摘 要:根據(jù)超聲波檢測混凝土強(qiáng)度的基本原理和超聲波在混凝土中傳播的基本特性,對(duì)超聲波檢測混凝土強(qiáng)度的影響因素進(jìn)行了較全面的分析,指出了超聲波檢測技術(shù)在混凝土工程測強(qiáng)應(yīng)用中存在的問題,并對(duì)超聲波檢測技術(shù)在混凝土工程的應(yīng)用進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞:混凝土,強(qiáng)度,超聲波檢測
中圖分類號(hào): TU375
超聲檢測是混凝土檢測技術(shù)中的一個(gè)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(fèi)爾德( Gatfield) 首先把超聲脈沖檢測技術(shù)應(yīng)用在結(jié)構(gòu)混凝土中,開創(chuàng)了超聲檢測這一新領(lǐng)域。目前,世界許多國家及國際學(xué)術(shù)團(tuán)體都先后制定了混凝土超聲檢測的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程以及規(guī)范。我國自20 世紀(jì)50 年代開始開展這項(xiàng)技術(shù)的研究,在60 年代普遍應(yīng)用于工程檢測?，F(xiàn)在,隨著超聲波檢測應(yīng)用技術(shù)范圍的擴(kuò)大和理論研究的不斷深入,其混凝土工程中的應(yīng)用研究也有了很大進(jìn)展。
1 超聲測強(qiáng)的基本原理
發(fā)射換能器以一定重復(fù)頻率間斷地發(fā)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(jù)超聲脈沖在混凝土中傳播的規(guī)律與混凝土的強(qiáng)度間存在一定關(guān)系的原理,通過測定超聲脈沖的有關(guān)參數(shù),然后依據(jù)測定的參數(shù)推斷混凝土強(qiáng)度的一種檢測方法。其檢測原理是[ 2 ] :超聲儀產(chǎn)生高壓電脈沖,激勵(lì)發(fā)射換能器內(nèi)的壓電晶體獲得高頻聲脈沖,聲脈沖傳入混凝土介質(zhì)中,由接受換能器接收通過混凝土傳來的聲信號(hào),測出超聲波在混凝土中傳播的時(shí)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(shí)度,而混凝土的密實(shí)度又與混凝土的強(qiáng)度有關(guān),因而超聲波在混凝土中的聲速與混凝土的強(qiáng)度之間存在相關(guān)關(guān)系。混凝土越密實(shí),聲波在混凝土中的傳播時(shí)間越短,聲速越大,混凝土強(qiáng)度就越高;反之,混凝土越疏松,聲波在混凝土中的傳播時(shí)間越長,聲速越小,混凝土強(qiáng)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(qiáng)度[ 3 ] 。
2 混凝土中超聲波傳播的特點(diǎn)[ 4 ]
混凝土獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu),使得超聲波在其內(nèi)部傳播時(shí),具有自己獨(dú)特的方式。
1) 超聲波在混凝土中傳播時(shí)衰減大。2) 超聲波在混凝土中傳播時(shí)指向性較差。3) 波形往往因界面發(fā)射和折射而曲折,因此,當(dāng)超聲波在混凝土中遇到較大缺陷時(shí)并非直線傳播。4) 混凝土中,在聲場所空間內(nèi)的任何一點(diǎn),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(zhuǎn)換后的橫波) 。探頭所接收的信號(hào)是一次聲波和二次聲波的疊加。
3 超聲測強(qiáng)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(qiáng)度發(fā)展規(guī)律并不一致,有的水泥早期強(qiáng)度高,有的后期強(qiáng)度高。
2) 礦物細(xì)摻料的影響。現(xiàn)在,混凝土向高強(qiáng)、高性能的方向發(fā)展,配制高強(qiáng)或高性能混凝土的主要方法之一就是摻加礦物細(xì)料,摻加硅灰配制高強(qiáng)混凝土已經(jīng)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(xì)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(shí)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(qiáng)曲線時(shí)可以不考慮石子品種的影響。因?yàn)槁咽退槭氖|(zhì)相同,因此對(duì)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(jié),強(qiáng)度要比卵石高。
4) 砂率的影響。合理的砂率,使混凝土密實(shí)度增加,粘聚性較好,另一方面,砂率的變化導(dǎo)致粗骨料含量的變化,雖然砂率的變化對(duì)強(qiáng)度影響不是很大,但是對(duì)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(fā)較多,孔隙多,使聲速偏低;相反, W/ C小的混凝土,內(nèi)部密實(shí),水分蒸發(fā)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(qiáng)度的增加,隨著齡期增加,聲速的增加要小于強(qiáng)度的增加。
2) 養(yǎng)護(hù)方法的影響。在養(yǎng)護(hù)方法中,一般認(rèn)為在水中養(yǎng)護(hù)的混凝土比在空氣中養(yǎng)護(hù)的混凝土水化充分,水化產(chǎn)物增加填充了毛細(xì)孔,毛細(xì)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(duì)聲速有一定影響,當(dāng)溫度在20 ℃～40 ℃之間時(shí)對(duì)聲速影響不大,當(dāng)溫度超過50 ℃時(shí),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(jié)構(gòu)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?xí)r,所得的超聲聲速值往往偏大,應(yīng)根據(jù)情況進(jìn)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(qiáng)度,在檢測時(shí),應(yīng)結(jié)合首波形狀提高準(zhǔn)確度,如果首波形狀發(fā)生改變,說明混凝土內(nèi)部存在缺陷,此時(shí)就不應(yīng)繼續(xù)使用超聲聲速換算混凝土強(qiáng)度。
4 在混凝土工程測強(qiáng)應(yīng)用中存在的問題與發(fā)展趨勢
4. 1 建立單獨(dú)基于超聲法檢測混凝土強(qiáng)度的關(guān)系曲線
利用超聲波法檢測混凝土強(qiáng)度一直以來存在較大爭議,但這并不能代表超聲波不能應(yīng)用于混凝土強(qiáng)度的檢測,如超聲波檢測在我國云南漫灣的應(yīng)用就取得了良好的經(jīng)濟(jì)效率[5] 。目前關(guān)于超聲波檢測混凝土強(qiáng)度在國內(nèi)已展開相應(yīng)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(dú)用超聲波檢測混凝土強(qiáng)度的方法還未正式形成規(guī)程,目前已建立的測強(qiáng)曲線規(guī)范大多是基于超聲回彈綜合法[7] 。建立單獨(dú)基于超聲法檢測混凝土強(qiáng)度的規(guī)范還有待進(jìn)一步的研究。
4. 2 將超聲法檢測混凝土強(qiáng)度與混凝土缺陷結(jié)合
目前超聲法檢測已應(yīng)用于混凝土工程的各個(gè)方面,主要有混凝土測強(qiáng)、混凝土裂縫深度檢測、不密實(shí)區(qū)空洞檢測、混凝土結(jié)合面質(zhì)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(duì)混凝土測強(qiáng)與測缺陷是各自獨(dú)立,分開進(jìn)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(shù)在混凝土工程中的廣泛應(yīng)用。超聲法測強(qiáng)與超聲法測缺陷二者緊密結(jié)合起來,將成為超聲法檢測技術(shù)在混凝土工程中應(yīng)用的一個(gè)熱點(diǎn)問題。
4. 3 超聲成像檢測技術(shù)
超聲成像有直觀易懂、檢測精度高的特點(diǎn),隨著機(jī)械掃描成像技術(shù)的成熟,近幾年我國超聲成像檢測技術(shù)有了飛速的發(fā)展。將計(jì)算機(jī)層析成像(Computerized Tomography ,簡稱CT) 技術(shù)應(yīng)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(shù)可以獲得整個(gè)測區(qū)混凝土質(zhì)量分布情況的直觀圖像。與常規(guī)聲波檢測相比,對(duì)混凝土內(nèi)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(shù)在混凝土無損檢測領(lǐng)域的又一發(fā)展方向。
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