结构混凝土强度的超声脉冲法检测

1、结构混凝土强度的超声脉冲法检测吴慧敏概 述一、超声法检测混凝土强度的依据混凝土材料是弹粘塑性的复合体，合组分的比例变化、制造工艺条件不同，以及硬化混凝土结构随机性等，十分错综复杂地影响了凝聚体的性质，采用一种普通的数学模型，严密定量地描述结构混凝土强度是比较困难的。工程上，为了解燃眉之急，国内外专业人员都十分注重检测和评价结构混凝土的性能，超声波检测结构混凝土的强度便是内容之一。超声波检测混凝土的强度基本的依据是超声波传播速度与混凝土的弹性性质的密切关系。超声声速与固体介质的弹性模量之间的数学关系在第三章中已列出，在实际检测中，超声声速又通过混凝土弹性模量与其力学强度的内在联系，与混凝土抗压强度建立相关关系以推定混凝土的强度。超声测强以混凝土立方试块28天龄期抗压强度为基准，大体是把这种混凝土当做弹性体看待，而原材料品种规格、配合比、施工工艺等影响着超声检测参数，所以采用预先校正方法建立超声测强的经验公式。国内外采用统计方法建立专用曲线或数学表达式有如下几种：前苏联、捷克和前民主德国采用： 荷兰、罗马尼亚采用： 法国采用，该公式与前苏联采用的相似（v2Ed）。波兰采用。国内，v相关曲线

2、基本采用：和两种非线性的数学表达式。式中 动力弹性模量；Q、A、B、C经验系数。可见，国内外实际应用的经验公式，采用超声声速参量便是突出了超声弹性波我与混凝土弹性模量及强度的相关性。二、超声法检测混凝土强度的技术途径混凝土超声测强曲线因原材料的品种规格和含量、配合比和工艺条件的不同而有不同的试验结果，因此，建立按常用的原材料品种规格、不同的技术条件和测强范围进行试验，大量的试验数据经适当的数学拟合和效果分析，建立超声声速v1与混凝土抗压强度的相关关系，取参量的相关性好、统计误差小的曲线作为基准校正曲线；并经验证试验，测强误差小的经验公式作为超声测强之用。超声测强有专用校正曲线、地区曲线和统一曲线，校正曲线和地区曲线在试验设计中一般均考虑了影响因素，而校正试验的技术条件与工程检测的技术条件基本相同，曲线的使用，一般不要特殊的修正，因此，建议你使用。在没有专用或地区测强曲线的情况下，如果应用统一的曲线，则需要，按不同的技术条件提出修正系数，使推算结构混凝土的精度控制在许可的范围内。这些修正系数也可根据各种不同的影响因素分项建立，以扩大适用范围。由于超声法测强精度受许多因素的影响，测强曲线的

3、适应范围受到较大限制。为了消除影响，扩大测强曲线的适应性，除了采用修正系数法外还可采用混泥净浆声速换算法和水混砂浆声速换算法，基本方法是把混凝土声速换算成砂浆或水泥净浆声速，再由较匀质的砂浆或是水泥净浆声速与混凝土强度建立相关关系，以便消除骨料的影响，扩大所建立的相关关系的适用范围，并提高测强精度。三、混凝土超声法测强的物点与技术稳定性（一）超声法的特点（1）检测过程无损于材料、结构的组织和使用性能；（2）直接在构筑物上检测试验并推定其实际的强度；（3）重复或复核检测方便，重复性良好；（4）超声法具有检测混凝土质地均匀性的功能，有利于测强测缺的结合，保证检测混凝土强度建立在无缺陷、均匀的基础上合理地评定混凝土的强度；（5）超声法采用单一声速参数推定混凝土强度。当有关影响因素控制不严时，精度不如多因素综合法，超声法仍有其特殊的适应性。（二）技术稳定性混凝土超声测强技术稳定性是一个综合性的技术指标。为了保证技术稳定性，除继续深入开展技术完善和评价方法的研究之外，就广泛研究证实和工程检测的经验，归纳起来有如下方面需加以控制：（1）理解超声仪器设备的工作原理，熟悉仪器设备的操作规程和使用方法；

4、（2）正确掌握超声声速测量技术和精度误差的分析；（3）建立校正曲线务必精确，技术条件和状况尽可能与实际检测的接近；（4）从混凝土材质组分和组织构造上理解影响超声声速及测量的原因，并在实测中加以排除或作必要的修正；（5）研究和确定超声检测“坏值”（指混凝土缺陷的指标）区别处理方法，以保证在混凝土材质均匀基础上推定强度值。超声法检测混凝土强度的主要影响因素超声法检测混凝土强度，主要是通过测量在测距内超声传播的平均声速推定混凝土的强度。可见，“测强”精度评价与超声声速读取值的准确与否是密切相关的，换句话说，正确运用超声声速推定混凝土强度和评价混凝土质量，从事检测工作的技术人员必须熟悉影响声速测量的因素，在检测中自觉地排除这些影响。超声声速可能受到混凝土性能无关的某些因素的影响，且不可避免地要受到混凝土材料组分与结构状况差异的因素的影响。根据国内外科学研究和实际检测的经验总结，这些影响大致归纳如下诸方面：一、横向尺寸效应关于试件横向尺寸的影响，在测量声速时必须注意。通常，纵波速度是指在无限大介质中测得，随着试件横向尺寸减小，纵波速度可能向杆、板的声速或表面波速度转变，即声速比无限大介质中纵波声

5、速要小。图4-1表示在不同横向尺寸的试件上测得声速的变化情况。当横向最小尺寸d2（为波长）时，传播速度与大块体中纵波速度值相当（图4-1中区）。当2时，可使传播速度降低2.53%（见区）。当0.2d时，传播速度变化较大，约降低67%，在这个区间（区）里测量时，估计强度的误差可能达3040%，这是不允许的。区为d2这是属于波在杆件中的传播。Jones等对不同测距、最小断面尺寸和探头固有频率的选择参见表4-1不同测距最小断面尺寸和探头固有频率的选择 表4-1 二、温度和湿度的影响混凝土处于环境温度为530情况下，因温度升高引起的速度减小值不大；当环境温度在4060范围内，脉冲速度值约降低5%，这可能是由于混凝土内部的微裂缝增多所致。温度在0以下时，由于混凝土中的自由水结冰，使脉冲速度增加（自由水的v=1.45km/s，冰的v=3.50km/s）。当混凝土测试时的温度处于表4-2所列的范围内时，可以允许修正；如果混凝土遭到受过冰融循环下的冰结，则不允许修正。超声波传播速度的温度修正值 表4-2混凝土的抗压强度随其含水率的增加而降低，而超声波传播速度v随孔隙被水填满而逐渐增高。饱水混凝土的含水

6、率增高4%，传播速度v相应增大6%。速度的变化特性取决于混凝土的结构，随着混凝土孔隙率的增大，干混凝土比空气中养护的混凝土具有更高的超声传播速度。水下养护混凝土的强度最大，其传播速度高达4.06km/s；而相同强度但暴露在空气里养护的混凝土的传播速度约4.10km/s。湿度对超声波传播速度的影响可以解释为：（1）水中养护的混凝土具有较高的水化度并形成大量的水化产物，超声波传播速度对此产物的反映大于空气中硬化的混凝土；（2）水中养护的混凝土，水分渗透并填充了混凝土的孔隙，由于超声在水里传播速度为1.45km/s，在空气中仅0.34km/s，因此，水中养护的混凝土具有比在空气中养护的混凝土大得多的超声波传播速度，甚至掩盖了混凝土强度增长而提高的声速的影响。三、结构混凝土中钢筋的影响与修正钢筋中超声传播速度比普通混凝土的高1.2倍1.9倍。因此测量钢筋混凝土的声速，在超声波通过的路径上存在钢筋，测读的“声时”可能是部分或全部通过钢筋的传播“声时”，使混凝土声速计算偏高，这在推算混凝土的实际强度时可能出现较大的偏差。钢筋的影响分两种情况：一是钢筋配置的轴向垂直于超声传播方向；二是钢筋轴向平行于

7、超声传播的方向。对第一种情况，在一般配筋的钢筋混凝土构件中，钢筋断面所占整个声通路径的比例较小，所以影响较小（对于高标号混凝土影响更小）。钢筋轴向平行超声传播的方向，在作超声“声时”测量时，可能影响较大，应设法加以避免或修正。钢筋轴向垂直和平行于超声传播方向的布置对超声声速的影响分述如下：（一）钢筋的轴线垂直于是超声传播的方向图4-2表示钢筋的轴线垂直于声通路。当超声波完全经过钢筋的每个直径时，仪器测量的超声脉冲传播时间t用下式表示：式中 L两探头间的距离； Ls钢筋直径的总和（=di）；vc、vs分别为混凝土、钢筋中的超声传播的速度。用t=L/v 代入上式v钢筋混凝土中实测的超声波传播速度：则得： （4-1）为了找出混凝土中实际的传播速度vs，需要对测得速度v乘以某个系数，这个系数取决于脉冲穿过钢筋所经的路程与总路程之比Ls /L及测得的速度，以及测得的速度与钢筋中传播速度之比v/vs。此系列于表4-3，实际上，校正系数vc /v稍大于表4-3中所列的值，因为发射-接收的路径与钢筋的分布线不同完全重合，即实际通过钢筋的距离LS。修正系数还可根据图4-3曲线查出，对实测的传播速度v进行

8、修正。例如LS /L为0.2，并且认为混凝土质量是差的，则混凝土中钢筋影响vs /v的修正系数为0.9，这样，测得的脉冲速度乘以0.9就得出素混凝土的脉冲速度。钢筋影响的修正值（钢筋垂直于超声传播方向） 表 4-3（二）钢筋轴线平行于超声传播方向图4-4为超声传播与钢筋轴线平行，且探头靠近钢筋轴线的情况。超声传播从发射探头A发出，先经AB在混凝土中传播，然后沿钢筋BC段传播，再经CD段在混凝土中传播而到达接收探头D。设：v c为混凝土的声速；vs为钢筋的声速；l为两探头间距离；a为探头与钢筋轴线的距离。则超声波在混凝土中的传播时间为：超声波在钢筋中的传播时间为：总的传播时间： (4-2)欲求超声波到达接收探头的最短时间，即求t的最小值，需对x求导并令其为零，即：得：, 经整理后得 (只取正值)将x代入（4-2）式，得最短传播时间： (4-3)理论上要避免混凝土中传播受钢筋的影响，根据（4-3）式得到混凝土的真正声速为：vc=2avs/4a2+(vst-l)2令：t1=l/vc为超声波直接在混凝土中传播所需要的时间。则为经由钢筋折线的传播时间。欲避免钢筋的影响,应使t1=t2，即 整理后

9、得： (4-4)即当探头距离钢筋大于之后，由于经由钢筋传播的信号落在直接由混凝土中传播的信号之后，于是钢筋的存在就不会影响混凝土声速的测量，一般当超声测量线离开钢筋轴线约1/81/6测距时，就可以避免钢筋的影响。素混凝土中的传播速度v0根据图4-5曲线中查出修正系数，对实测的超声传播速度v加以修正。例如钢筋混凝土中的a/L值为0.1，并认为混凝土地一般的，那么混凝土中钢筋影响的修正系数vc/v为0.80，最后将测得的脉冲速度乘以0.80，即为素混凝土的脉冲速度。四、粗骨料品种、粒径和含量的影响每立方米混凝土中骨料用量的变化、颗粒组成的改变对混凝土强度的影响要比水灰比、水泥用量及标号的影响小得多，但是，粗骨料的数量、品种及颗粒组成对超声波传播速度的影响却十分显著，甚至稍微增加一些碎石的用量或采用较高弹性模量的骨料，第三性最强的是超声脉冲的声速。比较水泥石、砂浆和混凝土三种试体的超声检测，在强度值相同的情况下，混凝土的超声脉冲声速最高，砂浆次之，水泥石最低。差异的原因主要是超声脉冲在骨料中传播的速度比混凝土中传播速度快。声通路上粗骨料多，声速则高；反之，通路上粗骨料少，声速则低。（一）粗骨料品种不同的影响表4-4为不同品种粗料的声速值。由于骨料的声速比混凝土中其它组分的声速要高的多，它在混凝土中所点比例又高达75%左右。因此，骨料声速对混凝土总声速度具有决定性的影响。不同品种粗骨料的声速值 表4-

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