自密實(shí)混凝土超聲波聲時(shí)及波幅影響因素研究

張明華，陳敬，凱樂，徐心舟

（1重慶建工建材物流有限公司，重慶 401122；2重慶市建筑材料與制品工程技術(shù)研究中心，重慶 401122）

0 引言

超聲波無損檢測(cè)技術(shù)是一種方便、簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確的檢測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷的無損檢測(cè)技術(shù)。在測(cè)試自密實(shí)混凝土內(nèi)部缺陷時(shí)，容易受到環(huán)境、試件等各種因素的影響，從而影響測(cè)試精度。試件的溫度、強(qiáng)度等級(jí)、含水率、鋼插件、測(cè)試儀器[1-3]等都會(huì)造成超聲波測(cè)試數(shù)據(jù)的偏差，但是關(guān)于自密實(shí)混凝土缺陷檢測(cè)可行性和定量分析的研究較多[4-6]，而對(duì)于影響因素的研究很少，所以本文探究了混凝土含水率、強(qiáng)度、鋼板厚度和數(shù)量若干因素對(duì)超聲波聲學(xué)參數(shù)的影響程度。

當(dāng)超聲波在不同界面?zhèn)鞑r(shí)，一部分會(huì)透過界面繼續(xù)傳播，一部分進(jìn)行反射和折射[7-8]。當(dāng)超聲波通過不同物質(zhì)狀態(tài)的介質(zhì)時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出不同的聲學(xué)現(xiàn)象。通過傳播速度、傳播時(shí)間、首播波幅、頻率等聲學(xué)參數(shù)，可以判斷介質(zhì)的物質(zhì)狀態(tài)。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

探究含水率、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、鋼插件等因素對(duì)超聲波檢測(cè)自密實(shí)混凝土?xí)r的影響，通過對(duì)聲速、波幅數(shù)據(jù)的分析，從而確定各項(xiàng)因素的影響程度，為超聲波檢測(cè)提供一定的理論參考依據(jù)。

1.2 測(cè)試儀器

測(cè)試儀器具體型號(hào)如表1所示。

表1 超聲波檢測(cè)器性能介紹

1.3 原材料

采用強(qiáng)度等級(jí)42.5的水泥、粉煤灰選用Ⅱ級(jí)灰、S95礦渣粉，選用級(jí)配良好的卵石機(jī)制砂和河砂；選用5～10mm、10～16mm的分級(jí)配碎石；選用自密實(shí)混凝土專用聚羧酸系高性能減水劑，減水率不低于30%；拌和水采用生活用自來水。

1.4 試驗(yàn)方案及配合比設(shè)計(jì)

1.4.1 自密實(shí)混凝土配合比

試驗(yàn)采用自密實(shí)混凝土，具體配合比如表2所示。

表2 配合比設(shè)計(jì)

1.4.2 試驗(yàn)方案

超聲波在混凝土和水中傳播會(huì)發(fā)生聲學(xué)參數(shù)的變化，試件的含水率會(huì)影響超聲波傳播速度和波幅。為探究含水率對(duì)超聲波聲速和波幅的影響，制100mm×100mm×100mm試件，浸水96h，使其達(dá)到水飽和狀態(tài)，取出試件，在100℃條件下烘干，間隔1h進(jìn)行稱重，計(jì)算其相對(duì)含水率，同時(shí)對(duì)每組試件進(jìn)行超聲波測(cè)試，直至試件達(dá)到恒重和無水狀態(tài)，近似等同于其含水率為0。每組試件測(cè)試3次超聲波數(shù)據(jù)求平均值。

混凝土內(nèi)部一般都會(huì)有鋼插件，超聲波在遇到鋼插件時(shí)會(huì)發(fā)生折射和透射，所以當(dāng)混凝土內(nèi)部埋有鋼插件時(shí)，會(huì)影響超聲波聲學(xué)參數(shù)。人工設(shè)置厚度為 10mm、20mm、30mm、40mm的鋼板和數(shù)量為1、2、3、4的厚10mm的鋼板，具體布置如圖1所示，每組試件測(cè)試3次超聲波數(shù)據(jù)求平均值，分析鋼插件尺寸和數(shù)量對(duì)超聲波聲時(shí)和波幅的影響。

圖1 鋼板分布圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 含水率對(duì)超聲波聲速的影響

混凝土含水率會(huì)影響超聲波聲速，以混凝土烘干狀態(tài)下超聲波聲速值為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，分析不同含水率下聲速的增大值，具體數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 含水率對(duì)混凝土超聲波聲速的影響

由圖2可以看出，在不同強(qiáng)度等級(jí)，隨著含水率的增大，聲速值隨之增大。當(dāng)含水率從烘干狀態(tài)到水飽和狀態(tài)，C30混凝土超聲波聲速增大0.90km/s，C40混凝土為0.82km/s，C50混凝土為0.98km/s，C60混凝土為1.28km/s。在C30強(qiáng)度等級(jí)下，含水率在3.6%～4%區(qū)間時(shí)，超聲波聲速值增長(zhǎng)迅速，聲速區(qū)間增大值為0.15km/s；當(dāng)含水率超過4%時(shí)，超聲波聲速增長(zhǎng)緩慢，含水率在4%～4.8%區(qū)間時(shí)，聲速區(qū)間增大值為0.10km/s；當(dāng)含水率在4.8%～5.3%區(qū)間時(shí)，混凝土達(dá)到水飽和狀態(tài)下，聲速區(qū)間增大值為0.10km/s。在C40強(qiáng)度等級(jí)下，含水率在3.6%～4.1%區(qū)間時(shí)，聲速區(qū)間增大值為0.18km/s；含水率在4.1%～4.6%區(qū)間時(shí)，聲速區(qū)間增大值為0；含水率在4.6%～5.3%區(qū)間時(shí)，水飽和狀態(tài)下，聲速區(qū)間增大值為0.1km/s。在C50強(qiáng)度等級(jí)下，含水率在3.9%～4.1%區(qū)間時(shí)，聲速區(qū)間增大值為0.3km/s；含水率在4.1%～4.6%區(qū)間時(shí)，聲速區(qū)間增大值為0.08km/s；含水率在4.6%～5.0%時(shí)，混凝土達(dá)到水飽和狀態(tài)下，聲速區(qū)間增大值為0.18km/s。在C60強(qiáng)度等級(jí)下，含水率在3.75%～3.95%區(qū)間時(shí)，聲速區(qū)間增大值為0.5km/s；含水率在3.95%～4.5%區(qū)間時(shí)，聲速區(qū)間增大值為0.10km/s；含水率在4.5%～4.8%區(qū)間時(shí)，混凝土達(dá)到水飽和狀態(tài)下，聲速區(qū)間增大值為0.3km/s。在不同強(qiáng)度等級(jí)下，均有一含水率的臨界區(qū)間，超聲波聲速隨含水率變化不明顯。當(dāng)含水率增大時(shí)，試件內(nèi)部自由水增多，超聲波在水中傳播速度大于空氣，從而超聲波傳播速度也隨之增大；含水率增加到一定程度，混凝土內(nèi)部孔隙充滿水，從而對(duì)超聲波聲速影響不大。但隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，含水率對(duì)聲速的影響程度增大。

2.2 含水率對(duì)超聲波波幅的影響

混凝土含水率會(huì)造成超聲波波幅的降低，為了直觀描述含水率對(duì)超聲波波幅的影響，以烘干狀態(tài)下超聲波波幅為基準(zhǔn)值，分析不同含水率下波幅的相對(duì)降低值，具體數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 含水率對(duì)混凝土超聲波波幅的影響

由圖3可以看出，隨著含水率的增大，超聲波波幅隨之降低。當(dāng)含水率從烘干狀態(tài)逐漸變化為水飽和狀態(tài)，C30混凝土波幅降低47dB，C40混凝土波幅降低28.6dB，C50混凝土波幅降低28.8dB，C60混凝土波幅降低40.2dB。在C30強(qiáng)度等級(jí)下，含水率在3.6%～4.0%區(qū)間時(shí)，波幅區(qū)間降低值為14.15dB；含水率在4.0%～4.8%區(qū)間時(shí)，波幅區(qū)間降低值為7dB；含水率在4.8%～5.3%區(qū)間時(shí)，波幅區(qū)間降低值為10.14dB。在C40強(qiáng)度等級(jí)下，含水率在3.7%～3.9%區(qū)間時(shí)，波幅區(qū)間降低值為9.4dB；含水率在3.9%～4.6%區(qū)間時(shí)，波幅區(qū)間降低值為1.97dB；含水率在4.8%～5.1%區(qū)間時(shí)，波幅區(qū)間降低值為5.88dB。在C50強(qiáng)度等級(jí)下，含水率在3.9%～4.1%區(qū)間時(shí)，波幅區(qū)間降低值為12.21dB；含水率在4.1%～4.6%區(qū)間時(shí)，波幅區(qū)間降低值為-1.42dB；含水率在4.6%～5%區(qū)間時(shí)，波幅區(qū)間降低值為5.64dB。在C60強(qiáng)度等級(jí)下，含水率在3.76%～3.86%區(qū)間時(shí)，波幅區(qū)間降低值為13.3dB；含水率在3.86%～4.5%區(qū)間時(shí)，波幅區(qū)間降低值為2.91dB；含水率在4.5%～4.8%區(qū)間時(shí)，波幅區(qū)間降低值為7.16dB。不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土均存在一定的含水率臨界區(qū)間，波幅降低不明顯，甚至?xí)猩仙牟▌?dòng)，屬于波幅波動(dòng)階段。當(dāng)含水率低于或超過波幅波動(dòng)臨界區(qū)間時(shí)，隨著含水率的增大，對(duì)波幅的影響隨之增大。

2.3 混凝土強(qiáng)度對(duì)超聲波聲速的影響

超聲波聲速受到混凝土內(nèi)部致密程度的影響。隨著膠凝材料的增加，骨料級(jí)配的優(yōu)化，混凝土結(jié)構(gòu)致密，從而影響超聲波聲速，但對(duì)波幅影響不大。所以，分別制備了C30、C40、C50、C60四個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的試件，測(cè)試其7d抗壓強(qiáng)度和超聲波聲速值，具體數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 強(qiáng)度等級(jí)對(duì)混凝土超聲波聲速的影響

由圖4可以得出，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)增大，7d抗壓強(qiáng)度隨之增大，超聲波聲速也隨之增大。C30混凝土7d抗壓強(qiáng)度為35.02MPa，C40為43.15MPa，C50為50.44MPa，C60為66.78MPa，在含水率為0的狀態(tài)下，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的增大，聲速增長(zhǎng)0.4 km/s；當(dāng)含水率為5.3%的狀態(tài)時(shí)，達(dá)到水飽和狀態(tài)，聲速增長(zhǎng)0.8km/s。隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的增大，抗壓強(qiáng)度隨之增大，混凝土結(jié)構(gòu)更加致密和均勻，降低了大骨料界面造成的聲波散射、折射和繞射，所以超聲波傳播速度隨之增大。

2.4 鋼板數(shù)量和尺寸對(duì)超聲波聲速和波幅的影響

為了直觀描述鋼板數(shù)量和厚度對(duì)超聲波聲速和波幅的影響，以普通混凝土超聲波聲速和波幅為基準(zhǔn)值，分析聲速相對(duì)增大值和波幅相對(duì)降低值，具體數(shù)據(jù)如圖5、圖6所示。

圖5 鋼板厚度對(duì)混凝土超聲波聲速及波幅的影響

圖6 鋼板數(shù)量對(duì)混凝土超聲波聲速及波幅的影響

由圖5可以得出，隨著鋼板厚度的增大，超聲波聲速值隨之增大，鋼板厚度由10mm增加到40mm，超聲波聲速增大值分別為0.016km/s、0.03km/s、0.06km/s、0.108km/s。10mm的鋼板對(duì)超聲波聲速并沒有太大的影響。鋼板混凝土界面和測(cè)試距離會(huì)影響超聲波聲速，在同一測(cè)試距離時(shí)，超聲波通過鋼板混凝土界面時(shí)，超聲波頻率隨之降低，從而降低聲速。超聲波在鋼板中的傳播速度大，隨著鋼板厚度的增大，可以中和超聲波聲速降低的影響，所以當(dāng)鋼板尺寸為10mm時(shí)，聲速值變化不大。但隨著鋼板厚度的增大，聲速值會(huì)隨鋼板厚度的增大而增大。

隨著鋼板厚度的增大，超聲波波幅隨之降低。當(dāng)鋼板厚度從10mm增加到40mm時(shí)，超聲波波幅降低值分別為5.13dB、5.88dB、6.3dB、7dB。當(dāng)遇到鋼板和混凝土結(jié)合面時(shí)，一部分超聲波發(fā)生折射，一部分透過鋼板和混凝土結(jié)合面繼續(xù)傳播，從而造成波幅的減小。隨著鋼板尺寸的增大，透射鋼板造成的能量損失增大，從而使波幅減小程度增大。

由圖6可以得出，鋼板數(shù)量對(duì)超聲波聲速影響不大。鋼板從1塊增加到4塊時(shí)，聲速增加值分別為0.016km/s、0.0165 km/s、0.032km/s、0.0345km/s，鋼板數(shù)量對(duì)聲速值影響不大。由于鋼板和混凝土的結(jié)合面會(huì)造成超聲波頻率的下降，當(dāng)鋼板尺寸為10mm時(shí)，加上鋼板厚度對(duì)超聲波聲速提高不大，兩者相互作用，對(duì)聲速的影響可以相互抵消。所以，隨著鋼板數(shù)量的增多，聲速值有所提高，但是影響不大。

隨著鋼板數(shù)量的增多，波幅隨之降低。當(dāng)鋼板數(shù)量從1塊增加到4塊時(shí)，波幅降低值分別為5.13dB、5.97dB、6.1dB、7.9dB。當(dāng)超聲波透過鋼板混凝土界面時(shí)，波幅會(huì)減小。當(dāng)經(jīng)過數(shù)量較多的鋼板時(shí)，隨著測(cè)試距離和厚度的雙向影響，其波幅變化值并沒有成倍數(shù)增長(zhǎng)。

3 結(jié)論

（1）隨著混凝土含水率的增大，聲速隨之增大，波幅隨之降低。當(dāng)混凝土從烘干狀態(tài)到水飽和狀態(tài)，C30混凝土超聲波聲速增 大 值 為0.90km/s，C40為0.82km/s，C50為0.98km/s，C60為1.28km/s，超聲波波幅降低值分別為47dB、28.5dB、29dB、40dB。

（2）混凝土隨著強(qiáng)度等級(jí)的增大，內(nèi)部致密，抗壓強(qiáng)度隨之增大，超聲波聲速值也隨之增大。在含水率為0時(shí)，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的增大，聲速增長(zhǎng)0.4 km/s；當(dāng)含水率為5.3%時(shí)，達(dá)到水飽和狀態(tài)，聲速增長(zhǎng)0.8km/s。

（3）隨著鋼板厚度的增大，超聲波聲速值隨之增大，波幅隨之降低。鋼板厚度由10mm增加到40mm，超聲波聲速增加值分別為0.016km/s、0.03km/s、0.06km/s、0.108km/s，鋼板厚度對(duì)超聲波聲速的影響會(huì)受到鋼板混凝土界面、測(cè)試距離的綜合影響，所以當(dāng)鋼板厚度為10mm時(shí)，對(duì)超聲波聲速影響不大；超聲波波幅降低值分別為5.13dB、5.88dB、6.3dB、7dB。隨著鋼板數(shù)量的增多，超聲波聲速值隨之增大，波幅隨之降低。鋼板數(shù)量從1塊增加到4塊，聲速增加值分別為0.016km/s、0.0165 km/s、0.032km/s、0.0345km/s，波幅降低值分別為5.13dB、5.97dB、6.1dB、7.9dB。當(dāng)經(jīng)過數(shù)量較多的鋼板時(shí)，隨著測(cè)試距離和厚度的雙向影響，其聲速和波幅變化值并沒有成倍數(shù)增長(zhǎng)。