結構混凝土強度的超聲脈沖法檢測.doc

1、結構混凝土強度的超聲脈沖法檢測吳慧敏概 述一、超聲法檢測混凝土強度的依據(jù)混凝土材料是彈粘塑性的復合體，合組分的比例變化、制造工藝條件不同，以及硬化混凝土結構隨機性等，十分錯綜復雜地影響了凝聚體的性質(zhì)，采用一種普通的數(shù)學模型，嚴密定量地描述結構混凝土強度是比較困難的。工程上，為了解燃眉之急，國內(nèi)外專業(yè)人員都十分注重檢測和評價結構混凝土的性能，超聲波檢測結構混凝土的強度便是內(nèi)容之一.超聲波檢測混凝土的強度基本的依據(jù)是超聲波傳播速度與混凝土的彈性性質(zhì)的密切關系。超聲聲速與固體介質(zhì)的彈性模量之間的數(shù)學關系在第三章中已列出，在實際檢測中，超聲聲速又通過混凝土彈性模量與其力學強度的內(nèi)在聯(lián)系，與混凝土抗壓強

2、度建立相關關系以推定混凝土的強度。超聲測強以混凝土立方試塊28天齡期抗壓強度為基準,大體是把這種混凝土當做彈性體看待，而原材料品種規(guī)格、配合比、施工工藝等影響著超聲檢測參數(shù)，所以采用預先校正方法建立超聲測強的經(jīng)驗公式.國內(nèi)外采用統(tǒng)計方法建立專用曲線或數(shù)學表達式有如下幾種：前蘇聯(lián)、捷克和前民主德國采用： 荷蘭、羅馬尼亞采用： 法國采用，該公式與前蘇聯(lián)采用的相似（v2Ed)。波蘭采用.國內(nèi)，v相關曲線基本采用:和兩種非線性的數(shù)學表達式。式中 -動力彈性模量；Q、A、B、C經(jīng)驗系數(shù)?？梢?，國內(nèi)外實際應用的經(jīng)驗公式，采用超聲聲速參量便是突出了超聲彈性波我與混凝土彈性模量及強度的相關性。二、超聲法檢測混

3、凝土強度的技術途徑混凝土超聲測強曲線因原材料的品種規(guī)格和含量、配合比和工藝條件的不同而有不同的試驗結果,因此，建立按常用的原材料品種規(guī)格、不同的技術條件和測強范圍進行試驗，大量的試驗數(shù)據(jù)經(jīng)適當?shù)臄?shù)學擬合和效果分析，建立超聲聲速v1與混凝土抗壓強度的相關關系，取參量的相關性好、統(tǒng)計誤差小的曲線作為基準校正曲線；并經(jīng)驗證試驗，測強誤差小的經(jīng)驗公式作為超聲測強之用。超聲測強有專用校正曲線、地區(qū)曲線和統(tǒng)一曲線，校正曲線和地區(qū)曲線在試驗設計中一般均考慮了影響因素，而校正試驗的技術條件與工程檢測的技術條件基本相同，曲線的使用,一般不要特殊的修正，因此,建議你使用.在沒有專用或地區(qū)測強曲線的情況下,如果應用

4、統(tǒng)一的曲線,則需要,按不同的技術條件提出修正系數(shù),使推算結構混凝土的精度控制在許可的范圍內(nèi)。這些修正系數(shù)也可根據(jù)各種不同的影響因素分項建立，以擴大適用范圍。由于超聲法測強精度受許多因素的影響，測強曲線的適應范圍受到較大限制.為了消除影響，擴大測強曲線的適應性，除了采用修正系數(shù)法外還可采用混泥凈漿聲速換算法和水混砂漿聲速換算法,基本方法是把混凝土聲速換算成砂漿或水泥凈漿聲速，再由較勻質(zhì)的砂漿或是水泥凈漿聲速與混凝土強度建立相關關系，以便消除骨料的影響,擴大所建立的相關關系的適用范圍，并提高測強精度。三、混凝土超聲法測強的物點與技術穩(wěn)定性(一）超聲法的特點（1)檢測過程無損于材料、結構的組織和使用

5、性能;（2）直接在構筑物上檢測試驗并推定其實際的強度；（3)重復或復核檢測方便，重復性良好；（4）超聲法具有檢測混凝土質(zhì)地均勻性的功能，有利于測強測缺的結合，保證檢測混凝土強度建立在無缺陷、均勻的基礎上合理地評定混凝土的強度；（5）超聲法采用單一聲速參數(shù)推定混凝土強度.當有關影響因素控制不嚴時,精度不如多因素綜合法，超聲法仍有其特殊的適應性。(二)技術穩(wěn)定性混凝土超聲測強技術穩(wěn)定性是一個綜合性的技術指標。為了保證技術穩(wěn)定性，除繼續(xù)深入開展技術完善和評價方法的研究之外，就廣泛研究證實和工程檢測的經(jīng)驗,歸納起來有如下方面需加以控制：（1)理解超聲儀器設備的工作原理，熟悉儀器設備的操作規(guī)程和使用方法

6、；（2）正確掌握超聲聲速測量技術和精度誤差的分析；（3）建立校正曲線務必精確，技術條件和狀況盡可能與實際檢測的接近；（4)從混凝土材質(zhì)組分和組織構造上理解影響超聲聲速及測量的原因，并在實測中加以排除或作必要的修正；（5）研究和確定超聲檢測“壞值”（指混凝土缺陷的指標）區(qū)別處理方法，以保證在混凝土材質(zhì)均勻基礎上推定強度值。超聲法檢測混凝土強度的主要影響因素超聲法檢測混凝土強度，主要是通過測量在測距內(nèi)超聲傳播的平均聲速推定混凝土的強度?？梢?，“測強”精度評價與超聲聲速讀取值的準確與否是密切相關的，換句話說，正確運用超聲聲速推定混凝土強度和評價混凝土質(zhì)量,從事檢測工作的技術人員必須熟悉影響聲速測量的

7、因素,在檢測中自覺地排除這些影響.超聲聲速可能受到混凝土性能無關的某些因素的影響,且不可避免地要受到混凝土材料組分與結構狀況差異的因素的影響。根據(jù)國內(nèi)外科學研究和實際檢測的經(jīng)驗總結，這些影響大致歸納如下諸方面:一、橫向尺寸效應關于試件橫向尺寸的影響,在測量聲速時必須注意。通常，縱波速度是指在無限大介質(zhì)中測得，隨著試件橫向尺寸減小，縱波速度可能向桿、板的聲速或表面波速度轉變，即聲速比無限大介質(zhì)中縱波聲速要小.圖4-1表示在不同橫向尺寸的試件上測得聲速的變化情況。當橫向最小尺寸d2（為波長）時,傳播速度與大塊體中縱波速度值相當（圖41中區(qū)）.當<d2時，可使傳播速度降低2。53（見區(qū))。當0

8、.2<d<時,傳播速度變化較大,約降低67，在這個區(qū)間（區(qū))里測量時，估計強度的誤差可能達3040，這是不允許的。區(qū)為d<2這是屬于波在桿件中的傳播.Jones等對不同測距、最小斷面尺寸和探頭固有頻率的選擇參見表41不同測距最小斷面尺寸和探頭固有頻率的選擇 表4-1 二、溫度和濕度的影響混凝土處于環(huán)境溫度為5-30情況下，因溫度升高引起的速度減小值不大；當環(huán)境溫度在4060范圍內(nèi)，脈沖速度值約降低5%，這可能是由于混凝土內(nèi)部的微裂縫增多所致。溫度在0以下時，由于混凝土中的自由水結冰，使脈沖速度增加（自由水的v=1。45km/s，冰的v=3.50km/s）。當混凝土測試時的溫度

9、處于表42所列的范圍內(nèi)時，可以允許修正;如果混凝土遭到受過冰融循環(huán)下的冰結,則不允許修正。超聲波傳播速度的溫度修正值 表42混凝土的抗壓強度隨其含水率的增加而降低,而超聲波傳播速度v隨孔隙被水填滿而逐漸增高。飽水混凝土的含水率增高4%，傳播速度v相應增大6。速度的變化特性取決于混凝土的結構,隨著混凝土孔隙率的增大，干混凝土比空氣中養(yǎng)護的混凝土具有更高的超聲傳播速度。水下養(yǎng)護混凝土的強度最大，其傳播速度高達4。06km/s；而相同強度但暴露在空氣里養(yǎng)護的混凝土的傳播速度約4.10km/s。濕度對超聲波傳播速度的影響可以解釋為：（1）水中養(yǎng)護的混凝土具有較高的水化度并形成大量的水化產(chǎn)物，超聲波傳播

10、速度對此產(chǎn)物的反映大于空氣中硬化的混凝土；（2）水中養(yǎng)護的混凝土,水分滲透并填充了混凝土的孔隙，由于超聲在水里傳播速度為1.45km/s，在空氣中僅0。34km/s，因此,水中養(yǎng)護的混凝土具有比在空氣中養(yǎng)護的混凝土大得多的超聲波傳播速度，甚至掩蓋了混凝土強度增長而提高的聲速的影響。三、結構混凝土中鋼筋的影響與修正鋼筋中超聲傳播速度比普通混凝土的高1。2倍-1.9倍.因此測量鋼筋混凝土的聲速，在超聲波通過的路徑上存在鋼筋，測讀的“聲時”可能是部分或全部通過鋼筋的傳播“聲時”，使混凝土聲速計算偏高，這在推算混凝土的實際強度時可能出現(xiàn)較大的偏差。鋼筋的影響分兩種情況：一是鋼筋配置的軸向垂直于超聲傳播

11、方向；二是鋼筋軸向平行于超聲傳播的方向。對第一種情況，在一般配筋的鋼筋混凝土構件中，鋼筋斷面所占整個聲通路徑的比例較小，所以影響較?。▽τ诟邩颂柣炷劣绊懜。?。鋼筋軸向平行超聲傳播的方向，在作超聲“聲時”測量時，可能影響較大,應設法加以避免或修正。鋼筋軸向垂直和平行于超聲傳播方向的布置對超聲聲速的影響分述如下：（一）鋼筋的軸線垂直于是超聲傳播的方向圖4-2表示鋼筋的軸線垂直于聲通路。當超聲波完全經(jīng)過鋼筋的每個直徑時，儀器測量的超聲脈沖傳播時間t用下式表示：式中 L-兩探頭間的距離； Ls-鋼筋直徑的總和（=di）；vc、vs-分別為混凝土、鋼筋中的超聲傳播的速度。用t=L/v 代入上式v鋼筋

12、混凝土中實測的超聲波傳播速度：則得： （4-1)為了找出混凝土中實際的傳播速度vs,需要對測得速度v乘以某個系數(shù)，這個系數(shù)取決于脈沖穿過鋼筋所經(jīng)的路程與總路程之比Ls /L及測得的速度，以及測得的速度與鋼筋中傳播速度之比v/vs。此系列于表4-3，實際上，校正系數(shù)vc /v稍大于表43中所列的值,因為發(fā)射接收的路徑與鋼筋的分布線不同完全重合，即實際通過鋼筋的距離LS。修正系數(shù)還可根據(jù)圖43曲線查出，對實測的傳播速度v進行修正.例如LS /L為0.2，并且認為混凝土質(zhì)量是差的,則混凝土中鋼筋影響vs /v的修正系數(shù)為0。9，這樣，測得的脈沖速度乘以0.9就得出素混凝土的脈沖速度.鋼筋影響的修正值

13、(鋼筋垂直于超聲傳播方向） 表 4-3(二）鋼筋軸線平行于超聲傳播方向圖4-4為超聲傳播與鋼筋軸線平行,且探頭靠近鋼筋軸線的情況。超聲傳播從發(fā)射探頭A發(fā)出,先經(jīng)AB在混凝土中傳播，然后沿鋼筋BC段傳播，再經(jīng)CD段在混凝土中傳播而到達接收探頭D。設：v c為混凝土的聲速；vs為鋼筋的聲速；l為兩探頭間距離；a為探頭與鋼筋軸線的距離。則超聲波在混凝土中的傳播時間為:超聲波在鋼筋中的傳播時間為：總的傳播時間： (4-2)欲求超聲波到達接收探頭的最短時間,即求t的最小值，需對x求導并令其為零，即：得：， 經(jīng)整理后得 (只取正值)將x代入（42）式，得最短傳播時間: (43)理論上要避免混凝土中傳播受鋼

14、筋的影響，根據(jù)（43）式得到混凝土的真正聲速為:vc=2avs/4a2+(vst-l)2令:t1=l/vc為超聲波直接在混凝土中傳播所需要的時間。則為經(jīng)由鋼筋折線的傳播時間。欲避免鋼筋的影響,應使t1=t2，即 整理后得： （44）即當探頭距離鋼筋大于之后，由于經(jīng)由鋼筋傳播的信號落在直接由混凝土中傳播的信號之后,于是鋼筋的存在就不會影響混凝土聲速的測量，一般當超聲測量線離開鋼筋軸線約1/81/6測距時，就可以避免鋼筋的影響.素混凝土中的傳播速度v0根據(jù)圖45曲線中查出修正系數(shù)，對實測的超聲傳播速度v加以修正.例如鋼筋混凝土中的a/L值為0.1，并認為混凝土地一般的,那么混凝土中鋼筋影響的修正系

15、數(shù)vc/v為0.80，最后將測得的脈沖速度乘以0。80,即為素混凝土的脈沖速度。四、粗骨料品種、粒徑和含量的影響每立方米混凝土中骨料用量的變化、顆粒組成的改變對混凝土強度的影響要比水灰比、水泥用量及標號的影響小得多,但是，粗骨料的數(shù)量、品種及顆粒組成對超聲波傳播速度的影響卻十分顯著,甚至稍微增加一些碎石的用量或采用較高彈性模量的骨料,第三性最強的是超聲脈沖的聲速。比較水泥石、砂漿和混凝土三種試體的超聲檢測，在強度值相同的情況下，混凝土的超聲脈沖聲速最高,砂漿次之，水泥石最低.差異的原因主要是超聲脈沖在骨料中傳播的速度比混凝土中傳播速度快。聲通路上粗骨料多，聲速則高；反之，通路上粗骨料少，聲速則

16、低.(一）粗骨料品種不同的影響表4-4為不同品種粗料的聲速值。由于骨料的聲速比混凝土中其它組分的聲速要高的多,它在混凝土中所點比例又高達75%左右。因此，骨料聲速對混凝土總聲速度具有決定性的影響。不同品種粗骨料的聲速值 表44不同品種的骨料配制混凝土對fcu-v關系曲線的影響如圖46所示由圖可見，若不注意粗骨料品種的影響，簡單地采用某一特定的混凝土強度與相應的超聲聲速關系曲線,在確定混凝土強度時將會造成很大的誤差。經(jīng)研究和實際檢測表明，卵石和卵碎石這兩種料配制的混凝土，一般來說，當聲速相同時,卵碎石混凝土的抗壓強度比卵石混凝土的強度高出1020。其原因是當種配比條件均相同時，卵碎石的表面粗糙，

17、有利于水泥石與骨料的粘結，因此強度可略高于表面光滑的卵石混凝土，而于由石質(zhì)基本相同，卵石較為堅實，可導致聲速略為提高.（二）粗骨料最大粒徑的影響圖4-7表示不同最大粒徑的料且料配制的混凝土,抗壓強度與超聲聲速的關系數(shù)曲線.它表明了骨料粒徑越大,測單位體積混凝土骨料所有點的聲程隨之增加，即混凝土的聲速隨骨料最大粒徑的增大而增加。換句話說,對于某一給定的超聲聲速所對應的混凝土抗壓強度則料低，其原因是骨料的超聲傳播速度比混凝土中超聲的傳播速度要快，骨料粒徑增大使混凝土中超聲傳播速度的增加，比混凝土強度測定值增加更快。（三）粗骨料含量的影響圖4-8表示骨料品種相同時，不同含石量對混凝土中超聲脈沖傳播速

18、度的影響。一般相同強度的混凝土其超聲聲速度隨粗骨料含量增加而提高趨勢。實際上,在混凝土的組合料中，砂率變化、骨灰比的大小，對混凝土中超聲聲速影響仍然在粗骨料含量中起主導作用。不同標號的混凝土，超聲聲速不同,低標號混凝土的超聲速較高,因為低標號混凝土相對的粗骨料含量多，或者說骨灰比大所引起的。圖49表示不同水灰比，骨灰比超聲聲速的影響.可見,忽視骨灰比的影響，采用聲速估算混凝土強度的誤差很大.圖4-10表示混凝土中不同砂率對fcuv關系的影響，從圖中可見，同一強度的混凝土，砂率越低,聲速越大。因此不考慮砂度的影響,用聲速的單一指標推算混凝土的抗壓強度，有可能產(chǎn)生5-15的誤差。五、水灰比及水泥用

19、量影響混凝土的抗壓強度取決于水灰比，隨著w/c降低,混凝土的強度、密實度以及彈性性質(zhì)則相應提高，超聲脈沖在混凝土中的傳播速度也相應增大;反之，超聲脈沖速度隨著w/c的提高而降低（圖4-11）水泥用量的變化，實際上改變了骨灰比的組分。圖412表示混凝土中水泥用量不同fcu-v的關系曲線。在相同的混凝土強度情況下,當粗骨料用量不變時，水泥用量越多，則超聲聲速越低。六、混凝土齡期和養(yǎng)護方法的影響圖4-13表示不同齡期的fcuv關系曲線.試驗證明,在硬化早期或低強度時，混凝土的強度fcu的增長小于聲速v的增長,即曲線斜率fcu/dv很小,聲速對強度的變化十分敏感。隨著硬化進行，或對強度較高的混凝土，f

20、cu/dv值迅速增大，即fcu值迅速增長大于v值的增長，甚至在強度達到一定值后，超聲傳播速度增長極慢，因而采用超聲聲速來推算混凝土的強度，必須十分注意聲速測量的準確性。不同齡期混凝土的fcu-v關系曲線是不同的(見圖4-14），當聲速相同時，長齡期混凝土的強度較高?；炷猎圀w養(yǎng)護條件不同，所建立的fcu-v關系曲線也是不同的。通常，當混凝土相同時,在空氣中養(yǎng)護的試件，其聲速比水中養(yǎng)護的試件的聲速要低得多，主要原因可解釋為：在水中養(yǎng)護的混凝土水化較完善,以及混凝土空隙充滿了水,水的聲速比空氣聲速大4.67倍，所以，相同強度的試件,飽水狀態(tài)的聲速比干燥狀態(tài)的聲速大.此外，干燥狀態(tài)中養(yǎng)護的混凝土因干

21、縮等原因而造成的微裂縫也將使聲速降低。七、混凝土缺陷與損傷對測強的影響采用超聲檢測和推定混凝土的強度時，只有混凝土強度波動符合正態(tài)分布的條件下，才能進行混凝土強度的推定。它就是要求混凝土內(nèi)部不應存在明顯缺陷的損傷,如果把混凝土缺陷或損傷的超聲參數(shù)參與強度的評定，有可能使檢測結果不真實或承擔削弱安全度的風險。在網(wǎng)格式布點普測的基礎上,對區(qū)域性的低強度點,當（為標準差)時，建議單獨標記或推定強度，對于時，應明確定為缺陷區(qū).綜合檢測指標均較差，且又出現(xiàn)在重要的受力區(qū)，為了保證安全,即使其它區(qū)域檢測指標均較好，則不宜做為整體評定強度。鑒于目前建立混凝土超聲測強曲線時，立方試件是在不受力的狀態(tài)下測試的，

22、而結構混凝土包括混凝土自身已不同程度地承受了載荷，這種受力狀態(tài)的構件究竟對超聲檢測有否影響,即超聲檢測值要不要進行修正，已有的國內(nèi)外研究證明，荷載超過某一定范圍對超聲檢測影響是存在的，一般認為構件受力超過3050%的極限破壞應力時，混凝土內(nèi)部不同程度地產(chǎn)生損傷，超聲聲速將隨受力增大而降低，雖然目前還沒有建立定量的修正的標準,但對從事結構混凝土超聲測強的技術人員,應注意這是影響超聲測強精度的一個因素.各種影響因素的顯著性分析上面通過各種試驗資料,初步分析了各種因素對混凝土“強度-聲速（fcuv）"關系的影響。但是，各種因素影響的顯著性是不完全一致的。當各種因素的變化范圍不同時,其影響也

23、是不同的。此外，當各種因素同時出現(xiàn)時,由于其間相互作用，它們的影響顯著程度又往往與單一因素時不同。而且各種因素影響的顯著性,還與fcuv關系本身所要求的誤差范圍有關。當某種因素所造成的偏差在fcu-v關系允許的誤差范圍以內(nèi)時，該因素的影響屬于不顯著之列，可不予置理。但當fcuv關系允許的誤差范圍減小時,該因素所造成的偏差則有可能超出允許范圍，而必須予以修正。因此影響因素的顯著性分析是個錯綜復雜的問題，單從試驗資料的直觀分析中是難以得出明確答案的。為此,我們不妨采用正交設計和方差分析的方法加以解決。關于正交設計和方差分析的原理，不是本書所論內(nèi)容，這里僅舉例說明其使用方法：一、選定影響因素和變化水

24、平根據(jù)已有的資料和經(jīng)驗選定需要試驗驗證的主要影響因素，同時根據(jù)本單位或本地區(qū)這些因素的大概變化范圍,以便選定這些因素在試驗中所取的不同值。在正交設計中，這些因素中所取的不同值稱為“水平"。設計例中所要求給證的是當水灰比在0。45、0.55、0。65、0。74等四個“水平”上變化時,水泥品種（礦渣水泥和普通水泥兩個“水平”）及粗骨料品種（河卵石和石灰石碎石兩個“水平”）影響的顯著性。本例所選不定期的因素和水平列于表4-5選定的因素與水平 表4-5因素水平號ABC水灰比水泥品種粗骨料品種10.45礦渣水泥河卵石20.55普通水泥石灰石碎石30。6540.74二、選用正交表、確認試驗方案正

25、交表是正交試驗設計中合理安排試驗，并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析的重要工具。正交表選得合適，表頭設計合理，則可用較少的試驗次數(shù)得到較滿意的結果。正交表的選用十分靈活,但一般說應遵循下面的原則：即需分析驗證的因素及它們之間交互作用的自由度總和，必須不大于所選正交表的總自由度。正交表的總自由度f總為 f總=nm1 （45)式中 n為試驗次數(shù).各因素的自由度f因為 f因=m1 (4-6）式中 m為某因素的水平數(shù)。本例中各因素自由度總和為f因=fA+fB+fC=（41）+(2-1）=(2-1）=5由于表45中所選定的各因素水平數(shù)不等，所以我們使用混合型正交表L8(41×24)。其試驗次數(shù)n為8，根據(jù)（

26、4-5）式所算出的總自度f總=7。所以各因素自由度總和f因小于該正交表的總自由度f總.L8（41×24）正交試驗方案 表46該表共有五列，其中兩個空列用來計算試驗誤差。根據(jù)該表所確定的試驗方案如表4-6所示.表中與因素的代號及水平的下標與表面所列內(nèi)容相對應。然后，根據(jù)表46所確定的試驗方案，設計出四次試驗的混凝土配合比。并按試驗要求制作試件和測出試件的聲速v和抗壓強度fcu。三、對試驗結果進行極差分析或方差分析若經(jīng)混凝土的聲速值v與實測抗壓強度fcu之比（v/fcu）作為衡量指稱yi（i為水平號）。試驗結果的極差分析和方差分析方法如下：1、極差分析將試驗結果列于表47中.并算出各種的

27、Ki，及極差W.若以j為列數(shù),以i為水平號，則：第j列的等于第j列相同的“i"所對的結果y之和；第j列的等于第j列中“i”的重復次數(shù);第j列的極差W等于第j列中的最大值與最小值之差。將計算結果填入表4-7中。比較各列的極差，極差大則表示該因素在所變化的水平范圍內(nèi)所造成的差別大，是影響試驗指標的主要因素，極差小的則是次要因素.空列極差代表試驗誤差，此外低于空列極差可認為不是由于因素水平變化試驗所引起的偏差而是試驗誤差，因此也可計入試驗誤差平均值。就本例而言，三個因素的次序是:WAWC>WB即水灰比的影響最明顯,其次是粗骨料品種.水泥品種變化所造成的偏差小于試驗誤差，可計入試驗誤差

28、。極差分析表 表4-7 2、方差分析用表45中的試驗結果算出總的偏差平方和S總、各因素的偏差平方和S因及試驗誤差S誤,其計算公式和本例的計算結果如下： （4-7) （4-8) （49)式中 CT-修正項,CT= ;n試驗號，n=mr;m水平數(shù)；r水平重復數(shù)。本例按式（47)-（49)計算結果如下: ； S總=392.923-270。398=122.534SA=（1.792+7.872+14。592+22.262)/2-270.398=116.36SB=（24。292+22.222）/4270.398=0。535SC=(20。182+26.332)/4-270。398=4。727S誤=112.5

29、34(116。36+0.535+4.727)=0.91按式（4-5)、(4-6）計算自由度f：f總=n-1=8-1=7 fA=m-1413fB=m1=2-1=1 fc=m-1=21=1f誤= f總-(fA + fB + fc ）=2計算各因素的方差V因及統(tǒng)計量F因V因=S因/f因 （4-10)V誤=S誤/f誤 （4-11）F因=V因/V因 （4-12）本例計算結果列于表48中 方差分析表 表48 從F檢驗的臨界值表上,查出相應于信度為5%和1時的臨界值。當F因>F0。05(f因，f誤）時,認為該因素對試驗指標有顯著的影響，以“*"表示。從表48中可見，本例中水灰比有高度顯著影響

30、，粗骨料品種有顯著影響,而水泥品種的影響不顯著。從以上兩種分析方法中可見，其結果是相同的.極差分析較為簡單、直觀，而方差分析則有比較明確的定量界限。上述方法也可用于回彈法及其他檢測方法影響因素性的分析。建立超聲測強曲線的方法混凝土中的超聲波傳播的速度v與混凝土的抗壓強度fcu之間有著良好的相關性,即混凝土的強度越高,相應的超聲聲速也越高.一般說來,以非線性的數(shù)學模型擬合其間的相關性更能反映關系的規(guī)律?；炷翉姸扰c超聲傳播聲速之間相關規(guī)律是隨著技術條件變化而異，即定量關系是受混凝土的組分及技術條件諸如水灰比、水泥用量、骨料粒徑和用量、養(yǎng)護投機倒把、含水率等因素影響而異的。因此，各類混凝土沒有統(tǒng)一

31、的fcu關系曲線,即尚不能根據(jù)超聲聲速檢測混凝土強度的規(guī)程、方法建議中都規(guī)定須以一定數(shù)量的相同技術條件的混凝土試件過去實行校正試驗，預先建立fcu校正曲線,然后用超聲聲速推算混凝土的強度,這樣推算的強度值才能達到比較滿意的精度。一、超聲測強曲線類型和適用范圍根據(jù)相關曲線的制定和使用條件可分為三種：1、校準曲線校準曲線是采用與本工程、工廠的構件混凝土相同的原材料、配合比和成型養(yǎng)護工藝配制的混凝土試塊,對于技術管理健全、混凝土質(zhì)量比較穩(wěn)定的工程或工廠，也可以從生產(chǎn)過程中隨機而又均勻地直接取料（混凝土拌合物）制作混凝土試塊，通過一定數(shù)量的破損與非破損試驗所建立的曲線。它適用于檢測與該主式塊相同技術條

32、件的混凝土制品的強度,測強精度高。由一地混凝土結構與制定曲線的混凝土試塊的組成、養(yǎng)護條件和試驗狀態(tài)等基本上一致，推算混凝土強度時，不存在影響因素,故無須作修正.2、地區(qū)性曲線地區(qū)性曲線是采用本公司、本地區(qū)常用的原材料、成型養(yǎng)護工藝配制的混凝土試塊，通過較多的破損與非破損所建立的曲線。它適用于無校準曲線時檢測相同技術條件的本公司、本地區(qū)混凝土制品的強度，具有較高的測量精度。選用地區(qū)性曲線推算混凝土強度時，由于試驗的組成、養(yǎng)護條件基本相同,所以，只考慮試驗狀態(tài)影響因素的修正系數(shù)。3、統(tǒng)一曲線統(tǒng)一曲線是采用統(tǒng)一規(guī)定的標準混凝土制作試塊，在標準養(yǎng)護條件下，通過大量的破損與非破損試驗所建立的曲線。它適用

33、于無校準和地區(qū)曲線時檢測符合規(guī)定作用條件的混凝土構件的強度，測量精度稍低。選用統(tǒng)一曲線推算混凝土強度時,由于現(xiàn)場結構與標準條件（組成、養(yǎng)護條件和試驗狀態(tài)）的差異，需要建立影響因素的修正系數(shù)，以提高測量精度和曲線的適用性。比較上述三種曲線，不難看出，當運用校準曲線推算混凝土強度時，避免了多種因素的復雜影響,無須進行修正,從而測試精度高于其他兩種曲線。在我國的專業(yè)技術規(guī)程中也規(guī)定優(yōu)先應用地區(qū)專用測強曲線，對于不具備地區(qū)專用曲線，要事先做校正試驗,以便確定修正系數(shù)借用統(tǒng)一曲線推算混凝土的強度。二、試驗設計與方法為了建立fcu-v的相關曲線，并且有較寬的適用范圍，要求試件強度和超聲聲速對應的檢測值要有

34、較大的變動范圍，一般按不同原材料規(guī)格品種采用變化配合比、齡期和水灰比等方法制備一批混凝土試件，測定試件的平均聲速,然后作抗壓強度試驗。為了使校準曲線既有代表性又有可比性，試驗設計和試驗方法一般可遵循如下幾點擬定試驗方案:（1）根據(jù)本地區(qū)或本部門工程常用的原材料品種、規(guī)格,按最佳配合比配制C10C50的混凝土制作試塊,試塊的尺寸有邊第為150mm立方體（粗骨料最大粒徑為40mm)、邊長為100mm立方體（粗骨料最大粒徑為20mm）和邊長為200mm立方體（粗骨料最大料徑為60mm）三種。（2）制作試塊所用的混凝土拌合料,最好是在施工過程中隨機抽取試樣，也可采用符合工程的 配料和工藝條件在實驗室中

35、成型制作。(3)按7、14、28、60、90、180、365天齡期制備試塊和進行測試,每一齡期需有3個（或6個）試塊，每種標號試塊不少于30塊。（4)試塊養(yǎng)護與被測的結構混凝土養(yǎng)護條件盡可能相同.（5）試塊的超聲聲速值vi的測量應取試塊的搗制側面為測試面,測點布置采用三對（或五對）（圖4-15），取試塊的平均聲時，（扣除聲時零讀數(shù))除以試塊的測距計算超聲聲速vi.（6）最后,將試塊另一對側面作為承壓面置于壓力機上,以0。30.8MPa/s的速度連續(xù)而均勻地加荷（低標號混凝土凝土取0。30.5MPa/s的加荷速度；C30的混凝土取0.50.8MPa/s的加荷速度）計算極限破壞抗壓強度fcu。（7

36、)以數(shù)理統(tǒng)計方法對試驗數(shù)據(jù)vi以fcu進行回歸分析,建立統(tǒng)計的數(shù)學模型,并確定回歸的效果和誤差范圍。三、試塊的聲速試驗數(shù)據(jù)分析處理按下式計算vi=l/tm×10(km/s）計算精確度0。01(km/s）.式中l(wèi)發(fā)、收換能器的測試距離，即試塊的測試寬度(cm),計算精度0.01m。tm測區(qū)（試塊）的平均聲時值(單位s=10-6S),計算精度0.1（s).如果個別測點聲時偏差超過試塊聲時平均值的±5時，則該試塊應予以棄除.試塊的極限抗壓強度按下式計算:Fcu=F/A×K（MPa)式中 F極限載荷（N）; A-試塊承壓面積(mm2)； K試塊尺寸換算系數(shù)（邊長為150m

37、m立方體的系數(shù)為1;邊長為100mm立方體的系數(shù)為0.95；邊長為200mm立方體的系數(shù)為1。05）?；炷亮⒎襟w試塊抗壓強度計算應精確至0。1MPa。以三個試塊的算術平均值作為該組試塊的抗壓強度值。三個測值中的最大值或最小值中如有一個與中間值的差超過中間值的15，則把最大值及最小值一并棄除，取中間值作為該組試塊的抗壓強度；如兩個測試值與中間值相差均超過15，則此組試驗結果無效。四、擬合測強曲線與效果分析混凝土超聲測強曲線,受混凝土的原材料品種規(guī)格、養(yǎng)護方法、齡期、含水率等綜合影響.因此，對應的大量實測混凝土強度值fcu、超聲值vi之間屬于非確定關系.要確定這些非確定性試驗數(shù)據(jù)之間的數(shù)學經(jīng)驗表

38、達式,通常采用數(shù)理統(tǒng)一方法尋求參量之間的統(tǒng)計相關關系.混凝土超聲測強的數(shù)學表達式有線性和非線性兩種,采用非線性的擬合曲線，更精確地描述參量之間的相關性，且用聲速推算混凝土強度的精確度更高些.采用超聲測強的試驗數(shù)據(jù)所擬合的混凝土測強曲線，包括假設數(shù)學模型、計算實驗常數(shù)、擬合效果和精度的分析,以及驗證等內(nèi)容.聲速換算法在混凝土多相復合體系中，粗細骨料所點比例甚大，它的品種、特性、含量等往往對混凝土的總聲速造成極大影響，但在一定的范圍內(nèi)，它對混凝土的強度的貢獻卻遠不如對聲速的影響那么大.而混凝土中水泥石的強度及其與骨料的粘結能力是對混凝土強度起決定作用的。但由于它所點比例較少，對混凝土總聲速的影響卻

39、很小，這就是當混凝土原材料及配比不同時，聲速與強度關系發(fā)生明顯變化,使強度聲速曲線無法普遍應用的根本原因?；谝陨险J識，我們不妨設想,若能將混凝土中硬化水泥漿的聲速或砂漿聲速，從混凝土總聲速中通過換算分離出來,建立換算的硬化水泥凈漿聲速或砂漿聲速與混凝土強度的關系,則可消除骨料品種、含量等因素的影響。從而只要建立少數(shù)幾種不同水泥品種的“硬化水泥凈漿聲速混凝土強度”或“砂漿聲速-混凝土強度”關系曲線或公式，就能適應各種不同配合比的混凝土的需要。這種將原來的混凝土聲速換算為相應的水泥石或水泥砂漿的聲速，即所謂聲速換算法，我國建筑材料科學研究院和陜西建筑科學研究院就在這方面曾作了較系統(tǒng)的研究。硬化水

40、泥凈漿聲速換算法。假定混凝土試件為一塊由粗、細集料及硬化水泥漿分段組成的試件（見圖4-16）設l為試件的長度，即超聲穿過時的總路徑,lg、ls、lc分別為超聲波的粗、細集料及硬化水泥漿中的傳播路徑；t為超聲穿過試件體所經(jīng)歷的時間；tg、ts、tc為超聲穿過粗、細集料及硬化水泥漿在混凝土中所經(jīng)歷的時間；Vg、Vs、Vc分別為為、細集料及硬化水泥在混凝土中所點的體積分數(shù)；v為混凝土的總聲速；vg、vs、vc分別為粗、細集料及硬化水泥漿的聲速。假定,超聲波穿過復合體時，在各組分中的傳播路徑lg、ls、lc與各級分在混凝土中所占的體積成正比,即lg=lVg ls=lVs lc=lVc根據(jù)以上假定，可寫

41、出以下聯(lián)立方程式： t=tg+ts+tc vg=lVg /tgvs=lVs /ts (4-13)vc=lVc /tcv=l/t 解(4-13)聯(lián)立方程式，即可得： （4-14）從（4-14）式中可見,只要分別知道混凝土的配合比(體積Vg、Vs、Vc）;知道粗、細骨料的聲速vg、vs，并測出混凝土的總聲速v即可求出硬化水泥漿的聲速vc，用vc與混凝土的抗壓強度建立關系則可消除配合比中粗骨料因素的影響.圖417（a）和圖4-19(a）即為當不同集灰比及不同粗、細集料比例時，混凝土強度與聲速的關系曲線。從圖中可見,一種配比對應一條曲線,彼此相差甚大，所以一條線只適用于一種配合比的混凝土的數(shù)

42、據(jù)，根據(jù)(4-14)式算成硬化水泥漿聲速后，再與混凝土強度一起繪制成的關系曲線，均可用一條曲線來反映.也就是說，我們只要制作幾條不同水泥品種,不同密實程度及不同齡期的“混凝土強度-硬化水泥漿換算成聲速”的關系曲線，當已知混凝土配合比及粗、細集料聲速后,即可用換算法解決各種不同配比的混凝土強度測量問題。關于混凝土強度與硬化水泥漿換算聲速之間的關系式,應根據(jù)相應的實測曲線用回歸法求出。我國建筑材料科學院研究成果表明，該關系式應采用下面函數(shù)形式,即=AvB （4-15）式中 -混凝土抗壓強度（MPa） vc-根據(jù)混凝土配比及聲速換算的硬化水泥漿聲速（km/s） A、B均為系數(shù)根據(jù)試驗結果提出了以下兩

43、個具體公式，可供參考:（1）普通硅酸鹽水泥，控制拌合物坍落為7cm以上,混凝土強度fccu與混凝土中硬化水泥漿換算聲速vc之間的關系： =0.637v 3.04 （416)式中 -用水泥凈漿聲速換算法推算的混凝土強度（MPa）；v經(jīng)換算求得的硬化水漿聲速（km/s）.此式計算值與實測值相比的平均相對誤差為10。23%。(2）礦渣硅酸鹽水泥,控制拌合物坍落度為7cm以上的混凝土: =0。218 v 3。64 (4-17）式中 各項同上.該式計算值與實測值相比的平均相對誤差為10。35。二、硬化水泥砂聲速換算法（一)水泥砂漿聲速換算法的基本原理該法的基本原理與硬化水泥漿聲速換算法相近，都是用換算法

44、來排除骨料的影響。其間的主要區(qū)別是:水泥砂漿聲速換算把混凝土視為由水泥漿和粗骨料復合而成的兩相復合體系。因為一般普通混凝土的強度主要取決于硬化水泥砂漿的強度及其與骨料之間的粘結強度，其中砂與水泥水化產(chǎn)物之間存在一種硅吸附作用,粘結強度較高，而粗骨料周圍則存在著較多的空隙、側裂縫等構造缺陷和低強度層，影響水泥砂漿與粗骨料的粘結能力。此外,在混凝土超聲檢測中，常用頻率約為20kHz-10kHz。若混凝土中的聲速以4。0km/s計，則其波長約為200mm400mm遠大于細細集料粒徑（<5mm)。因此，對常用超聲頻率而言,水泥漿可視為均質(zhì)體。所以,砂漿聲速換算法中，則以換算的砂漿聲速與混凝土強度

45、建立基本測強曲線，其換算公式為：vm=lm/tm （4-18）式中 vm混凝土中砂漿的聲速;lm超聲脈沖穿越混凝土試件時，穿越砂漿的聲程，為 （4-19)式中 l-超聲波穿過混凝土試件的聲程;超聲波穿過混凝土所經(jīng)過的石子時的聲程。(4-18）式中tm為超聲波穿越混凝土時，在砂漿中所經(jīng)歷的聲時即： （4-20)式中 t-混凝土總聲時-在混凝土中穿過石子所需的聲時，與石子、聲速關系為 =/ （4-21）將(4-19）、(420）、(4-21）式代入(4-18)式得vm = vg(l)/(t- lg） （422）從該式可知，只要預知石子聲速vg，并算出超聲波穿過混凝土試件時，在混凝土的石子中所經(jīng)歷的

46、聲程ls，即可換算出混凝土中砂漿的聲速vm。然后用vm與相應的混凝土強度fcu建立關系,該關系拓除了石的影響，可適用于多種配合比的混凝土。（二）混凝土中石子聲程的計算砂漿聲速換算法與硬化水泥漿聲速換算法中的一個區(qū)別是混凝土中石子聲程的計算，不再沿用混凝土中各級分的聲程與各級分在混凝土中所占體積分數(shù)成正比的要領而采用了更為確切的聲程計算法則。1、基本假設為了簡化計算，該方法采用了以下基本假設：（1）將混凝土中的石子扯作以石子平均粒徑為直徑的等徑圓球；（2)等徑圓球在混凝土中呈最緊密的積錐形空間格點排列,其間充以砂漿，球與球之間最小砂漿厚度均勻為2；(3）石子的聲速大于砂漿聲速，而儀器所接收的超聲脈沖首波訊號，能過石子聲程占總聲程比例最大的那一條傳播.2、不同傳播方向上的石子聲程根據(jù)以上三點假設，石子聲程可按下式計算：若聲波按圖表19（a)中心方向傳播，則以A線石子所占聲程最大，脈沖通過A線首先到達接收探頭，所以lg為：lg=nd=ld/（d+2