1 引言

混凝土是建筑工程中重要的施工材料， 在混凝土结构的质量控制中，强度属于重点指标。 通过应用无损检测技术，能在不损伤建筑结构的前提下获取抗压强度数据[1-2]，具体以应力波法颇具代表性，依托低频应力波的特点，可及时获取混凝土结构的质量数据，如内部缺陷、厚度等。 应力波法的应用细节多，需围绕此项方法做深入的探讨。

2 混凝土结构无损检测技术

近年来，无损检测技术不断发展，该技术已达到国际先进水平。 同时，随着我国检测技术规程的出台，为检测技术规范化提供了法律保障。 无损检测技术常用于验证和鉴定结构的设计与施工质量，检测其是否达到质量要求。 建筑工程混凝土结构的常用无损检测技术包括超声波检测技术、 红外线检测技术、冲击回波检测技术。

3 试验准备

3.1 原材料的准备及配合比设计

试验材料包含：42.5 级普通硅酸盐水泥；级配合格的破碎石灰石（粗骨料），表观密度2 680 kg/m3，最大粒径25 mm；级配合格的Ⅱ区河砂（细骨料），表观密度2 630 kg/m3，细度模数2.7；聚羧酸系减水剂。

混凝土强度等级为C30～C50，共4 个系列，针对各自进行配合比设计，如表1 所示。 系列A、B，按照胶凝材料总质量的0.3%取用减水剂；系列C：减水剂掺量、矿渣粉掺量分别取胶凝材料总质量的0.5%、20.7%；系列D：减水剂掺量取胶凝材料总质量的0.8%，矿渣粉掺量与系列C 一致。

表1 混凝土配合比

3.2 试件的制备方法

采用100 mm×100 mm×300 mm 的棱柱体试件和100 mm×100 mm×100 mm 的立方体试件，各强度等级均有前述2 种规格的试件，3 个一组，试验内容包含强度测试、超声波测试、冲击共振测试，获取各龄期的试验结果。 制作长1 200 mm、高1 200 mm、厚250 mm 的试验墙，高度方向按照自上而下的顺序划分为C30～C50 共4 个强度等级， 各自分别浇筑2 层，由此细分为4 个大层、8 个小层，每完成150 mm 小层的浇捣后，进行后一层的施工，最后针对成型的试验墙做冲击回波测试。严格按照配合比拌制混凝土、制作试件，与试验环境相同的室外环境中养护。

4 试验方法

4.1 强度测试

每3 个试件为一组，分龄期依次用TYA-2000E 型微机控制恒加载压力试验机进行试验，加载速度取0.5 MPa/s。

4.2 超声波测试

测试的基础参数为：采样率0.1 μs，采样字节1 K，脉冲宽度5 μs，脉冲电压250 V。 为测试适配HS-SB1W 型波速测试仪， 取凡士林均匀涂抹至纵波换能器和试件两面， 配套圆铁块，借助此装置提供足够的换能器压紧力，在外力作用下使换能器与试件密切耦合，以便测试的顺利进行。

4.3 冲击共振波测试

向试件的一端布设涂抹耦合剂的传感器， 用小锤敲击试件的另一端以产生纵向振动， 测试过程中传感器接收振动频率信号，经由Emodumeter 仪器针对采集到的信息进行分析和计算，最终获得被测试件的共振基频数据，此项数据与动态弹性模量Ed具备如下关系[3]：

Ed=DMn2（1）

D=4（L/bt） （2）

式中，D 为试件尺寸，m，M 为试件质量，kg；n 为纵向共振频率，Hz；L 为试件长度，m；b、t 分别为试件横截面的长、宽，m。

仅考虑一维均质弹性体，Ed和冲击波速VP的关系见式（3），其中ρ 为试件的表观密度，g/cm3。

Ed=Vp2ρ （3）

联立式（1）～式（3），则有：

Vp=2nL （4）

4.4 冲击回波测试

冲击回波测试采用的是带有弹性柔杆和传感接收器的小车及电脑， 其中小车的弹性柔杆属于产生机械冲击的重要工具， 小车的传感接收器则负责接收冲击期间在试件上产生的反射波信号，小车的两类装置共布设在同一检测面，信号处理和数据输出由电脑负责。 在各强度等级混凝土层的中间布设测点，各点间距控制在100 mm。

对接收到的发射波信号执行FFT 变换， 根据变化结果生成频域曲线，锁定此图形中的高峰值，此时的频率则为厚度频率。 具体计算方法，见式（5）：

式（5）、式（6）中，f 为厚度频率；Cpp为纵波通过板厚的速度；T为实心板厚；Cp为纵波的波速。

因此，若要确定纵波波速，需明确厚度的具体值，根据测定的厚度频率反推即可。

5 试验检测结果与分析

5.1 龄期对应力波波速的影响机制

图1 反映的是混凝土抗压强度与龄期的关系， 其涵盖本次试验检测采用的不同强度等级，分析发现，混凝土抗压强度随着龄期的增加而提高；在龄期一致的条件下，若混凝土的强度等级提高，则相应的抗压强度越高。 以28 d 龄期为例，各组的抗压强度为：A 组37.7 MPa、B 组39.7 MPa、C 组54.6 MPa、D 组61.0 MPa。 根据28d 龄期的抗压强度也能够明确：A、B、C、D 各组的混凝土强度等级逐步提高， 相应的抗压强度随之增加。

图1 混凝土抗压强度与龄期的关系

分析超声波波速、冲击共振波波速、冲击回波波速与龄期的关系发现，随着龄期的增加，3 种应力波波速逐步加大，对比分析波动程度，发现超声波的增长波动较为明显；在龄期一致的条件下，混凝土强度等级越高，则应力波波速提高，相比冲击共振波波速和冲击回波波速，混凝土的超声波波速更高。 混凝土龄期增加，固结状态越发良好，结构内部具有密实性，因此实测的抗压强度提高， 应力波在结构中的传播能够高速进行，全程所遇的干扰较少，表现出波速大的特点。

5.2 设计强度等级对相关关系的影响机制

在设计强度等级一致的前提下，混凝土抗压强度的增加将带来应力波波速的提高。 设计强度较低时，超声波波速和抗压强度的线性关系偏弱，相比之下更具线性关系的是冲击共振波波速和冲击回波波速；设计强度较高时，共振波波速、冲击回波波速两者与抗压强度的线性关系偏弱，超声波波速更强；冲击回波波速和冲击共振波波速与抗压强度呈现良好线性关系，在本次试验检测的4 种设计强度等级中均存在此特点。

设计强度较低，水灰比偏大，混凝土结构的内部缺乏密实性，对超声波传播产生干扰作用，与抗压强度增长虽然存在线性关系，但较为微弱；设计强度较高，由于水灰比偏低以及结构密实度较高，有利于超声波的传播，期间遇到的干扰有限，因此与抗压强度的增长呈明显的线性关系； 对于冲击共振波和冲击回波， 两者的共性在于均是由于机械振动所引起的应力波，单面检测可基于应力波的反射特性而实现，反射期间波的能量衰弱，波速随着传播的进行而降低，但值得肯定的是，其仍能够表征混凝土的抗压强度。

5.3 抗压强度与应力波的关系

混凝土抗压强度提高时，结构的密实度加大，应力波传播时的波速较大，呈明显的相关关系。 拟合抗压强度与各应力波波速的平均值有效数据，得到抗压强度分别与超声波波速、冲击共振波波速、冲击回波波速的拟合关系式，具体见式（7）～式（9），根据拟合关系式可以得知，抗压强度与3 种应力波波速均具有明显的线性相关性，R2均超过0.92，但此特点仅在混凝土结构强度在20～60 MPa 时适用。

fc=0.052 34v-179.045 95，R2=0.951 84 （7）

fc=0.054 35v-167.793 72，R2=0.922 （8）

fc=0.060 28v-186.342 34，R2=0.928 47 （9）式中，fc为混凝土抗压强度，MPa；v 为应力波波速，m/s；R 为材料系数。

6 结语

经前述分析，做如下总结：

1）随着混凝土龄期的增加，应力波波速加大；在龄期一致的前提下，应力波波速由于设计强度的增加而提高；在抗压强度一致的前提下， 冲击共振波波速和冲击回波波速仅存在微小的差距，经对比发现，两者均是超声波波速的0.9 倍左右。

2）从各类波波速与混凝土抗压强度的线性程度来看，具有冲击共振波和冲击回波较强而超声波波速较弱的特点，此关系与混凝土设计强度等级有关， 线性关系由于设计强度等级的降低而减弱，呈现出一定程度的非线性关系。

3）所述3 种波均可较好地表征混凝土的抗压强度，线性相关性良好，超声波、冲击共振波、冲击回波的相关系数分别为0.951 84、0.922、0.928 47。

4）设计强度等级的变化基本不会带来抗压强度与冲击回波波速线性关系的改变，同时检测不易受到钢筋的影响，可满足单面检测的要求。