混凝土凍融損傷厚度的超聲波檢測

張 峰，蔡建軍，李樹忱，牛平霞，李守凱

1)山東大學巖土與結構工程研究中心，濟南250061;2)山東高速青島發(fā)展有限公司，山東青島266100;3)舊橋檢測與加固技術交通行業(yè)重點實驗室，北京100088

中國北方地區(qū)海洋環(huán)境中的普通混凝土結構，因受到除冰鹽和凍融協(xié)同作用，保護層混凝土表面剝落、疏松，加快了結構表面的氯離子向鋼筋表面的擴散速度，加速了鋼筋銹蝕. 鋼筋銹蝕后的體積膨脹將導致混凝土保護層破壞，進一步加劇鋼筋的銹蝕及混凝土的剝落脹裂［1-4］. 有效評估混凝土的凍融損傷對結構的服役壽命有重要影響. 對于鋼筋混凝土結構凍融損傷的評估，目前主要還處在材料層次，主要集中在室內評估混凝土凍融損傷程度方面［5-8］. 超聲波檢測在結構工程中已有較多應用.Naffa 等［9-10］采用高頻超聲波檢測了混凝土的化學損傷程度，研究了應力波與混凝土彈性、非彈性等性能之間的關系. 羅騏先［11］采用常規(guī)縱波超聲換能器，依表面平測法測定混凝土表面波的速度，進而確定其動彈模和泊松比，該方法可在各種混凝土結構物上直接測得其動彈性模量. 目前未見定量檢測混凝土凍融損傷厚度的研究文獻. 本研究利用超聲脈沖法檢測鹽凍環(huán)境下的混凝土構件損傷層厚度的變化規(guī)律，為鹽凍條件下鋼筋混凝土結構設計及耐久性設計時混凝土保護層厚度的選取提供參考.

1 凍融混凝土結構中應力波的傳播

應力波在固體中的傳播見圖1. 假定上層固體為凍融后的混凝土，下層固體為未凍融的混凝土.

圖1 入射波在異質界面上的反射波和折射波Fig.1 The reflected wave and refracted wave of the Incident wave in the heterogeneous interface

在海洋惡劣環(huán)境下，隨著結構服役時間的增加，表層混凝土凍融后產生了大量微裂紋，波的傳播速度v1比內部未損傷混凝土的傳播速度v2要小.增大入射角θ1，使得折射角θ2增至π/2. 達到這個臨界條件，射線被折射到界面. 臨界入射角θic根據Snell 定律計算(θ2= π/2)為

超聲脈沖速率檢測是指縱向超聲脈沖穿過混凝土所需要的時間，通常采用頻率為20 ～150 kHz 的縱波. 通過電子計時把脈沖開始和接收到的時間記錄下來，再乘以波傳播的平均速率，即可得出傳播的距離.

校驗材料均勻性的有效方法是沿厚層混凝土的表面放置一系列的接收器，如圖2. 發(fā)射器發(fā)出脈沖，根據惠根斯原理，波陣面上的每一個點都可以作為次級球形波的波源，并形成一系列波陣面. 如果材料是均勻的，可以繪出一條直線. 如果有大量異質出現(xiàn)，點將會偏離這條直線.

圖2 平測傳送的多接收器示意圖Fig.2 Configuration of many receivers transmission method

假定厚度為h，凍融后混凝土中波的傳播速率為v1，未凍融混凝土中的傳播速率為v2. 采用以下方法檢測結構表面凍融損傷層厚度. 在混凝土表面放一系列接收器. 首先，靠近發(fā)射器的接收器只能感應到表面層并且時間-距離點的斜率為1/v1. 但是隨著距離(或時間)的增加，低層的影響被感應到，當波以臨界入射角θic入射時，折射角將會平行兩種材料的界面. 沿著斜率為1/v2外推得到x = 0，可以得到與縱軸的截距ti，如圖3，則可得到混凝土的凍融損傷厚度表達式［12］為

圖3 混凝土凍融損傷層波速傳播示意圖Fig.3 The concrete freeze-thaw damage layer wave velocity propagation diagram

2 凍融損傷厚度檢測

2.1 混凝土材料

為得到混凝土結構在凍融損傷下的性能退化規(guī)律，進行了試件的室內快速凍融試驗. 試塊制作所需原材料均取自青島海灣大橋施工現(xiàn)場，混凝土設計配合比與海灣橋施工現(xiàn)場的配合比一致:水膠比0.34，水泥164 kg/m3，礦粉212 kg/m3，粉煤灰94 kg/m3，砂子737 kg/m3，碎石938 kg/m3，水155 kg/m3，減水劑4.47 kg/m3，阻銹劑6 kg/m3，引氣劑0.011 8 kg/m3.

為研究混凝土凍融厚度，對4 個凍融300 次后的混凝土試塊進行凍融厚度檢測. 混凝土試塊尺寸為100 mm ×100 mm ×400 mm，沿400 mm 方向8等分，每個測點間距為50 mm，將發(fā)射器固定，移動接收器，測試得到不同超聲波傳播長度的首波到達時間.

2.2 凍融損傷厚度測試結果

對凍融300 次后的混凝土試塊進行測試，共4個試塊，每個試塊測試3 次，結果如表1.

表1 混凝土試塊測試結果Table 1 Test results of concrete test tubes

對表1 進行分析可得到圖4. 圖4 中的v1和v2分別為凍融損傷層波速和未損傷層波速. 限于篇幅，只顯示第1 次測試結果.

圖4 第1 次測試傳播時間與測試距離的關系Fig.4 Relationship of travel time and test distance in the first test

分析表1 和圖4 得到表2. 由表2 可得到300次混凝土凍融后的損傷厚度為29.5 mm.

李金玉等［13］通過研究得出室內外凍融循環(huán)次數之間的對比關系在1 ∶10 ～1 ∶15 之間，平均為1∶12.5，即室內一次快速凍融循環(huán)相當于自然條件下12.5 次凍融循環(huán). 賈超等［14］指出青島地區(qū)混凝土每年天然凍融次數約為47 次. 根據該描述可以通過計算得到，天然凍融次數為3 750 次，即青島海灣大橋運營79.8 年后混凝土的凍融厚度為29.5 mm. 據此可以推算青島海灣大橋運營100 年時的混凝土凍融厚度為37 mm.

表2 凍融損傷厚度計算結果Table 2 Compute results of freeze-thaw damage thickness

結 語

本研究基于無損檢測方法，采用非金屬超聲波檢測儀，依據波速在不同物質中的傳播速度差異，采用平測法對凍融后的混凝土試塊進行凍融損傷厚度檢測與評估，并在室內對4 個凍融300 次后的混凝土試塊進行了室內混凝土試塊凍融厚度檢測. 本研究所提供引氣混凝土試塊在300 次混凝土凍融后的損傷厚度為29.5 mm，據此可以推算青島海灣大橋運營100 年時的混凝土凍融厚度為37 mm. 并未超過混凝土保護層厚度50 mm.

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