摘 要:根據超聲波檢測混凝土強度的基本原理和超聲波在混凝土中傳播的基本特性,對超聲波檢測混凝土強度的影響因素進行了較全面的分析,指出了超聲波檢測技術在混凝土工程測強應用中存在的問題,并對超聲波檢測技術在混凝土工程的應用進行了展望。
關鍵詞:混凝土,強度,超聲波檢測
中圖分類號: TU375
超聲檢測是混凝土檢測技術中的一個重要方面[ 1 ] 。1949 年,加拿大的萊斯利(Leslide) 、切斯曼(Cheesman) 和英國的瓊斯(R·Jones) 、加特費爾德( Gatfield) 首先把超聲脈沖檢測技術應用在結構混凝土中,開創了超聲檢測這一新領域。目前,世界許多國家及國際學術團體都先后制定了混凝土超聲檢測的標準、規程以及規范。我國自20 世紀50 年代開始開展這項技術的研究,在60 年代普遍應用于工程檢測?，F在,隨著超聲波檢測應用技術范圍的擴大和理論研究的不斷深入,其混凝土工程中的應用研究也有了很大進展。
1 超聲測強的基本原理
發射換能器以一定重復頻率間斷地發射出一組超聲脈沖,即超聲脈沖波,簡稱超聲波,所以,超聲脈沖法簡稱超聲波法。超聲波法是根據超聲脈沖在混凝土中傳播的規律與混凝土的強度間存在一定關系的原理,通過測定超聲脈沖的有關參數,然后依據測定的參數推斷混凝土強度的一種檢測方法。其檢測原理是[ 2 ] :超聲儀產生高壓電脈沖,激勵發射換能器內的壓電晶體獲得高頻聲脈沖,聲脈沖傳入混凝土介質中,由接受換能器接收通過混凝土傳來的聲信號,測出超聲波在混凝土中傳播的時間和距離,算出超聲波在混凝土中的傳播速度。
由于聲波在混凝土中的傳播速度能反映混凝土的密實度,而混凝土的密實度又與混凝土的強度有關,因而超聲波在混凝土中的聲速與混凝土的強度之間存在相關關系?；炷猎矫軐?聲波在混凝土中的傳播時間越短,聲速越大,混凝土強度就越高;反之,混凝土越疏松,聲波在混凝土中的傳播時間越長,聲速越小,混凝土強度也就越低。因此可以通過測定聲波在混凝土中的傳播速度來推定混凝土的強度[ 3 ] 。
2 混凝土中超聲波傳播的特點[ 4 ]
混凝土獨特的內部結構,使得超聲波在其內部傳播時,具有自己獨特的方式。
1) 超聲波在混凝土中傳播時衰減大。2) 超聲波在混凝土中傳播時指向性較差。3) 波形往往因界面發射和折射而曲折,因此,當超聲波在混凝土中遇到較大缺陷時并非直線傳播。4) 混凝土中,在聲場所空間內的任何一點,都存在著一次聲波(即入射聲波) 及二次聲波(即反射波、折射聲波和波型轉換后的橫波) 。探頭所接收的信號是一次聲波和二次聲波的疊加。
3 超聲測強的主要影響因素
3. 1 原材料及配合比的影響
1) 水泥品種的影響。早齡期的混凝土,不同的水泥強度發展規律并不一致,有的水泥早期強度高,有的后期強度高。
2) 礦物細摻料的影響。現在,混凝土向高強、高性能的方向發展,配制高強或高性能混凝土的主要方法之一就是摻加礦物細料,摻加硅灰配制高強混凝土已經是很成熟的方法。研究表明,硅灰提高了超聲聲速值,主要原因在于硅灰顆粒細小,僅是水泥顆粒直徑的1/ 100 ,具有高度的分散性,可以充分地填充在水化水泥顆粒之間,提高漿體硬化后的密實度。
3) 粗骨料的品種和含量影響。研究表明,石子品種的影響并不顯著,在利用測強曲線時可以不考慮石子品種的影響。因為卵石和碎石的石質相同,因此對聲速影響不多,但是,由于碎石表面粗糙,有利于水泥石和骨料的粘結,強度要比卵石高。
4) 砂率的影響。合理的砂率,使混凝土密實度增加,粘聚性較好,另一方面,砂率的變化導致粗骨料含量的變化,雖然砂率的變化對強度影響不是很大,但是對聲速的影響是不容忽略的。
5) 配合比的影響。配合比不同,超聲聲速存在顯著的差異,各種材料相同的混凝土,由于配合比的不同,各種原材料的用量在同體積的混凝土中并不相同,如粗骨料偏多的混凝土,超聲波傳播的速度就要比粗骨料含量少的混凝土傳播快,水灰比W/ C大的混凝土,由于水分蒸發較多,孔隙多,使聲速偏低;相反, W/ C小的混凝土,內部密實,水分蒸發后留下的孔隙少,超聲波傳播速度快。
3. 2 外部條件的影響
1) 齡期的影響。在早齡期的混凝土中,聲速值的增加大于混凝土強度的增加,隨著齡期增加,聲速的增加要小于強度的增加。
2) 養護方法的影響。在養護方法中,一般認為在水中養護的混凝土比在空氣中養護的混凝土水化充分,水化產物增加填充了毛細孔,毛細孔孔隙率減少,使聲速值有所提高。
3) 溫度和含水率的影響。溫度對聲速有一定影響,當溫度在20 ℃～40 ℃之間時對聲速影響不大,當溫度超過50 ℃時,聲速隨溫度的升高而降低。超聲波傳播速度隨孔隙被水填滿而逐漸增高。
3. 3 其他條件的影響
1) 結構中鋼筋的影響和修正。超聲波在鋼筋中的傳播速度比在混凝土中高1. 2 倍～1. 9 倍,因此,在檢測含有鋼筋的混凝土時,所得的超聲聲速值往往偏大,應根據情況進行修正。
2) 混凝土的缺陷與損傷。如果混凝土中含有裂縫,就不能用超聲波檢測混凝土強度,在檢測時,應結合首波形狀提高準確度,如果首波形狀發生改變,說明混凝土內部存在缺陷,此時就不應繼續使用超聲聲速換算混凝土強度。
4 在混凝土工程測強應用中存在的問題與發展趨勢
4. 1 建立單獨基于超聲法檢測混凝土強度的關系曲線
利用超聲波法檢測混凝土強度一直以來存在較大爭議,但這并不能代表超聲波不能應用于混凝土強度的檢測,如超聲波檢測在我國云南漫灣的應用就取得了良好的經濟效率[5] 。目前關于超聲波檢測混凝土強度在國內已展開相應研究[6] 并取得了一定成果,但由于影響超聲檢測的諸多因素,單獨用超聲波檢測混凝土強度的方法還未正式形成規程,目前已建立的測強曲線規范大多是基于超聲回彈綜合法[7] 。建立單獨基于超聲法檢測混凝土強度的規范還有待進一步的研究。
4. 2 將超聲法檢測混凝土強度與混凝土缺陷結合
目前超聲法檢測已應用于混凝土工程的各個方面,主要有混凝土測強、混凝土裂縫深度檢測、不密實區空洞檢測、混凝土結合面質量檢測、表面損傷層檢測、灌注樁混凝土缺陷檢測、鋼管混凝土缺陷檢測。檢測中對混凝土測強與測缺陷是各自獨立,分開進行的,這樣不僅給檢測工作增加了工作量,而且阻礙了超聲法檢測技術在混凝土工程中的廣泛應用。超聲法測強與超聲法測缺陷二者緊密結合起來,將成為超聲法檢測技術在混凝土工程中應用的一個熱點問題。
4. 3 超聲成像檢測技術
超聲成像有直觀易懂、檢測精度高的特點,隨著機械掃描成像技術的成熟,近幾年我國超聲成像檢測技術有了飛速的發展。將計算機層析成像(Computerized Tomography ,簡稱CT) 技術應用于混凝土超聲法檢測,即為混凝土超聲波層析成像檢測方法。利用超聲波CT 技術可以獲得整個測區混凝土質量分布情況的直觀圖像。與常規聲波檢測相比,對混凝土內部缺陷的判斷可做到定量化。超聲波CT 將是超聲波檢測技術在混凝土無損檢測領域的又一發展方向。
參考文獻:
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