混凝土損傷超聲檢測(cè)受含水量與頻率的影響研究

邵 帥

(盤錦水務(wù)集團(tuán)有限公司，遼寧 盤錦 124010)

0 引 言

一般地，以混凝土材料制成的結(jié)構(gòu)使用壽命可分為早期性能退化、損傷起始與積累過(guò)程、最終斷裂破壞3個(gè)階段。其中，外部特征形態(tài)比較明顯的有最終的斷裂破壞及結(jié)構(gòu)損傷起始和積累過(guò)程，一旦結(jié)構(gòu)出現(xiàn)宏觀裂紋將大大縮減其剩余的使用壽命。所以，科學(xué)診斷與監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)及材料早期性能尤為重要。1929年，為探測(cè)金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷Sokolov最早提出超聲波技術(shù)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展超聲無(wú)損檢測(cè)現(xiàn)已成為材料性能檢測(cè)的主要手段，并廣泛應(yīng)用于多個(gè)工程領(lǐng)域。

混凝土是一種內(nèi)部存在廣泛分布空洞、微裂紋等多種缺陷的各向異性多相復(fù)合材料，特別是顯著影響混凝土力學(xué)性能的骨料與砂漿界面過(guò)渡區(qū)。因此，混凝土中聲波的傳播要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比均勻介質(zhì)復(fù)雜，聲波會(huì)出現(xiàn)散射、折射和反射現(xiàn)象，并產(chǎn)生明顯的衰減。雖然混凝土強(qiáng)度檢測(cè)時(shí)，超聲脈沖法可以檢測(cè)出其內(nèi)部的缺陷問(wèn)題，但各種因素易對(duì)超聲傳播聲速與混凝土強(qiáng)度間的定量關(guān)系產(chǎn)生影響，難以直接利用檢測(cè)結(jié)果確定混凝土的損傷情況和真實(shí)強(qiáng)度。

混凝土超聲波速的影響因素既有配合比、水泥、骨料等原材料性能的內(nèi)部條件，又有檢測(cè)頻率、含水率以及試件溫度等外部因素，為了保證混凝土超聲無(wú)損檢測(cè)精度必須綜合考慮各種因素的影響程度及其作用機(jī)理[1-2]。據(jù)此，文章深入探究了混凝土聲學(xué)參數(shù)受含水量和檢測(cè)頻率的影響規(guī)律，旨在促進(jìn)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在水工混凝土中的應(yīng)用推廣。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制作混凝土試件，并將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后的試件放于水中，經(jīng)60d浸泡使其達(dá)到完全飽水狀態(tài)，然后利用烘箱烘干操作控制混凝土試件的含水量，完成超聲檢測(cè)，最后用壓力試驗(yàn)機(jī)破壞并測(cè)量其超聲波速，試驗(yàn)過(guò)程中所用的超聲測(cè)量頻次有100、50、30、15kHz，從而揭示混凝土超聲損傷檢測(cè)受含水率和檢測(cè)頻率的影響規(guī)律。

1.1 試件的制作

混凝土的主要組成材料有礦物添加劑、水、骨料、砂石、水泥和其他化學(xué)成分，混凝土強(qiáng)度在很大程度上取決于各種成分比值。試驗(yàn)所用水泥為P.O 32.5水泥，塌落度35-50mm，強(qiáng)度C30，碎石粒徑5-20mm，中砂，依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范確定混凝土試件的配合比。配合比設(shè)計(jì)，見(jiàn)表1。

表1 配合比設(shè)計(jì)

混凝土試件采用鋼膜成型，尺寸為100mm×100mm×100mm，成型之前清理干凈鋼膜，并用礦物油涂抹鋼膜內(nèi)壁以便脫模。首先，根據(jù)設(shè)計(jì)配合比稱取相應(yīng)的水泥、砂石用量，按順序投入攪拌機(jī)，先將水泥與骨料干拌均勻，然后按配合比稱取所需水量倒入攪拌機(jī)，繼續(xù)攪拌至規(guī)定時(shí)間倒出裝模。啟動(dòng)振搗臺(tái)，將入模試件振搗密實(shí)并常溫放置24h，脫模后置于標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期28d，標(biāo)養(yǎng)完成后取出試件浸泡水中60d，確保試件吸水飽和，以備后用。

1.2 超聲試驗(yàn)

試驗(yàn)過(guò)程中，為探討超聲檢測(cè)受不同含水率的影響作用，對(duì)飽水狀態(tài)的試件用烘箱進(jìn)行烘干處理，即試件含水量用烘干時(shí)間來(lái)控制。為了防止試驗(yàn)過(guò)程中混凝土試件因高溫烘干而出現(xiàn)損傷，先以60℃烘干24h再以105℃烘至含水量為0。設(shè)定超聲檢測(cè)頻次為4h/次，在超聲波速測(cè)量之前先對(duì)混凝土試件稱重確定其含水量，最后烘干至含水率為0，即試件質(zhì)量不變狀態(tài)。

試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)稱出試件的最初重量、每次干燥后重量、最后烘干無(wú)含水重量以及重量差可以計(jì)算出每次的含水率，從而獲取不同含水率條件下混凝土試件的超聲波速。聲波測(cè)試時(shí)主要應(yīng)用超聲檢測(cè)儀，本次試驗(yàn)選用智能RSM-SY5聲波檢測(cè)儀，該儀器的測(cè)量系統(tǒng)有聲波發(fā)射、采集裝置以及配套的控制分析軟件。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的初步處理利用RSM-SY5自帶的軟件完成，然后向電腦輸入儀器采集的數(shù)據(jù)信號(hào)，按系統(tǒng)操作流程完成相應(yīng)的分析。

1.3 混凝土加載

試件加載所用的壓力試驗(yàn)機(jī)為YE30液壓式，該試驗(yàn)機(jī)能夠以預(yù)先設(shè)定好的加載大小、速度對(duì)試件加壓，通過(guò)電腦控制可以進(jìn)行分級(jí)加載。本次試驗(yàn)實(shí)行分級(jí)加載，控制逐級(jí)加載幅度為50kN一級(jí)，直至試件完全破壞。試驗(yàn)過(guò)程中，待各級(jí)荷載穩(wěn)定后對(duì)混凝土試件采用4種頻率開展超聲測(cè)量，并對(duì)超聲參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確記錄。

為保證混凝土試件的測(cè)定空間，更好的比較分析15k的超聲換能器探頭，試驗(yàn)時(shí)以正常角度與試件排放角度呈45°進(jìn)行檢測(cè)[3]。

1.4 耦合劑選用

考慮到混凝土被測(cè)表面粗糙不平的實(shí)際情況，無(wú)論擠壓的多密實(shí)，混凝土表面與換能器輻射面接觸時(shí)兩者之間仍會(huì)有空氣夾層阻隔。一般地，空氣與固體的阻抗特性具有較大差異，絕大部分超聲能量被反射而無(wú)法貫入混凝土內(nèi)部。所以，需要將膏體或者液體耦合劑填充于混凝土與換能器之間，通過(guò)排掉二者之間的空氣形成耦合劑層，一般選用石膏漿、凡士林、黃油等較廉價(jià)的膏體作為平面換能器的耦合劑。試驗(yàn)過(guò)程中，以等壓力耦合的方式耦合混凝土試塊與換能器，耦合劑選用凡士林。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 含水量的影響分析

含水量與超聲波速之間的關(guān)系，見(jiàn)圖1。圖1中橫、縱坐標(biāo)代表混凝土的含水量和超聲波速，混凝土完全干燥和飽水狀態(tài)的含水量為0%、6%(重量百分比)。

(a)試件1

(b)試件2

(c)試件3

(d)試件4

(c)試件5

(d)試件6

由圖1可知，隨著含水量的增加混凝土試件的超聲波速波動(dòng)增大，這與空氣中超聲波速低于水中的物理事實(shí)相符。以檢測(cè)頻率50kHz為例，試塊飽水狀態(tài)和完全干燥狀態(tài)的超聲波速約為4000m/s、3500/s。另外，試件的超聲波速測(cè)量值受檢測(cè)頻率的影響較大，波速隨檢測(cè)頻率的增加而增大，其增大幅度逐漸變緩并趨于穩(wěn)定。保水狀態(tài)下的試塊，從15kHz探頭頻率提高至30kHz時(shí)測(cè)量的超聲波速值增量達(dá)到15%，繼續(xù)增大探頭頻率至100kHz測(cè)量的超聲波速值增量?jī)H有約5%，可見(jiàn)波速增加量隨著頻率的不斷增大逐漸趨于穩(wěn)定。

2.2 頻率的影響分析

外加荷載與試件超聲波速的關(guān)系，見(jiàn)圖2。圖2中的橫、縱坐標(biāo)為外加荷載和超聲波速(m/s)，不同監(jiān)測(cè)頻率用不同曲線反映?？紤]到室內(nèi)加載過(guò)程中，在烘干的混凝土試塊吸收空氣中的水分，故以外界環(huán)境含水量作為試塊的含水量。

由圖2可知，隨著外加荷載的增加試件的超聲波速逐漸減少，超聲波速下降速度在外加荷載較小時(shí)比較緩慢，而超聲波速下降速度在外加荷載較大時(shí)下降速度較快。由此表明，混凝土內(nèi)微裂紋隨著外加荷載的增加逐漸擴(kuò)展，試塊內(nèi)部開始出現(xiàn)損傷，加之宏觀彈性模量的下降使得超聲波速測(cè)量值減小。此外，增加探測(cè)頻率會(huì)導(dǎo)致不同含水量混凝土試件的超聲波速的增大。

(a)試件1

(b)試件2

(a)試件3

(b)試件4

2.3 深層理論分析

1)超聲檢測(cè)受含水量的影響。隨著含水量的增加自由水分逐漸替代混凝土內(nèi)空隙中的空氣，與空氣相比水作為一種不可壓縮液體，其變形量在外荷載作用下相對(duì)較小。所以，在外荷載作用下水與混凝土材料基體疊加后的總變形量逐漸減小。從宏觀上，該變化特征表現(xiàn)為彈性模量的增大，由于材料的彈性模量與超聲波速測(cè)量平均值呈正比，所以測(cè)量的超聲波速隨含水量的增加而增大。

2)超聲檢測(cè)受頻率的影響。能量輸入越高意味著檢測(cè)頻率就越高，混凝土內(nèi)相鄰質(zhì)點(diǎn)位移信息在超聲波傳播過(guò)程中的傳遞動(dòng)力越高，信息傳遞速度越快。研究表明，隨著加載速率的增加混凝土強(qiáng)度和彈性模量也會(huì)隨之增加。從微觀上，增大檢測(cè)頻率相當(dāng)于提高了超聲檢測(cè)時(shí)混凝土的彈性模量，超聲波速測(cè)量值也會(huì)增大。

此外，超聲波的檢測(cè)頻率越高其波長(zhǎng)就越短，傳播的方向性和靈敏度就越好，由于能量衰減大導(dǎo)致探測(cè)距離較短。因此，要合理選擇超聲波頻率檢測(cè)混凝土缺陷，在確保能夠探測(cè)信號(hào)能夠清晰接受的情況下，為了進(jìn)一步提高檢測(cè)的靈敏度要選擇較高的探測(cè)頻率。一般地，混凝土材料超聲波速的最適用檢測(cè)頻率為25-100kHz，頻率范圍為25-200kHz。試驗(yàn)過(guò)程中，結(jié)合實(shí)際情況并兼顧各種因素，可以將探頭超聲發(fā)射頻率設(shè)為50kHz。

3 結(jié) 論

文章探討了混凝土損傷超聲檢測(cè)受含水量和超聲檢測(cè)頻率的影響，通過(guò)初步分析及試驗(yàn)研究得出的主要結(jié)論如下：

1)在外荷載作用下混凝土的變形量隨含水量的增加而減少，宏觀彈性模量和超聲波速檢測(cè)值也隨之增加。此外，超聲波速增長(zhǎng)速度隨著混凝土含水量的增加而趨于平緩。

2)超聲檢測(cè)頻率越大則輸入的能量越高，混凝土內(nèi)相鄰質(zhì)點(diǎn)位移信息在超聲波傳播過(guò)程中的傳遞動(dòng)力越高，信息傳遞速度越快。從微觀上，增大檢測(cè)頻率相當(dāng)于提高了超聲檢測(cè)時(shí)混凝土的彈性模量，超聲波速測(cè)量值也會(huì)增大，超聲波速的增長(zhǎng)速度隨著頻率的不斷增加而趨于平緩。

3)隨著外加荷載的增大混凝土超聲波速逐漸減小，并且其減小幅度逐漸增大，混凝土逐漸產(chǎn)生損傷并進(jìn)一步發(fā)展。