沖擊回波法定量評(píng)估低強(qiáng)和高強(qiáng)混凝土荷載損傷

丁勇楠，李曙光，田軍濤，陳改新，卿龍邦

(1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津300401；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100038)

0 引 言

混凝土在機(jī)械荷載作用下的損傷破壞過程是內(nèi)部微裂紋的萌生和擴(kuò)展過程。目前常用的評(píng)價(jià)混凝土荷載損傷程度的無損方法有超聲波波速法和沖擊回波法。國(guó)外學(xué)者Shokouhi等[1]研究了聲波表面波速隨應(yīng)力增長(zhǎng)的變化曲線；國(guó)內(nèi)學(xué)者王懷亮等[2]研究了不同尺寸混凝土在受壓狀態(tài)下的超聲波波速變化規(guī)律；朱勁松等[3]研究了雙軸壓疲勞荷載下超聲波波速的變化規(guī)律。然而超聲波波速法受混凝土含水量、鋼筋等因素的影響比較大[4，5]，因此應(yīng)用受限。沖擊回波法作為20世紀(jì)80年代興起的一種混凝土無損檢測(cè)技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于混凝土厚度和內(nèi)部缺陷的檢測(cè)。Lu X等[6]采用沖擊回波法測(cè)試了混凝土動(dòng)彈性模量，發(fā)現(xiàn)其結(jié)果與傳統(tǒng)共振法是一致的，證明了沖擊回波法測(cè)試動(dòng)彈性模量的有效性；張建綱等[7]初步研究了不同壓縮荷載水平下混凝土內(nèi)部彈性波波速的變化，但其研究對(duì)象只是抗壓強(qiáng)度約40MPa的混凝土。

本文采用沖擊回波法對(duì)經(jīng)過不同水平單軸壓縮荷載加載后低強(qiáng)(C15)和高強(qiáng)(C70)混凝土的彈性波波速進(jìn)行研究，并通過彈性波波速表征混凝土內(nèi)部的損傷程度，研究荷載損傷下不同強(qiáng)度混凝土內(nèi)部損傷發(fā)展過程的異同。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)過程

低強(qiáng)混凝土(LS系列)和高強(qiáng)混凝土(HS系列)均采用42.5普通硅酸鹽水泥，萘系減水劑和ZB-1G引氣劑。LS系列混凝土采用Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)骨料為河砂，粗骨料為最大粒徑30 mm的天然卵石；HS系列混凝土采用Ⅰ級(jí)粉煤灰，細(xì)骨料為天然砂，粗骨料為最大粒徑40 mm的人工碎石。LS和HS系列混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比

制作成100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件。試件放入20 ℃，相對(duì)濕度95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)完畢后取出，進(jìn)行彈性波波速測(cè)試，獲得未受荷載前的彈性波波速。按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到LS和HS系列抗壓強(qiáng)度分別為17.4 MPa(測(cè)試齡期6個(gè)月)和75.4 MPa(測(cè)試齡期2年)。

將LS和HS系列的每組(3塊/組)試塊通過全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)以0.5 MPa/s的加荷速度分別加載到該系列混凝土抗壓強(qiáng)度的10%、20%、30%、50%、70%、80%，每個(gè)荷載加載一次，卸載后再次進(jìn)行彈性波波速測(cè)試。

彈性波測(cè)試所用的沖擊波測(cè)試系統(tǒng)為四川升拓公司生產(chǎn)的混凝土彈性波測(cè)試系統(tǒng)，其基本原理見參考文獻(xiàn)[8]。進(jìn)行彈性波波速測(cè)試時(shí)，每個(gè)試塊在垂直于加載方向的2個(gè)方向(h1和h2)分別測(cè)試一次，在平行于加載方向的方向(p)測(cè)試一次，測(cè)試方向見圖1。

圖1 彈性波測(cè)試方向示意

1.2 荷載損傷度

參考趙霄龍[9]和Ohtsu等[10]通過超聲波波速構(gòu)筑損傷變量的方法，將測(cè)試所得的混凝土彈性波波速轉(zhuǎn)化為荷載損傷度，計(jì)算公式為

(1)

式中，DL為荷載損傷度；v0和、v′分別為承受荷載前、后混凝土的彈性波波速。DL的取值范圍為0～100%，即未承受荷載混凝土的損傷度為0，完全破壞混凝土的損傷度為100%。

2 結(jié)果分析

彈性波波速測(cè)試結(jié)果見表2、3。編號(hào)中的10表示所經(jīng)受的荷載為抗壓強(qiáng)度的10%。

2.1 LS與HS系列彈性波波速對(duì)比

對(duì)LS與HS系列每個(gè)荷載下3個(gè)彈性波測(cè)試方向共9個(gè)試塊的彈性波波速求平均值，接下來再進(jìn)行歸一化處理。圖2為處理后的LS和HS系列波速結(jié)果，縱坐標(biāo)表示同一荷載下加載后波速(vi)與加載前波速(vs)的比值。

結(jié)合表2、3與圖2對(duì)LS和HS系列彈性波波速變化進(jìn)行分析：

(1)由圖2得到，低強(qiáng)和高強(qiáng)混凝土彈性波波速隨荷載的增加而逐漸減小，但其減小速度有明顯差異。荷載從0增加到80%的過程中，高強(qiáng)混凝土彈性波波速下降了35%(由3.55 km/s降低至2.29 km/s)，而低強(qiáng)混凝土僅下降了20%(由2.85 km/s降低至2.29 km/s)。彈性波波速對(duì)高強(qiáng)混凝土內(nèi)部的荷載損傷變化更為敏感。

表2 LS系列彈性波測(cè)試結(jié)果 km/s

圖2 LS、HS系列彈性波波速變化曲線

(2)雖然在無損狀態(tài)下，高強(qiáng)混凝土的初始彈性波波速要遠(yuǎn)大于低強(qiáng)混凝土的初始彈性波波速；但在80%抗壓荷載水平下，兩者的彈性波波速相近，均約為2.29 km/s。

(3)隨荷載增加，LS和HS系列的彈性波波速與測(cè)試方向并無相關(guān)性。與圖2進(jìn)行比較，可以看出兩個(gè)系列各方向彈性波波速的變化趨勢(shì)與兩個(gè)系列平均彈性波波速的變化趨勢(shì)保持一致。

2.3 LS與HS系列損傷度對(duì)比

LS與HS系列的損傷度是由每個(gè)荷載下3個(gè)彈性波測(cè)試方向共9個(gè)試塊的損傷度求平均值得到，如圖3所示。圖3中文獻(xiàn)[4]損傷度發(fā)展曲線是將文獻(xiàn)[4]中波速變化按照式(1)計(jì)算得到。

由圖3可知：

(1)低強(qiáng)和高強(qiáng)混凝土損傷度隨荷載的增加而逐漸增大，但其損傷發(fā)展過程是不同的。當(dāng)荷載增加到80%時(shí)，低強(qiáng)混凝土的損傷度增加到36.7%，高強(qiáng)混凝土增加到56.6%。高強(qiáng)混凝土的損傷度在20%荷載之前與低強(qiáng)混凝土相近，但在20%荷載后明顯高于低強(qiáng)混凝土。

表3 HS系列彈性波測(cè)試結(jié)果 km/s

圖3 LS、HS系列損傷度變化

(2)隨著荷載的提高，低強(qiáng)混凝土的損傷度發(fā)展存在一個(gè)拐點(diǎn)(30%載荷處)，但高強(qiáng)混凝土不存在拐點(diǎn)。在低荷載(10%～30%)階段，混凝土內(nèi)部損傷度較低且變化不大(分別為6.8%、11.6%、7.7%)；當(dāng)荷載超過30%時(shí)損傷度快速增大，荷載50%～80%的損傷度分別快速增加至20.9%、29.4%、36.7%。與低強(qiáng)混凝土相比，高強(qiáng)混凝土不存在明顯拐點(diǎn)，損傷度隨荷載的增加快速增長(zhǎng)，荷載由10%增加到70%時(shí)，損傷度從4.9%快速增加至54.3%，之后緩慢增加至56.6%。

(3)低強(qiáng)混凝土損傷度隨荷載的提高存在拐點(diǎn)的結(jié)論與文獻(xiàn)[4]的結(jié)論相似。兩者在低荷載水平階段損傷度均較低且變化不大，且在80%荷載時(shí)，損傷度數(shù)值相近。不同的是，文獻(xiàn)[4]中混凝土的損傷度發(fā)展拐點(diǎn)在60%荷載處，而本文混凝土發(fā)展拐點(diǎn)在30%荷載處。其原因推測(cè)與混凝土強(qiáng)度有關(guān)，本文混凝土強(qiáng)度17.4 MPa明顯低于文獻(xiàn)[4]中的混凝土強(qiáng)度44MPa。

(4)經(jīng)典混凝土力學(xué)認(rèn)為荷載小于30%時(shí)可認(rèn)為混凝土一直處于彈性階段[11]，根據(jù)本文研究，該假設(shè)對(duì)于普通強(qiáng)度混凝土有一定的合理性，但對(duì)高強(qiáng)混凝土并不適用。

2.4 LS與HS系列損傷度方向性分析

為驗(yàn)證測(cè)試方向?qū)p傷度的影響，每個(gè)試塊均選取了3個(gè)不同的方向進(jìn)行測(cè)試。LS和HS系列不同測(cè)試方向損傷度變化見圖4。由圖4可知，荷載從低到高，LS和HS系列的損傷度與測(cè)試方向并無相關(guān)性。圖3、4進(jìn)行對(duì)比可知，兩個(gè)系列各方向損傷度變化趨勢(shì)與平均損傷度變化趨勢(shì)一致；LS系列各方向損傷度與平均損傷度的平均偏離為2.7%，最大偏離為20%荷載時(shí)h2方向的7.6%；HS系列各方向損傷度與平均損傷度平均偏離為1.2%，最大偏離為80%荷載時(shí)h2方向的5.4%。兩個(gè)系列混凝土3個(gè)方向損傷度變化均在合理范圍之內(nèi)，也表明混凝土的受壓損傷是各向同性的。

圖4 LS、HS系列不同測(cè)試方向損傷度變化

3 結(jié) 論

應(yīng)用沖擊回波法對(duì)不同強(qiáng)度混凝土的荷載損傷進(jìn)行了研究，結(jié)果分析表明：

(1)低強(qiáng)和高強(qiáng)混凝土彈性波波速均隨荷載的增加而減小，但高強(qiáng)混凝土彈性波波速的下降速度要大于低強(qiáng)混凝土。高強(qiáng)混凝土無損彈性波波速要遠(yuǎn)大于低強(qiáng)混凝土，但經(jīng)受80%荷載后，兩者彈性波波速相近。

(2)低強(qiáng)和高強(qiáng)混凝土損傷度均隨荷載的增加而增大。荷載在20%以前兩種混凝土損傷度數(shù)值接近，大于20%時(shí)高強(qiáng)混凝土的損傷度明顯高于低強(qiáng)混凝土。

(3)低強(qiáng)混凝土損傷度發(fā)展在30%荷載處存在拐點(diǎn)，而高強(qiáng)混凝土損傷度隨荷載的增加快速增長(zhǎng)，不存在發(fā)展拐點(diǎn)。荷載小于30%時(shí)混凝土處于彈性階段這一假設(shè)對(duì)普通混凝土有一定合理性，但對(duì)高強(qiáng)混凝土并不適用。

(4)隨荷載的增加，兩種混凝土彈性波波速與內(nèi)部損傷度的變化與測(cè)試方向沒有相關(guān)性，說明低強(qiáng)和高強(qiáng)混凝土的受壓損傷是各向同性的。