超聲波法檢測混凝土工作應(yīng)力狀態(tài)試驗研究

陳亮

(南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京211188)

在當(dāng)前建筑工程項目中使混凝土材料構(gòu)件出現(xiàn)破壞的因素有很多,通常情況下出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞最主要的原因是:混凝土結(jié)構(gòu)承受應(yīng)力遠超出混凝土材料的最大強度。超聲波檢測方法是當(dāng)前檢測項目中較為先進的技術(shù),超聲波檢測法屬于無損檢測技術(shù),且儀器輕便,在工程項目中使用較為便捷,所以在工程研究中得到廣泛應(yīng)用。

1 試驗概況

1.1 測試設(shè)備

針對混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用超聲波檢測法,將通過微機控制電液伺服壓力試驗機對混凝土材料的結(jié)構(gòu)破壞情況進行檢驗,試驗力控制在80kN-2000kN之間；針對混凝土材料及相關(guān)非金屬材料的超聲波檢測分析儀是0.4 μs的采樣周期,傳感器是50kHz。

1.2 測試塊

由于建筑工程中混凝土材料的應(yīng)力與強度有所差異,因此,將分別對應(yīng)強度等級的混凝土材料試樣展開超聲波檢測,試樣以C25、C30、C35和C40進行代替。同時,參照《通用混凝土配合比設(shè)計規(guī)則》進行評價與判斷。為了研究固化時間對測試結(jié)果的影響,將強度等級與使用壽命一直的混凝土試樣組成一組。分別將每組試樣進行150mm×150mm×150mm尺寸的制備,并結(jié)合測試壽命的指標(biāo),在標(biāo)準(zhǔn)固化條件下,對28d、60d和90d混凝土試樣進行固化,根據(jù)棱柱混凝土試樣的強度,制備出尺寸為50mm×150mm×300mm的砌塊。

1.3 試驗方法

在超聲波檢測過程中,使用凡士林作為潤滑劑涂抹在立方體和棱柱的上下兩端,這是為了減少試樣兩端的摩擦阻力對混凝土內(nèi)部損傷的影響。超聲平面換能器對稱地放置在垂直于加載方向的樣本中間。通過分級加載的方法,在各級載荷過程中的保壓時間不小于10min的前提下對混凝土試塊進行了載荷超聲檢測試驗,然后進行超聲檢測和數(shù)據(jù)采集[1]。

1.4 超聲波檢測原理

當(dāng)超聲波的振動傳播擴展在混凝土材料中后,它傳出的信號將被換能器接收。最終傳回的信號能夠表現(xiàn)出混凝土材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況,通過最終獲取的信號內(nèi)容來判斷混凝土實際需要解決的問題,并以此為目標(biāo),對混凝土檢測信息進行定量分析,獲得混凝土材料的強度等級、損傷情況、缺陷指標(biāo)等數(shù)據(jù)。混凝土損傷程度與強度等級的主要判斷依據(jù)是超聲波檢測中的幅值與聲速。如果混凝土材料中沒有損傷,則超聲波探頭檢測出的聲速值基本一致。

2 混凝土結(jié)構(gòu)工作應(yīng)力與超聲波波速之間的關(guān)系

2.1 強度一致條件下不同壽命混凝土試塊的超聲波速度變化趨勢

不同強度等級的混凝土立方體試塊的超聲波速度相差較大,固化時間分別為28d、60d和90d。強度一致、使用壽命不一致的混凝土材料試樣的原始波速數(shù)值從整體上看,未出現(xiàn)較大差異,且當(dāng)混凝土材料試樣壽命有所增加后,原始的波速數(shù)值也出現(xiàn)同步增長；當(dāng)混凝土材料應(yīng)力水平一致時,除60天壽命的C30混凝土外,波速隨年齡增加。當(dāng)C25混凝土的養(yǎng)護年齡為28d和60d時,在相同應(yīng)力下的波速比在90d養(yǎng)護下的波速降低更多,應(yīng)力越大,波速越大。通過檢測得出:波速對C30、C35和C40混凝土材料的壽命影響較小,由此可得,當(dāng)混凝土材料構(gòu)件具備較高的強度等級,且超聲波所檢測出的波速比強度數(shù)值較小的情況下,混凝土構(gòu)件使用周期越長,穩(wěn)固性越高。

2.2 強度等級不同的混凝土試樣超聲波速度變化趨勢

對比不同固化條件下C25、C30、C35和C40測試塊的超聲波所檢測出的波速值會根據(jù)應(yīng)力水平的變化而產(chǎn)生同步變化,基于這一理論可以得出:當(dāng)混凝土材料構(gòu)件使用壽命基本一樣的情況下,強度不同的混凝土試樣所呈現(xiàn)出的原始波速并無太大差異。當(dāng)應(yīng)力水平降低后,強度不同的混凝土試樣之間的波速差異較?。划?dāng)應(yīng)力水平不斷加大后,強度與波速值呈正比。使用周期持續(xù)增加,強度不高的C25和C30混凝土試樣的波速差異較小,強度較高的C35和C40混凝土試樣波速差異較小[2]。

2.3 尺寸不同情況下混凝土試樣超聲波速度變化趨勢

將C25、C30、C35、C40立方體與90d棱柱體試樣進行超聲波波速檢測,通過檢測可以得出:對以上各個強度的混凝土試樣所產(chǎn)生的超聲波波速與應(yīng)力水平進行比較,發(fā)現(xiàn)與立方體混凝土結(jié)構(gòu)相比,棱柱體混凝土測試塊則顯的更為穩(wěn)定,這是因為棱鏡的中心部分受到的影響較小。通過分析得出,當(dāng)棱柱形試樣的應(yīng)力水平比其實際破壞應(yīng)力縮減20%時,超聲波檢測出此時的波速和原始波速基本相同。當(dāng)應(yīng)力水平比實際破壞應(yīng)力增加70%時,波速數(shù)值將受到破壞應(yīng)力水平增加的影響而產(chǎn)生加速降低的現(xiàn)象,當(dāng)混凝土試樣實際破壞應(yīng)力在20%-70%之間時,超聲波波速將根據(jù)應(yīng)力水平的增加而逐步降低。

3 應(yīng)力水平與超聲波振幅關(guān)系

通過對比固化時間分別為28d、60d和90d的立方塊的工作應(yīng)力和超聲幅度的變化與棱柱體混凝土構(gòu)件90d的工作應(yīng)力與超聲波幅值的變化關(guān)系。從檢測結(jié)果中得出,三種不同固化年齡的立方塊和具有90d固化年齡的棱柱形試樣的應(yīng)力和超聲幅值的規(guī)律性非常差。特別是具有60d或更長固化年齡的,無論是立方塊和棱柱形試樣,一樣的振幅數(shù)值可能會同時對應(yīng)于多個水平高低不一致的應(yīng)力。根據(jù)實驗結(jié)果,本文指出了超聲波幅值的靈敏度非常高、但卻不穩(wěn)定的特征。通過對60d及90d混凝土結(jié)構(gòu)試樣的試驗可以看出,不宜用幅值來檢測和評價混凝土的工作應(yīng)力,因為超聲波幅值與混凝土應(yīng)力對應(yīng)關(guān)系太過不規(guī)律[3]。

4 超聲波檢測對混凝土材料構(gòu)件應(yīng)力水平的影響分析

超聲波檢測的主要目的在于為判斷混凝土材料與結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)力水平提供檢測數(shù)據(jù)?；谏鲜鲫P(guān)于超聲波檢測的分析,由于超聲波的振幅與混凝土應(yīng)力水平之間不具備較強的規(guī)則性,因此不適合用作測試指標(biāo)。在超聲波測試實驗中,由于相關(guān)實驗設(shè)備與儀器并不支持對混凝土材料的檢測,所以通常會通過差異化主頻率換能器對混凝土材料的構(gòu)件進行重復(fù)性檢測。同時,由于主頻率對裂縫的觀察不敏感,所以有一定幾率出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。因此,本文僅以超聲波速度為檢測指標(biāo),以90d棱柱形試樣的超聲波檢測數(shù)據(jù)為主要研究出發(fā)點,整理并明確混凝土材料構(gòu)件的自體應(yīng)力水平與波速之間的關(guān)系。用于進行測試以獲得近似初始波速,其中vo的分量或結(jié)構(gòu)。設(shè)被檢部位的超聲波速度為v,相對波速系數(shù)為dv,混凝土應(yīng)力損傷系數(shù)為dσ。這兩個系數(shù)的表達式如下:

其中,σ代表構(gòu)件檢測點應(yīng)力水平；σu代表被檢測的混凝土構(gòu)件的最大破壞應(yīng)力水平。在混凝土應(yīng)力水平測試中,采用以下兩種方式對混凝土構(gòu)件實際應(yīng)力進行評價與估測,找出其實際受壓面積。

4.1 工作應(yīng)力階段法

如圖1所示,參照混凝土材料構(gòu)件的超聲波檢測數(shù)據(jù),可以將混凝土試樣的應(yīng)力水平與超聲波速度之間的關(guān)系分為三個階段。

圖1 混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力損傷系數(shù)與波速系數(shù)關(guān)系

4.2 混凝土應(yīng)力水平與波速擬合方法

結(jié)合90d棱柱體混凝土試樣的檢測數(shù)據(jù),將各個強度的混凝土應(yīng)力水平與波速關(guān)系公式進行擬合,公式如(3)所示。

其中,σ 是混凝土構(gòu)件檢測部位的工作應(yīng)力,N/mm2；%V是超聲波速度,km/s；vo代表初始超聲波速度,本文取5km/s；σu代表混凝土的極限破壞應(yīng)力,N/mm2；A1為應(yīng)力衰減參數(shù)；%t1是系數(shù)?；炷晾庵w的試樣系數(shù)如表1所示。

表1 混凝土棱柱體試樣數(shù)值

在混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平超聲波檢測中,可以通過公式(3)進行實際強度的計算[4]。

5 結(jié)論

綜上所述,結(jié)合混凝土材料建筑結(jié)構(gòu)的強度等級差異與應(yīng)力水平差異,可以得出:強度較高的混凝土材料建筑結(jié)構(gòu)在超聲波檢測中的波速數(shù)值要比強度較低的混凝土材料建筑結(jié)構(gòu)具備更高的穩(wěn)定性,且基于棱柱體試樣受兩端壓縮面的摩擦影響較低的優(yōu)質(zhì)特征,棱柱體混凝土試樣與立方體試樣相比,具備更強的穩(wěn)定性與強度。同時,需要注意的是,超聲波振幅與混凝土應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系不規(guī)則,因此無法使用幅值對混凝土工作贏了檢測與評估。