超聲波檢測(cè)混凝土支座密實(shí)度研究

摘 要：混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的密實(shí)性對(duì)混凝土的受力性能影響較大，因此，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的密實(shí)度進(jìn)行精細(xì)化檢測(cè)具有重要意義。目前對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度的檢測(cè)使用最為廣泛的是超聲法，此方法可以便捷、有效的的檢測(cè)混凝土的密實(shí)度。本文以課題組某研究項(xiàng)目的混凝土承重支座為研究對(duì)象，使用超聲法對(duì)其進(jìn)行密實(shí)度和強(qiáng)度檢測(cè)。結(jié)果表明，當(dāng)密實(shí)度檢測(cè)時(shí)，超聲波聲速平均值、振幅平均值較大，除螺栓孔處和個(gè)別測(cè)點(diǎn)波動(dòng)外，聲速和振幅均大于判斷值；當(dāng)強(qiáng)度檢測(cè)時(shí)，試件1和試件2的強(qiáng)度推定值均大于35MPa。因此，經(jīng)過(guò)28天養(yǎng)護(hù)后的混凝土支座密實(shí)度良好，強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可用于項(xiàng)目的后期使用。

關(guān)鍵詞：超聲波檢測(cè)；密實(shí)度；聲速；振幅

1 引言

混凝土結(jié)構(gòu)在建造施工過(guò)程中，有時(shí)因漏漿、振搗不足、養(yǎng)護(hù)措施不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致混凝土密實(shí)度不佳。密實(shí)度降低會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)承載力嚴(yán)重下降，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全使用造成很大威脅。因此，在混凝土結(jié)構(gòu)使用之前有必要對(duì)其進(jìn)行密實(shí)度檢測(cè)。超聲波檢測(cè)作為一種無(wú)損檢測(cè)方法，具有穿透能力強(qiáng)、檢測(cè)厚度大、靈敏度高、成本效益高等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用[1]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)混凝土密實(shí)度的檢測(cè)進(jìn)行了研究。Saint-Pierre等[2]研究表明超聲法能夠?qū)炷羶?nèi)部的微小損傷進(jìn)行檢測(cè)；Ju等[3]根據(jù)首波聲時(shí)、振幅、頻率等聲學(xué)參數(shù)，綜合評(píng)估了由于堿性二氧化硅反應(yīng)導(dǎo)致的混凝土損傷；王玫玲等[4]通過(guò)超聲法檢測(cè)了足尺方鋼管混凝土構(gòu)件的內(nèi)部缺陷，檢測(cè)結(jié)果與預(yù)先設(shè)定的缺陷位置基本相符；武麒陽(yáng)等[5]通過(guò)對(duì)自密實(shí)鋼管混凝土柱超聲檢測(cè)，表明鋼管內(nèi)核心混凝土存在缺陷時(shí)，聲時(shí)變長(zhǎng)、振幅變小、首波和相鄰波振幅較??；宋林琳等[6]驗(yàn)證了掃描式?jīng)_擊回波法和超聲波法兩種無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)足尺方鋼管混凝土套箱內(nèi)部脫空缺陷檢測(cè)的適用性；韓立等[7]通過(guò)對(duì)箱形梁混凝土密實(shí)度檢測(cè)，表明超聲波檢測(cè)混凝土密實(shí)度具有精度高、操作簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；王勤等[8]采用超聲法對(duì)混凝土剪力墻密實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)聲速、振幅、波形等聲學(xué)參數(shù)判斷出缺陷存在的位置和大小。

本文根據(jù)課題組項(xiàng)目研究需要，采用超聲無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)研究項(xiàng)目所用的2個(gè)混凝土支座進(jìn)行密實(shí)度和強(qiáng)度檢測(cè)，并綜合評(píng)判混凝土支座澆筑和養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。

2混凝土密實(shí)度檢測(cè)原理

超聲波檢測(cè)混凝土?xí)r，混凝土一側(cè)的發(fā)射換能器發(fā)出周期性超聲脈沖波，波經(jīng)過(guò)混凝土傳播后，被另一側(cè)的接收換能器接收。超聲波的傳播速度、振幅、頻率等聲學(xué)參數(shù)，以及波形均能被精確地記錄在檢測(cè)儀器上。當(dāng)混凝土質(zhì)量良好、密實(shí)均勻時(shí)，超聲波將以直線(xiàn)形式穿過(guò)混凝土，此時(shí)聲時(shí)最短、振幅最高、聲波能量散失最少；當(dāng)混凝土內(nèi)部存在空洞時(shí)，超聲波將在空洞的邊緣發(fā)生折射和繞射，傳播路徑變長(zhǎng)、聲時(shí)變長(zhǎng)、振幅降低；當(dāng)混凝土密實(shí)度不佳，存在蜂窩氣孔時(shí)，超聲波將在傳播過(guò)程中發(fā)生散射，聲時(shí)變長(zhǎng)、聲速降低、波形發(fā)生畸變。因此可通過(guò)超聲波在混凝土中的傳播聲時(shí)（聲速）、振幅、波形形態(tài)來(lái)綜合判斷混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部質(zhì)量。

檢測(cè)時(shí)根據(jù)接收到的超聲波聲學(xué)參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)進(jìn)行異常值的判別。平均值mx、標(biāo)準(zhǔn)偏差Sx按照以下公式計(jì)算：

m=X/n

S=

將各測(cè)點(diǎn)的聲速、振幅、頻率值由大至小按順序依次排列，X1≥X2≥…≥Xn≥Xn+1…將排在后面明顯小的數(shù)據(jù)視為可疑。從中選取最大數(shù)（假定Xn）連同其前面的數(shù)據(jù)計(jì)算出平均值mx及標(biāo)準(zhǔn)差Sx，然后根據(jù)下面公式計(jì)算出異常情況的判斷值X0。

X=m-λ·S

將判斷值X0與可疑數(shù)據(jù)的最大值Xn相比較，當(dāng)Xn小于X0時(shí)，則Xn及排列于其后的各數(shù)據(jù)均為異常值，去掉Xn，再用X1- Xn-1進(jìn)行計(jì)算和判別，直至判不出異常值為止；當(dāng)Xn大于X0時(shí)，應(yīng)再將Xn+1放進(jìn)去重新計(jì)算和判別。最后根據(jù)異常測(cè)點(diǎn)的分布情況按下式進(jìn)一步判別其相鄰測(cè)點(diǎn)是否異常：

X=m-λ·S

X=m-λ3·S

式中λ、λ、λ3按照《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》（CECS 21∶2000）[9]進(jìn)行選取。

3試驗(yàn)概況

3.1試件簡(jiǎn)介

本次測(cè)試混凝土試件為課題組某研究項(xiàng)目承重支座，受力要求高，質(zhì)量管控嚴(yán)。為確保混凝土支座澆筑和養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，采用無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行密實(shí)度檢測(cè)?；炷林ё缮舷聝刹糠纸M成，上部尺寸為600mm×300mm×700mm，下部尺寸為1200mm×500mm×500mm。試件下部?jī)啥烁饔幸粋€(gè)直徑為90mm的螺栓孔，試件模型如圖1所示?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C35，水泥采用P·O42.5型普通硅酸鹽水泥，骨料級(jí)配為10-30mm，坍落度為（180±20）mm，混凝土澆筑時(shí)采用振搗棒振搗，施工過(guò)程嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行。由于試件體積較大，無(wú)法放置養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，因此在溫度為10℃，濕度為56%的自然條件下露天養(yǎng)護(hù)28天。

3.2測(cè)點(diǎn)布置

本次試驗(yàn)采用對(duì)測(cè)的測(cè)試方法，在試件相互平行的兩個(gè)對(duì)面上均勻布置測(cè)點(diǎn)。為確保檢測(cè)時(shí)換能器緊貼混凝土表面，網(wǎng)格劃分之前，先將測(cè)試面上的塵土、污物清理干凈，若測(cè)試面粗糙不平滑可用砂紙打磨平滑。在測(cè)試面上劃分10條橫測(cè)線(xiàn)，11條縱測(cè)線(xiàn)，每條測(cè)線(xiàn)上的網(wǎng)格匯交點(diǎn)為相應(yīng)測(cè)點(diǎn)，網(wǎng)格尺寸為100mm×100mm。為便于描述，對(duì)測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行編號(hào)，如測(cè)點(diǎn)1-2-5表示試件1橫截面2從左到右第5個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

3.3試驗(yàn)儀器及檢測(cè)

本次試驗(yàn)采用ZBL-U520A型非金屬超聲檢測(cè)儀，儀器發(fā)射電壓500V，采樣周期0.4us，聲時(shí)測(cè)讀精度0.05us。儀器主機(jī)可完成聲波的發(fā)射、接收，信號(hào)數(shù)字采集，并對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，可用于混凝土強(qiáng)度、裂紋深度和內(nèi)部缺陷的檢測(cè)。超聲波檢測(cè)時(shí)，先將耦合劑均勻涂抹在收發(fā)換能器表面，隨后將發(fā)射換能器和接收換能器分別放于結(jié)構(gòu)對(duì)側(cè)的相應(yīng)測(cè)點(diǎn)，使換能器緊貼混凝土表面，并使兩邊壓緊力一致，待波形穩(wěn)定后將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。測(cè)試過(guò)程中，若測(cè)點(diǎn)聲速有明顯變化，首先確認(rèn)換能器位置是否準(zhǔn)確、換能器與被測(cè)試件表面耦合是否良好、測(cè)距是否發(fā)生變化等，逐一排除以上原因后，判斷構(gòu)件中是否存在不密實(shí)區(qū)。

4密實(shí)度檢測(cè)結(jié)果分析

4.1試件上部檢測(cè)結(jié)果分析

由《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》可知，測(cè)點(diǎn)聲速和振幅同時(shí)大于判斷值的為檢測(cè)合格點(diǎn)，有任意一個(gè)小于判斷值的為缺陷點(diǎn)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，試件1上部測(cè)點(diǎn)的聲速判斷值為4.480km/s，振幅判斷值為86.48dB，所有測(cè)點(diǎn)聲速均可滿(mǎn)足，振幅不滿(mǎn)足的測(cè)點(diǎn)有1-10-4、1-10-5。試件2上部測(cè)點(diǎn)的聲速判斷值和振幅判斷值分別為4.496km/s和85.69dB，所有測(cè)點(diǎn)聲速、振幅均可滿(mǎn)足，超聲波檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

由表1可知，試件1上部和試件2上部的聲速平均值和振幅平均值較大，聲速平均值均大于4.5km/s，振幅平均值均大于93dB，表明混凝土整體密實(shí)均勻，無(wú)明顯缺陷；試件1上部和試件2上部聲速、振幅的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)比較小，表明聲速、振幅均勻性良好，離散性?。辉嚰?上部異常測(cè)點(diǎn)1-10-4的振幅為82.48dB，測(cè)點(diǎn)1-10-5的振幅為83.62dB。這是由于測(cè)點(diǎn)1-10-4和測(cè)點(diǎn)1-10-5位于試件1上部的左上角，拆模時(shí)用力過(guò)大，混凝土出現(xiàn)剝落損壞，導(dǎo)致超聲波在傳播過(guò)程中能量損失，振幅減小。

4.2試件下部試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)超聲波檢測(cè)結(jié)果，試件1下部各測(cè)點(diǎn)的聲速、振幅如圖3所示。根據(jù)《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行計(jì)算，試件1下部測(cè)點(diǎn)的聲速判斷值為4.499km/s，振幅判斷值為87.08dB，圖中橫線(xiàn)即為判斷線(xiàn)，判斷線(xiàn)以下的測(cè)點(diǎn)為缺陷點(diǎn)。試件1下部缺陷點(diǎn)如表2所示。

根據(jù)超聲波檢測(cè)結(jié)果，試件2下部各測(cè)點(diǎn)聲速、振幅如圖4所示。根據(jù)《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行計(jì)算，試件2下部測(cè)點(diǎn)的聲速判斷值為4.506km/s，振幅判斷值為86.89dB。缺陷點(diǎn)如表3所示。

當(dāng)超聲波在混凝土中傳播遇到空洞時(shí)，將在空洞邊緣發(fā)生折射和繞射，導(dǎo)致聲波傳播路徑變長(zhǎng)、聲時(shí)變長(zhǎng)、能量降低、振幅降低。由圖3和圖4可知，試件1下部和試件2下部聲速、振幅的缺陷點(diǎn)位主要集中在螺栓孔處，表明超聲波檢測(cè)混凝土密實(shí)度方法可行；由表2、表3可知，除螺栓孔處測(cè)點(diǎn)的聲速和振幅低于判斷值外，試件1下部測(cè)點(diǎn)1-3-1、1-4-11和試件2下部測(cè)點(diǎn)2-4-1、2-4-11的聲速、振幅小于判斷值。經(jīng)分析，這4個(gè)測(cè)點(diǎn)分別位于試件1下部?jī)蓚?cè)邊緣和試件2下部?jī)蓚?cè)邊緣，可能由于澆筑時(shí)振搗不到位，造成混凝土出現(xiàn)蜂窩缺陷，因而所測(cè)聲速和振幅較?。怀齻€(gè)別測(cè)點(diǎn)的聲速、振幅偏低之外，試件1和試件2其他位置測(cè)點(diǎn)聲速、振幅均大于判斷值，表明混凝土整體比較密實(shí)，無(wú)明顯缺陷。

4.3典型超聲波實(shí)測(cè)波形圖

當(dāng)超聲波在均勻密實(shí)的混凝土中傳播時(shí)，將以直線(xiàn)的形式穿過(guò)混凝土，并且波形穩(wěn)定、規(guī)則清晰；當(dāng)超聲波在混凝土中傳播遇到空洞、蜂窩氣孔等缺陷時(shí)，將發(fā)生反射、折射、繞射等現(xiàn)象，超聲波的傳播路徑變得復(fù)雜，波形產(chǎn)生畸變。因此，觀察波形也能初步判斷混凝土內(nèi)部是否存在缺陷。如圖5（a）所示，波形清晰、等間隔、呈周期振蕩，表明此處混凝土密實(shí)度良好；如圖5（b）和5（c）所示，波形呈凹字形，中間振幅較低、波形紊亂，是因?yàn)樵擃?lèi)測(cè)點(diǎn)位于地螺栓孔處；如圖5（d）所示，波形后半段能量散失較大，混凝土表面可能存在麻面等缺陷。

5混凝土強(qiáng)度分析

5.1混凝土強(qiáng)度檢測(cè)原理

超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)[10-11]是指采用兩種測(cè)試方法檢測(cè)混凝土的多個(gè)物理量，并將其與混凝土強(qiáng)度建立關(guān)系，能夠在不破壞混凝土結(jié)構(gòu)的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土強(qiáng)度的有效評(píng)估?；炷敛ㄋ?、混凝土回彈值與強(qiáng)度之間有較好的相關(guān)性，強(qiáng)度越高，波速越快，回彈值越高。采用低頻超聲波檢測(cè)儀和標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)能為2.207J的回彈儀，在混凝土同一測(cè)區(qū)分別測(cè)量聲時(shí)及回彈值，利用建立的測(cè)強(qiáng)公式，推算該測(cè)區(qū)的混凝土強(qiáng)度值。

f=a×V×R

式中：f為抗壓強(qiáng)度換算值，單位MPa；V為測(cè)區(qū)修正后的超聲聲速值，單位km/s；R為測(cè)區(qū)修正后的回彈平均值；a為常數(shù)項(xiàng)系數(shù)，卵石粗集料取0.0056，碎石粗集料取0.0162；b、c為回歸常數(shù)，卵石粗集料分別取1.439，1.7691，碎石粗集料分別取1.656，1.410。

5.2混凝土強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

q測(cè)試之前，先在試件表面不同位置畫(huà)出多個(gè)200mm×200mm的方格，再將其分割成16個(gè)50mm×50mm 的小方格，將其作為聲速和回彈測(cè)區(qū)。測(cè)區(qū)劃分完成后，首先對(duì)試件進(jìn)行回彈測(cè)試，在每個(gè)測(cè)區(qū)彈擊16個(gè)點(diǎn)，并將得到的16個(gè)回彈值進(jìn)行篩選，去掉3個(gè)最大值和3個(gè)最小值，剩下的10個(gè)回彈值取平均數(shù)。之后對(duì)試件進(jìn)行聲速測(cè)試，在每個(gè)測(cè)區(qū)相對(duì)測(cè)試面上，沿試件的對(duì)角線(xiàn)等距布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)試時(shí)應(yīng)注意發(fā)射換能器和接收換能器應(yīng)在同一軸線(xiàn)上。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，根據(jù)每個(gè)測(cè)區(qū)修正后的回彈值及修正后的聲速值，按照公式計(jì)算出試件的強(qiáng)度推定值。試件1混凝土抗壓強(qiáng)度推定值為41.5MPa，試件2混凝土抗壓強(qiáng)度推定值為40.2MPa，混凝土強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求。

6結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)混凝土支座進(jìn)行密實(shí)度檢測(cè)，超聲波聲速、振幅平均值較大，除螺栓孔處和個(gè)別測(cè)點(diǎn)波動(dòng)外，聲速、振幅均大于判斷值，表明混凝土支座密實(shí)度整體較好，內(nèi)部無(wú)明顯缺陷；通過(guò)對(duì)混凝土支座進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)，試件1和試件2的強(qiáng)度推定值均大于35MPa，混凝土強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。以上表明混凝土支座澆筑和養(yǎng)護(hù)質(zhì)量良好，可用作研究項(xiàng)目的后期使用。

（2）實(shí)踐證明，超聲波檢測(cè)混凝土施工質(zhì)量是可行的、有效的。通過(guò)超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可有效檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)度；超聲回彈綜合法可有效推測(cè)出混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，此方法避免了傳統(tǒng)的破壞性檢測(cè)帶來(lái)的損失和不便，為混凝土結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)和評(píng)估提供了有效手段，在實(shí)際的工程建設(shè)中具有重要的意義和作用。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：周占學(xué)（1973—），男，博士，教授，研究方向?yàn)椋航Y(jié)構(gòu)抗震、結(jié)構(gòu)加固。

婁軍（2000—），男，研究生在讀，研究方向?yàn)椋悍罏?zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程。

基金項(xiàng)目：河北省建設(shè)科技研究項(xiàng)目（2021-2099）