超声波法测试受压混凝土应力的试验研究_蔡秋香.pdf

第 40 卷第 5 期2023 年 5 月公路交通科技Journal of Highway and Transportation esearch and DevelopmentVol.40No.5May 2023收稿日期:20220408基金项目:中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(20219082b，20219023a，20189017)作者简介:蔡秋香(1997)，女，海南澄迈人，硕士研究生.(1224012317 )*通讯作者:王陶(1972)，男，河南三门峡人，博士，研究员.(wangtao_ 999cn )doi:10.3969/j.issn.10020268.2023.05.007超声波法测试受压混凝土应力的试验研究蔡秋香，王陶*(交通运输部公路科学研究院，北京100088)摘要:为获得混凝土固体声学特性与应力状态之间的关系，从超声波在固体中的传播特性入手，对 C30，C40，C50混凝土试块进行了单轴分级加载，在压缩荷载作用下对混凝土超声波传播速度进行了试验研究，并提出了超声波法检测混凝土应力的试验方法。针对混凝土结构在不同应力状态下的波速变化，获得了超声传播路径上的应力波速表达式。利用沿荷载方向正交平面传播的超声波对混凝土试件进行了声速测量，分析了混凝土应力与波速的关系。通过线性拟合混凝土在声弹性阶段的超声波波速与受压应力的关系，获得了混凝土在声弹性阶段线性系数 aL和 bL的值。根据试验数据建立了不同材料参数下的混凝土应力测试模型，模拟了不同压力下超声波在混凝土中传播情况，通过压应力与波速的模拟数据获得了模型的线性系数 am和 bm的值。最后将不同应力下的波速模拟值和实测值作对比分析，验证了得出的线性系数能有效地表示超声波波速与应力的关系。结果表明:抗压强度前 50%时，即声弹性阶段，超声波波速随应力的增大而线性下降;试件加载后期，即非声弹性阶段，波速呈非线性下降。通过本方法的测试，为分析超声波在混凝土中的传播特性提供了有益的尝试，可为混凝土应力检测技术研究提供参考。关键词:桥梁工程;应力试验;超声波法;混凝土;无损检测中图分类号:U446文献标识码:A文章编号:10020268(2023)05005008Experimental Study on Testing Stress in Compressed Concrete by Ultrasonic MethodCAI Qiu-xiang，WANG Tao*(esearch Institute of Highway，Ministry of Transport，Beijing 100088，China)Abstract:To obtain the relationship between the acoustic properties of concrete solid and stress state，startingfrom the propagation characteristics of ultrasonic waves in solid，the uniaxial graded loadings on C30，C40，and C50 concrete specimens are performed.The experimental study on ultrasonic propagation velocity inconcrete under compression load is conducted，and an experimental method for ultrasonic testing of stress inconcrete is proposed.In view of the variation of wave velocity in concrete structures in different stress states，expression of stress wave velocity along the ultrasonic propagation path is obtained.The sound velocity inconcrete specimens is measured by using ultrasonic waves propagating in an orthogonal plane along the loaddirection，and the relationship between concrete stress and wave velocity is analyzed.By linear fitting therelationship between ultrasonic velocity and compressive stress in concrete during the acoustic elastic stage，the values of the linear coefficients(aLand bL)of concrete in the acoustic elastic stage is obtained.Theconcrete stress testing models with different material parameters are established based on experimental data，the propagations of ultrasonic waves in concrete under different pressures are simulated，and the values of thelinear coefficients(amand bm)of the model are obtained based on simulated data of compressive stress andwave velocity.Finally，the simulated and measured wave velocity values under different stresses are第 5 期蔡秋香，等:超声波法测试受压混凝土应力的试验研究comparatively analyzed，which verified that the obtained linear coefficients can effectively represent therelationship between ultrasonic wave velocity and stress.The result indicates that(1)within the first 50%ofcompressive strength(the acoustic elasticity stage)，the ultrasonic wave velocity linearly decreases with theincrease of stress;(2)in the later stage of loading(the non acoustic elasticity stage)，the wave velocityshows a nonlinear decrease.The testing by this method provides a beneficial attempt to analyze thepropagation characteristics of ultrasonic waves in concrete，and can provide reference for the research ofconcrete stress detection technology.Key words:bridge engineering;stress test;ultrasound method;concrete;non-destructive testing0引言混凝土应力的传统测试方法主要采用局部破损法1。无损检测是指在不损害被测物体结构的前提下使用的一种检测手段，常见的公路桥梁检测方式有基于机器视觉的 DIC 图像识别法、探地雷达法、红外热成像法、超声波检测等手段24。超声波检测应力是基于 1953 年美国田纳西大学Hughes 和 Kelly 提出的声弹性理论56 发展起来的。声波在固体中的声学特性与固体的应力有关，在材料性能已知的情况下，可以通过超声波传播特性的测定来测量混凝土结构的应力711。超声波法检测快速，被广泛用于各类结构检测中12。在金属领域，徐春广13 等人采用横纵波结合法提出更准确的螺栓轴向应力测量方法，超声波波速在螺栓拉应力作用下先线性下降，再加速下降，消除了温度和弹性变形的影响。在岩土工程领域，大量的岩石试验1416 表明岩石中的弹性波波速会随应力状态的变化而变化，随着围压的增加，岩石纵波波速逐渐增加。在混凝土领域，超声波法在测试混凝土抗压强度相对比较成熟17，但关于超声波波速与混凝土应力的关系研究较少。郑康琳18 利用双横波法测量混凝土应力，研究混凝土应力与时差的相关关系。高昊19 等人通过试验拟合了混凝土工作应力和超声波速的关系，并得出超声波幅值不适合评价混凝土工作应力的结论。Nogueira2022 通过大量的试验计算了压缩应力下混凝土的拉梅常数，试验结果表明，混凝土具有明显的声弹性效应，超声波波速随应力的变化而有所改变。凌同华23 通过模拟超声波检测的方式，揭示了超声波在被检测对象介质中的传播机理和能量分布特征。目前国内外对超声波测试混凝土应力这方面的研究甚少，为了研究混凝土构件中超声波速度对应力的敏感程度，本研究将通过试验和模拟的方式测试单轴受压混凝土与超声波之间的声学效应，采用超声波探头得到超声波的波形，探索混凝土在不同应力下超声波速度与应力的拟合关系，为混凝土超声波应力检测研究提供技术参考。1理论方法对于各向同性材料24，超声波速度与应力的关系如下:V2L=V20(1+K)。(1)将式(1)两边求导得2VLdVLV20=Kd，由于波速变化较小，因此有 VLV0。dVL=V0K2d，(2)又因为 dVLVL，d，式(2)可简化为应力与波速为线性关系:VL=a+b。(3)本次的超声波指的均为质点振动方向垂直于应力方向传播的纵波。其中 VL为预应力状态下纵波沿垂直于应力方向的传播速度;V0为无应力状态下纵波在介质中的传播速度;为应力值;K 为混凝土声弹性系数;a 为线性系数;b 为常数项。2超声波测试混凝土应力的试验方法2.1试验目的为获得混凝土应力与超声波速度之间的关系，拟合应力与超声波波速曲线，试验将采用超声波探头测试不同应力下超声波波速的变化。2.2试验对象试验选取不同强度等级的 C30，C40，C50 混凝土试样进行单轴加压试验，试样尺寸为 150 mm150 mm150 mm 的长方体，共计 9 件，分为 3 组:第 1 组标记为 C301，C302，C303;第 2 组标记为 C401，C402，C403;第 3 组标记为 C501，C502，C503。混凝土试件整体标记如图 1 所示，配合比见表 1。15公路交通科技第 40 卷图 1混凝土试块标记Fig.1Markings of concrete test blocks表 1混凝土配合比Tab.1Mixing ratio of concrete设计等级水胶比20 L 原材料种类及用量/(kgm3)水泥粉煤灰砂石子水C300.455.81.517.320.33.3C400.366.91.716.919.93.1C500.318.71.018.617.03.02.3仪器设备采用的仪器设备已在表 2 列出。声的传播方向为发射探头到接收探头的连接方向，探头布置如图 2 所示，应 力 方 向 为 竖 直 向 下，超 声 波 发 射 探 头 为Olympus 的 V1011M 探头，中心频率为 0.1 MHz;接收探头为 V1012M 探头，中心频率为 0.25 MHz。表 2试验仪器设备Tab.2Instruments and equipment for testing脉冲发生器示波器超声波探头加载系统AM5000SNAPMS04104BLV1011MV1012MEHC1500 型微机控制压力试验机图 2探头布置Fig.2Arrangement of probes2.4试验流程试件加载前，在混凝土的顶面和底面都铺上一层薄薄的细砂，目的是使混凝土试样均匀受力。通过 AM5000SNAP 超声脉冲发射器发射汉宁窗正弦波，示波器采用频率为 500 M 次/s，记录长度为 100 k。试件加载时，将混凝土试样放在EHC1500 型微机控制压力试验机进行单轴分级加载。在纵波探头上涂抹纵波耦合剂，将发射端超声波探头和接收端纵波探头分别置于混凝土的左右面中心位置，如图 2 所示。定荷加载时，在 0200 kN之间每级增加 20 kN，大于 200 kN 后每级增加40 kN，分级加载曲线如图 3 所示。每级荷载加载后，待波形稳定，在示波器上采集波形;记录完毕后，改变不同加压荷载，直至压坏，重复上述操作，每次波形数据记录 3 份。图 3分级加载曲线Fig.3Graded loading curve3试验结果讨论3.1应力与超声波波速相关分析图 4(a)为定荷加载时的 C30 混凝土的超声波波速应力图。从图中可以看出，应力在 0 15 MPa时，即小于抗压强度的 50%时，曲线缓慢下降，此时混凝土处于弹性阶段，尚未开裂。在竖向压力作用下声传播方向位移增加，波速下降，在混凝土弹性阶段超声波波速和应力关系接近线性关系。应力大于 15 MPa 时，即抗压强度 50%时，曲线下降速度开始加快，此时混凝土内部开裂，混凝土已不再是弹性阶段。随着应力的不断增大，混凝土内部裂缝继续拓展，裂纹发育不可逆，声波传播时间增大，波速下降幅度变大。图 4(b)为定荷加载时的 C40 混凝土。从图中可以看出，C40 2 的抗压强度较低，其在应力为20 MPa 时下降幅度开始加快。C401，C403 抗压强度较高，混凝土内部结构较致密。随着荷载的不断增加，C401，C403 混凝土构件被压实，密度增大;同时由于混凝土处于弹性阶段，两种因素导致波速值下降。在应力为 30 MPa，即在抗压强度的70%时曲线开始大幅下降。图 4(c)为定荷加载时的 C50 混凝土。从图中可以看出，应力小于 30 MPa 时，即抗压强度的60%，波速随应力的增大缓慢下降，在此阶段波速值与应力呈线性关系。应力大于 30 MPa 时，混凝土内部开始开裂，传播声时增大，波速下降明显。25第 5 期蔡秋香，等:超声波法测试受压混凝土应力的试验研究图 4混凝土超声波波速与应力的曲线Fig.4Curves of ultrasonic wave velocity and stress inconcrete3.2超声波波速与应力回归曲线分析从 3.1 节可知，抗压强度前 50%时，混凝土处于弹性阶段，超声波波速随应力稳定下降，为了获得超声波波速与应力的线性关系，取抗压强度前50%的 C30，C40，C50 混凝土弹性阶段超声波波速进行拟合。图 5 为超声波波速随应力的变化关系，VL=aL+bL，横坐标设置为，为受压应力大小。应力与超声波波速变化的拟合线性系数如表 3 所示。其中，aL为常数项，bL为一次项系数。线性拟合系数 aL均为负数，范围在28.391 0.093 7，bL范图 5弹性阶段超声波波速与应力的线性拟合Fig.5Linear fitting of ultrasonic wave velocity and stress inelastic phase围在 3 623.55 621.0，在弹性阶段，应力正交平面内的混凝土超声波波速随应力的增大而降低。4模拟超声波在混凝土中的传播经典线性化弹性理论表明，在各向同性介质中，可用以下公式计算拉梅常数25。V2L0=+2，(4)V2S0=，(5)式中，为混凝土密度;VL0为无应力状态下的纵波35公路交通科技第 40 卷初速度;VS0为无应力状态下的横波初速度;，为拉梅常数，拉梅常数计算结果如表 4 所示。表 3超声波波速与应力的拟合曲线系数Tab.3Fitting curve coefficients of ultrasonic wavevelocity and stress材料类型aLbLVL=aL+bL/MPaC3017.8073 934.0VL=7.807+3 934.0C3028.1063 623.5VL=8.106+3 623.5C30328.3914 647.3VL=28.391+4 647.3C4014.9115 269.6VL=4.911+5 269.6C4026.7935 073.6VL=6.793+5 073.6C4030.4755 194.0VL=0.475+5 194.0C5010.0945 621.0VL=0.094+5 621.0C5025.2755 244.4VL=5.275+5 244.4C5031.5675 292.6VL=1.567+5 292.64.1模型处理为了更准确地获得应力与超声波速的线性关系，本模型设定的是线弹性各向同性材料，尺寸为150 mm150 mm。将表 4 中试验所得的拉梅常数，代入混凝土材料属性。网格划分采用自由三角形划分(图 6)，网格最大单元大小为 5 mm。4.2结果分析图 7 为超声波能量传播示意图。从图 7 中可以看出，在时间 3.5e5 前，波速还没传到底部，超声波传播没有阻碍，随着时间的增大超声波不断往下传播，在 3.5e5 时，超声波刚抵达底部，4e5 时超声波到达底部并反射到结构内部。发射 1 个周期的汉宁窗正弦波(见图 8)，图 8 为超声波传播发射波和接收波波形，可以看出无应力状态的超声波要先于应力状态的到达。本研究采用稳态和瞬态求解的方式模拟不同应力状态下混凝土的超声波波速变化情况。表 4拉梅常数和模拟线性系数Tab.4Lam constants and analog linearity coefficients材料类型密度/(kgm3)拉梅常数/MPaambmVm=am+bm/MPaC3012 44417 258.4815 693.317.1593 951.1Vm=7.159+3 951.1C3022 4446 075.4414 721.8112.2503 626.9Vm=12.250+3 626.9C3032 4444 021.9712 688.9229.4864 758.5Vm=29.486+4 758.5C4012 45817 945.9322 486.8419.3445 440.9Vm=19.344+5 440.9C4022 45811 522.2823 094.3912.3635 118.4Vm=12.363+5 118.4C4032 45810 287.8327 819.5811.7905 318.7Vm=11.790+5 318.7C5012 47421 301.7426 175.0318.5015 784.6Vm=18.501+5 784.6C5022 47414 540.7924 030.9312.1755 306.2Vm=12.175+5 306.2C5032 47410 646.5026 280.6815.2375 519.2Vm=15.237+5 519.2图 6几何体模型和网格划分Fig.6Geometry model and meshing图 9 为混凝土在弹性阶段超声波波速随应力的变化曲线，Vm为混凝土模型中的超声波传播速度，超声波波速随应力的增大而降低。表 4 为模拟混凝土应力与超声波速度线性关系，其中，am为模型应力波速曲线线性系数;bm为模型应力波速曲线常数项系数。从表中可以看出，试验和模拟的线性系数均为负值，说明超声波速度随应力增大而降低，与试验结果判断一致。线性系数 am范围在7.15929.486，常数项 bm范围在3 626.95 784.6。为验证本模型线性系数的有效性，以应力为横坐标，将不同应力下的波速模拟值和实测值作对比分析图，得出的结果见图 10，从图中可以看出模拟45第 5 期蔡秋香，等:超声波法测试受压混凝土应力的试验研究图 7超声波传播示意图Fig.7Schematic diagram of ultrasonic wave propagation图 8不同应力波形接收图Fig.8Waveform reception plot for different stresses得出的波速应力直线与试验测得的波速应力实测值具有较好的相关性。图 9模拟超声波波速应力曲线Fig.9Simulated curves of ultrasonic wave velocity vs.stress5结论本研究通过测试受压混凝土应力与超声波传播特性，得到了超声波声学特性与应力状态之间的关系。通过本研究得到相关结论如下:(1)混凝土开裂后超声波波速显著下降，在混凝土强度 050%范围内，混凝土基本处于声弹性阶段，超声波速度与混凝土压应力存在良好的线性关系。(2)在混凝土弹性阶段，试验拟合线性系数和55公路交通科技第 40 卷图 10实测值和模拟值对比分布Fig.10Comparative distribution of measured and simulatedvalues模拟线性系数 a 均为负值，超声波速度随应力的增大而降低。对于试验波速应力曲线 VL=aL+bL，线性拟合系数 aL范围在0.093 728.391，bL范围在3 623.55 621.0。对于模拟波速应力拟合曲线 Vm=am+bm，am范围在7.159 29.486，bm范围为3 626.95 784.6。(3)将实测值与模拟值作对比分析图，其结果验证了本模型的线性系数能有效表示混凝土超声波速度和应力的关系，可以为超声波测混凝土应力的实际工程研究提供参考。参考文献:eferences:1庄晨旭，张劲泉，蒋含莞 混凝土应力检测技术研究综述 J 公路交通科技，2016，33(3):4351ZHUANG Chen-xu，ZHANG Jin-quan，JIANG Han-waneview of Concrete Stress Testing Technologies J Journal of Highway and Transportation esearch andDevelopment，2016，33(3):4351 2张劲泉，晋杰，汪云峰，等 公路桥梁智能检测技术与装备研究进展 J 公路交通科技，2023，40(1):127，58ZHANG Jin-quan，JIN Jie，WANG Yun-feng，et alStudy Progress of Intelligent Inspection Technology andEquipment for Highway Bridge J Journal of Highwayand Transportation esearch and Development，2023，40(1):127，58 3李萍，张劲泉，王磊，等 基于摄影测量的简支梁桥损伤识别 J 公路交通科技，2022，39(8):18LI Ping，ZHANG Jin-quan，WANG Lei，et al DamageIdentification for Simple Supported Beam Bridge Based onPhotogrammetry J Journal of Highway and 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