超声波检测混凝土结构抗冻性的方法研究.pdf

试验研究 超声波检测混凝土结构抗冻性 的方法研究 刘卫东,张东芹 1) ,刘胜利 2) ,杨小风,张联洲 (山东省水利科学研究院,济南 250013) 摘 要:依据固体结构动弹模与表面波速度的关系,采用超声波法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行对比,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估出混凝土结构的抗冻性。初 步试验和研究表明,此方法研究思路切实可行,符合混凝土冻融特性的基本变化规律,能够实现从 试件测试向结构检测的发展,可供混凝土耐久性检测工程参考。 关键词:超声检测;混凝土结构;表面波速度;抗冻性 中图分类号:TG115. 28 文献标识码:A 文章编号:100026656(2002)0520196204 STUDY ON ULTRASONIC TESTINGOF FROST RESISTANCE OF CONCRETE STRUCTURES LIU Wei2dong, ZHANGDong2qin1), LIU Sheng2li2), YANG Xiao2feng, ZHANGLian2zhou (Water Resources Research Institute of Shandong Province , Jinan 250013 , China) Abstract : On the basis of the relation between the dynamic modulus of elasticity and the velocity of surface waves in solid structure , the dynamic modulus of elasticity in concrete freeze2thaw specimen was tested by ultrasonic wave method. The modulus was compared with the one tested by traditional resonance method to get the inherent laws. The regression equations were set up for dynamic modulus forecast of concrete elasticity , and the relevant dynamic modulus of elasticity was calculated by the velocity measured , then the frost resistance of a concrete structure was evaluated by the ratio of dy2 namic modulus of elasticity. Preliminary test showed that the method was feasible and up to the basic law of concrete freeze2thaw characteristics. It could realize the development from specimen testing to structure inspection , and supply ref2 erence for concrete durability test. Keywords :Ultrasonic testing; Concrete structure; Surface wave velocity; Frost resistance 水工混凝土建筑物经常受到冻融剥蚀破坏的作 用,因而其混凝土结构的抗冻性是需检测的主要指 标。由于试验室制作的试件与结构物上混凝土的抗 冻性存在着差异,在结构物上切割混凝土试件又会 引起破损,而且实验室测试也只对来样负责,因此必 须研究一种直接检测混凝土结构抗冻性的无损检测 方法,这对于实施混凝土工程现场质量控制,特别是 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,确保水工混凝土建筑物安全可靠地运行 收稿日期:2002201217 1) 山东建筑工程学院,济南 250014 2) 山东电力设备厂,济南 250022 具有实用价值。 以往我们采用共振法或敲击法测定混凝土试件 在冻融循环过程中的动弹模变化,并以此作为混凝 土材料的耐久性指标,这种方法对试件而言可算是 一种无损检测方法,但是对混凝土结构而言,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混凝土弹性、 非弹性等性能之间的关系分析,它不需要整体结构 的激振,而且超声波能够穿透混凝土结构本身,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结构的动弹性模量是可行 的。用表面平测法可测定混凝土表面波速度及纵波 691 第24卷第5期 2 0 0 2年5月 无损检测 NDT Vol. 24 No. 5 May 2 0 0 2 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 速度,再确定混凝土的泊松比,计算出动弹性模量, 因此不需要专门形状和尺寸的混凝土试件,就可在 各种混凝土结构上直接测得其动弹性模量,进而评 估混凝土结构的抗冻融指标。在此以共振法测量值 为基准参量,仿照超声波测混凝土强度的基本方法, 建立超声波测混凝土结构抗冻性校准曲线,在归纳 试验结果的基础上,用回归分析的方法确定混凝土 动弹模与超声波波速之间的关系。 1 超声法测混凝土结构动弹模的理论依据 1. 1 计算公式 为估算动弹模Ed,文献2提出了采用常规纵 波超声换能器,以表面平测法测定混凝土表面波速 来确定其动弹模Ed和泊松比的新方法,可在各 种混凝土结构物上直接测得其动弹性模量。 固体材料的动弹模与其表面波速之间的关系为 Ed= 2(1+) 3 (0.87+1.12) 2V 2 r (1) 式中 固体的密度 Vr 表面波速度 对硬化混凝土,泊松比一般在0. 20. 3之间。 如取= 0.2,则 Ed=2.888V 2 r (2) 如取= 0.25,则 Ed1= 2. 954V 2 r (3) 如取= 0.3,则 Ed2= 3. 021V 2 r (4) 其相对动弹模可按下式计算 P = V 2 r V 2 r0 100 %(5) 1. 2 检测原理 如图1所示,置于固体表面的纵波换能器将发 出轴向的平面波,即纵波 (P 波)、 横波 (S 波)及微弱 的径向边缘波(包括边缘纵波和横波)。换能器还发 射能量更强的表面波 (R 波)并沿固体表面传播,当 发、 收换能器以一定间隔置于固体表面时,可获得图 2所示的波形。 波形的前部应是纵波,因为它波速最大,但其振 幅很小,用1来表示纵波的初至点;波形后面部分振 幅突然增大,是由于波速小于纵波的表面波的到达, 但它的信号强,用2表示表面波的初至点;用3表示 表面波到达后的第一个峰值点。 测得任一距离下从发射开始至点1和点2的时 间,就可算得沿固体表面传播的纵波和表面波速度, 图1 纵波换能器发出的波 图2 接收波形与特征点 但为了消除仪器零读数和减小固体材料非均质的影 响,使用多点表面平测法。该法不仅比对测法检测 实际结构物更具可操作性,不受结构物尺寸和形状 的影响,而且也为与横向(弯曲)振动共振法作对比 创造了条件,试验中容易做到超声法与共振法测距 和测点都相同。这里超声换能器的距离均以内边缘 为准,测距从试件一端开始,分别为50 ,100 ,150 , 200和250mm ,将测得的传播时间(X轴)与相应的 测距 ( Y 轴)在坐标图上构成直线,其斜率应代表波 速。测得混凝土材料的表面波速度后,对于一般混 凝土,如密度已知,则可由式(1)求得混凝土材料的 动弹性模量。 2 用超声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表面波速度的试件尺寸为 100mm100mm400mm ,与混凝土抗冻试件尺寸 相同,选择四组不同配比的高强钢纤维混凝土和普 通混凝土试件,标准养护28d龄期后测试。首先对 混凝土试件进行冻融试验,按国标GB J821985 混凝土长期性能和耐久性能试验方法 执行,试件 冻融前在水中浸泡,冻融过程均处于水饱和状态,温 度分别控制在- 172 和82,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 的四分之一。在冻融试验过程中,每冻融循环25或 50次,测量出混凝土试件的超声表面波速度,同时 791 刘卫东等:超声波检测混凝土结构抗冻性的方法研究 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 用共振法测试混凝土试件的共振频率。 2. 2 测试仪器 采用CTS245型非金属超声波检测仪和附加示波 单元,另以一数字存储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触发脉冲触发, 并有能左右自由移动的游标,用来测量波形上任一点 的声时,精度为0.1s,从触发开始到游标所在位置经 历时间显示在示波屏上。使用一对50kHz普通纵波 换能器,并用黄油作耦合剂,同时采用DT24W自动扫 频数字动弹仪测量横向(弯曲)共振频率。 2. 3 测试结果 用表面平测法测量混凝土冻融试件在五个测距 下到达波形上点1 ,2 ,3时的声时,按常规作图法求 出测距2声时直线的斜率,最终得到超声表面波速度 Vr,测量时尽量使试件处于干燥状态。值得一提的 是,试验用混凝土试件的抗冻性能均较好,几乎看不 到混凝土试件表面剥蚀现象,重量损失率仅为 013 % ,混凝土表面冻融损伤层厚度很小,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。 通过对四组试件的测试,按式(2)计算得到混凝 土材料的超声表面波速度及其动弹性模量(表 1) 。 3 与共振法测混凝土动弹模的对比 3. 1 计算公式与结果 共振法是用周期脉冲力激励混凝土试件稳态振 动,记录其振动参数,根据激振频率及振动衰减系 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出现较快,因此采用横 向(弯曲)共振为基础的测试方法,可以迅速取得有 关混凝土表面性能变化的信息。 横向振动的动弹模与固有频率f关系的普适 表达式为 E d= 2l2f m2n 2 S J Tn(6) 式中 mn 由谐波次数决定的系数 J 转动惯量 Tn 与试件h/ l或d/ l及泊松比有关的 修正系数 对于矩形截面杆件,有J= ba3 12 (试件尺寸长宽高为l ba , S=ab) ,基振mn= 4.73,由于试件尺寸 比l/ a= 4 ( l = 400mm ,a= 100mm) ,根据参考文献 3 ,当泊松比=0.2时, Tn取1.40,上式可简写成 E d=3.392f 2 (7) = 0.25时, Tn取1.41,有 E d1=3.416f 2 (8) = 0.3时, Tn取1.42,有 E d2=3.441f 2 (9) 另外,如果按照两种方法所测的动弹模相 等4,即Ed=E d,由式(2)和(7)得 Vr=1.084f(10) 共振法测混凝土试件动弹模按式(7)计算,结果 如表2所示。 3.2 回归分析 通过对表1和表2中两种测试方法测得的各组 相应的动弹模Ed与E d、 波速Vr与频率f、 动弹模 表1 超声波法测试混凝土动弹模计算结果 1) 冻融 次数 第三组第四组 波速 m/ s 动弹模 GPa 相对动弹 模/ % 波速 m/ s 动弹模 GPa 相对动弹 模/ % 冻融 次数 第五组第六组 波速 m/ s 动弹模 GPa 相对动弹 模/ % 波速 m/ s 动弹模 GPa 相对动弹 模/ % 02 21732. 651002 16631. 1610002 28133. 061002 38436. 11100 502 16131. 0295. 02 11429. 6895. 2252 24732. 0897. 02 34835. 0397. 0 1002 13530. 2893. 02 10529. 4394. 4502 21231. 0994. 02 33334. 5895. 8 1502 09129. 0488. 92 08228. 7992. 41002 19030. 4792. 22 32734. 4095. 3 2002 06128. 1986. 02 08228. 7992. 41252 17330. 0090. 72 32634. 3795. 2 2502 01226. 8982. 02 03727. 5688. 41502 16629. 8190. 22 31233. 9694. 0 2752 00026. 5781. 42 03727. 5688. 41752 14729. 2988. 62 30433. 7393. 4 3001 99326. 3880. 82 03727. 5688. 42002 12228. 6186. 52 28733. 2392. 0 注 :1) 第三、 四组为钢纤维混凝土, 取 2. 3103kg/ m3;第五、 六组为普通混凝土, 取 2. 2103kg/ m3。 891 刘卫东等:超声波检测混凝土结构抗冻性的方法研究 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 表2 共振法测试混凝土动弹模计算结果 1) 冻融 次数 第三组第四组 频率 Hz 动弹模 GPa 相对动弹 模/ % 频率 Hz 动弹模 GPa 相对动弹 模/ % 冻融 次数 第五组第六组 频率 Hz 动弹模 GPa 相对动弹 模/ % 频率 Hz 动弹模 GPa 相对动弹 模/ % 02 08733. 981002 03732. 3710002 14834. 431002 23937. 41100 502 03632. 3495. 21 99030. 8995. 4252 11733. 4497. 12 20736. 3597. 2 1002 01331. 6193. 01 98130. 6294. 6502 08632. 4794. 32 19335. 8995. 9 1501 97230. 3489. 31 96029. 9792. 61002 06631. 8592. 52 18735. 6995. 4 2001 94529. 5186. 91 96029. 9792. 61252 05031. 3691. 12 18635. 6695. 3 2501 90128. 1983. 01 91928. 7388. 81502 04431. 1890. 62 17435. 2794. 3 2751 89027. 8782. 01 91928. 7388. 81752 02730. 6689. 12 16735. 0493. 7 3001 88427. 6981. 51 91928. 7388. 82002 00429. 9787. 02 15134. 5392. 3 注 :1) 第三、 四组为钢纤维混凝土, 取 2. 3103kg/ m3;第五、 六组为普通混凝土, 取 2. 2103kg/ m3。 表3 回归分析结果 项 目回 归 方 程 动弹模Ed 与E d Ed3= 0. 996Ed3- 1. 183 Ed5= 0. 999E d5- 1. 338 Ed4= 0. 988Ed4- 0. 819 Ed6= 0. 999E d6- 1. 28 波速Vr与 频率f Vr3= 1. 102f3- 83 Vr5= 1. 105f5- 93 Vr4= 1. 092f4- 59 Vr6= 1. 103f6- 85 动弹模Ed 与波速Vr Ed3= 1. 24510 - 5V r31. 924 Ed5= 1. 25410 - 5V r51. 917 Ed4= 1. 05810 - 5V r41. 944 Ed6= 1. 14210 - 5V r61. 929 Ed与波速Vr之间进行回归分析,常数项用最小二 乘法确定,得到回归方程如表3所示。 分析表3可见,超声波法与共振法所测得的混 凝土动弹模之间,表面波速度与横向共振频率之间 都具有很好的线性相关性,相关系数均在0.999以 上,两种方法所测得的物理量基本符合式(10)的关 系;混凝土动弹模与波速之间的相关性好,其回归曲 线与散点拟合效果很好,回归方程计算值较精确地 反映了混凝土动弹模变化规律,混凝土动弹模与波 速之间近似成平方关系。另外,从表1和表2可见, 两种方法所测得的相对动弹模基本相同,因而可用 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 土抵抗冻融破坏的能力。 4 结束语 超声波法检测混凝土结构抗冻性的方法研究, 仿照超声波测混凝土强度的基本思路,通过回归分 析建立了检测混凝土结构抗冻性校准曲线,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,即散点与回归曲线的拟合程 度很高;由相对标准误差计算值很小可知回归方程 所揭示的规律性很强,说明回归方程预报的混凝土 动弹模数值比较精确。因此,对应于混凝土结构中 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 凝土结构的抗冻性能。今后在考虑多因素影响的情 况下,将逐步深入完善超声波检测混凝土结构抗冻 性的研究,建立更加完备的混凝土结构抗冻性的无 损检测体系,更好地为混凝土耐久性检测工程服务。 参考文献: 1 国家建筑工程质量监督检验中心.混凝土无损检测技 术M.北京:中国建材工业出版社,1996. 2 罗骐先.用纵波超声换能器测量砼表面波速和动弹性 模量J .水利水运科学研究,1996 ,21(3) :264 - 269. 3 李为杜.混凝土无损检测技术M.上海:同济大学出 版社,1989. 4 琼斯R ,弗格瓦洛I著,季光泽,钱普殷,陈纪萱译.混 凝土非破损试验法M.北京:中国建筑工业出版社, 1982. 本刊 启事 邮局已开始办理 2002年下半年度报刊收订,请新老读者尽快去邮局办理订阅手续, 本刊邮发代号为42237 ,漏订上半年度期刊者请与本刊编辑部联系补购。 991 刘卫东等:超声波检测混凝土结构抗冻性的方法研究 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m