摘 要:根据超声波检测混凝土强度的基本原理和超声波在混凝土中传播的基本特性,对超声波检测混凝土强度的影响因素进行了较全面的分析,指出了超声波检测技术在混凝土工程测强应用中存在的问题,并对超声波检测技术在混凝土工程的应用进行了展望。
关键词:混凝土,强度,超声波检测
中图分类号: TU375
超声检测是混凝土检测技术中的一个重要方面[ 1 ] 。1949 年,加拿大的莱斯利(Leslide) 、切斯曼(Cheesman) 和英国的琼斯(R·Jones) 、加特费尔德( Gatfield) 首先把超声脉冲检测技术应用在结构混凝土中,开创了超声检测这一新领域。目前,世界许多国家及国际学术团体都先后制定了混凝土超声检测的标准、规程以及规范。我国自20 世纪50 年代开始开展这项技术的研究,在60 年代普遍应用于工程检测。现在,随着超声波检测应用技术范围的扩大和理论研究的不断深入,其混凝土工程中的应用研究也有了很大进展。
1 超声测强的基本原理
发射换能器以一定重复频率间断地发射出一组超声脉冲,即超声脉冲波,简称超声波,所以,超声脉冲法简称超声波法。超声波法是根据超声脉冲在混凝土中传播的规律与混凝土的强度间存在一定关系的原理,通过测定超声脉冲的有关参数,然后依据测定的参数推断混凝土强度的一种检测方法。其检测原理是[ 2 ] :超声仪产生高压电脉冲,激励发射换能器内的压电晶体获得高频声脉冲,声脉冲传入混凝土介质中,由接受换能器接收通过混凝土传来的声信号,测出超声波在混凝土中传播的时间和距离,算出超声波在混凝土中的传播速度。
由于声波在混凝土中的传播速度能反映混凝土的密实度,而混凝土的密实度又与混凝土的强度有关,因而超声波在混凝土中的声速与混凝土的强度之间存在相关关系。混凝土越密实,声波在混凝土中的传播时间越短,声速越大,混凝土强度就越高;反之,混凝土越疏松,声波在混凝土中的传播时间越长,声速越小,混凝土强度也就越低。因此可以通过测定声波在混凝土中的传播速度来推定混凝土的强度[ 3 ] 。
2 混凝土中超声波传播的特点[ 4 ]
混凝土独特的内部结构,使得超声波在其内部传播时,具有自己独特的方式。
1) 超声波在混凝土中传播时衰减大。2) 超声波在混凝土中传播时指向性较差。3) 波形往往因界面发射和折射而曲折,因此,当超声波在混凝土中遇到较大缺陷时并非直线传播。4) 混凝土中,在声场所空间内的任何一点,都存在着一次声波(即入射声波) 及二次声波(即反射波、折射声波和波型转换后的横波) 。探头所接收的信号是一次声波和二次声波的叠加。
3 超声测强的主要影响因素
3. 1 原材料及配合比的影响
1) 水泥品种的影响。早龄期的混凝土,不同的水泥强度发展规律并不一致,有的水泥早期强度高,有的后期强度高。
2) 矿物细掺料的影响。现在,混凝土向高强、高性能的方向发展,配制高强或高性能混凝土的主要方法之一就是掺加矿物细料,掺加硅灰配制高强混凝土已经是很成熟的方法。研究表明,硅灰提高了超声声速值,主要原因在于硅灰颗粒细小,仅是水泥颗粒直径的1/ 100 ,具有高度的分散性,可以充分地填充在水化水泥颗粒之间,提高浆体硬化后的密实度。
3) 粗骨料的品种和含量影响。研究表明,石子品种的影响并不显著,在利用测强曲线时可以不考虑石子品种的影响。因为卵石和碎石的石质相同,因此对声速影响不多,但是,由于碎石表面粗糙,有利于水泥石和骨料的粘结,强度要比卵石高。
4) 砂率的影响。合理的砂率,使混凝土密实度增加,粘聚性较好,另一方面,砂率的变化导致粗骨料含量的变化,虽然砂率的变化对强度影响不是很大,但是对声速的影响是不容忽略的。
5) 配合比的影响。配合比不同,超声声速存在显著的差异,各种材料相同的混凝土,由于配合比的不同,各种原材料的用量在同体积的混凝土中并不相同,如粗骨料偏多的混凝土,超声波传播的速度就要比粗骨料含量少的混凝土传播快,水灰比W/ C大的混凝土,由于水分蒸发较多,孔隙多,使声速偏低;相反, W/ C小的混凝土,内部密实,水分蒸发后留下的孔隙少,超声波传播速度快。
3. 2 外部条件的影响
1) 龄期的影响。在早龄期的混凝土中,声速值的增加大于混凝土强度的增加,随着龄期增加,声速的增加要小于强度的增加。
2) 养护方法的影响。在养护方法中,一般认为在水中养护的混凝土比在空气中养护的混凝土水化充分,水化产物增加填充了毛细孔,毛细孔孔隙率减少,使声速值有所提高。
3) 温度和含水率的影响。温度对声速有一定影响,当温度在20 ℃～40 ℃之间时对声速影响不大,当温度超过50 ℃时,声速随温度的升高而降低。超声波传播速度随孔隙被水填满而逐渐增高。
3. 3 其他条件的影响
1) 结构中钢筋的影响和修正。超声波在钢筋中的传播速度比在混凝土中高1. 2 倍～1. 9 倍,因此,在检测含有钢筋的混凝土时,所得的超声声速值往往偏大,应根据情况进行修正。
2) 混凝土的缺陷与损伤。如果混凝土中含有裂缝,就不能用超声波检测混凝土强度,在检测时,应结合首波形状提高准确度,如果首波形状发生改变,说明混凝土内部存在缺陷,此时就不应继续使用超声声速换算混凝土强度。
4 在混凝土工程测强应用中存在的问题与发展趋势
4. 1 建立单独基于超声法检测混凝土强度的关系曲线
利用超声波法检测混凝土强度一直以来存在较大争议,但这并不能代表超声波不能应用于混凝土强度的检测,如超声波检测在我国云南漫湾的应用就取得了良好的经济效率[5] 。目前关于超声波检测混凝土强度在国内已展开相应研究[6] 并取得了一定成果,但由于影响超声检测的诸多因素,单独用超声波检测混凝土强度的方法还未正式形成规程,目前已建立的测强曲线规范大多是基于超声回弹综合法[7] 。建立单独基于超声法检测混凝土强度的规范还有待进一步的研究。
4. 2 将超声法检测混凝土强度与混凝土缺陷结合
目前超声法检测已应用于混凝土工程的各个方面,主要有混凝土测强、混凝土裂缝深度检测、不密实区空洞检测、混凝土结合面质量检测、表面损伤层检测、灌注桩混凝土缺陷检测、钢管混凝土缺陷检测。检测中对混凝土测强与测缺陷是各自独立,分开进行的,这样不仅给检测工作增加了工作量,而且阻碍了超声法检测技术在混凝土工程中的广泛应用。超声法测强与超声法测缺陷二者紧密结合起来,将成为超声法检测技术在混凝土工程中应用的一个热点问题。
4. 3 超声成像检测技术
超声成像有直观易懂、检测精度高的特点,随着机械扫描成像技术的成熟,近几年我国超声成像检测技术有了飞速的发展。将计算机层析成像(Computerized Tomography ,简称CT) 技术应用于混凝土超声法检测,即为混凝土超声波层析成像检测方法。利用超声波CT 技术可以获得整个测区混凝土质量分布情况的直观图像。与常规声波检测相比,对混凝土内部缺陷的判断可做到定量化。超声波CT 将是超声波检测技术在混凝土无损检测领域的又一发展方向。
参考文献:
[1 ]程朝霞,徐银芳,王毅翔. 超声波法检测混凝土强度的发展[J] . 华中科技大学学报(城市科学版) ,2003 ,20 (4) :95298.
[2 ]吴新璇. 混凝土无损检测技术手册[M] . 北京:人民交通出版社,2003. 1.
[3 ]虎振宏. 利用超声波检测混凝土强度的研究[J ] . 平顶山师专学报,2002 ,17 (5) :59260.
[4 ]陈华艳. 超声波检测在钢纤维混凝土中的应用[D] . 武汉:华中科技大学硕士学位论文,2005.
[5 ]王国滢. 超声波检测技术在漫湾的应用[J ] . 云南水电技术,1996 (1) :41244.
[6 ]陈华艳. 不同龄期钢纤维混凝土超声测强的试验研究[J ] . 建筑技术,2007 (1) :58260.
[7 ]CECS 02∶2005 ,超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程[S].
[8 ]李金星,杨建超,唐德高. 超声波声学参数对混凝土缺陷敏感性试验分析[J] . 山西建筑,2006 ,32 (21) :71272.
