重量损失率仅为0.3％，混凝土外表冻融损伤层很薄，试件横向和纵向相对变形也很小，因此在试验过程中混凝土材料的密度、泊松比及试件尺寸可以认为不变。根据测试的外表波速度和共振频率，按式〔2〕和式〔5〕计算分别得到混凝土材料的超声法和共振法动弹性模量，如表1所示。表1超声法和共振法动弹模测试计算结果冻融次数超声法共振法波速／(/s)动弹模／GPa相对动弹模(%)频率／Hz动弹模／GPa相对动弹模(%)ABABAB050100150200250275300221721612135209120612022200019932166211421052082208220372037203732.6531.0230.2829.0428.1926.8926.5726.5831.1629.6829.4328.7928.7927.5627.5627.5610095.093.088.986.082.081.480.810095.294.494.492.488.488.488.4208720362022197219451901189018842037199019811960196019191919191933.9832.3431.6130.3429.5128.1927.8727.6932.3730.8930.6229.9729.9728.7328.7328.7310095.293.089.386.983.082.081.510095.494.692.692.688.888.888.8注：试件为钢纤维混凝土，ρ取2.3×１０3kg/3。转贴于论文联盟.ll.表2回归分析结果工程回归方程动弹模Ed与动弹模波速Vr与频率f动弹模Ed与波速VrEdA=0.996-1.183VrA=1.102fA-83EdA=1.245×１０-5EdB=0.998-0.819VrB=1.092fB-59AEdB=1.058×１０-5由表2分析可见：超声波法和共振法所测得的混凝土动弹模之间，外表波速度与横向共振频率之间具有良好的线性相关性，两种方法所测得的物理量根本符合式〔6〕的关系，其回归曲线与散点拟合效果很好，回归方程计算值较准确地反映了混凝土动弹模变化的规律，混凝土动弹模与波速之间近似成平方关系。另外从表1中可见，两种方法所测得的相对动弹模根本一样，因此可以用超声波法对混凝土试件测试的动弹模，代替共振法所测试的动弹模数值，再用其相对动弹模来判别混凝土抵抗冻融破坏的才能。4结语超声波法检测混凝土构造抗冻性的方法研究，仿照超声波测混凝土强度的根本思路，通过回归分析建立了检测混凝土构造抗冻性校准曲线，从数理统计结果得出：混凝土动弹模与超声波速度之间存在着良好的相关性，每组相关系数非常接近于1，相关系数检验数值显著；对于回归方程效果的检验，由相对标准误差计算值很小，可知回归方程所提醒的规律性很强，说明回归方程预报的混凝土动弹模数值比拟准确。因此，对应于混凝土构造中测量到的某一波速，可由曲线获得其相应的动弹模值，再用该动弹模值与初始动弹模值之比，评估出混凝土构造的抗冻性能。今后在考虑多因素影响的情况下，逐步深化完善超声波检测混凝土构造抗冻性的研究，建立更加完备的混凝土构造无损检测体系，实现从试件测试到构造检测。参考文献：［1］国家建筑工程质量监视检验中心.混凝