不同拉壓應(yīng)力水平對混凝土超聲波波速的影響

贠建洲,陳順超,董春彥,聶良鵬,袁勝濤

(1.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,昆明 650224;2.云南通衢工程檢測有限公司,昆明 650224)

0 引 言

超聲波波速不僅可以預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)的強度,還可以預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)的彈性模量。目前在檢測混凝土強度時應(yīng)用較廣泛的方法為超聲回彈綜合法[1]。國內(nèi)外許多學(xué)者對超聲波檢測混凝土強度、彈性模量進行了相關(guān)試驗研究。向君正等[2]研究了骨料粒徑對透水混凝土超聲波波速的影響,結(jié)果表明相同強度及透水系數(shù)下,骨料粒徑越大超聲波波速越大。宋辰宇等[3]研究了溫度對超聲波波速的影響,結(jié)果表明在-30～10 ℃條件下超聲波波速隨著溫度降低而增大。廖杰洪等[4]通過三個擬靜力構(gòu)件加載全過程超聲參數(shù)的測試證明超聲波可以檢測混凝土構(gòu)件的震損,且隨著損傷增大,波速與波幅有不同程度的降低。陳良豪等[5]研究了不同溫度作用下混凝土的超聲波波速與抗壓強度的變化關(guān)系,結(jié)果表明混凝土抗壓強度與超聲波波速隨著溫度升高而降低。超聲波波速也是超聲回彈綜合法測試混凝土強度的重要參數(shù)。劉婷等[6]基于超聲回彈綜合法檢測再生混凝土強度,擬合出了抗壓強度與超聲波波速、回彈之間的關(guān)系。尚新想等[7]探究了混凝土超聲波、沖擊共振波、沖擊回波與抗壓強度的關(guān)系,結(jié)果表明,超聲波波速與混凝土抗壓強度線性關(guān)系穩(wěn)定程度較低,易受設(shè)計強度的影響。超聲波波速同樣可以預(yù)測混凝土動彈性模量。Washer[8]使用超聲法測試了活性粉末混凝土彈性模量。方志等[9]通過超聲法和沖擊回波法測得了活性粉末混凝土動彈性模量并建立了動彈性模量與抗壓強度之間的關(guān)系。

目前超聲波預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)強度及彈性模量已有系統(tǒng)研究,且不少學(xué)者都建立了超聲波波速-強度、超聲波波速-彈性模量的關(guān)系。在實際工程檢測中,影響混凝土超聲波波速的因素還有很多,如溫度、濕度、齡期、應(yīng)力水平等,而這些因素對超聲波波速的影響研究較少。由于實際工程中混凝土構(gòu)件是處于不同應(yīng)力狀態(tài)下,而混凝土構(gòu)件進行超聲波檢測時是否會受到應(yīng)力水平的影響尚無定論。基于此,本文試驗澆筑了6個素混凝土軸心抗拉試件、9個素混凝土軸心抗壓試件、9個素混凝土立方體抗壓試件和12個鋼筋混凝土構(gòu)件,測試不同應(yīng)力水平下混凝土超聲波波速,探究應(yīng)力水平對混凝土超聲波波速的影響。

1 實 驗

1.1 原材料及配合比

試驗所用原材料包括:宜良紅獅P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥,其技術(shù)性能指標(biāo)見表1;機制砂細度模數(shù)為2.94,連續(xù)級配,Ⅱ區(qū)中砂;碎石粒徑范圍為5～20 mm,連續(xù)級配;水為城市自來水;鋼筋采用Q235鋼?；炷僚浜媳热绫?所示。

表2 混凝土配合比及強度Table 2 Concrete mix ratio and strength

1.2 試驗設(shè)備

本試驗所采用的試驗設(shè)備包括北京海創(chuàng)高科科技有限公司生產(chǎn)的HC-30錨桿拔拉儀、北京智博聯(lián)科技股份有限公司生產(chǎn)的ZBL-U5200非金屬超聲檢測儀、微機控制電液伺服萬能試驗機WAW-1000E和濟南時代試金試驗機有限公司生產(chǎn)的YAW-2000D微機控制電液伺服壓力試驗機。

1.3 試件概況

混凝土軸心抗拉試件:強度等級分別為C30、C40、C50,每種強度澆筑2個,試驗結(jié)果取平均值,共計6個。試件制備參考《結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》[10],尺寸為100 mm×100 mm×500 mm,具體如圖1所示。

圖1 軸心受拉試件尺寸Fig.1 Dimension of axial tensile specimen size

混凝土軸心抗壓試件:強度等級分別為C30、C40、C50,每種強度澆筑3個,試驗結(jié)果取其平均值,共計9個。試件制備參考《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)[11],尺寸為150 mm×150 mm×300 mm。

混凝土立方體抗壓試件:強度等級分別為C30、C40、C50,每種強度澆筑3個,試驗結(jié)果取平均值,共計9個。試件制備參考《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)[11],尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。

1.4 構(gòu)件概況

混凝土構(gòu)件強度等級分別為C30、C40,每種強度等級分別澆筑6種不同的配筋率,每種配筋率澆筑一個構(gòu)件,共計12個構(gòu)件。構(gòu)件尺寸均為1 280 mm×120 mm×160 mm,具體如圖2所示。

圖2 混凝土構(gòu)件尺寸示意圖Fig.2 Schematic of dimensions of concrete members

構(gòu)件配筋情況:1)混凝土構(gòu)件受拉區(qū)與受壓區(qū)分別布置2根相同鋼筋,鋼筋直徑分為6、8、12、20 mm,共4種配筋情況,編號依次為2×6、2×8、2×12、2×20。2)混凝土構(gòu)件受拉區(qū)布置3根鋼筋,受壓區(qū)布置2根鋼筋,鋼筋直徑分為6、8 mm,編號依次為3×6、3×8,共兩種配筋情況。具體配筋情況如圖3所示。

1.5 加載及測試方法

1.5.1 試件加載及測試

將軸心抗拉試件放置在萬能試驗機上施加拉應(yīng)力。每加載5 kN保壓5 min后對其超聲波波速進行一次測試,直至試件破壞。測試方式為對測,每個試件布置一個測點,測點如圖4(a)所示。

圖4 不同試件超聲波波速測點示意圖Fig.4 Schematic diagrams of ultrasonic wave velocity measurement points of different specimens

將抗壓試件放置在壓力機上施加壓應(yīng)力。每加載10 kN保壓5 min后對其超聲波波速進行一次測試,直至試件破壞。測試方式為對測,每個試件布置一個測點,測點如圖4(b)、(c)所示。

1.5.2 構(gòu)件加載及測試

混凝土構(gòu)件測點布置如圖5所示。其中測點A為構(gòu)件受壓區(qū)超聲波波速測點,測點B為構(gòu)件受拉區(qū)超聲波波速測點,均采用對測的方式。起始每加載2 kN保壓5 min后對構(gòu)件的兩個測點超聲波波速進行一次測試。加載到10 kN以后每加載5 kN保壓5 min后對構(gòu)件的兩個測點超聲波波速進行一次測試。

圖5 混凝土構(gòu)件測點布置Fig.5 Measurement point arrangement of concrete members

2 結(jié)果與討論

2.1 拉壓應(yīng)力對素混凝土超聲波波速的影響

圖6、圖7分別為不同壓應(yīng)力水平、拉應(yīng)力水平對素混凝土超聲波波速的影響?；炷羶?nèi)部的缺陷(如空洞、蜂窩、裂縫等)是影響超聲波波速的重要因素。應(yīng)力水平對混凝土超聲波波速產(chǎn)生影響的主要原因是不同應(yīng)力水平會對混凝土內(nèi)部造成一定程度的微裂縫。根據(jù)圖6與圖7試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),混凝土試件破壞前超聲波波速沒有明顯變化,僅存在一些測試誤差,浮動范圍在0.1 km·s-1左右。梁興文等[12]指出,混凝土破壞的根本原因是橫向擴展拉伸所產(chǎn)生的裂縫非穩(wěn)定發(fā)展所引起的。素混凝土試件澆筑成型以后由于收縮以及骨料周圍的泌水會產(chǎn)生一些初始裂縫。當(dāng)應(yīng)力較小時,骨料與水泥產(chǎn)生的變形為彈性變形,試件內(nèi)部初始裂縫不發(fā)展,此時混凝土超聲波波速不會變化。當(dāng)荷載約達到極限荷載的65%時,骨料與水泥石的接觸面上產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,導(dǎo)致拉應(yīng)力超過黏結(jié)強度,從而產(chǎn)生一些微小的砂漿裂縫,此時砂漿裂縫較少且很微小,對超聲波波速的影響較小。隨著荷載增加至極限荷載的85%時,砂漿裂縫繼續(xù)增大,并溝通骨料附近的初始裂縫。此時砂漿裂縫雖然溝通了附近的初始裂縫,但基本為初始裂縫的縱向延伸,在裂縫寬度上的變化還是較為微小,對超聲波波速影響較小。隨著荷載進一步增大,裂縫將試件分割成許多的小柱體,最終導(dǎo)致試件破壞。此時砂漿裂縫不僅在縱向延伸,橫向也變寬了很多。這時超聲波波速會驟降,但試件已發(fā)生破壞,無法再承受荷載。綜上所述,素混凝土內(nèi)部裂縫發(fā)展到一定程度以后,混凝土發(fā)生脆性破壞。而在破壞之前混凝土試件內(nèi)部及表面的裂縫較少且很微小,因此素混凝土試件在破壞前超聲波波速不會發(fā)生大的變化。

圖6 壓應(yīng)力水平對素混凝土超聲波波速的影響Fig.6 Effect of compressive stress level on ultrasonic wave velocity of plain concrete

圖7 拉應(yīng)力水平對素混凝土超聲波波速的影響Fig.7 Effect of tensile stress level on ultrasonic wave velocity of plain concrete

2.2 拉壓應(yīng)力對混凝土構(gòu)件超聲波波速的影響

圖8為混凝土構(gòu)件受壓區(qū)超聲波波速隨應(yīng)力水平變化規(guī)律,其中B～X分別為本試驗澆筑的12個構(gòu)件。由圖8可以看出,部分試件在應(yīng)力水平達到80～100時超聲波波速驟降,造成這一現(xiàn)象的原因是混凝土構(gòu)件即將達到極限承載力時,受壓區(qū)混凝土出現(xiàn)大的橫向貫穿裂縫。應(yīng)力水平在80以下時超聲波波速基本不發(fā)生變化,這與不同應(yīng)力水平下混凝土試件超聲波波速發(fā)展規(guī)律相同。

圖8 壓應(yīng)力水平對混凝土構(gòu)件超聲波波速的影響Fig.8 Effect of compressive stress level on ultrasonic wave velocity of concrete members

圖9(a)、(b)為不同配筋率下C30、C40受拉區(qū)混凝土構(gòu)件的超聲波波速隨拉應(yīng)力水平變化規(guī)律。由圖9可以看出,隨著拉應(yīng)力水平增加,受拉區(qū)混凝土構(gòu)件的超聲波波速呈下降趨勢。由于混凝土抗壓不抗拉的特性,在混凝土構(gòu)件承受荷載以后,受拉區(qū)混凝土的內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫;隨著荷載不斷增加,受拉區(qū)混凝土內(nèi)部的裂縫逐漸增大,導(dǎo)致超聲波波速降低。圖中框線標(biāo)記的數(shù)據(jù)點為超聲波波速突變點,即混凝土構(gòu)件測點處超聲波波速突然增大。造成這一現(xiàn)象的原因是受拉區(qū)混凝土構(gòu)件的超聲波波速測點附近的混凝土出現(xiàn)較大的豎向裂縫。因此在實際工程中若需采集受拉區(qū)混凝土構(gòu)件區(qū)的超聲波波速時應(yīng)注意避開較大裂縫附近區(qū)域。

圖9 拉應(yīng)力水平對混凝土構(gòu)件超聲波波速的影響Fig.9 Effect of tensile stress level on ultrasonic wave velocity of concrete members

圖9(c)、(d)為不考慮超聲波波速突變影響的受拉區(qū)混凝土構(gòu)件的應(yīng)力水平-波速規(guī)律圖。可明顯看出超聲波波速發(fā)展規(guī)律為平穩(wěn)-下降-平穩(wěn)-下降。即拉應(yīng)力-超聲波波速曲線可近似分為4個時期:1)無損傷期,加載初期拉應(yīng)力較小,此時混凝土構(gòu)件內(nèi)部沒有發(fā)生損傷,受拉區(qū)混凝土構(gòu)件也沒有豎向裂縫,因此受拉區(qū)混凝土構(gòu)件超聲波波速沒有變化。2)損傷發(fā)展期,隨著荷載的增加,受拉區(qū)混凝土構(gòu)件的應(yīng)力也不斷增加?；炷辆哂锌箟翰豢估奶匦?隨著受拉區(qū)混凝土構(gòu)件拉應(yīng)力的增加不斷出現(xiàn)豎向微裂縫,導(dǎo)致混凝土構(gòu)件密實度降低,超聲波波速出現(xiàn)急劇下降的現(xiàn)象。3)損傷穩(wěn)定期,隨著荷載增加到一定程度,混凝土構(gòu)件損傷也發(fā)展穩(wěn)定。受拉區(qū)混凝土構(gòu)件的裂縫數(shù)量不再急劇增加,受拉區(qū)混凝土基本退出工作,拉應(yīng)力更多的由鋼筋來承擔(dān),因此受拉區(qū)混凝土構(gòu)件的超聲波波速趨于穩(wěn)定。4)構(gòu)件破壞期,隨著荷載進一步增加,構(gòu)件彎曲撓度也不斷增加,混凝土構(gòu)件即將被破壞。此時構(gòu)件發(fā)生較大形變,鋼筋即將屈服,受拉區(qū)混凝土裂縫進一步發(fā)展且出現(xiàn)豎向貫穿裂縫,混凝土超聲波波速再一次進入極速下降段,直至構(gòu)件破壞。此時也最容易發(fā)生應(yīng)力釋放現(xiàn)象,即受拉區(qū)混凝土超聲波波速突然上升。

2.3 混凝土構(gòu)件受拉區(qū)超聲波波速的拐點統(tǒng)計

C30、C40混凝土構(gòu)件受拉區(qū)超聲波波速-拉應(yīng)力拐點統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。根據(jù)表3可以看出,第①拐點的應(yīng)力值占極限應(yīng)力值的15%～25%,平均值為19.12%。當(dāng)混凝土構(gòu)件受拉區(qū)拉應(yīng)力在極限拉應(yīng)力的19%左右時,超聲波波速出現(xiàn)第①拐點,即受拉區(qū)混凝土超聲波波速從無損傷期向損傷發(fā)展期發(fā)展。第②拐點的應(yīng)力值占極限應(yīng)力值35%～55%,平均值為47.35%。當(dāng)混凝土構(gòu)件受拉區(qū)拉應(yīng)力為極限拉應(yīng)力47%左右時,超聲波波速出現(xiàn)第②個拐點,即受拉區(qū)混凝土超聲波波速從損傷發(fā)展期向損傷穩(wěn)定期發(fā)展。第③拐點的應(yīng)力值占極限應(yīng)力值的60%～75%,平均值為71.43%。當(dāng)混凝土構(gòu)件受拉區(qū)拉應(yīng)力在極限拉應(yīng)力的71%左右時,超聲波波速出現(xiàn)第③拐點,即受拉區(qū)混凝土超聲波波速從損傷穩(wěn)定期向構(gòu)件破壞期發(fā)展。

表3 不同拐點應(yīng)力水平Table 3 Stress levels of different inflection points

表4為不同拐點超聲波波速降低率。拐點①超聲波波速與未加載時超聲波波速相同,以拐點①為參考,拐點②超聲波波速降低率在3%～9%浮動,平均值為5.05%。破壞點超聲波波速降低率在5%～12%浮動,平均值為8.89%。綜上所述,鋼筋混凝土構(gòu)件受拉區(qū)混凝土達到最大承載力時超聲波波速平均下降5%左右,鋼筋混凝土構(gòu)件達到極限承載力時受拉區(qū)超聲波波速平均下降8%左右。

表4 不同拐點超聲波波速的降低率Table 4 Reduction rate of ultrasonic wave velocity at different inflection points

2.4 在役混凝土構(gòu)件拉應(yīng)力-超聲波波速關(guān)系

根據(jù)圖9超聲波波速隨拉應(yīng)力變化規(guī)律可將其簡化為應(yīng)力-波速模型,結(jié)果如圖10所示。圖10中a～b為混凝土構(gòu)件無損傷期,即混凝土構(gòu)件表面沒有明顯裂縫及損傷,受拉區(qū)混凝土處于彈性狀態(tài),超聲波波速穩(wěn)定,沒有變化。b～c為損傷發(fā)展期,此時混凝土構(gòu)件受拉區(qū)拉應(yīng)力由鋼筋與混凝土共同承擔(dān),受拉區(qū)底部開始出現(xiàn)微小裂縫。隨著荷載等級的增加,裂縫會逐漸增多。c～d為損傷穩(wěn)定期,即構(gòu)件受拉區(qū)混凝土裂縫發(fā)展到一定程度,受拉區(qū)混凝土裂縫不再出現(xiàn)急劇增多的現(xiàn)象,裂縫區(qū)域混凝土退出工作,拉應(yīng)力主要由鋼筋來承擔(dān)。d～e段為構(gòu)件破壞期,此階段鋼筋發(fā)生屈服,構(gòu)件受拉區(qū)混凝土裂縫急劇增加且出現(xiàn)貫穿裂縫。綜上所述,當(dāng)混凝土構(gòu)件表面沒有明顯裂縫時,可忽略應(yīng)力水平對構(gòu)件超聲波波速的影響。若存在少量微小的裂縫,則需考慮應(yīng)力水平對構(gòu)件超聲波波速的影響。

圖10 拉應(yīng)力-波速模型Fig.10 Tensile stress-wave velocity model

通過對混凝土構(gòu)件受拉區(qū)進行超聲波波速測試可以推算構(gòu)件的拉應(yīng)力水平。具體方法如下:

在混凝土應(yīng)力水平較低且沒有裂縫的區(qū)域進行超聲波波速測試得到混凝土構(gòu)件的初始波速v0,然后在混凝土構(gòu)件受拉區(qū)存在微小裂縫的區(qū)域進行拉應(yīng)力水平下的超聲波波速測試,得到v1,此時v1所對應(yīng)的拉應(yīng)力為σ1。σ1與v1的關(guān)系式如式(1)所示。

(1)

圖11 不同構(gòu)件損傷發(fā)展期的應(yīng)力-波速曲線Fig.11 Stress-wave velocity curves of different members during damage development

圖12 初始波速與應(yīng)力-波速截距的關(guān)系Fig.12 Relationship between initial wave velocity and stress-wave velocity intercept

b=0.847v0+0.787

(2)

聯(lián)立式(1)與式(2)可得

σ1=44.35v0-52.36v1+41.2

(3)

3 結(jié) 論

1)不同拉、壓應(yīng)力水平對素混凝土超聲波波速影響較小,可以忽略不計。

2)不同壓應(yīng)力水平對混凝土構(gòu)件超聲波波速影響較小,可以忽略不計。不同拉應(yīng)力水平對混凝土構(gòu)件超聲波波速影響較大。

3)不同拉應(yīng)力水平下混凝土構(gòu)件超聲波波速變化分為無損傷期、損傷發(fā)展期、損傷穩(wěn)定期和構(gòu)件破壞期。當(dāng)拉應(yīng)力達到極限拉應(yīng)力的15%～25%時,混凝土構(gòu)件從無損傷期進入損傷發(fā)展期,此時超聲波波速沒有變化;當(dāng)拉應(yīng)力達到極限拉應(yīng)力的35%～55%時,混凝土構(gòu)件從損傷發(fā)展期進入損傷穩(wěn)定期,此時超聲波波速降低了5%左右;當(dāng)拉應(yīng)力到達極限拉應(yīng)力的60%～75%時,混凝土構(gòu)件從損傷穩(wěn)定期進入構(gòu)件破壞期,此時超聲波波速降低了8%左右。

4)建立了混凝土構(gòu)件拉應(yīng)力-超聲波波速關(guān)系式(σ1=44.35v0-52.36v1+41.2),為實際檢測工程中出現(xiàn)少量裂縫的混凝土構(gòu)件拉應(yīng)力水平的推算提供參考。