基于超聲透射法的新拌混凝土密度檢測(cè)研究

娜仁高娃

（內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，赤峰 024005）

1 前言

混凝土生產(chǎn)和施工過(guò)程中，對(duì)其密度進(jìn)行檢測(cè)和控制是必不可少的環(huán)節(jié)。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制混凝土的密度，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決潛在的質(zhì)量問(wèn)題，確?；炷恋馁|(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)?；诔曂干浞ǖ男掳杌炷撩芏葯z測(cè)，可以在不破壞混凝土樣品的情況下，快速獲取其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和密度的信息。該檢測(cè)方法還具有較高的可靠性和重復(fù)性，能夠?yàn)榛炷临|(zhì)量控制、強(qiáng)度預(yù)測(cè)、施工監(jiān)控和耐久性評(píng)估提供有力支持。下文就相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。

2 超聲透射法概述

超聲透射法是一種非破壞性測(cè)試技術(shù)，通過(guò)使用超聲波在材料中的傳播特性和反射信號(hào)來(lái)獲取材料的內(nèi)部信息。它基于超聲波在不同密度或組織結(jié)構(gòu)的材料中傳播速度和衰減的差異，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料性質(zhì)、缺陷及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的評(píng)估和檢測(cè)。該方法通常涉及將超聲波從一個(gè)傳感器（發(fā)射器）發(fā)送到被測(cè)試材料，并通過(guò)另一個(gè)傳感器（接收器）記錄接收到的反射信號(hào)，然后分析這些信號(hào)以提取有關(guān)材料性質(zhì)的信息。

攪拌后的混凝土中，隨著水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行和混凝土凝結(jié)過(guò)程的發(fā)展，混凝土內(nèi)部的孔隙逐漸被水泥膠體充填，混凝土的密實(shí)度逐漸增加，密實(shí)度的增加會(huì)使聲波在混凝土中傳播的速度加快。

基于這一原理，超聲透射法通過(guò)發(fā)送超聲波并測(cè)量其傳播時(shí)間來(lái)獲得聲速值，然后將聲速值與已知密度的標(biāo)定樣品進(jìn)行對(duì)比，建立聲速與密度的關(guān)系曲線。超聲透射法通過(guò)發(fā)送一束高頻超聲波穿過(guò)混凝土樣品，并在另一側(cè)接收傳播回來(lái)的信號(hào)[1]。根據(jù)接收到的信號(hào)的傳播時(shí)間，可以計(jì)算出超聲波在混凝土中的傳播速度，通過(guò)比較已知密度的標(biāo)定樣品與待測(cè)混凝土之間的聲速差異，可以推斷混凝土的密度。這種方法具有高精度、快速和非破壞性的特點(diǎn)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土的密度變化，并提供準(zhǔn)確的密度數(shù)值，為工程施工和質(zhì)量控制提供重要依據(jù)。超聲波透射固體介質(zhì)的密度計(jì)算公式如下：

c 為超聲波在固體介質(zhì)中的傳播速度，m/s；ρ 為固體介質(zhì)的密度，kg/m3；σ 為固體介質(zhì)的泊松比；E 為固體介質(zhì)的彈性模量，N/mm2。

3 基于超聲透射法的新拌混凝土密度檢測(cè)特點(diǎn)

基于超聲透射法的新拌混凝土密度檢測(cè)具有非破損性、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、便捷性和適用性廣等特點(diǎn)，為新拌混凝土的質(zhì)量監(jiān)控提供了有效手段。

（1）非破損性。這種檢測(cè)方法不會(huì)對(duì)混凝土造成任何破壞，因此可以在不損害混凝土結(jié)構(gòu)和性能的情況下進(jìn)行密度檢測(cè)。

（2）實(shí)時(shí)性。超聲透射法可以在混凝土澆筑后立即進(jìn)行密度檢測(cè)，無(wú)需等待混凝土完全硬化，從攪拌到凝結(jié)階段，可以持續(xù)跟蹤密度變化，并及時(shí)獲取數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)新拌混凝土質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控[2]。

（3）準(zhǔn)確性。通過(guò)測(cè)量超聲波在混凝土中的傳播速度和衰減程度，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出混凝土的密度，為工程質(zhì)量控制提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

（4）便捷性。超聲透射法檢測(cè)設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，操作方便，可以在施工現(xiàn)場(chǎng)快速進(jìn)行密度檢測(cè)，提高了檢測(cè)效率。

（5）適用性廣。超聲透射法適用于各種類(lèi)型的新拌混凝土密度檢測(cè)，包括普通混凝土、高性能混凝土等，具有廣泛的應(yīng)用前景。

4 基于超聲透射法的新拌混凝土密度檢測(cè)

4.1 準(zhǔn)備工作

超聲密度檢測(cè)試驗(yàn)裝置通常包括單片機(jī)、超聲換能器、試樣容器等。單片機(jī)是超聲密度檢測(cè)儀器的控制核心，用于控制和處理數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)發(fā)送和接收超聲波信號(hào)，并通過(guò)算法計(jì)算出試樣的密度值。超聲換能器是將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量的裝置，它同時(shí)充當(dāng)超聲發(fā)射器和接收器的角色。當(dāng)作為發(fā)射器時(shí)，它將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波并將其傳播到試樣中，當(dāng)作為接收器時(shí)，它會(huì)接收到經(jīng)過(guò)試樣后反射回來(lái)的超聲波信號(hào)。試樣容器是放置待測(cè)混凝土樣品的容器。通常是一個(gè)具有適當(dāng)尺寸和形狀的容器，以確?；炷翗悠放c超聲換能器之間的良好接觸，試樣容器的材料應(yīng)足夠堅(jiān)固，以承受試樣的重量并保持穩(wěn)定。

在進(jìn)行實(shí)際測(cè)試之前，需要對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，包括校準(zhǔn)儀器上的參數(shù)設(shè)置、增益調(diào)整、頻率校準(zhǔn)等。超聲發(fā)射器和接收器需要通過(guò)標(biāo)定樣品來(lái)校準(zhǔn)，使用已知密度的標(biāo)定樣品進(jìn)行測(cè)試，記錄傳播時(shí)間和接收信號(hào)強(qiáng)度，并與已知密度值進(jìn)行比較，以確保儀器的準(zhǔn)確性和可靠性。如果使用計(jì)算機(jī)或其他數(shù)據(jù)采集設(shè)備，需要確保其與超聲透射儀器之間的連接正常，設(shè)置合適的采樣頻率和數(shù)據(jù)處理方式。

4.2 取樣

基于超聲透射法的新拌混凝土密度檢測(cè)過(guò)程中，準(zhǔn)確的取樣方法對(duì)于獲得可靠的測(cè)試結(jié)果至關(guān)重要，因此在操作過(guò)程中務(wù)必仔細(xì)注意并按照標(biāo)準(zhǔn)取樣規(guī)程進(jìn)行操作，本次操作采用C30 混凝土配合比，按照J(rèn)GJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 混凝土配合比

首先，保證所取得的樣品具有代表性，能夠準(zhǔn)確反映整個(gè)混凝土批次的特性，樣品應(yīng)從不同位置和深度處采集，并在整個(gè)批次中均勻混合。確定需要取樣的混凝土批次的大小，通常情況下較大批次的取樣可以提供更好的代表性，但同時(shí)也要考慮操作的可行性和取樣的難度。根據(jù)實(shí)際需要確定所需的樣品數(shù)量，通常建議取三個(gè)以上的樣品進(jìn)行測(cè)試，以獲得更可靠的平均值。使用適當(dāng)?shù)娜悠骶邅?lái)采集樣品，如鏟子、鍬或?qū)Ｓ玫娜庸ぞ撸悠骶弑仨毟蓛羟覠o(wú)殘留物，避免污染樣品[3]。

其次，取樣時(shí)，應(yīng)在混凝土表面清除雜質(zhì)和污染物的區(qū)域采取；從不同深度取樣，以確保代表不同部位的混凝土；避免取樣時(shí)對(duì)樣品施加過(guò)多壓力，以防止擠壓和改變樣品密度。

再次，取得樣品后，應(yīng)盡快將其放置在密封的容器中，防止水分蒸發(fā)和外部污染物的進(jìn)入，保持樣品的濕潤(rùn)狀態(tài)，以避免水分損失和樣品性質(zhì)的變化。

4.3 超聲透射檢測(cè)

4.3.1 階段Ⅰ（0～160min）：流動(dòng)期

在混凝土的流動(dòng)期，由于混凝土中存在大量的氣泡和未完全水化的顆粒，超聲波在其內(nèi)部傳播時(shí)會(huì)遇到強(qiáng)烈的折射和衰減現(xiàn)象。由于混凝土的流動(dòng)期類(lèi)似于懸浮液，其中的氣泡和顆粒會(huì)散射和吸收超聲波能量，導(dǎo)致傳播速度降低，這使得超聲波在流動(dòng)期的混凝土中傳播困難，造成穿透混凝土的聲速偏低。因此，在進(jìn)行超聲透射法檢測(cè)時(shí)，需要考慮到混凝土流動(dòng)期特有的問(wèn)題，并采用相應(yīng)的校正方法來(lái)解決聲速偏低的情況，一種常見(jiàn)的方法是通過(guò)已知密度樣本進(jìn)行衰減校正，建立聲速與密度之間的關(guān)系，以消除混凝土密度對(duì)透射信號(hào)的影響?？傊炷亮鲃?dòng)期的特殊性會(huì)對(duì)超聲透射法的檢測(cè)產(chǎn)生一定的影響，需要通過(guò)合適的校正方法來(lái)解決聲速偏低的問(wèn)題，以確保密度檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

4.3.2 階段Ⅱ（160～390min）：凝結(jié)期

凝結(jié)期，包裹在水泥顆粒表層的水化膜在外界滲透壓的作用下被破壞，水泥顆粒中的凝膠不斷增加，凝膠的形成會(huì)改變混凝土的聲波傳播速度和衰減特性，檢測(cè)過(guò)程中需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行校準(zhǔn)，可以使用已知密度的樣本來(lái)建立聲速和密度之間的關(guān)系，并將其應(yīng)用于待檢測(cè)的混凝土樣本。此外，凝結(jié)期混凝土中的凝膠分布不均勻，因此在選擇測(cè)量位置時(shí)需避免可能存在異常的區(qū)域，如凝膠聚集或空洞部分，應(yīng)采用合適的超聲透射方式，如多個(gè)探頭的平均測(cè)量，以提高測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性[4]。

混凝土在凝結(jié)過(guò)程中會(huì)逐漸失去流動(dòng)性，混凝土的強(qiáng)度會(huì)隨著凝結(jié)時(shí)間的推移而逐漸增加。通過(guò)檢測(cè)可以了解混凝土在不同凝結(jié)時(shí)間下的強(qiáng)度差異，有助于評(píng)估施工過(guò)程中混凝土的強(qiáng)度發(fā)展情況?；炷林械乃嗄z體在凝結(jié)過(guò)程中會(huì)發(fā)生物理和化學(xué)變化，形成更為致密的結(jié)構(gòu)，通過(guò)連續(xù)檢測(cè)可以研究混凝土在不同凝結(jié)時(shí)間下的顯微結(jié)構(gòu)演變?；炷撩芏仍谀Y(jié)過(guò)程中可能發(fā)生微小的變化。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，混凝土凝結(jié)過(guò)程在1h 內(nèi)的狀態(tài)變化并不明顯，因此選擇每間隔1h，對(duì)相應(yīng)階段的混凝土進(jìn)行檢測(cè)，以研究混凝土在不同凝結(jié)時(shí)間下的狀態(tài)差異。由于混凝土密實(shí)度的增加和固相的增多，聲波在混凝土中的傳播速度逐漸增大，聲速大約以200m/s左右的速度增長(zhǎng)。這種聲速增長(zhǎng)與混凝土密度減小之間存在一定的正相關(guān)關(guān)系，因?yàn)槁暡ǖ膫鞑ニ俣韧艿浇橘|(zhì)的密度和彈性特性的影響。因此，在超聲透射法中，通過(guò)測(cè)量聲速的變化可以推斷混凝土在凝結(jié)期的密度變化情況。

4.3.3 階段Ⅲ（390min 以后）：硬化期

混凝土的硬化期，水化反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致大量水化產(chǎn)物的生成，而混凝土中的固相總量緩慢增加。這是因?yàn)樗^(guò)程中，水泥顆粒與水發(fā)生反應(yīng)形成水化產(chǎn)物，逐漸填充混凝土中的空隙。隨著凝結(jié)時(shí)間的增長(zhǎng)，混凝土的密度逐漸減小，聲速逐漸增大，相對(duì)誤差值變化不大，這一現(xiàn)象驗(yàn)證了拌合混凝土凝結(jié)的物態(tài)變化過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，硬化期，混凝土完全固化，超聲波在混凝土中以固相傳播為主，混凝土密度下降到2240kg/m3，并趨于穩(wěn)定，超聲波聲速迅速上升到3500m/s 左右。

4.4 數(shù)據(jù)采集和分析

基于超聲透射法的新拌混凝土密度檢測(cè)過(guò)程中，正確采集信號(hào)并進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)行衰減校正，并使用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)分析方法來(lái)計(jì)算密度，這些步驟都是必不可少的。同時(shí)還要仔細(xì)對(duì)結(jié)果進(jìn)行解釋?zhuān)⒂涗浵虏杉头治鲞^(guò)程的詳細(xì)信息，以便后續(xù)參考和驗(yàn)證。

首先，使用超聲透射裝置對(duì)混凝土樣品進(jìn)行掃描，收集超聲波透射信號(hào)，確保超聲波發(fā)射器和接收器對(duì)準(zhǔn)，并與樣品表面保持良好的接觸，采集到的信號(hào)將包含有關(guān)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)和密度變化的信息。其次，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，以去除可能存在的干擾或噪音，可以使用濾波、去基線等技術(shù)來(lái)清潔信號(hào)，并保留感興趣的頻率段。由于混凝土?xí)蘸蜕⑸涑暡?，?dǎo)致信號(hào)衰減，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行衰減校正，通常采用經(jīng)驗(yàn)公式或已知密度樣本進(jìn)行校準(zhǔn)。然后使用適當(dāng)?shù)乃惴ê湍Ｐ蛠?lái)計(jì)算混凝土的密度，常用的方法是利用聲波在材料中的傳播速度與密度之間的關(guān)系，如經(jīng)驗(yàn)公式或經(jīng)驗(yàn)回歸模型。通過(guò)對(duì)采集到的信號(hào)與已知密度樣本進(jìn)行比較，可以推斷出混凝土的密度[5]。再次，解釋和報(bào)告密度推斷結(jié)果時(shí)，需要考慮其他因素的影響，如水灰比、顆粒含量等。同時(shí)要記錄下使用的校準(zhǔn)方法和數(shù)據(jù)處理過(guò)程，以保證結(jié)果的可靠性和重復(fù)性。

需要注意的是，使用超聲換能器檢測(cè)新拌混凝土密度，經(jīng)過(guò)多次重復(fù)試驗(yàn)，得到在不同時(shí)間內(nèi)超聲波聲速與密度的測(cè)量均值，與現(xiàn)行檢測(cè)方法得到的標(biāo)準(zhǔn)密度值進(jìn)行比較，計(jì)算得到密度檢測(cè)的相對(duì)誤差。

5 結(jié)論

總而言之，基于超聲透射法的新拌混凝土密度檢測(cè)成效顯著。該方法通過(guò)發(fā)射超聲波并接收反射信號(hào)，能夠快速、準(zhǔn)確地測(cè)量新拌混凝土的密度。相較于傳統(tǒng)方法，超聲透射法具有非破損性、實(shí)時(shí)性、便捷性等優(yōu)點(diǎn)，能夠提高檢測(cè)效率，為工程質(zhì)量控制提供了有力支持。同時(shí)，超聲透射法還能夠有效避免因人為因素導(dǎo)致的誤差，提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，基于超聲透射法的新拌混凝土密度檢測(cè)在工程實(shí)踐中具有廣泛的應(yīng)用前景。