超声波在水泥混凝土结构强度检测中的应用

2018-05-28

中国公路 2018年9期

超声波检测技术是近年来逐渐兴起的一种非破损检测方法，由于其不受构件几何尺寸大小的影响，检测速度较快且检测结果准确，该技术在水泥混凝土结构强度检测中得到广泛应用。本文针对超声波检测技术，详细总结超声波检测的技术特点及应用范围，深入分析超声波检测技术的工作原理与检测方法，探讨超声波检测强度的影响因素，最后结合工程实践，通过采用钻芯取样法与超声波法对路段抗压强度指标进行检测，确定超声波检测技术检测准确度，结果表明，两种不同检测方法所得检测结果相差不大，但超声波检测方法准确度良好。

超声波检测特点

超声波检测技术是一种非破损检测方法，可以直接对水泥混凝土进行检测，并较为真实地反应水泥混凝土结构内部特征，另一方面，超声波技术还具有检测水泥混凝土内部空洞、冻胀、化学腐蚀等病害的功能。在这种条件下，按照常规方法测定的水泥混凝土结构强度并不能够反映其整体强度，因为结构内部隐患必定会对混凝土整体结构产生影响，而超声波技术可以检测评定混凝土内部隐患区情况，其检测范围更深，检测结果具有代表性。

超声波技术应用范围

当施工过程管理不当或者出现某些意外事故，导致水泥混凝土出现质量损伤，或在试验室制作水泥混凝土试件时，取样、养护方法不对，试件各项强度指标不能够满足规范要求时，可采用超声波检测技术对试件或者施工完成后的水泥混凝土结构进行检测。

当需要了解水泥混凝土的强度增长情况，为试件的脱模等提供数据基础时，或者在出厂、吊装、预应力张拉水泥混凝土结构，需要了解荷载对混凝土的强度要求时，可以通过采用超声波技术，持续性监测推定水泥混凝土的结构强度，为水泥混凝土的施工提供相应指导。

当已建水泥混凝土构造物需要维修、加固及改建时，可以应用无损超声波检测技术，对构造物内部结构情况进行检测，为水泥混凝土和构造物的重新设计提供数据依据。

对于某些需要长期跟踪管理的重要混凝土构造物，需要通过无损超声波技术推定其结构强度，以便判断构造物是否处于安全状态。

超声波检测原理及测试方法

超声波检测原理

超声波检测原理主要是基于超声波在混凝土中的传播参数（声速、衰减系数等）与强度之间关系，实质上是超声波的高频振动在水泥混凝土构造物内部传播时，混凝土的每个微区上都产生拉压（纵波）或剪切（横波）等应力应变过程。水泥混凝土强度参数复杂，该参数值受到多种因素影响，建立混凝土强度和超声波传播特性之间的关系较为困难，当前超声波检测混凝土强度还只能建立在经验归纳上，主要是通过试验建立强度与声速的关系曲线，作为其基本换算依据。

超声波检测方法

超声波技术对于水泥混凝土强度的检测，主要是通过超声波检测仪来完成，混凝土超声波检测仪是一种集超声波脉冲发射器、超声波接收器及信号转换处理于一体的装置，在对水泥混凝土进行检测时，首先由超声波检测仪的信号发射器发射超声波脉冲，使其穿过待测混凝土构造物，然后再由超声波接收器将超声波脉冲信号接收，并传输、存储到信息处理器中。此时，仪器经过相应处理，显示出超声脉冲穿越混凝土所用时间，接收信号的波形、波幅等，通过计算分析显示信息，最终得到接收信号的频谱信息。

超声波检测强度影响因素

原材料及配合比影响

由于超声波在不同原材料中的传播速度不同，而不同的配合比也会导致波速的变化，因此原材料及配合比对超声波检测的结果有较大影响。对于水泥混凝土，由于不同品种水泥的水化时间不同，在不同的时间段内，水泥混凝土的内部结构组成也必然不同，因此在使用超声波技术检测早龄期混凝土强度时，应考虑水泥品种的影响；另一方面，由于水泥混凝土配合比不同，若混凝土内部大粒径集料较多，单位体积混凝土中骨料所占声程增加，声速随之增大。同时，不同的配合比下混凝土内部空隙率不同，空隙率的大小也会对混凝土强度检测结果产生影响。

外部条件影响

影响超声波检测的外部条件因素主要有龄期、养护方法、温度及含水率。随着水泥混凝土中水泥龄期的增加，超声波速度值增长速度小于混凝土强度的增加，导致超声波检测结果变化；针对混凝土养护方法，由于水中的混凝土水化更加充分，水中混凝土水化产物会将混凝土毛细孔填充，改善混凝土内部孔结构，使超声波传播速度加快；另外，温度与湿度的变化，也会导致超声波传播速度的变化，影响超声波检测准确性。

其他条件

若水泥混凝土中掺入钢筋，由于超声波在钢筋介质中的传播速度明显大于水泥混凝土，因此使用超声波检测技术对配筋水泥混凝土检测时，其结果往往比正常值偏大，需要设置相关修正系数，对计算所得结果进行修正处理。

工程实践

工程概况

检测路段位于某县二级公路K0+200至K8+210处，长8.1km，路基宽度为12m，路面宽度为9m，该路段为新建水泥混凝土路面，真空吸水施工工艺。为检测施工后路面的抗压性能，同时验证超声波检测技术准确性，分别采用钻芯取样法与超声波检测法对路面进行强度检测。

超声波声速与混凝土强度的关系曲线

按施工时所采用的原材料进行不同标号抗压试件检测，抗压强度检测结果如表1所示。

本文根据表1所示数据，研究混凝土试件超声波波速与抗压强度之间相关性，并采用不同函数方程对相关性进行拟合，通过计算分析选取相对误差、相对标准差及相关系数，选取相对误差与相对标准差较小的函数方程作为本试验研究材料相关性较好的最优回归方程。本文采用以下三种函数形式进行拟合：线性函数方程=A+BV；幂函数方程=AVB；指数函数方程。其中：为测定区域混凝土推算强度，V为试件测定区域平均声速值，A、B、C为常数项。根据表1所示试验数据拟合回归方程如下所示：线性函数方程：fccu=0.0573v1222.66；幂函数函数方程：fccu=4E129v8.2075；指数函数方程：fccu=0.0083e0.0019v。

根据回归方程计算相对标准差与相关系数见表2。

由表2可知超声波法所拟合的三种函数公式，其相对标准差与相关系数指标均差别不大，其中幂函数所拟合的回归方程相关系数最大，故本文采用线性回归方程应用于实际工程中测定水泥混凝土构件强度。