混凝土结构抗冻性超声检测方法的研究

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水工混凝土建筑物经常受到冻融剥蚀的破坏，所以其混凝土结构的抗冻性是必须检测的主要指标，由于实验室制作的试件与结构物上的混凝土抗冻性存在着差异，在结构物上切割混凝土试件所引起的破损又不能被人们接受，且实验室测试也只对来样负责，因此必须研究一种更加真实地反映混凝土结构抗冻性的无损检测方法，直接检测混凝土结构抵抗冻融破坏的能力，这对于实施混凝土工程现场质量控制，特别是对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尤为重要。
    共振法测定混凝士试件在冻融循环过程中的动弹模变化，作为混凝土材料的抗冻性指标，它对试件而言可算是一种无损检测方法，但对混凝土结构而言，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其混凝土弹性、非弹性等性能之间的关系，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，该方法不需要专门形状和尺寸的混凝土试件，就可评价混凝士结构的抗冻融指标。

    1、超声波法测混凝土结构动弹模的理论依据

    1.1 计算公式       为计算动弹模Ed，文献^［2］中提出了采用常规纵波超声换能器，依表面平测法测定混凝土表面波的速度，来确定其动弹模E_d和泊松比μ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度之间的关系为^［3］ (1)     式中：ρ为固体的密度，V_r为表面波速度。对硬化混凝土来讲，泊松比一般在0.2～0.3之间。如取μ=0.2时，则??
E_d=2.888ρV2r(2) (2)     其相对动弹模可按下式计算： (3)     式中：V_r0为初始表面波速度。

    1.2 检测原理       置于固体表面的纵波换能器将发出轴向的平面波，即纵波、横波以及微弱的径向边缘波，换能器还发射能量更强的表面波并沿固体表面传播。波形的前部应是纵波，因为它的波速最大，但其振幅很小；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到达，但它的信号最强。采用超声多点表面平测法，测试时首先确定纵波的初至点以及表面波的初至点和第—个峰值点，为与横向振动共振法作对比，试验中尽量做到超声法与共振法测距和测点都相同，测距从试件端部算起，分别为50mm、100mm、150mm、200mm、250mm，测得混凝土材料的表面波速度后，对于密度已知的混凝土来讲，则可由式（1）求得混凝土材料的动弹性模量。

    1.3 共振法动弹模的计算方法       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，根据激励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中出现较快，因此采用横向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资料。
    横向振动的动弹模与固有频率关系的一般表达式为^［3］ (4)     对于矩形截面杆件：J=ba3／12;基振：m=4.73。由于试件尺寸比：L/a=4(L=400mm，a=100mm)，根据参考文献^［４］，当泊松比μ=0.2时，T_n取1.40，式(4)可简写成?? (5)     另外，如果按照两种方法所测得的动弹模相等的观点，则E?d=E′d,由式(2)和式(5)得 V_r=1.084f (6)     2、用超声波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波表面波速度的试件尺寸为100mm×100mm×400mm，标准养护28d龄期后测试。按混凝土长期性能和耐久性能试验方法GBJ82—85执行，试件冻融前在水中浸泡，冻融过程中均处于饱和水状态，其中温度控制在-17±2℃和 8±2℃之间，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1／4。在试验过程中，每冻融循环50次，测量出混凝土试件的超声波表面波速度，并同时用共振法测试混凝土试件的共振频率。
      2.2 测试仪器       检测设备为CTS-45型非金属超声波检测仪和附加示波单元，另以数字存贮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激发脉冲触发，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0.1μs，从触发开始到游标所在位置所经历时间显示在示波屏上。探头使用一对50kHz普通纵波换能器，并用黄油做耦合剂，同时采用DT-4W自动扫频数字动弹仪测量横向共振频率。
      2.3 测试结果       测量混凝土冻融试件在5个测距下，表面波到达初至点和第一个峰值点的声时，按常规作图法求出测距—声时直线的斜率，最终得到超声波表面波速度，在这里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高，几乎看不到混凝土试件表面剥蚀现象，重量损失率仅为0.3％，混凝土表面冻融损伤层很薄，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。根据测试的表面波速度和共振频率，按式（2）和式（5）计算分别得到混凝土材料的超声法和共振法动弹性模量，如表1所示。 表1  超声法和共振法动弹模测试计算结果 冻融次数 超声法   共振法 波速／(m/s)   动弹模／GPa   相对动弹模(%)   频率／Hz   动弹模／GPa   相 对动弹模(%) A   B   A   B   A   B 0
50
100
150
200
250
275
300 2217
2161
2135
2091
2061
2012
2000
1993 2166
2114
2105
2082
2082
2037
2037
2037   32.65
31.02
30.28
29.04
28.19
26.89
26.57
26.58 31.16
29.68
29.43
28.79
28.79
27.56
27.56
27.56   100
95.0
93.0
88.9
86.0
82.0
81.4
80.8 100
95.2
94.4
94.4
92.4
88.4
88.4
88.4   2087
2036
2013
1972
1945
1901
1890
1884 2037
1990
1981
1960
1960
1919
1919
1919   33.98
32.34
31.61
30.34
29.51
28.19
27.87
27.69 32.37
30.89
30.62
29.97
29.97
28.73
28.73
28.73   100
95.2
93.0
89.3
86.9
83.0
82.0
81.5 100
95.4
94.6
92.6
92.6
88.8
88.8
88.8 注：试件为钢纤维混凝土，ρ取2.3×１０³kg/m³。                                         3、与共振法测混凝土动弹模的对比

    通过对表1超声法和共振法测得的各组相应的动弹模E?d与动弹模E′_d，波速V_r与频率f，动弹模E_d与波速V_r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2所示。 表2  回归分析结果 项目 回归方程 动弹模E_d与动弹模
波速V_r与频率f
动弹模E_d与波速V_r E_dA=0.996-1.183
V_rA=1.102f_A-83
EdA=1.245×１０^-5 E_dB=0.998-0.819
V_rB=1.092f_B-59
AEdB=1.058×１０^-5     由表2分析可见：超声波法和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具有良好的线性相关性，两种方法所测得的物理量基本符合式（6）的关系，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的规律，混凝土动弹模与波速之间近似成平方关系。另外从表1中可见，两种方法所测得的相对动弹模基本相同，因而可以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；对于回归方程效果的检验，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，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无损检测体系，实现从试件测试到结构检测。