用纵波波速推算混凝土抗压强度的对比试验及其分析.pdf

试验研究 用纵波波速推算混凝土抗压强度 的对比试验及其分析 刘向阳,刘毅岱,李 俊 (机械工业部第四设计研究院,洛阳 471039) 摘 要:基于波在无限体和一维杆中的传播理论,通过对标准立方体试块的超声、 抗压强度试 验和混凝土梁的超声、 纵波波速试验进行对比,统计分析混凝土抗压强度、 超声声速和纵波波速三 者间的关系,进而将由纵波波速推算混凝土抗压强度用于工程实践。 关键词:超声检验;混凝土;抗压强度;超声声速 中图分类号:TG115. 28 +5 文献标识码:A 文章编号:100026656(2001)0920388203 COMPARATIVE TEST AND ANALYSIS OF THE CALCULATION OF CONCRETE COMPRESSIVE STRENGTH BY LONGITUDINAL WAVE VELOCITY LIU Xiang2yang, LIUYi2dai, LI Jun (The 4th Design and Research Institute , Ministry of Machine Building Industry , Luoyang 471039 , China) Abstract :Based on the transmit theory of sound waves in infinite body and one2dimension rod , the relationships a2 mong the concrete compressive strength , ultrasonic velocity and longitudinal wave velocity were analyzed through compar2 ative test of the ultrasonic velocity and compressive strength of standard cubic specimen with the ultrasonic velocity and longitudinal wave velocity of concrete girder. And then the calculation of concrete compressive strength by longitudinal wave velocity was applied to practical engineering. Keywords :Ultrasonic testing; Concrete; Compressive strength; Ultrasonic velocity 1 基本理论 无限体假设为当波长小于固体尺寸时,在固 体内可产生纯纵波,此时该固体可视为无限体。标 准混凝土试块(简称试块)尺寸为150mm150mm 150mm ,对其进行超声试验通常所采用的换能器 频响约为50kHz ,根据=C/ f= 9cm(f为频率, C 为波速,取C= 4 500m/ s) ,小于试块尺寸,即可将 试块视为无限体。 一维杆假设为当d , dL时 ( d , L分别为 杆状体的直径和长度 ) , 该杆状体可视为一维杆。工 程中所采用的基桩通常能满足一维杆的条件,故反 射波法所测波速可视为一维杆的纵波波速。 根据波动理论可知波的传播速度与波的类型、 介质的性质及其边界条件有关,假设固体介质为各 收稿日期:2001201220 向同性,由波动方程可导出无限体介质中纵波的传 播速度C1和一维杆介质中纵波的传播速度C2,即 C1= E( 1-) (1+) (1-2) (1) C2= E (2) 式中 E 杨氏弹性模量 泊松比 密度 由式(1) , (2)可知,在无限体介质和一维杆介质 中纵波的传播速度差异取决于介质的泊松比,取普 通混凝土泊松比= 0.20,式(1)与式(2)相比可得 C1 C2 = (1-) (1+) (1-2) =1.111(3) 2 对比试验 试验的目的是建立纵波波速与混凝土抗压强度 883 第23卷第9期 2 0 0 1年9月 无损检测 NDT Vol. 23 No. 9 Sep . 2 0 0 1 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 的关系。根据既有的测试手段和上述理论基础,就 可找出两者的联系纽带 超声声速。为此模拟工 程桩的长径比制作混凝土梁,通过对梁的相关试验 试图得到纵波波速、 杆件声速和无限体声速之间的 内在联系;对试块进行超声、 抗压强度试验,可以建 立试块的声速(无限体声速)和抗压强度的相关关 系。综合混凝土梁和试块的试验即可建立纵波波速 与混凝土抗压强度之间的关系。 2. 1 混凝土梁的纵波波速、 纵向声速及横向声速的 对比试验 结合本地区的基桩类型,长径比一般在1535之 间,根据该长径比制作了三榀混凝土梁,其截面尺寸 均为150mm150mm ,长分别为2. 41 ,2. 80和4. 00m ,长径比分别为16. 1 ,18. 7和26. 7。在不同龄 期下进行反射波和超声试验,测得梁的纵波波速、 纵 向声速(即杆件声速)及横向声速(即无限体声速 ) , 试验数据如表1所示。 表1 混凝土梁的纵波波速C纵、 纵向声速C超P及横向 声速C超S试验数据 梁编号龄期/ dC超S/C超PC超P/C纵C超S/C纵 1 3 8 1. 132 1. 126 1. 073 1. 131 1. 234 1. 238 2 4 20 32 1. 123 1. 119 1. 113 1. 121 1. 127 1. 126 1. 248 1. 246 1. 245 3 4 8 16 28 1. 133 1. 131 1. 126 1. 132 1. 068 1. 063 1. 037 1. 045 1. 203 1. 214 1. 196 1. 203 平均值1. 1261. 0881. 225 假设梁为一匀质各向同性体,根据式(3)可知梁 的横、 纵向声速比应为1. 111 ,表1中梁的横、 纵向 实测声速比为1. 126 ,两者的差值为0. 015 ,该差值 与混凝土的匀质各向同性的假设、 泊松比的取值 及试验误差等因素有关。梁的纵向声速与纵波波速 的比值为1. 088 ,这是由两种不同的测试方法所引 起的,超声试验属高频测试,反射波法属低频测试, 姑且称该系数为方法系数。有了梁的横、 纵向声速 比值和梁的纵向声速与纵波波速比值后,将两者的 比值相乘即得到梁的横向声速与纵波波速的比值, 即无限体声速与纵波波速的比值 C超S C纵 = C超S C超P C超P C纵 = 1.1261.088=1.225(4) 2. 2 试块声速与抗压强度的对比试验1 ,2 为消除龄期因素的影响,低应变现场检测结束 后即对反映该批试桩的试块取样,进行同龄期下的 超声和强度试验,并按骨料种类(卵石、 碎石)分类, 对已有218块试块资料(骨料为卵石的140块、 骨料 为碎石的78块,龄期780d ,设计强度等级为C152 C40) 进行回归分析,先后用三种数学模型进行分析 对比,指数模型R=AeBx的分析效果最佳,最符合 试块声速2抗压强度散点图的非线性分布特征,如图 1 ,2所示,回归分析的结果列于表2。 图1 (卵石)试块声速2抗压强度回归分析图 图2 (碎石)试块声速2抗压强度回归分析图 表2 试块声速与抗压强度回归分析结果 骨料 种类 试块数 量/块 系数 A 系数 B 相关 系数 平均相对 误差/ % 卵石1400. 411 830. 902 350. 86717. 2 碎石780. 091 001. 252 560. 93414. 5 将表2中的A和B代入方程R=AeBx,即可 得试块声速与抗压强度的回归方程 R卵石=0.411 83e0. 902 35x (5) R碎石=0.091e1. 252 56x (6) 式中 R 试块的抗压强度,MPa x 试块的超声声速,即无限体声速,km/ s 由表2可知,用试块的超声声速推算混凝土抗 983 刘向阳等:用纵波波速推算混凝土抗压强度的对比试验及其分析 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 压强度时,粗骨料为卵石的平均相对误差17. 2 % , 粗骨料为碎石的平均相对误差为14. 5 % ,对无损测 强而言是能够满足工程需要的。表2中的相关系数 偏低,缘于混凝土是一种非匀质材料,它的粗骨料 粒径及含量、 骨料品种、 水灰比和湿度等对其强度的 影响较为明显。若试块最大粗骨料偏大,对其进行 超声试验时当测线方向沿最大粗骨料的长轴方向声 速偏高,进行抗压强度试验时,试块的破坏面往往最 先发生在最大粗骨料与水泥砂浆的胶结面,破坏强 度偏低3。该现象已在试验过程中得以证实,粗骨 料为卵石的试块表现更为明显。 2. 3 声波透射法与反射波法的检测对比 为进一步验证无限体声速与纵波波速的比值关 系,结合工程对预埋管声波透射法检测的基桩同时 进行反射波法检测。经对50余根基桩的实测数据 统计,得到超声声速与纵波波速的比值为1. 223 ,该 比值较接近式(4)。 综合上述分析,在对基桩进行完整性检测后,利 用式(4)将基桩的纵波波速换算为无限体的超声声 速,利用回归方程(5)或(6)推算出被测基桩的混凝 土抗压强度,从而达到用反射波法检测基桩完整性 的同时对桩身混凝土抗压强度作出评价的目的。 2. 4 仪器设备 (1)超声检测用北京市政工程研究院研制的 NM23A型非金属超声检测系统,分辨力为0. 1s , 量程为09 999. 9s。在合格检定周期内。 (2)反射波法检测用中国建筑科学研究院地基 所研制的FEI2C型桩基动测分析系统,精度等级为 0. 1级,12位A/ D转换,采样频率上限50kHz;传感 器为美国ENDEVCO公司研制的72542500型内装 放大式压电加速度传感器,灵敏度51mV/ ms - 2 ,量 程04. 9km/ s2。在合格检定周期内。 (3)压力试验用无锡建材仪器厂生产的NYL2 200型压力试验机,量程00. 8(2) MN ,分辨力为2. 5 (5. 0) kN。在合格检定周期内。 3 工程实例 (1)某业务楼高五层,框架结构,最大桩间距 10m ,桩直径d= 0. 81. 2m ,桩底直径D= 1. 2212m , 桩长L9. 5m ,设计混凝土强度等级C20 ,最大单 桩设计承载力为4 900kN。于2000年2月对该工 程的桩基进行检测,部分基桩的纵波波速明显偏低, 龄期1522d ,纵波波速为2 7003 600m/ s ,间隔12d 复测,纵波波速分布在2 9003 600m/ s ,依据实测纵 波波速应用式(4)推算桩身混凝土的抗压强度,部分 基桩的桩身材料已无法满足设计要求。建议用取芯 法核查桩身混凝土的抗压强度。根据八根基桩的芯 样抗压强度与推算抗压强度的对比,结果基本一致。 试验数据如表3所示。 表3 推算抗压强度与芯样抗压强度对照表 桩号 纵波波速 ms- 1 推算强度 MPa 芯样强度 MPa 相对误差 % 23 19514. 116. 1- 12. 4 203 10012. 710. 9+ 16. 5 243 59321. 923. 2- 5. 6 373 15213. 411. 4+ 17. 5 412 8109. 28. 6+ 7. 0 422 95410. 811. 9- 9. 2 473 02611. 711. 3+ 3. 5 502 95010. 710. 9- 1. 8 (2)某住宅楼,高五层,砖混结构,d= 0. 32 0155m ,L12. 0m ,设计混凝土强度等级C20。于 1998年8月进行基桩完整性检测,龄期911d ,桩底 信号依稀可辨,纵波波速分布在2 7003 100m/ s之 间,其推算强度均 11. 0MPa。为消除龄期因素的 影响,间隔7d后复测,经分析对照部分基桩的纵波 波速略有上升,而另一部分基桩的纵波波速反而呈 下降趋势,该现象预示着水泥安定性可能存在问题。 对现场剩余水泥进行复测,3d龄期的水泥试验报告 安定性不合格,整个桩基报废。 以上例举的两项工程只是我院近年经基桩检测 所发现的存在严重质量问题的工程之中的两项,仅 1998和1999年用纵波波速推算混凝土抗压强度的 方法共查明八项工程的基桩混凝土抗压强度存在不 同程度的问题,其中有三项工程的桩基整体报废,有 五项工程的桩基局部报废。可见,用桩身纵波波速 推算其混凝土抗压强度具有自身的工程价值和良好 的可行性。若例举工程在进行完整性检测时对基桩 的混凝土抗压强度不作任何评价而继续施工,待上 部结构建成后所造成的后果是难以估量的。在进行 基桩完整性检测时,若发现桩身纵波波速的离散性 很大且明显偏低时,对桩身混凝土强度的评价较基 桩的完整性检测更具有工程意义。 4 结束语 (下转第413页) 093 刘向阳等:用纵波波速推算混凝土抗压强度的对比试验及其分析 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 量、 电离辐射计量早已各作为一大计量出现。把无 损检测仪器划在力学这个栏目不恰当。这使它在分 类与管理上产生混乱,是到了应该解决的时候了。 (2)无损检测技术涉及面广,且造成的后果可 能危害性极大,建议把无损检测技术纳入特种工艺 管理范畴,使用的器材作为计量器具归类加以管理。 (3)对购置的设备及零配件必须有三证,即产 品合格证、 产品使用说明书和计量部门鉴发的证书。 当然,由于无损检测技术解决的问题是多方面 的,有的器材还在研制发展中,对它们的检定还不是 很成熟。如目前还没有对内窥镜使用中的质量控制 制订通用的标准,对内窥镜进行强检的条件更不具 备13。这类问题应按国务院批准的五条计量立法 原则和计量法中相关规定作相应处理。 总而言之,对无损检测仪器的管理是一个值得 关注的问题,要真正解决好,任重而道远。 感谢孙树青先生为该文提供的帮助。 参考文献: 1 郭成彬.无损检测仪器与计量器具J .无损检测, 1998 ,20(2) :59 - 60. 2 吴成南,赵洪桥,冉启芳.探伤机与计量器具J .无损 检测,1998 ,20(1) :29 - 30. 3 国家计量局计量法规处.中华人民共和国计量法问题 解答M.北京:中国计量出版社,1987. 5 ,8 ,9 ,111. 4 GB 113451989 ,钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤 结果的分级S. 5 张泽琦,张 坚.超声换能器频率特性和探伤仪接收放 大器性能及测试方法J .无损检测,1999 ,21(1) :15. 6 李江华.浅谈岸边集装箱起重机的无损检测工作质量 控制J .无损检测,1995 ,17(4) :113. 7 CB/ T 35591993 ,船舶钢焊缝手工超声波探伤工艺 和质量分级S. 8 董务江.俄制民用客机维护中的无损检测质量控制 J .无损检测,1998 ,20(5) :134. 9 王 彦,李朝阳,韩义和.医用超声诊断仪实施强制检 定的必要性J .计量与测试技术,1999 ,26(3) :37. 10 超声波探伤 编写组.超声波探伤M.北京:电力工 业出版社,1980. 153. 11 李 新.浅谈超声波测厚J .无损检测,1995 ,17(9) : 258 ,259 ,261. 12 朱文钰.对国产工业X射线探伤仪器改进的几点看 法J .无损检测,1997 ,19(7) :203. 13 董务江,张立勇,杨宝继.内窥检测技术在航空发动机 维护中的应用J .无损检测,1999 ,21(4) :175. (上接第374页) 因而,在提高摄象机标定精度的前提下,该方法能够 获得较高的测量精度。 3 结论 采用基于主动视觉的双目传感器可以完成自由 曲面的快速三维检测。测量的精度取决于系统标定 的精度、 象面特征的提取精度以及图象匹配的精度。 本文提到的基于视觉的测量方法能够工作于现场环 境,且测量效率较高,是一种比较理想的三维形貌的 非接触式快速测量方法。 参考文献: 1 张祖勋,等.数字适应摄影测量学M.武汉:武汉测绘 科技大学出版社,1996. 2 贾云得.机器视觉M.北京:科学出版社,2000. 181. 3 张健新,等.用于三维尺寸检测的双目视觉传感器J . 计量学报,1999 ,(4) :96 - 100. 4 邹定海.三维视觉检测研究及其ADC应用D.天津: 天津大学,1992. 5 段发阶.计算机视觉检测基础理论及应用技术研究 D.天津:天津大学,1994. (上接第390页) 尽管混凝土强度的影响因素较多,但强度和波 速的对应关系总是存在的。利用桩身纵波波速推算 桩身混凝土强度时,需要结合工程做相应的对比试 验,因为不同地区、 不同工程所用原材料的相关特 性、 混凝土配合比等总是存在一定的差异性,不能简 单地套用,且该方法只适用于完整桩的混凝土强度 推算。本文所述试块声速与抗压强度的统计样本 中,低强区段的样本数量偏少,尚待进一步积累,统 计样本的分类可进一步细化,使该方法的准确性得 以提高。 本文所用试验数据是本院桩基检测室全体同志多年积 累而成的,在此表示感谢! 参考文献: 1 国家建筑工程质量监督检验中心主编.混凝土无损检 测技术M.北京:中国建材工业出版社,1999. 2 童寿兴,李为杜.超高强度混凝土超声波测强技术的研 究J .无损检测,1994 ,16(1) :7 - 8. 3 CECS 02 :1988 ,超声回弹综合法检测混凝土强度技术 规程S. 314 王 真:无损检测仪器与计量器具 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.