北京明長城原青磚的超聲波測強(qiáng)

(北京化工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100029)

長城作為我國著名的軍事防御工程，其修繕保護(hù)工作受到各界廣泛關(guān)注。北京地區(qū)長城多以明長城為主，主要分布在平谷、密云、懷柔、昌平、延慶和門頭溝等6個(gè)區(qū)縣，且多為磚石混砌，砌筑材料主要為青磚和條石。其中，青磚是長城砌筑過程中使用數(shù)量最多，使用范圍最廣的材料，作為主要的承重材料，其與長城自身的結(jié)構(gòu)安全息息相關(guān)。因此，針對(duì)青磚后續(xù)修繕選材需求，對(duì)北京明長城原青磚抗壓強(qiáng)度的檢測顯得尤為重要。

目前，建材行業(yè)中主要依據(jù)GB/T 5101-2003《燒結(jié)普通磚》和GB/T 2542-2012《砌墻磚試驗(yàn)方法》等相關(guān)建材標(biāo)準(zhǔn)來測試(破損法)青磚的實(shí)際抗壓強(qiáng)度，但在文物保護(hù)領(lǐng)域又因取樣困難、對(duì)文物本體造成破壞、成本較大等原因，需要采用無損或微損的檢測方法來推算青磚的抗壓強(qiáng)度。現(xiàn)階段提出了JC/T 796-2013《回彈儀評(píng)定燒結(jié)普通磚強(qiáng)度等級(jí)的方法》標(biāo)準(zhǔn)，即通過測定青磚的表面回彈強(qiáng)度和實(shí)際抗壓強(qiáng)度，建立回彈強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的曲線關(guān)系，從而通過回彈強(qiáng)度來推算其抗壓強(qiáng)度，所得測強(qiáng)曲線相關(guān)系數(shù)較好，且符合測強(qiáng)模型精度要求[1-2]。但在長城勘測過程中，因青磚長期受風(fēng)霜、雨雪等自然營造力的影響，加上表面風(fēng)化層較厚，以及內(nèi)部缺陷、表面石子、表面濕度、檢測人員變動(dòng)等因素影響，回彈強(qiáng)度常常無法有效測定或所測結(jié)果偏差較大，且測定過程會(huì)對(duì)青磚表面存在一定的損傷和破壞。故除上述的回彈法，有人提出了感官識(shí)別法、沖擊法和超聲脈沖法等無損檢測概念[3]。

超聲波脈沖法是一種無損檢測方法，在混凝土、天然石材等無機(jī)材料領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛[4-6]，且在國內(nèi)外已存在多個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但在燒結(jié)青磚上的應(yīng)用研究還較少。戴仕炳等對(duì)燒結(jié)黏土磚超聲波波速與抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)同一類型的磚的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度隨著固定方向的波速的增大而增大[7-8]。KOJIMA等[9]通過超聲波波速的測量來估計(jì)磚結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，結(jié)果表明超聲波波速與材料性能之間存在著顯著的關(guān)系。為了解北京明長城砌筑青磚抗壓強(qiáng)度性能，筆者采用超聲波無損檢測技術(shù)測試其超聲波波速，研究超聲波波速與抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性，建立兩者之間的曲線關(guān)系，該曲線可應(yīng)用于北京明長城的勘察工作，通過現(xiàn)場檢測出的青磚超聲波波速可推算出青磚的實(shí)際抗壓強(qiáng)度。

1 檢測原理

超聲檢測的基本原理是利用超聲波在物質(zhì)中傳播時(shí)，遇到內(nèi)部孔隙或缺陷(如裂縫、空鼓等)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射、折射、衰減等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致聲波的聲時(shí)、波速、波形、振幅、頻率等特性參數(shù)發(fā)生變化，即因物質(zhì)的內(nèi)部缺陷會(huì)延長傳播路徑或以空氣作為傳播介質(zhì)時(shí)使傳播聲時(shí)變長，從而導(dǎo)致波速變小，故超聲波波速在一定程度上能反映出物質(zhì)的內(nèi)部情況[10]。而青磚抗壓強(qiáng)度的變化本質(zhì)上也受其內(nèi)部物質(zhì)特性的影響[11]，由于原料篩選、磚坯養(yǎng)護(hù)條件、燒制工藝等因素影響，其內(nèi)部孔隙會(huì)有所變化，內(nèi)部孔隙率越大，結(jié)構(gòu)越疏松，若忽略青磚原料材料、內(nèi)部雜質(zhì)(如石子、石灰等)等的影響，對(duì)于同地區(qū)青磚而言，理論上其抗壓強(qiáng)度也越小。

2 超聲波與青磚內(nèi)部孔隙關(guān)系

篩選出5塊青磚整樣，每塊整樣切割出2組尺寸(邊長×邊長×邊長，下同)為5 cm×5 cm×5 cm的立方體試件，共10組青磚試件，參考CECS21:2000《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)測量其超聲波波速(測量3對(duì)對(duì)測面，取平均值)及開孔孔隙率，驗(yàn)證超聲波與青磚內(nèi)部狀況的相關(guān)性，其結(jié)果如表1所示。

表1 超聲波與青磚內(nèi)部開孔孔隙率的相關(guān)性

根據(jù)上述測試結(jié)果，為了解超聲波與青磚內(nèi)部情況的相關(guān)性，在x-y坐標(biāo)軸上繪制青磚超聲波波速與開孔孔隙率的散點(diǎn)圖，如圖1所示。

圖1 超聲波波速與青磚內(nèi)部孔隙率的關(guān)系

由圖1可知，若忽略測試過程中的偶然誤差，青磚超聲波波速與內(nèi)部開孔孔隙率大致呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即青磚內(nèi)部孔隙越多，所測得的超聲波波速數(shù)值越小，同時(shí)內(nèi)部孔隙率會(huì)影響青磚的實(shí)際抗壓強(qiáng)度，故青磚超聲波波速也與實(shí)際抗壓強(qiáng)度之間存在一定的相關(guān)性，可通過超聲波波速對(duì)青磚內(nèi)部孔隙或缺陷進(jìn)行概括性評(píng)估。

3 超聲波與青磚抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

3.1 試件制備

選取北京明長城6個(gè)區(qū)縣的青磚試樣，用砂紙除去表面風(fēng)化層，因樣品數(shù)量有限，將所得青磚試樣切割為5 cm×5 cm×5 cm的立方體試件，試件數(shù)量約為50組，用于超聲波波速和實(shí)際抗壓強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)。

3.2 測試設(shè)備

試驗(yàn)過程中，青磚的超聲波檢測采用ZBL-U510型非金屬超聲波檢測儀(北京智博聯(lián)公司)，其讀數(shù)精度為±0.05 μs，換能器頻率為10 kHz～250 kHz，發(fā)射電壓為65，125，250，500，1 000 V可調(diào)，增益范圍為0～82 dB，其具體測試參數(shù)為:采樣長度,1 024;采樣周期,0.4 μs;發(fā)射電壓,500 V;發(fā)射脈寬,0.04 ms;換能器頻率,50 kHz。而青磚實(shí)際抗壓強(qiáng)度使用DYE-300A型微機(jī)伺服抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢測。

3.3 試驗(yàn)過程

3.3.1 超聲波波速測試

選擇青磚試件的兩個(gè)平行被壓面，使用游標(biāo)卡尺測量被壓面的長度、寬度及兩平行被壓面之間的高度，然后采用超聲波檢測儀通過對(duì)測法[10]測量超聲波通過兩被壓面的聲時(shí)，且通過多次測量求取平均值，并按式(1)計(jì)算超聲波波速。

V對(duì)=L/T

(1)

式中：V對(duì)為試件超聲波波速，km·s-1；L為兩平行被壓面之間的高度，即超聲測距，mm；T為通過兩被壓面的聲時(shí)，μs。

3.3.2 實(shí)際抗壓強(qiáng)度測試

超聲波波速測量完畢后，將試件放入抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測定，記錄試件破壞載荷，再按式(2)計(jì)算實(shí)際抗壓強(qiáng)度。

f=F/(a×b)

(2)

式中：f為試件實(shí)際抗壓強(qiáng)度，MPa；F為試件破壞載荷，N；a為受壓面長度，mm；b為受壓面寬度，mm。

3.3.3 測試結(jié)果

計(jì)算并記錄試件的超聲波波速V對(duì)和青磚實(shí)際抗壓強(qiáng)度f，匯總?cè)绫?所示，綜合分析兩者之間的關(guān)系。

3.4 回歸方程選取

圖2 線性函數(shù)型超聲波測強(qiáng)曲線

為了解試件超聲波波速與實(shí)際抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)性，篩選出線性函數(shù)型、冪函數(shù)型以及指數(shù)函數(shù)型3種常見的回歸方程來研究兩者之間的規(guī)律性，結(jié)合表2所示的測試結(jié)果，分別利用3種函數(shù)形式進(jìn)行相應(yīng)回歸分析，繪制青磚超聲波測強(qiáng)曲線，如圖2～4所示。

表2 超聲波波速與實(shí)際抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)匯總

圖3 冪函數(shù)型超聲波測強(qiáng)曲線

圖4 指數(shù)函數(shù)型超聲波測強(qiáng)曲線

3.5 超聲波測強(qiáng)曲線確定

參考《回彈儀評(píng)定燒結(jié)普通磚強(qiáng)度等級(jí)的方法》標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，一般主要通過相關(guān)系數(shù)R、抗壓強(qiáng)度平均相對(duì)誤差(%)以及抗壓強(qiáng)度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD(%)來評(píng)估測強(qiáng)曲線的精度，進(jìn)行曲線篩選，其計(jì)算過程如式(3)，(4)所示。

(3)

(4)

按上述要求，計(jì)算其相關(guān)結(jié)果，如表3所示。

表3 青磚超聲波測強(qiáng)曲線精度對(duì)比結(jié)果

由表3可知，3條青磚超聲波測強(qiáng)曲線的相關(guān)系數(shù)、平均相對(duì)誤差及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差都較為接近。一般統(tǒng)一測強(qiáng)曲線平均相對(duì)誤差不應(yīng)大于±15%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差不應(yīng)大于±18%，地區(qū)測強(qiáng)曲線平均相對(duì)誤差不應(yīng)大于±14%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差不應(yīng)大于±17%，綜合考慮，冪函數(shù)型超聲波測強(qiáng)曲線的相關(guān)系數(shù)最大，推算的抗壓強(qiáng)度的平均相對(duì)誤差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，且較為符合測強(qiáng)曲線平均相對(duì)誤差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差的數(shù)值要求，為了確保曲線的精度，故選擇冪函數(shù)型超聲波測強(qiáng)曲線作為抗壓強(qiáng)度推算的表達(dá)式，如式(5)所示。

f推=3.328 2V對(duì)1.653 5

(5)

式中：f推為青磚推算抗壓強(qiáng)度，MPa。

文章擬合所得的超聲波波速與抗壓強(qiáng)度之間的回歸方程，主要適用于北京明長城青磚的抗壓強(qiáng)度推算，為地區(qū)測強(qiáng)曲線，其他地區(qū)青磚的抗壓強(qiáng)度推算可參考此方法進(jìn)行。此方法為無損檢測方法，適用于文物古建現(xiàn)場的勘察工作。

4 結(jié)語

為了解青磚強(qiáng)度特性，選用與青磚內(nèi)部孔隙或缺陷存在相關(guān)性的超聲波波速作為強(qiáng)度推算指標(biāo)，又因超聲波對(duì)測法精度好，靈敏度高，與強(qiáng)度關(guān)聯(lián)性大，建立了超聲波對(duì)測波速與抗壓強(qiáng)度的回歸方程曲線，可通過測試所得的對(duì)測波速大致推算出青磚抗壓強(qiáng)度。

此方法在合適的現(xiàn)場勘察條件下，通過超聲波波速測量能有效推算出青磚抗壓強(qiáng)度，從而避免取樣困難或?qū)ξ奈锕沤ㄖ斐善茐牡葐栴}。然而，此方法還有需要進(jìn)一步研究的地方，一是自然環(huán)境的影響，溫、濕度等會(huì)對(duì)超聲波測量結(jié)果造成一定影響，后續(xù)需研究自然環(huán)境對(duì)青磚超聲波波速測量結(jié)果的影響，對(duì)其結(jié)果數(shù)值進(jìn)行適當(dāng)修正；二是測量位置的選取，因?qū)y法主要是測量通過兩個(gè)被壓面的超聲波波速，大多數(shù)現(xiàn)場勘察條件下，較難找到合適的對(duì)測面，多為一個(gè)可測的平面，故后續(xù)需研究青磚超聲波平測技術(shù)與對(duì)測技術(shù)之間的相關(guān)性，使平測波速能夠修正轉(zhuǎn)換成對(duì)測波速。