超聲成像在混凝土凍融循環(huán)損傷評(píng)估中的應(yīng)用研究

摘 要：文章旨在探究超聲成像在混凝土凍融（F-T）循環(huán)評(píng)估中的應(yīng)用。通過(guò)利用超聲成像技術(shù)，研究了未摻入引氣劑和摻入引氣劑后混凝土在凍融循環(huán)中不同程度的損傷情況；在超聲成像處理中，引入了不可評(píng)估區(qū)域比例（NAAP）和NAAP加權(quán)的平均超聲速度作為評(píng)估參數(shù)，并將其與ASTM和RILEM標(biāo)準(zhǔn)中接觸式超聲測(cè)量方法的損傷評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。研究結(jié)果表明，相較于接觸式超聲速度測(cè)量，超聲成像的主要優(yōu)勢(shì)在于能夠檢測(cè)到由于加速凍融循環(huán)引起的混凝土早期損傷。

關(guān)鍵詞：混凝土；凍融循環(huán)；超聲成像技術(shù)；混凝土開(kāi)裂

中圖分類(lèi)號(hào)：U414.1A080244

0"引言

凍融（Freezing-thawing，F(xiàn)-T）損傷是混凝土在低溫氣候條件下面臨的主要問(wèn)題之一。反復(fù)的F-T循環(huán)引起水泥漿基體逐漸膨脹，會(huì)導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂和剝落［1］。針對(duì)加速F-T循環(huán)下混凝土的抵抗能力評(píng)估，已經(jīng)制定了不同的標(biāo)準(zhǔn)，如UNE 12390-9、ASTM C666/C666M-03、prENV-9等［2］。然而，這些標(biāo)準(zhǔn)在測(cè)試方法和評(píng)估混凝土試件損傷的方式上存在差異［3］。通常，混凝土對(duì)F-T損傷的抵抗能力根據(jù)內(nèi)部和外部損傷的類(lèi)型進(jìn)行評(píng)估和分類(lèi)。例如，使用材料質(zhì)量損失評(píng)估外部損傷和結(jié)垢，而內(nèi)部損傷通常通過(guò)超聲波測(cè)量脈沖傳輸時(shí)間（UPTT）和橫向基本頻率測(cè)量值進(jìn)行評(píng)估［4］。聲學(xué)成像技術(shù)為混凝土結(jié)構(gòu)和膠凝材料的評(píng)估提供了一種有效的方法，通過(guò)在材料的每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行超聲衰減和速度測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了不規(guī)則和缺陷的識(shí)別［5］。例如，可以使用速度、振幅和頻率峰值的測(cè)量來(lái)評(píng)估經(jīng)過(guò)F-T循環(huán)的混凝土試件的損傷。然而，仍然需要開(kāi)發(fā)適用于評(píng)估混凝土損傷情況的聲學(xué)成像系統(tǒng)。

本研究的目的是評(píng)估圓柱形混凝土試件的損傷情況。選取兩組混凝土試件進(jìn)行試驗(yàn)，其中一組摻入引氣劑，并進(jìn)行加速F-T循環(huán)。在F-T循環(huán)前后，分別進(jìn)行超聲接觸測(cè)量和水浸超聲自動(dòng)檢測(cè)。通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，生成超聲速度和衰減圖像，并比較F-T循環(huán)前后試件的破壞狀態(tài)。此外，從這些超聲成像中提取兩個(gè)參數(shù)，以評(píng)估混凝土試件的損傷情況，并與ASTM和RILEM標(biāo)準(zhǔn)的破壞準(zhǔn)則進(jìn)行比較。

1"破壞準(zhǔn)則

混凝土的抗凍性根據(jù)強(qiáng)度損失、重量變化、膨脹度、基頻和超聲脈沖傳輸時(shí)間等不同的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估，評(píng)估損傷的破壞準(zhǔn)則見(jiàn)表1。本研究基于ASTM C 666標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)-T循環(huán)前后的超聲速度測(cè)量的破壞準(zhǔn)則，損傷因子D計(jì)算方法為：

D=（RDME）N300（1）

式中：N——達(dá)到相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量的臨界值所需的F-T循環(huán)次數(shù);

RDME——相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量。

在ASTM C666標(biāo)準(zhǔn)中通過(guò)RDME評(píng)價(jià)混凝土抗凍性的變化，計(jì)算公式為：

RDME=V2nV20×100（2）

式中：V0和Vn——

材料初始狀態(tài)下和經(jīng)歷n次F-T循環(huán)后混凝土超聲波速。

根據(jù)RILEM TC176標(biāo)準(zhǔn)，與超聲脈沖傳輸時(shí)間等效的相對(duì)速度（Relative Velocity，RV）用于評(píng)估混凝土的損傷情況和抗凍性能。RV是超聲波在經(jīng)過(guò)混凝土試件時(shí)相對(duì)于無(wú)損試件的傳播速度，RV的變化可以展示混凝土內(nèi)部損傷情況。

RV=（VnV0）×100（3）

2"試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1"材料

按照《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2015）制備圓柱形HA-30混凝土試件（300 mm×150 mm）。硅酸鹽水泥標(biāo)號(hào)為42.5；河砂細(xì)度模數(shù)為2.71，粒徑范圍為0～5 mm；石灰石骨料細(xì)度模數(shù)為6.96，粒徑范圍為5～20 mm；引氣劑為Aer5，摻加量為水泥重量的0.022%，HA-30混凝土配合比見(jiàn)表2。

2.2"F-T循環(huán)試驗(yàn)

F-T循環(huán)試驗(yàn)按照ASTM C666標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加速F-T循環(huán)，包括300個(gè)加速周期，每個(gè)周期持續(xù)4 h，溫度為10 ℃～17 ℃，整個(gè)試驗(yàn)持續(xù)50 d（見(jiàn)圖1）。

3"超聲無(wú)損檢測(cè)

3.1"接觸法超聲速度測(cè)量

接觸法超聲速度測(cè)量是一種用于計(jì)算相對(duì)速度（RV）和相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量（RDME）的方法。使用接觸超聲儀器采用徑向超聲波進(jìn)行測(cè)量，傳感器的頻率為54 kHz，直徑為50 mm。徑向超聲波從試件中心點(diǎn)沿徑向發(fā)射，測(cè)量徑向超聲波通過(guò)試件的時(shí)間。

3.2"超聲徑向掃描系統(tǒng)

如圖2（a）所示是一種用于便攜式超聲數(shù)據(jù)采集和成像的系統(tǒng)，由一個(gè)便攜式浸沒(méi)式水箱和兩個(gè)傳感器（T1和T2）組成，傳感器的頻率為413.5 kHz。該系統(tǒng)提供兩種不同的運(yùn)動(dòng)方式，一種是圍繞圓柱體軸心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，另一種是沿試件高度方向進(jìn)行移動(dòng)。

掃描網(wǎng)格的高度為5 mm，直徑為2 mm。掃描系統(tǒng)采用SENDAS超聲波系統(tǒng)來(lái)發(fā)射和接收信號(hào)，通過(guò)測(cè)量振幅和飛行時(shí)間來(lái)生成試件表面或內(nèi)部特征的衰減和速度圖。混凝土試件的超聲波速V1為：

V1=Xctc-twater+（Xc/Vwater）（4）

式中：Xc——試件的長(zhǎng)度；

tc——超聲波通過(guò)試件的時(shí)間；

twater——超聲波在水中的移動(dòng)時(shí)間；

Vwater——超聲波在水中的速度；

α——衰減系數(shù)，表示超聲波在混凝土中傳播時(shí)的能量損失。

α=20log10（AsAw）（5）

式中：As——入射超聲波的振幅;

Aw——經(jīng)過(guò)水后的超聲波振幅。

軸向掃描系統(tǒng)具有3個(gè)笛卡爾軸，如圖2（b）所示可以在水平、垂直和深度方向上進(jìn)行移動(dòng)掃描。通過(guò)獲取HA-30/00-2試件在旋轉(zhuǎn)軸方向上的超聲波信息，生成每個(gè)切片的速度和衰減圖像。該系統(tǒng)的空間分辨率為4 mm。

4"結(jié)果分析

4.1"超聲波接觸測(cè)量

如表3和表4所示分別列出了在加速F-T循環(huán)前（V0）和循環(huán)后（Vf）的HA-30/00組和HA-30/05組試件的超聲接觸速度、相對(duì)動(dòng)態(tài)彈性模量變化率以及相對(duì)超聲速度（RV=Vf/V0）。得出如下結(jié)論：HA-30/00組試件在F-T循環(huán)后超聲波速度下降，而HA-30/05組試件則相反。根據(jù)表3中的RDME和RV數(shù)據(jù)，HA/30-00-2和HA/30-00-3試件顯示出最嚴(yán)重的損傷程度。根據(jù)RILEM標(biāo)準(zhǔn)，這兩個(gè)試件內(nèi)部已經(jīng)遭受了嚴(yán)重?fù)p傷，然而根據(jù)ASTM標(biāo)準(zhǔn)，試件展現(xiàn)出良好的抗凍性能。因此，可以得出RILEM標(biāo)準(zhǔn)比ASTM標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格的結(jié)論。根據(jù)表4中的RV和RDME數(shù)據(jù)，所有試件均達(dá)到RILEM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的無(wú)明顯損傷標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗凍性能優(yōu)秀的標(biāo)準(zhǔn)。

4.2"超聲波徑向成像

HA-30/00組試件F-T循環(huán)前后的超聲成像見(jiàn)圖3。由圖3可知，在F-T循環(huán)前，HA-30/00-1和HA-30/00-2試件的損傷程度相似，但在F-T循環(huán)后，損傷區(qū)域的差異變得明顯。此外，在試件進(jìn)行F-T循環(huán)時(shí)，衰減顯著增加。

HA-30/05組試件在F-T循環(huán)前后的超聲成像結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可以觀察到，在HA-30/05試件進(jìn)行F-T循環(huán)時(shí)，衰減減小、速度增大，這種變化與未經(jīng)F-T循環(huán)的試件相似。而HA-30/05-0試件在F-T循環(huán)過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生明顯的損傷，這表明摻入引氣劑可以增強(qiáng)混凝土在F-T循環(huán)后的抗凍性能。

不可評(píng)估區(qū)域比例（NAAP）是用于評(píng)估超聲成像中無(wú)法測(cè)量超聲速度的區(qū)域的參數(shù)，表示超聲波無(wú)法通過(guò)試件的區(qū)域所占的比例。在本試驗(yàn)中，衰減值＞350 dB/m被認(rèn)為是不可評(píng)估區(qū)域，可以計(jì)算RV、RDME和可評(píng)估區(qū)域的平均超聲速度Vt和V0。如表5和表6所示分別顯示了HA-30/00組和HA-30/05組試件的試驗(yàn)結(jié)果。

表5中HA-30/00組試件的NAAP值各不相同，表明試件出現(xiàn)了不規(guī)則的損傷。損傷最小的是HA-30/00-1試件，NAAP為16.47%；損傷最大的是HA-30/00-3試件，NAAP為61.03%。表6中HA-30/05組試件RV和RDME均＞100%，表明試件沒(méi)有出現(xiàn)明顯損傷，與接觸測(cè)量方法得到的RV和RDME值一致。

4.3"超聲波軸向成像

為了進(jìn)行F-T循環(huán)的損傷評(píng)估，選擇上下表面無(wú)開(kāi)裂或剝落，但產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷的HA-30/00-2試件，將HA-30/00-2試件切成4個(gè)50 mm的切片（切片1～4）和1個(gè)60 mm的切片（切片5），切片示意圖及循環(huán)前后試件HA-30/00-2的徑向速度見(jiàn)圖5。

對(duì)切片進(jìn)行軸向掃描，分析定位超聲波不可評(píng)估區(qū)域的損傷。HA-30/00-2試件不同切片的軸向成像見(jiàn)圖6。圖6（a）中切片1上有明顯衰減，這表明超聲波在靠近切片表面的區(qū)域無(wú)法沿軸向穿透材料。此外，切片2～4顯示出相似的衰減水平，切片5的衰減略高。圖6（b）中切片表面上存在一些毫米厚度的區(qū)域，速度＜4.4 km/s。

如表7所示列出了HA-30/00-2試件切片1～5的平均速度Vf。由表7可知，切片3和4的軸向平均速度比HA-30/00-2試件初始徑向平均速度高出3%。這可能是由于軸向掃描相對(duì)于徑向掃描的長(zhǎng)度更短，從而導(dǎo)致更高的速度測(cè)量結(jié)果（見(jiàn)圖7）。同時(shí)，水泥水化作用可能會(huì)對(duì)凍融結(jié)果產(chǎn)生影響。切片4的速度最高，被認(rèn)為受損輕微，選擇在切片4上進(jìn)行比較（表中標(biāo)記為Vf/Vf4）。表7中Vf/Vf4的結(jié)果顯示切片1的速度明顯下降，而其他切片的變化較小。

4.4"破壞標(biāo)準(zhǔn)比較

從超聲成像中獲得的平均速度只對(duì)應(yīng)于試件的可評(píng)估區(qū)域。超聲波接觸測(cè)量值對(duì)應(yīng)的破壞標(biāo)準(zhǔn)（RV和RDME）不能直接與從超聲成像中獲得的破壞標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。應(yīng)考慮可評(píng)估區(qū)域比例和不可評(píng)估區(qū)域比例對(duì)應(yīng)的平均速度，故提出Vff參數(shù)作為加權(quán)平均速度NAAP的術(shù)語(yǔ)，定義為：

Vff=βV0×NAAP+Vf（1-NAAP）（6）

式中：β——一個(gè)常量值，指給定的破壞百分比。

根據(jù)RILEM標(biāo)準(zhǔn)提出的試件的損傷程度，令β=0.8，使用Vff/V0和（Vff/V0）2代替RV和RDME。由此可知，大多數(shù)情況下接觸測(cè)量與超聲成像得到的結(jié)果沒(méi)有顯著差異，如后頁(yè)圖8所示。

超聲成像提供了F-T循環(huán)試驗(yàn)中損傷變化的圖像，對(duì)于嚴(yán)重?fù)p傷或無(wú)損試件的損傷評(píng)估，通常接觸測(cè)量RV或RDME的結(jié)果與超聲成像的結(jié)果沒(méi)有顯著差異。然而，使用超聲成像的主要優(yōu)點(diǎn)是能檢測(cè)到早期損傷，而接觸測(cè)量無(wú)法檢測(cè)或量化。

5"結(jié)語(yǔ)

本文為了研究超聲成像作為一種評(píng)估工具在混凝土F-T循環(huán)試驗(yàn)中的應(yīng)用，對(duì)兩組混凝土試件進(jìn)行F-T循環(huán)試驗(yàn)，F(xiàn)-T循環(huán)前后分別進(jìn)行接觸式和浸入式超聲檢測(cè)；設(shè)計(jì)了自動(dòng)超聲徑向掃描系統(tǒng)，進(jìn)行精確測(cè)量，生成速度和衰減圖像，量化損傷的程度；提出兩個(gè)參數(shù)（NAAP和NAAP中的加權(quán)平均速度）來(lái)評(píng)估混凝土試件的損傷。使用超聲成像的優(yōu)點(diǎn)是可以檢測(cè)早期損傷并對(duì)受凍融循環(huán)影響的混凝土試件進(jìn)行替代評(píng)估，參數(shù)的提出能夠及早發(fā)現(xiàn)損傷，并對(duì)試件進(jìn)行全面評(píng)估。

參考文獻(xiàn)：

［1］石松濤，徐"飛，李"琦.凍融循環(huán)作用下超高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料加固力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2023，23（11）：4 745-4 754.

［2］趙洪凱，耿慶林，任"偉.透水混凝土微細(xì)觀凍融損傷研究進(jìn)展［J］.應(yīng)用化工，2022，51（12）：3 702-3 706.

［3］張"謹(jǐn)，龔敏鋒.混凝土損傷變量及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在抗震性能化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2022，52（21）：33-41，138.

［4］李娟娟. 混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷超聲檢測(cè)方法研究［D］.南昌：南昌航空大學(xué)，2017.

［5］田建行. 混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的超聲成像檢測(cè)方法研究［D］.保定：河北大學(xué)，2022.20240326