沖擊回波法檢測水工混凝土耐久性的試驗研究

孫其臣, 呂小彬, 岳躍真, 田軍濤, 孔祥芝

(中國水利水電科學研究院 結構材料所 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室,北京 100038)

沖擊回波法檢測水工混凝土耐久性的試驗研究

孫其臣, 呂小彬, 岳躍真, 田軍濤, 孔祥芝

(中國水利水電科學研究院 結構材料所 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室,北京 100038)

研究了沖擊回波法用于混凝土棱柱體試件動彈性模量的測試情況，發(fā)現(xiàn)測試的波速為理論的一維P波波速，且獲取混凝土動彈性模量的方法在本質上與傳統(tǒng)的共振法是一致的。采用沖擊回波法檢測混凝土試件在凍融循環(huán)中波速的變化，與共振法測試的自振頻率的變化進行對比研究，總結其內在規(guī)律，最終換算到相對動彈性模量的下降值來評價混凝土的抗凍性。初步的試驗和理論分析的結果表明，利用沖擊回波法進行水工混凝土抗凍性檢測的方法切實可行，可用于水工混凝土的耐久性評估。

沖擊回波法；混凝土；動彈性模量；耐久性

影響水工混凝土耐久性的主要因素有凍融循環(huán)、干濕交替、冷熱變化以及酸、鹽有機物等的化學侵蝕，其中以凍融循環(huán)作用對混凝土的破壞最為嚴重。《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL352-2006)中規(guī)定以混凝土試件承受凍融循環(huán)試驗后其質量指標下降的情況來評定耐久性的優(yōu)劣。規(guī)程中抗凍性試驗結果的評價指標有兩種：相對動彈性模量下降到初始值的60%或質量損失率達到5%時，即可認為試件已達破壞，并以相應的凍融循環(huán)次數(shù)作為該混凝土的抗凍等級[1-2]。對于普通混凝土(未添加引氣劑)，隨著凍融次數(shù)的增加，動彈性模量下降40%時失重率為負值，這是因為混凝土尚未產(chǎn)生剝蝕，吸水率增加導致。因此對于普通混凝土特別是結構性混凝土，用質量損失率作為混凝土凍融破壞的評估指標就不一定合適了。動彈性模量與材料自身的性質密切相關，既可以表現(xiàn)出試件整個體積的動彈性模量平均值，也可以反映材料局部的破損情況，因此試驗室常以相對動彈性模量值作為混凝土耐久性優(yōu)劣的主要評價指標[3-4]。

現(xiàn)行的《水工混凝土試驗規(guī)程》是通過測試混凝土試件的自振頻率來計算動彈性模量，原理是使試件在一個可調頻率的周期性脈沖力作用下產(chǎn)生受迫振動，根據(jù)共振頻率和振動衰減系數(shù)計算混凝土動彈性模量的值。但測試過程中，隨著凍融次數(shù)的增加，測試的自振頻率數(shù)值容易出現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象，而當相對動彈性模量下降較大時也很難正確讀取自振頻率的數(shù)值，且此法對試件的尺寸有一定的要求，主要用于室內混凝土抗凍性的測試，還不能用于現(xiàn)場混凝土結構的檢測。因此研究一種既能用于試驗室標準試件的抗凍性測試又能用于現(xiàn)場混凝土結構實際抗凍性的檢測技術，對于水工混凝土結構的質量檢測和耐久性評價都有重要的意義。本文運用沖擊回波法，通過彈性波波速來反推混凝土抗凍試件的動彈性模量值，通過相對動彈性模量對混凝土抗凍性進行評價，為水工混凝土結構的耐久性評估提供了依據(jù)。

1 沖擊回波法

沖擊回波法是基于瞬態(tài)應力波的一種無損檢測技術，自從20世紀80年代興起以來，已成功的運用到許多不同類型混凝土建筑物的缺陷檢測和質量評價中[5-7]。該法通過一次短暫-持續(xù)的力學沖擊(通常為小鋼球敲擊，接觸時間為15-80 μs)用來產(chǎn)生低頻應力波并傳播到內部結構，在缺陷處和外部邊界中來回反射而引起瞬態(tài)共振響應。這些波反射引起的表面位移將會被靠近沖擊位置的一個傳感器所記錄，位移隨時間變化的結果會轉化為振幅隨頻率變化的結果，即時域分析轉化為頻域分析。瞬態(tài)共振響應和振幅頻譜圖是由結構的幾何尺寸和應力波波速所決定的。因此，可以通過頻域分析確定實體結構的彈性波波速或厚度，進而確定結構的完整性及缺陷的位置[8]。

沖擊回波法一般由激振錘激發(fā)，高靈敏度的傳感器接收，激振能量大且集中，能夠穿透10 m左右的混凝土，現(xiàn)場操作方便、適用性強、測試深度顯著提高。隨著電子技術的發(fā)展，檢測設備的激振、接收、采集、分析手段有了很大的進步，測試結果受介質和環(huán)境條件的影響較小，保證了較高的測試精度和測試效率。

對抗凍試件彈性波(P波)波速的測試采用日本土木學會推薦使用的[9]與美國材料與試驗協(xié)會ASTM標準類似的重復反射法(即沖擊回波法)[10]。將試件平放在海綿墊上，以保證在沖擊響應時試件的自由振動，在端部位置進行沖擊激勵產(chǎn)生彈性波，經(jīng)試件反射拾振器接收信號，利用信號處理方法和頻譜技術抽出壁底部的反射信號，來測試彈性波在混凝土中的傳播速度Vp。美國試驗材料學會在C1383和C215規(guī)范中分別闡述了使用沖擊回波法測試波速和自振頻率的基本概念、基本步驟和計算分析方法，通過公式推導，可以將沖擊回波法測試的波速值與結構的自振頻率、動彈性模量聯(lián)系起來。

我國現(xiàn)行的《水工混凝土試驗規(guī)程》關于混凝土動彈性模量試驗是借鑒ASTM C215規(guī)范[11]。C215規(guī)范中棱柱體試件橫向、縱向動彈性模量按公式(1)、(2)計算，C1383規(guī)范中定義了P波波速的計算公式(3)，即兩倍的構件厚度與P波厚度頻率[10](FFT頻譜圖上的卓越頻率，理論上與試件縱向自振頻率相同)的乘積，將公式(3)頻率f(等同于n′)帶入公式(2)中，可推出公式(4),而公式(4)是聲學基礎中在一維條件下傳播的波速Vp1，所以用沖擊回波法測試P波波速來推求動彈性模量的方法與國內規(guī)程是一致的，且測得的棱柱體試件波速是一維波速。

(1)

(2)

Vp=2f×c

(3)

(4)

其中Ed為動彈性模量，GPa；M為試件質量，kg；n、f(或n′)分別為試件橫向自振頻率、縱向自振頻率，Hz；T為取決于試件邊長比和泊松比的修正系數(shù)；L(或c)、b、t分別為試件的長、寬、高，mm(或m)；Vp(Vp1)為P波(一維)波速，m/s；ρ為材料的密度，kg/m3。

本文應用混凝土結構多功能無損測試儀測試標準抗凍試件的彈性波波速。測試時，標準抗凍試件選用直徑為17 mm不銹鋼球做激振錘，而全級配抗凍試件由于尺寸較大，能量衰減較快，故選用直徑為30 mm不銹鋼球做激振錘。以標準抗凍試件為例，受信點位于端面中心，沿端面對角線布置4個激振點且與受信點的距離均為3 cm，每個激振點至少激振兩次以保證每個受信點能拾取到兩個有效數(shù)據(jù)，計算機保存數(shù)據(jù)以待處理(如圖1所示)。

圖1 標準抗凍試件的彈性波波速測試Fig.1 Detecting the variation of wave velocities of concrete specimen

采集數(shù)據(jù)后，通過自帶的處理軟件進行解析，而試件縱向自振頻率同樣可以采用測試試件P波厚度頻率即FFT頻譜圖上的卓越頻率的方法來獲得，從如圖2可以清晰的看到卓越頻率的峰值，峰值明顯且分布相同，與兩倍的構件厚度的乘積即可得到彈性波(P波)的波速。將峰值頻率代入公式(3)中可得到波速Vp，圖2中峰值頻率為4 993 Hz，棱柱體試件的長度為0.4 m，則波速Vp=2×T×f=2×0.4×4 993=3 994 m/s。

圖2 沖擊回波測試振幅頻譜Fig.2 Amplitude spectrum for a valid impact-echo test

2 試驗研究

根據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》，混凝土凍融試驗以混凝土實體試件進行，制備齡期為180 d的水工混凝土試件(成型標準抗凍試件和全級配抗凍試件，尺寸分別為100 mm×100 mm×400 mm和400 mm×400 mm×1 600 mm)和齡期為28 d不同配合比下基準、引氣混凝土試件(成型標準抗凍試件)。采用國產(chǎn)的混凝土凍融試驗機設備，以快凍法進行，凍結時混凝土試件的中心溫度為-170C±2 ℃，融化時試件中心溫度為80C±2 ℃，標準抗凍試件一次凍融循環(huán)為3 h左右，全級配

2.1 齡期為180d的某工程水工混凝土抗凍性試驗

試驗原材料為白鶴灘旱谷地料場灰?guī)r粗、細骨料，華新(昭通)中熱硅酸鹽水泥，云南宣威電廠粉煤灰，ZB-1A減水劑和ZB-1G引氣劑，配合比見表1。本試驗按照上述配合比設計，同時成型標準抗凍試件和全級配抗凍試件，且在同一養(yǎng)護室養(yǎng)護至180 d齡期，試驗條件和養(yǎng)護環(huán)境完全一致。按照規(guī)程進行試驗，成型試件后養(yǎng)護180 d進行抗凍性測試，每隔25次凍融循環(huán)后測試自振頻率和波速的變化，以3個試件試驗結果的平均值為測試值，統(tǒng)計自振頻率和波速并計算相對動彈性模量，標準抗凍試件測試結果見表2和圖3，全級配抗凍試件測試結果見表3和圖4。

表1 混凝土試驗配合比

由表2和表3可知，混凝土試件的自振頻率和彈性波波速隨凍融循環(huán)的增加而逐步降低，標準抗凍試件在凍融循環(huán)次數(shù)達到250次時相對動彈性模量下降至初始值的61.2%，而全級配抗凍試件在凍融循環(huán)次數(shù)達到200次時相對動彈性模量下降至初始值的63.7%，且質量損失率均小于5%，則標準抗凍試件的抗凍等級為250次，全級配抗凍試件的抗凍等級為200次。造成這種差異的原因可能是全級配大試件中骨料與水泥石界面過渡區(qū)和微裂縫等薄弱環(huán)節(jié)較多，更容易受到侵蝕。為進一步研究混凝土在凍融循環(huán)過程中劣化的程度，將凍融循環(huán)分別延長至300次和225次，在同一圖表中同時建立基于自振頻率、波速的相對動彈性模量隨凍融循環(huán)的變化關系，由圖3和圖4可以看出兩條曲線基本重合，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，兩個數(shù)值同時減小且減小的幅度大體相同。

圖3 測試參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關系Fig.3 The variation of testing parameters under the freeze-thaw test

凍融次數(shù)n自振頻率f/Hz波速Vp/(m·s-1)相對動彈性模量Pn/%基于波速的Pn/%Pn-Pn/%024354502100．0100．00．0252349436293．093．9-0．8502328434691．493．2-1．8752317433090．592．5-1．91002288426488．389．7-1．41252243422184．887．9-3．11502178411580．083．5-3．61752114396775．477．6-2．22002039378670．170．7-0．62251981363466．265．11．02501906363461．265．2-3．92751780345653．458．9-5．53001700325248．752．2-3．4

表3 抗凍性測試結果

注：- 表示因儀器送檢未測定數(shù)值

圖4 測試參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關系Fig.4 The variation of testing parameters under the freeze-thaw test

2.2 不同配合比下基準、引氣混凝土抗凍性試驗

試驗原材料為卡拉變質巖粗、細骨料，乃托硅酸鹽水泥42.5，曲靖二級粉煤灰，萘系減水劑和引氣劑，配合比及坍落度和含氣量測試見表4。本次試驗是在相同原材料(骨料、摻合料、水泥品種及外加劑品種)的情況下進行的，采用基準混凝土(未添加外加劑)和引氣混凝土(添加減水劑、引氣劑)的配合比設計，兩種狀態(tài)的混凝土水膠比分別為0.45、0.50、0.55。

試驗按照規(guī)程規(guī)定執(zhí)行，成型標準試件后養(yǎng)護28 d進行抗凍性測試，采用2.1相同的方法進行測試和計算。試件養(yǎng)護28 d后按照沖擊回波法和共振法分別計算動彈性模量，入箱后每隔25次凍融循環(huán)后測試自振頻率和波速的變化，建立基于自振頻率、波速的相對動彈性模量隨凍融循環(huán)的變化關系。由于測試的數(shù)據(jù)和結果較多，試件的抗凍性測試結果未能一一列出，僅把沖擊回波法和共振法計算動彈性模量的結果(見表5)和基于自振頻率、波速的相對動彈性模量隨凍融循環(huán)的變化關系圖(見圖5)給出。

表4 混凝土試驗配合比及坍落度、含氣量測試

由表5可以看出，沖擊回波法測得的動彈性模量Ed與傳統(tǒng)的共振法測得的值大體相等，除SQ-5020組的差異為2.3%，其他各組差異均小于2%。測試結果受水灰比、引氣量等因素的影響很小，這充分證明了沖擊回波法可以有效的測試混凝土的動彈性模量Ed。

圖5可以反映凍融過程中兩種方法測試相對動彈性模量的變化，這對于定性、定量的評價混凝土的抗凍性是有重要意義的。對未摻氣混凝土試件測試后，發(fā)現(xiàn)三組不同水膠比的混凝土試件SJZ-4520、SJZ-5020、SJZ-5520的抗凍性很差，在25次凍融循環(huán)后相對動彈性模量早已降低至60%，試件認為早已達到破壞，三組試件的抗凍等級也遠低于25次，但為進一步研究混凝土嚴重凍融劣化時的性質將凍融循環(huán)延至50次。試驗過程中，用動彈性模量測試儀測試試件編號組為SJZ5020和SJZ5520的自振頻率時，讀取的自振頻率一直在波動，很難穩(wěn)定讀數(shù)，且每次讀取的數(shù)值均有較大變化，圖5(b)和(c)中以多次讀數(shù)的平均數(shù)值作為測試的結果，這是有一定誤差的。而用沖擊回波法測試的混凝土試件頻譜圖易讀取，解析的波速值比較穩(wěn)定，能較好的反映凍融循環(huán)中混凝土試件內在性質的變化。對于摻氣混凝土試件SQ4520、SQ5020、SQ5520測試到300次時相對動彈性模量降低至90%左右，基于自振頻率、波速的相對動彈性模量隨凍融循環(huán)的變化關系曲線一直擬合的較好，下降的趨勢和數(shù)值也是基本一致的。試驗表明，利用沖擊回波法測試的波速值既能推求混凝土動彈性模量，也能反映混凝土試件的抗凍性，特別是當混凝土凍融侵蝕嚴重時(相對動彈性模量降低至60%以下)，可以明顯的讀取彈性波的波速值，這為更好的研究混凝土試件抗凍性提供了一種新方法。

表5 沖擊回波法和共振法在齡期28d時測得的動彈性模量Ed

圖5 測試參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關系Fig.5 The variation of testing parameters under the freeze-thaw test

3 試驗結果理論分析及小結

上述試驗結果表明，在對齡期為180 d的某工程水工混凝土進行抗凍性測試時，發(fā)現(xiàn)沖擊回波法測試標準抗凍試件、全級配抗凍試件抗凍性的結果與規(guī)程中共振法的結果是基本一致的，基于自振頻率和波速的相對動彈性模量隨凍融循環(huán)的變化關系曲線擬好的較好，試件的自振頻率、波速、相對動彈性模量均隨凍融循環(huán)而逐步下降；在對不同配合比下基準、引氣混凝土進行抗凍性測試時，發(fā)現(xiàn)沖擊回波法測得的動彈性模量Ed與傳統(tǒng)的共振法測得的值大體相等，沖擊回波法可用于混凝土試件的抗凍性測試，且測試結果受級配、骨料、水灰比、引氣量等因素的影響較小。按照規(guī)程中試驗結果的處理，相對動彈性模量按公式(5)計算，以3個試件試驗結果的平均值作為測試值。

(5)

其中Pn為n次凍融循環(huán)后試件相對動彈性模量，%；f0為試件凍融循環(huán)前的自振頻率，Hz；fn為試件凍融n次循環(huán)后的自振頻率，Hz。

(6)

(7)

由上述理論和計算公式可知，無論是基于自振頻率的相對動彈性模量還是基于彈性波波速的相對動彈性模量的數(shù)值應該是相等的，即可得到公式(8)和(9)，這與試驗得到的結果是近似一致的，說明基于沖擊回波法來評價試驗室水工混凝土抗凍性是有理論依據(jù)的。

(8)

(9)

《水工混凝土試驗規(guī)程》中規(guī)定對于混凝土試件，宜測試其橫向自振頻率。共振法測試的數(shù)值為橫向自振頻率，推求的為橫向動彈性模量。而沖擊回波法測試的振幅頻譜圖可以確定試件的卓越頻率(縱向自振頻率)，進而推求縱向動彈性模量。共振法主要是在受迫振動下確定試件的自振頻率，而沖擊回波法主要靠傳感器獲取外荷載激勵下試件的瞬態(tài)共振響應，獲得卓越頻率，進而推求彈性波波速和結構厚度。在測試室內混凝土抗凍性時，共振法測試自振頻率時較為簡單，可直接讀取，但當自振頻率下降較大時或相對動彈性模量下降至60%時測試結果易出現(xiàn)波動；沖擊回波法測試是步驟略微繁瑣，波速需要解析，但數(shù)值較為穩(wěn)定，可重復性較好。總之，兩種測試方法原理相似，卻又不同，共振法主要是試驗室控制的一種手段，不能用于現(xiàn)場混凝土結構，而沖擊回波法可以在現(xiàn)場復制，通過測試彈性波波速來推求動彈性模量，進而對混凝土結構的耐久性做出評價。

4 結 論

沖擊回波法可以有效的測試混凝土試件的動彈性模量，且與規(guī)程中規(guī)定的混凝土抗凍性試驗測試結果是基本一致的，特別是在混凝土凍融破壞嚴重時，通過測試彈性波波速要比測試自振頻率的抗凍性測試方法有更好的穩(wěn)定性。沖擊回波法中的應力波可以穿透混凝土結構，測試結果受介質內雜散波的影響很小，通過波速的轉換，可以利用P波波速來表達混凝土動彈性模量，進而測試混凝土結構的抗凍性，為混凝土實體結構的耐久性檢測和評價提供了一種新思路。

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Detecting durability of hydraulic concrete with impact echo method

SUN Qi-chen, Lü Xiao-bin，YUE Yue-zhen，TIAN Jun-tao, KONG Xiang-zhi

(State Key Laboratory for Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, Department of Structures and Materials, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038，China)

The validity of using the impact-echo method to measure the dynamic elastic modulus of concrete for standard prismatic specimens was studied here. It was found that P-wave speed in a standard prism obtained with the impact-echo test agrees well with the theoretical one-dimensional P-wave speed, and the dynamic elastic moduli obtained using the impact-echo method are essentially equal to those using the conventional transverse resonant frequency method. Here, the impact-echo method was adopted to detect the variation of P wave velocities of concrete specimens with increase in freezing and thawing cycles, it was compared with the variation of the fundamental vibration frequencies of the specimens obtained with the resonance method. The parallel evaluation of the decline of relative dynamic elastic modulus was conducted using these two methods. The experimental results and theoretical analysis showed that using the impact echo method to detect the frost resistance of hydraulic concrete is feasible and the method can be used for durability assessment of hydraulic concrete.

impact echo method; concrete; dynamic elastic modulus; durability

中國水利水電科學研究院科研專項(結集1246);水利部“948”項目(201301)

2012-09-03 修改稿收到日期：2013-04-01

孫其臣 男，碩士生，1987年生

TU528.01

A

10.13465/j.cnki.jvs.2014.08.034