應(yīng)力波評(píng)價(jià)混凝土質(zhì)量的影響因素分析

繆卓君

摘要：沖擊振動(dòng)回波法可以利用沖擊振動(dòng)所產(chǎn)生的應(yīng)力波在混凝土內(nèi)部傳播過程中遇到病害、缺陷及邊界時(shí)發(fā)生反射現(xiàn)象，分析傳感器接收回波的信號(hào)和特征，推算出混凝土構(gòu)件的厚度、強(qiáng)度等物理參數(shù)，進(jìn)而評(píng)價(jià)出混凝土的質(zhì)量。本研究基于混凝土中應(yīng)力波的傳播機(jī)理，對(duì)混凝土中應(yīng)力波傳播的主要影響因素進(jìn)行分析。分析指出影響混凝土強(qiáng)度等級(jí)的各類原材料，均對(duì)應(yīng)力波波速有一定影響，其中骨料類別對(duì)于應(yīng)力波波速的影響最大。此外，為提高沖擊振動(dòng)回波法評(píng)定混凝土質(zhì)量的精度，除降低人為因素的干擾，還可對(duì)測(cè)試面和鋼筋的影響采用等效模量的方法加以修正。

關(guān)鍵詞：混凝土;應(yīng)力波;無損檢測(cè);影響因素

中圖分類號(hào)：TU528文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

混凝土建筑物或構(gòu)筑物在服役期間因其所處環(huán)境和氣候條件的影響，常出現(xiàn)裂縫病害。裂縫的存在不可避免會(huì)影響結(jié)構(gòu)的耐久性，縮短使用壽命，甚至危及結(jié)構(gòu)安全[1-3]。為此，需要對(duì)混凝土建筑物的主要受力構(gòu)件進(jìn)行健康檢測(cè)。工程上大都通過無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)混凝土建筑物的外觀及強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而判斷出結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量和安全是否滿足相關(guān)技術(shù)要求[4]。

常見的混凝土無損檢測(cè)方法包括超聲波法、回彈法、鉆芯法和沖擊振動(dòng)回波法等。其中，沖擊振動(dòng)回波法是現(xiàn)階段應(yīng)用較為普遍的一種無損檢測(cè)技術(shù)[5-6]。沖擊振動(dòng)技術(shù)（簡(jiǎn)稱IE 技術(shù)），是美國(guó)和加拿大國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院聯(lián)合研制開發(fā)的一種新的應(yīng)力波法檢測(cè)技術(shù)。經(jīng)近20年的發(fā)展和完善，相繼開發(fā)出了檢測(cè)儀器（如圖1 所示）及相應(yīng)配套的應(yīng)用軟件[7-8]（如圖2 所示）。應(yīng)力波法檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于可單面測(cè)試，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，可獲得明確、直觀的反射信號(hào)，測(cè)區(qū)布置靈活，不需耦合劑，測(cè)試方便。

沖擊振動(dòng)回波儀因其彈性波頻率低，波長(zhǎng)長(zhǎng)，在結(jié)構(gòu)混凝土質(zhì)量檢測(cè)評(píng)定過程中效果較好，而得到普遍應(yīng)用。沖擊振動(dòng)回波儀通過在混凝土表面施加一個(gè)沖擊力，形成的振動(dòng)應(yīng)力波在混凝土內(nèi)進(jìn)行傳播，當(dāng)應(yīng)力波遇到介質(zhì)界面后產(chǎn)生反射。根據(jù)被測(cè)混凝土構(gòu)件的實(shí)際尺寸，可以得到應(yīng)力波在混凝土中的傳播速度。從而依據(jù)波的頻譜分析，可以判定出頻率值，最終評(píng)定出混凝土的強(qiáng)度[9]。由此可以看出，應(yīng)力波在混凝土中的傳播速度對(duì)評(píng)定混凝土強(qiáng)度起著決定性作用，為此，本論述主要研究分析混凝土中應(yīng)力波傳播的影響因素，以期提高沖擊振動(dòng)回波儀評(píng)定混凝土質(zhì)量的精度。

2 影響應(yīng)力波傳播的因素

應(yīng)力波評(píng)定混凝土建筑物的質(zhì)量主要依據(jù)的是混凝土的抗壓強(qiáng)度，為此可從影響混凝土強(qiáng)度因素入手考慮影響應(yīng)力波傳播的因素。本研究主要從混凝土原材料方面考慮，通過制備水泥組、粗骨料組、鋼筋混凝土組等不同類別標(biāo)準(zhǔn)試塊展開試驗(yàn)研究。試驗(yàn)過程中，將各組混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊至于墊塊上，除澆筑底面及其對(duì)應(yīng)頂面外，四個(gè)側(cè)面每個(gè)側(cè)面均布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，并以測(cè)試點(diǎn)為中心，在該點(diǎn)以等間距60 mm 為半徑選取四個(gè)點(diǎn)來測(cè)試應(yīng)力波的波速，并以所測(cè)應(yīng)力波速的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)試塊應(yīng)力波波速代表值Vp。通過 P 波波速與其強(qiáng)度函數(shù)曲線進(jìn)行轉(zhuǎn)換可計(jì)算出混凝土試件的抗壓強(qiáng)度，并將同組試塊側(cè)面放于壓力機(jī)間，以（6±4）kN/s 的速度均勻連續(xù)加壓直至試塊破壞，得出實(shí)測(cè)混凝土試件抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)。通過對(duì)比各組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和應(yīng)力波推算出的強(qiáng)度數(shù)據(jù)即可分析出各因素對(duì)應(yīng)力波傳播的影響。

1 檢測(cè)方法及原理

沖擊振動(dòng)回波法是利用沖擊錘在混凝土結(jié)構(gòu)物的表面進(jìn)行敲擊的激振方式，產(chǎn)成不同頻率特性的應(yīng)力波。該波主要包含壓縮波（P波），剪切波（S波）和瑞利波（R波）這三種形式。應(yīng)力波與地震波相同，P波穿透力最強(qiáng)，傳播速度最快，常作為檢測(cè)過程中的主要因素來評(píng)定混凝土質(zhì)量。波速V，、彈性模量E、泊松比v、質(zhì)量密度p的函數(shù)關(guān)系可用式（1）表示。

P波在傳播時(shí)遇到病害、缺陷及邊界時(shí)會(huì)出現(xiàn)反射現(xiàn)象，在沖擊點(diǎn)附近放置一個(gè)傳感器即可測(cè)試出該位置因多次反射的應(yīng)力波而引起的表面振動(dòng)響應(yīng)。響應(yīng)信號(hào)將以時(shí)間和位移的波形圖表現(xiàn)出來，依據(jù)傅里葉變化和快速傅立葉變換式原理，可將其生成頻譜圖。其中，傅里葉頻譜位移信號(hào)和頻率。的函數(shù)關(guān) （m）n系可用式（2）表示。通過分析傳感器所接收回波的信號(hào)和特征，即可推算混凝土構(gòu)件的質(zhì)量。

2 影響應(yīng)力波傳播的因素

應(yīng)力波評(píng)定混凝土建筑物的質(zhì)量主要依據(jù)的是混凝土的抗壓強(qiáng)度，為此可從影響混凝土強(qiáng)度因素入手考慮影響應(yīng)力波傳播的因素。本研究主要從混凝土原材料方面考慮，通過制備水泥組、粗骨料組、鋼筋混凝土組等不同類別標(biāo)準(zhǔn)試塊展開試驗(yàn)研究。試驗(yàn)過程中，將各組混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊至于墊塊上，除澆筑底面及其對(duì)應(yīng)頂面外，四個(gè)側(cè)面每個(gè)側(cè)面均布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，并以測(cè)試點(diǎn)為中心，在該點(diǎn)以等間距60mm為半徑選取四個(gè)點(diǎn)來測(cè)試應(yīng)力波的波速，并以所測(cè)應(yīng)力波速的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)試塊應(yīng)力波波速代表值Vp。通過P波波速與其強(qiáng)度函數(shù)曲線進(jìn)行轉(zhuǎn)換可計(jì)算出混凝土試件的抗壓強(qiáng)度，并將同組試塊側(cè)面放于壓力機(jī)間，以（6±4）kN/s的速度均勻連續(xù)加壓直至試塊破壞，得出實(shí)測(cè)混凝土試件抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)。通過對(duì)比各組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和應(yīng)力波推算出的強(qiáng)度數(shù)據(jù)即可分析出各因素對(duì)應(yīng)力波傳播的影響。

2.1 水泥的影響

試驗(yàn)研究表明水泥品種和用量不同，使得混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律不同，進(jìn)而對(duì)混凝土中應(yīng)力波速傳播造成影響。在配合比相同的混凝土中，水泥品種不同，導(dǎo)致混凝土在早期強(qiáng)度有所不同;水泥用量不同，早期強(qiáng)度也不同，用量大的早期強(qiáng)度相對(duì)偏高。但到后期品種不同的水泥混凝土的強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)基本是一致的，從而推斷出水泥品種對(duì)應(yīng)力波在混凝土中傳播的影響不是特別顯著。

2.2 粗骨料品種的影響

彈性波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，使得其測(cè)試的穩(wěn)定性方面較超聲波有很大的提高。根據(jù)學(xué)者的研究，當(dāng)彈性波的波長(zhǎng)大于混凝土中骨料直徑的10倍以上時(shí)，骨料顆粒對(duì)彈性波的散射影響將大大降低。骨料種類的不同，對(duì)應(yīng)力波速在混凝土中傳播產(chǎn)生很大的影響。而碎石和卵石是在配制混凝土過程中通常采用的兩種粗骨料。孫拴虎、唐先習(xí)[10]等人基于寒旱地區(qū)研究了混凝土的沖擊回波法的測(cè)強(qiáng)公式，其中碎石混凝土的測(cè)強(qiáng)公式為 fi =0.04935Vp5.10649，卵石混凝土的測(cè)強(qiáng)公式為 fi =0.0235Vp5.62665 。通過對(duì)比可以看出，應(yīng)力波在骨料自身中傳播不同，加上碎石和卵石的表面情況完全不同，兩者與混凝土的粘結(jié)情況也不同，在相同的配合比下，碎石的破碎面要多于卵石，與漿液容易形成包裹，可以保證混凝土的密實(shí)性，保證混凝土的強(qiáng)度，因而混凝土的強(qiáng)度較高。卵石因?yàn)楸砻婀饣辰Y(jié)力不如碎石，混凝土強(qiáng)度較低。但應(yīng)力波不能區(qū)分卵石和碎石的界面狀況。因此，在相同波速的情況下，推算出來的平均強(qiáng)度就有所不同，所以骨料的類型不同是影響應(yīng)力波在混凝土中傳播的重要因素。

2.3 測(cè)試面的影響

當(dāng)應(yīng)力波速測(cè)點(diǎn)布置在澆筑方向的側(cè)面時(shí)，因澆筑側(cè)表面平整光滑，對(duì)應(yīng)力波速影響不顯著。當(dāng)在構(gòu)件澆筑的表面或底面檢測(cè)時(shí)，由于會(huì)遇到澆筑表面或底面產(chǎn)生蜂窩麻面的情況，加之與側(cè)面相比砂漿和石子分布不均勻，且測(cè)區(qū)打磨不平，影響應(yīng)力波速傳播?；炷林谱鬟^程中混凝土底面和表面石子含量不均勻，也會(huì)影響應(yīng)力波速傳播。若以側(cè)面測(cè)量為準(zhǔn)，上表面或底面檢測(cè)時(shí)則需對(duì)波速進(jìn)行修正，從而可保證檢測(cè)的精度。

2.4 人為因素的影響

由于操作人員的不規(guī)范操作，出現(xiàn)操作錯(cuò)誤，導(dǎo)致試驗(yàn)時(shí)數(shù)據(jù)偏差大，不穩(wěn)定，或者檢測(cè)的數(shù)據(jù)無規(guī)律，誤差太大，影響試驗(yàn)結(jié)果，影響應(yīng)力波速傳播，并且不能輕易判斷檢測(cè)結(jié)果是否可用，必須通過大量試驗(yàn)來驗(yàn)證，所以操作前應(yīng)學(xué)習(xí)規(guī)范的操作儀器，學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識(shí)，并且保證沖擊回波儀器已校準(zhǔn)好，且處于良好維護(hù)狀態(tài)。操作人員科學(xué)合理的操作，把人為的影響因素降到最小。

2.5 鋼筋的影響

應(yīng)力波在混凝土中傳播時(shí)，遇到鋼筋會(huì)改變波速和傳播路徑。調(diào)查研究表明，對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的影響，在檢測(cè)中應(yīng)采用等效模量的方法加以修正。在強(qiáng)度等級(jí) C30的混凝土中改變1%的配筋率可以使波速提高大約1.02%。

3 影響測(cè)試精度的主要原因

3.1 傳播波速的確定

通常，在已知厚度的地方，利用單面?zhèn)鞑シ▽?duì)混凝土中的 P 波波速事先加以標(biāo)定。已知厚度 T 與 P 波波速、頻率值f 的函數(shù)關(guān)系，即 T =。但是，由于混凝土材質(zhì)不是十分均勻，特別是當(dāng)混凝土表層與內(nèi)部混凝土材質(zhì)差異較大時(shí)，原材料對(duì)波速的影響會(huì)更加明顯。

3.2 反射時(shí)間的確定

當(dāng)面積較大、構(gòu)件較薄時(shí)，采用重復(fù)反射法是一種有效的手段。隨著構(gòu)件度的增加，反射信號(hào)逐步變?nèi)酢⒂行Т螖?shù)逐漸減少。同時(shí)，激振信號(hào)與反射信號(hào)開始分離，使得分辨反射信號(hào)成為可能的同時(shí)，頻譜分析的精度有所降低。

3.3 周圍邊界的影響

當(dāng)構(gòu)件面積不大，或測(cè)試位置與邊界較近時(shí)，激振產(chǎn)生的彈性波在周圍邊界會(huì)反射。該反射波通常以表面波為主，對(duì)構(gòu)件中波速的測(cè)試也有不可忽略的影響。

4 結(jié)論

混凝土中應(yīng)力波的傳播受到水泥類別、粗骨料品種、鋼筋、測(cè)試面、人為因素等多方面的影響。其中，骨料與其他因素相比對(duì)應(yīng)力波傳播產(chǎn)生的影響較大。此外，檢測(cè)時(shí)需選擇最佳的方法，并認(rèn)真分析影響因素，減少人為干擾。要求檢測(cè)人員具有一定的專業(yè)技術(shù)水平，嚴(yán)格按流程操作。在進(jìn)行數(shù)據(jù)整理時(shí)，對(duì)于一些偏差太大的數(shù)據(jù)，應(yīng)采取舍棄的處理方法。分析出現(xiàn)這種大偏差情況的原因，檢測(cè)時(shí)及時(shí)修正，以期保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的科學(xué)合理性。應(yīng)力波法檢測(cè)技術(shù)可以使混凝土構(gòu)件保持原有的完整性。本研究通過對(duì)應(yīng)力波在混凝土中傳播的影響因素初步分析，可為應(yīng)力波法更精確地檢測(cè)混凝土強(qiáng)度起到一定的參考和指導(dǎo)作用。

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