中等强度混凝土超声波速与龄期相关性试验研究.pdf

试验研究 中等强度混凝土超声波速与龄期 相关性试验研究 施荷芳李志成,朱 隽,艾德武,李国荣,邱 飞 (南京铁路分局 南京建筑段,南京 210011)(解放军理工大学 工程兵工程学院,南京 210007) 摘 要:通过对27个混凝土试块的超声试验,提出判定早期混凝土强度的试验方法。研究结 果表明普通混凝土在28d内龄期与混凝土中超声波速有良好的相关性,并给出了具体的回归方程 式,为超声回弹综合法提供了可靠的对照曲线。 关键词:混凝土强度;超声检验;回归分析;声速 中图分类号:TG115.28 + 5 文献标识码:A 文章编号:100026656(2001)1020436203 RELATIVITY TEST OF THE ULTRASONIC VELOCITY AND AGE OF MIDDLE INTENSITY CONCRETE SHI He2fang (Construction Department , Nanjing Railway Branch Bureau , Nanjing 210011 , China) LI Zhi2cheng, ZHU Jun , AI De2wu, LI Guo2rong, QIU Fei (Engineering Institute of Engineer Corps , PUST, Nanjing 210007 , China) Abstract : A method for determining the strength of nonage concrete was put forward through ultrasonic testing of twenty2sev2 en specimens. The favorable relativity of the ultrasonic velocities and ages (within 28 days) of concretes was shown by test results and its regression formula was given as criterion of the velocities for the qualities of concretes. Keywords :Concrete strength; Ultrasonic testing; Regression analysis; Velocity 众所周知,超声波可以穿透电磁波和光波无法 穿过的物体,其物理性质的变化能够反映出物体的 基本物理性质,如密度、 弹性模量等。超声波在混凝 土中传播所引起波速、 振幅及频率的变化,可以反映 混凝土的强度、 裂缝及空洞等信息。所以超声检测 在土木工程上得到了广泛应用,其特点是检测可靠、 测定迅速、 操作简便、 对人体无害,而且设备便宜、 可 靠性好、 寿命长、 携带方便 1 ,2 。超声法作为一种典 型的无损检测方法,在国内外无损检测领域中占有 重要的地位。 我国目前已经颁布了超声检测方面的规范,即 CECS 02 :1988超声回弹综合法检测混凝土强度技 术规程 和CECS 21 :1990超声法检测混凝土的缺陷 技术规程 。随着科学技术的发展,超声测试水平 收稿日期:2000206226 和仪器技术不断改进,使超声法在混凝土的强度测 试和缺陷测量方面有了很大的进步。混凝土早期测 强和探伤相结合的测量技术,可用于早期预知混凝 土的强度和结构的安全性,减少早期施工中留下的 隐患。 从国内外超声测强规定中可知,工程中用超声 法测强,必须对工程试块做超声实验,取得一个基本 曲线和回归方程,以此对照才能应用于实际工程中。 关于如何准确测试超声声速,许多学者进行了大量 研究,但由于超声声速在混凝土硬化过程中有很大 的变化,学者们大多数仅给出了变化的趋势,并未提 出实用的应用公式 3 ,4 。本文通过对混凝土试块的 超声试验研究,探讨混凝土的龄期与声速之间的关 系,在大量统计数据的基础上,给出了混凝土在标准 条件下28d的硬化过程中超声声速的变化规律,得 出了回归方程式,并给出了具体的应用公式。 634 第23卷第10期 2001年10月 无损检测 NDT Vol. 23No. 10 Oct .2 0 0 1 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 1 试验原理 在混凝土的粗骨料粒径、 配合比等参数不变的 情况下,超声波在混凝土中的声速变化主要与混凝 土的强度有关,而混凝土的强度随着龄期变化而变 化,显然,超声波的声速与混凝土的龄期也一定有相 关性 5 ,故如能找出这个相关性,从另一方面也可以 反映出混凝土的强度与龄期的关系,这在工程应用 中有重要的参考价值。 考虑到超声波在混凝土中传播受混凝土的配合 比、 骨料粒径和水泥品种等多方面因素的影响,在本 次试验中,试块的制作和测量是在同一条件下(即采 用相同的配合比、 骨料、 水泥以及施工工艺)进行的。 测点布置及测试仪器原理见图1 ,通过测定超声波 在混凝土中的传播时间,计算超声波的声速。整个 试验在混凝土试块凝固期内完成,分别在第4 ,6 ,9 , 11 ,14 ,17 ,20 ,25和28天进行测量,然后对数据进行 整理,得出拟合曲线和回归公式。 (a)测点布置图 (b)测试系统原理图 图1 超声测量示意图 2 试验方法 2.1 材料准备 在相同条件下,采用相同的配合比,在同一时间 制作了混凝土强度等级为C25的标准试块27块。 为了进行对比,把试块分为三大组(编号为SK1 , SK2 ,SK3) ,每组再分三小组(编号为SK111 ,SK112 , ,SK333)。拆模后,在试块两侧较平滑的侧面上, 如图1标出五个测点的位置。中间的测点统一编为 第五个测点。 2.2 养护环境 把27块试块均放在室内自然通风处养护。在 第28天对三组九块试块进行强度试验,得出平均强 度为25.6MPa ,这与设计值基本吻合。 2.3 测试设备 本次试验采用扬州专用超声设备厂生产的HF2 D型智能超声仪,该仪器振荡频率范围为10Hz2 1MHz;记录范围为0. 16 800s;最小声时读数为0. 1s;最小衰减分度为1dB ;稳定工作时间 4h。 该超 声波仪器指标符合规范CECS 02 :1988和CECS 21 : 1990的要求。该仪器把超声波发射、 接收和数据采 集等设备集中在一个扩展箱中,外加一台笔记本电 脑和一对平面换能器,组成一套完整的超声检测系 统。该仪器能够把数据较完整地用坐标在屏幕上显 示出来,还具有可存储、 操作简单和携带方便等特 点。 2.4 检测方法 测试前,先对仪器进行自测调整,通过自测中波 形幅值显示,发射电压调整为500V ,衰减指数为38 , 存储长度为1 200s ,然后把两个平面换能器表面涂 上黄油,相对压紧进行测量,屏幕上应出现明显的波 形,连续测量三次,读出波形起始时的声时数值t0, 即此时t0为测量的初始值。再如图1b所示在所测 试块的测点两面也涂上黄油,使换能器与试块之间 不留空隙,在测点上多次反复进行测量,记录下此时 屏幕上波形起始时的声时值(精确至0. 1 s) 和首波 振幅值(精确至毫米 ) , 再测下一个测点。 3 试验结果分析 为保证数据处理的可靠性,在测出的五个测点 值中,去掉最大和最小值,取余下的三个进行算术平 均,即 t= t1+t2+t3 3 (1) 式中 t 声束经过试块的时间,s 并计算声速为 V= L t-t0 式中 L 试块长度,cm 根据数据点的分布情况,采用幂函数方程作为 V2D曲线回归方程 V=AD B (2) 式中 V 超声波声速,ms D 混凝土的龄期,d A,B 待拟合系数 由于数据较多,故采用拟合效果非常好的专用数据 734 施荷芳等:中等强度混凝土超声波速与龄期相关性试验研究 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 处理工具 origin软件进行拟合,拟合参数如表1 所示,其中部分拟合曲线如图2所示。 由拟合结果可知,超声波声速与混凝土的龄期 有良好的相关性,从整个声速变化曲线可知,随着时 间的增长,超声波声速的增幅在减缓,这与混凝土的 强度增幅随着龄期的增长而减缓相一致。该曲线方 表1 试块拟合参数表1) 试块参数A参数B试块参数A参数B SK1113 442.40.075SK2233 273.10.060 SK1123 766.50.034SK2313 424.80.063 SK1133 388.80.062SK2322 821.30.120 SK1213 564.20.036SK2333 034.60.098 SK1223 586.00.034SK3113 503.20.043 SK1233 572.40.036SK3123 554.80.035 SK1312 766.50.147SK3133 479.40.040 SK1323 220.10.090SK3213 476.90.050 SK1333 243.50.087SK3223 508.00.041 SK2113 801.50.020SK3233 406.00.058 SK2123 790.90.014SK3313 237.90.089 SK2133 024.30.094SK3323 044.10.109 SK2213 397.50.054SK3333 168.40.093 SK2223 572.70.026 注 :1) 统计结果为A平均=3 372.9 ,B平均= 0.063 ,相关系数为0. 96 ,协方差为8.37。 程近似表示为 V= 3 372.94D 0.063 (3) 该方程可在实际工程中作为早期混凝土测强曲线的 对照曲线,用于修正因人为或仪器等产生的误差。 大量试验数据已证明,中等强度普通混凝土在 标准养护情况下,其强度f发展大致与时间成正比 关系,其经验公式为 fu f28 = lgD lg28 (4) 将式(3)进行变换可得 Vu V28 = D 0.063 28 0.063 (5) 由式(4) ,(5)可得出表2。由表2可知,7d与14d的 混凝土强度分别为28d强度的0. 58与0. 79倍;而 由公式(3)可知,7d与14d的混凝土超声波速分别 为28d波速的0.91与0. 96倍,也就是说,超声波速 随龄期的增加要比随强度的增加变化得快,这与笔 者在桩基完整性试验方面的结果是一致的。 表2 混凝土龄期、 波速和强度对比表 龄期 d 波速 ms- 1 强度 MPa 龄期 d 波速 ms- 1 强度 MPa 33 6138.2214 08422.8 73 81114.6284 16025.0 143 98119.8 图2 部分混凝土试块龄期与超声声速拟合曲线图(下转第457页) 834 施荷芳等:中等强度混凝土超声波速与龄期相关性试验研究 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 再培训时器材消耗和差旅费就为空军节省近百万 元,并为部队培训了100多名无损检测技术骨干,为 外军培训七名无损检测人员,70 %以上的学员在工 作中立功或获嘉奖。学员杨小林毕业不久在成都空 军某师及时探测出某型歼击机起落架中5mm长的 裂纹,避免了一起重大事故的发生,直接减少损失几 百万元。全空军范围几年来估计直接减少的损失至 少有几千万元,且保证了飞行安全和正常训练。目 前这些人员已成为空军各航空兵部队无损检测的技 术骨干。1997年该学科被学院评为九五重点建设 学科,有两名教员晋升高级职称,四名教员考取了射 线、 超声、 涡流、 磁粉和渗透检测五个类别的 级证 书,三名考取了涡流、 超声和磁粉检测三种类别的航 空维修 级技术资格证书,教员们在期刊上发表学 术论文30多篇,编写内训、 外训教材八本,出版 飞 机损伤原位检测 专著一本;研制出磁粉探伤机电脑 控制仪、 飞机电缆诊断仪、 无损检测定级培训系列软 件和无损检测资料库等,为空军编写出法规性文件 歼教某型飞机探伤工艺 。 “双证制” 教学模式 1998年获学院教学改革二等奖。1998年实验室被 中国航空维修无损检测资格鉴定委员会指定为空军 级人员培训实验室,初步建成了空军无损检测 级人员培训中心。 (上接第438页) 4 结语 通过对27块强度等级为C25的混凝土试块进 行超声波速试验研究,得出超声波速与混凝土龄期 之间的关系式,并给出了具体的回归公式,此公式可 直接在工程检测中用来确定混凝土早期强度。 由研究结果与强度对比分析可知,确定混凝土 超声波速比确定混凝土的早期强度更有实际意义。 对混凝土等级不在C25左右的情况有待继续深 入研究。 参考文献: 1 侯宝隆,蒋之峰.混凝土的非破损检测M.北京:地震 出版社,1992. 2 尹 荣.超声波测早期混凝土强度探讨J .无损检测, 1999 ,21(5) :210 - 219. 3 Davis Allen G. Nondestructive evaluation of existing deep foundationsJ . Journal of Performance of Constructed Facil2 ities ,1995 ,47(4) :57 - 74. 4Sturrup byv R , Vecchio FJ.脉冲法测量混凝土的强度 A.混凝土现场无损检测国际会议论文集C.渥太 华:1984.75 - 87. 5 吴慧敏.结构混凝土现场检测技术M.湖南:湖南大 学出版社,1988. (上接第423页) 表2 不同种类混凝土梁对应的参数 种 类m 0mm GfNm- 1 素混凝土21.501.590.024145 聚丙烯酸纤维混凝土21.581.860.04184 钢纤维混凝土21.632.040.024315 寸是相同的,而材料不同,掺加纤维后,m值增大,AE 突发性减小,即混凝土脆性减小;在另一项研究中 5 , 笔者针对同一素混凝土,改变试件相对切口深度,发 现m值变化不大,值随相对切口深度增大而减小。 因此,可判断拟合所得的Weibull参数和m中,m 值与材料特性有关而与试件几何尺寸关系不大,这与 其它研究得到的m值表征材料脆性程度的结果一 致,m值越大,断裂能越大,材料脆性越小。 3 结论 (1)声发射技术是研究水泥基复合材料脆性的 新的实验方法。在混凝土中掺加纤维能显著降低其 脆性,即声发射发生率的峰值向对应的荷载2挠度曲 线下降段后部移动,且声发射突发的可能性减小。 (2)切口三点弯曲梁的声发射事件发生率统计 符合Weibull函数分布,其参数具有明确的含义。m 值表征由材料本身特性引起的脆性,m值越大,试 件的脆性程度越小;值则表征试件的几何特征引 起的试件脆性。 参考文献: 1 曲义坤,袁振明.多疲劳裂纹扩展的声发射特性研究 J .无损检测,1997 ,19(4) :6 - 10. 2Mihashi H, Nomura N , Niiseki S. Influence of aggregate size on fracture process zone of concrete detected with three di2 mensional acoustic emission techniqueJ . Cement and Con2 crete Research ,1991 ,21(5) :737. 3 董毓利,谢和平,李玉寿.混凝土受压全过程声发射特 性及其损伤本构模型J .力学与实践,1995 ,17(4) :25. 4Chen HL , Cheng CT, Chen SE. Determination of fracture parameters of mortar and concrete beams by using acoustic emissionJ . Materials Evaluation ,1992 ,50(7) :888 - 894. 5 陈 兵,张 东,吴科如.混凝土梁声发射特性试验研 究J .建筑材料学报,1998 ,1(4) :315 - 319. 754 许占显等:无损检测 “双证制” 教学模式与实践 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.