混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性超聲檢測方法的研究

1、混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性超聲檢測方法的研究                   水工混凝土建筑物經(jīng)常受到凍融剝蝕的破壞，所以其混凝土結(jié)構(gòu)的抗凍性是必須檢測的主要指標(biāo)，由于實驗室制作的試件與結(jié)構(gòu)物上的混凝土抗凍性存在著差異，在結(jié)構(gòu)物上切割混凝土試件所引起的破損又不能被人們接受，且實驗室測試也只對來樣負(fù)責(zé)，因此必須研究一種更加真實地反映混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性的無損檢測方法，直接檢測混凝土結(jié)構(gòu)抵抗凍融破壞的能力，這對于實施混凝

2、土工程現(xiàn)場質(zhì)量控制，特別是對國家重點水工混凝土建筑物的質(zhì)量檢測及其長期耐久性評估尤為重要。        共振法測定混凝士試件在凍融循環(huán)過程中的動彈模變化，作為混凝土材料的抗凍性指標(biāo)，它對試件而言可算是一種無損檢測方法，但對混凝土結(jié)構(gòu)而言，共振法就無能為力1。超聲波法測試量為波速、波譜和衰減系數(shù)等，其換算原理為應(yīng)力波分析及其混凝土彈性、非彈性等性能之間的關(guān)系，它不需要整體結(jié)構(gòu)的激振，而且超聲波能夠穿透混凝土結(jié)構(gòu)本身，其輻射面較大，測量值和分析計算方法選擇余地大，因此用超聲波參量表達(dá)混凝土結(jié)構(gòu)的動彈性模量是可行的，該方法不需要

3、專門形狀和尺寸的混凝土試件，就可評價混凝士結(jié)構(gòu)的抗凍融指標(biāo)。    1、超聲波法測混凝土結(jié)構(gòu)動彈模的理論依據(jù)    1.1 計算公式             為計算動彈模Ed，文獻(xiàn)2中提出了采用常規(guī)縱波超聲換能器，依表面平測法測定混凝土表面波的速度，來確定其動彈模Ed和泊松比的新方法，可在各種混凝土結(jié)構(gòu)物上直接測得其動彈性模量。    固體材料的動彈模與其表面波速度之間的關(guān)系為3

4、0;                                   (1)        式中：為固體的密度，Vr為表面波速度。對硬化混凝土來講，泊松比一般在0.20.3之間

5、。如取=0.2時，則Ed=2.888V2r(2)                            (2)        其相對動彈?？砂聪率接嬎悖?#160;       &

6、#160;                   (3)        式中：Vr0為初始表面波速度。    1.2 檢測原理             置于固體表面的縱波換能器將發(fā)出軸向的平面

7、波，即縱波、橫波以及微弱的徑向邊緣波，換能器還發(fā)射能量更強(qiáng)的表面波并沿固體表面?zhèn)鞑?。波形的前部?yīng)是縱波，因為它的波速最大，但其振幅很??；波形后面部分振幅突然增大，是由于波速小于縱波的表面波到達(dá)，但它的信號最強(qiáng)。采用超聲多點表面平測法，測試時首先確定縱波的初至點以及表面波的初至點和第個峰值點，為與橫向振動共振法作對比，試驗中盡量做到超聲法與共振法測距和測點都相同，測距從試件端部算起，分別為50mm、100mm、150mm、200mm、250mm，測得混凝土材料的表面波速度后，對于密度已知的混凝土來講，則可由式（1）求得混凝土材料的動彈性模量。    1.3

8、 共振法動彈模的計算方法             共振法是用周期脈沖力激勵混凝土試件穩(wěn)態(tài)振動，記錄其振動參數(shù)，根據(jù)激勵頻率及振動衰減系數(shù)，推算混凝土的彈性和非彈性性質(zhì)，可作為混凝土耐久性試驗中的一個測試指標(biāo)得出其相對值。由于凍融損傷作用在混凝土表層中出現(xiàn)較快，因此采用橫向共振為基礎(chǔ)的測試方法，可以迅速取得有關(guān)混凝土表面性能變化的資料。    橫向振動的動彈模與固有頻率關(guān)系的一般表達(dá)式為3     

9、                       (4)        對于矩形截面桿件：J=ba312;基振：m=4.73。由于試件尺寸比：L/a=4(L=400mm，a=100mm)，根據(jù)參考文獻(xiàn)，當(dāng)泊松比=0.2時，Tn取1.40，式(4)可簡寫成    &

10、#160;                       (5)        另外，如果按照兩種方法所測得的動彈模相等的觀點，則Ed=Ed,由式(2)和式(5)得           

11、60;        Vr=1.084f        (6)        2、用超聲波法檢測混凝土凍融試件的動彈模     2.1 測試方案             測量混凝土材料超聲波表面波速度的試件尺寸為100m

12、m×100mm×400mm，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d齡期后測試。按混凝土長期性能和耐久性能試驗方法GBJ8285執(zhí)行，試件凍融前在水中浸泡，凍融過程中均處于飽和水狀態(tài)，其中溫度控制在-17±2和 8±2之間，凍融循環(huán)在24h內(nèi)完成，用于融化的時間不得小于整個凍融時間的14。在試驗過程中，每凍融循環(huán)50次，測量出混凝土試件的超聲波表面波速度，并同時用共振法測試混凝土試件的共振頻率。        2.2 測試儀器       &

13、#160;     檢測設(shè)備為CTS-45型非金屬超聲波檢測儀和附加示波單元，另以數(shù)字存貯示波器來顯示波形和測量聲時。示波器由附加示波單元所產(chǎn)生的激發(fā)脈沖觸發(fā)，并有能左右自由移動的游標(biāo)，用來測量波形上任一點的聲時，精度為0.1s，從觸發(fā)開始到游標(biāo)所在位置所經(jīng)歷時間顯示在示波屏上。探頭使用一對50kHz普通縱波換能器，并用黃油做耦合劑，同時采用DT-4W自動掃頻數(shù)字動彈儀測量橫向共振頻率。        2.3 測試結(jié)果     

14、0;       測量混凝土凍融試件在5個測距下，表面波到達(dá)初至點和第一個峰值點的聲時，按常規(guī)作圖法求出測距聲時直線的斜率，最終得到超聲波表面波速度，在這里測量時盡量使試件處于干燥狀態(tài)。值得一提的是，試驗用混凝土試件的抗凍性能均較高，幾乎看不到混凝土試件表面剝蝕現(xiàn)象，重量損失率僅為0.3，混凝土表面凍融損傷層很薄，試件橫向和縱向相對變形也很小，因此在試驗過程中混凝土材料的密度、泊松比及試件尺寸可以認(rèn)為不變。根據(jù)測試的表面波速度和共振頻率，按式（2）和式（5）計算分別得到混凝土材料的超聲法和共振法動彈性模量，如表1所示。 &#

15、160;                      表1  超聲法和共振法動彈模測試計算結(jié)果             凍融次數(shù)         超聲法  

16、60;               共振法             波速(m/s)                  動彈模GPa  

17、60;              相對動彈模(%)                  頻率Hz                 &

18、#160;動彈模GPa                 相 對動彈模(%)             A                 B&

19、#160;                A                 B                

20、; A                 B            050100150200250275300        22172161 2135 2091 2061 2012 2000 1993  

21、60;      21662114 2105 2082 2082 2037 2037 2037                  32.6531.02 30.28 29.04 28.19 26.89 26.57 26.58         31.1629.68 29.43 28.79 28

22、.79 27.56 27.56 27.56                  10095.0 93.0 88.9 86.0 82.0 81.4 80.8         10095.2 94.4 94.4 92.4 88.4 88.4 88.4         

23、0;        20872036 2013 1972 1945 1901 1890 1884         20371990 1981 1960 1960 1919 1919 1919                  33.9832.34 31.61 30.34

24、 29.51 28.19 27.87 27.69         32.3730.89 30.62 29.97 29.97 28.73 28.73 28.73                  10095.2 93.0 89.3 86.9 83.0 82.0 81.5       

25、0; 10095.4 94.6 92.6 92.6 88.8 88.8 88.8             注：試件為鋼纖維混凝土，取2.3×3kg/m3。                          &#

26、160;                                                 &#

27、160;        3、與共振法測混凝土動彈模的對比     通過對表1超聲法和共振法測得的各組相應(yīng)的動彈模Ed與動彈模Ed，波速Vr與頻率f，動彈模Ed與波速Vr之間進(jìn)行回歸分析，常數(shù)項用最小二乘法確定，得到回歸方程，如表2所示。                      

28、  表2  回歸分析結(jié)果             項目         回歸方程             動彈模Ed與動彈模 波速Vr與頻率f 動彈模Ed與波速Vr         EdA=0.996-1.183 VrA=1.102fA-83 EdA=1.245×-5         EdB=0.998-0.819VrB=1.092fB-59