超声脉冲法测定混凝土强度

超声波仪在混凝土的检测中有着多项用途，已是水工建筑物检测中常用的仪器。以下对其工作原理、性能、使用、影响因素和由检测结果对混凝土确定的推定作较详细的介绍。

（一）基本原理

超声脉冲法是将混凝土视为匀质的弹性固体介质，由超声波在混凝土中的传播速度推断混凝土的强度。通过超声脉冲仪的发射换能器向结构发射、由接收换能器接收穿过混凝土后的脉冲信号，仪器显示超声脉冲穿过混凝土所用的时间、接收信号的波形、波幅等。根据超声脉冲穿越混凝土的时间和距离，即可计算声速。

超声波在混凝土内的传播速度是一个主要与混凝土的弹性模量、密度相关，并可用下式表示

式中：V 为超声波在混凝土内的传播速度；E 为混凝土的弹性模量；ρ为密度；μ为泊松比。

由上式知，如果测得超声波在混凝土中的传播速度，便可求得混凝土的弹性模量。由于混凝土的弹性模量、强度与声速具有良好的相关性，再由所得弹性模量与强度的关系可推得其强度。由另一角度看，声速与混凝土的密度（孔隙率）有关，混凝土的密度高（孔隙率小）则其强度高，传播速度快；反之，传播速度慢。

超声波在混凝土及其组分中的传播速度见表2-20。

表2-20　混凝土及其组分的声速值

（二）超声波仪的性能

以下仅介绍混凝土超声波仪必须具有的基本性能，仪器的操作要点及校验可参考文献［3］。

（1）声时显示范围应为0.5～9999μs，测读精度为0.1μs。

（2）应具有良好的稳定性，声时显示调节在20～30μs 时，两小时内声时显示的漂移应不大于±0.2μs，且不允许发生间隔的跳动显示。

（3）接收放大器频率响应范围应有足够的宽度，为扩大频响范围，宜分10～200kHz和200～500kHz两段。

（4）应具有示波屏显示及手动游标测读，显示应清晰稳定，若采用整形自动测读时，检测混凝土的测距不宜超过1m。

（5）应适用于温度-10～40 ℃，相对湿度不大于80%，电源电压波动在220V±10%的环境条件下能连续正常工作4h以上。

（6）可配用多种形式的换能器，换能器的频率一般选取50～100kHz，特殊用途时可适当降低或提高，换能器的实测频率与标称频率相差应不大于±10%。

（三）换能器的作用原理和频率选择

1.作用原理

具有压电效应的晶体和多晶陶瓷称为压电体。压电体片在拉力或压力作用下发生拉伸或压缩变形时，在受力的两表面上发生异号电荷，产生电位差，称为正压电效应。反之，在压电体片两表面上施加一电压，则压电体片在电场作用下，产生压缩或伸长变形，称为逆压电效应。换能器（又称探头）就是基于某些晶体或多晶陶瓷的压电效应而工作的。

发射换能器是将脉冲电压转换为机械振动，从而发射出超声波脉冲。当压电体片与具有声振动（超声波）的固体接触时，由于固体的振动，使压电体片受到交替的压缩和拉伸变形作用，而产生与声波相同频率的交变电压。接收换能器就是利用压电体的这一正压电效应将超声波脉冲转换为脉冲电压信号，从而接受超声脉冲的。

2.换能器的频率选择

混凝土超声波仪主要使用纵波换能器。对于一般结构构件通常采用平面换能器；对于深基、桩基等下部结构深孔探测时，则需使用径向换能器。

混凝土超声波仪换能器的频率可按表2-21 所列数选用。

（四）影响超声测强的主要因素

表2-21　换能器频率与测试距离的关系

1.水泥品种

水泥的品种不同，其基本矿物组成的比例及各矿物组分在各不同龄期对强度的贡献不同，但对声波传播速度的影响并不明显。不同品种水泥对混凝土的f —v 关系曲线的影响见图2-7。

图2-7　不同水泥品种对

f —v关系的影响（龄期28d）

2.水泥用量

水泥用量对混凝土f —v 关系有一定的影响，随着混凝土中水泥用量的增加，声速值的增长幅度要比强度增长幅度小得多。当水泥用量增加到400～550kg/m3，强度仍可继续增长，而声速值则不再增长或开始下降。

3.砂率

由于粗骨料的声速大于水泥石的声速，所以，同一强度的混凝土，砂率越小，粗骨料的含量越大，声速也越大。反之，砂率越大，声速越小。砂率对f —v 关系曲线的影响见图2-8。

4.粗骨料品种、最大粒径和用量

由于不同品种粗骨料的声速值不同（见表2 -20），用不同品种粗骨料配制的强度相同的混凝土的声速值也不同。

粗骨料最大粒径越大，混凝土中的声速值也越大，但混凝土的强度并不随最大粒径的增大而提高。粗骨料最大粒径对f —v关系的影响见图2-9。

图2-8　砂率对f —v关系的影响

图2-9　粗骨料最大粒径对f —v关系的影响

粗骨料用量增加，混凝土的声速值则增大，呈单向递增规律，见图2-10。而粗骨料用量增加，混凝土强度却根据水灰比和成型条件不同，有可能提高或下降。粗骨料用量对声速影响率比对强度的影响率要大得多。因此，粗骨料用量对f —v 关系的显著影响见图2-11。

5.含水率

一般情况下，混凝土的含水率（湿度）对声速和强度的影响是相反的，即当含水率加大时，声速增大而强度下降，因此含水率对混凝土超声测强的影响见图2-12。

图2-10　粗骨料用量对声速的影响

图2-11　粗骨料用量对f —v关系的影响

6.龄期

试验表明，在混凝土硬化的早期和低强度时，强度的增长小于声速的增长。在硬化后期和高强度时，强度增长大于声速的增长，见图2-13。在强度达到一定值后，声速增长极小，这时已难以准确地用声速推断强度值。所以，声速法不适用推断高强度混凝土的强度值。

7.混凝土中的钢筋

钢筋的声速值大于混凝土。在超声波传播路径及其附近有钢筋存在时，测出的声速值要偏大。钢筋对声速的影响与钢筋相对于测试方向、钢筋到发射换能器和接收换能器连线的距离、钢筋的数量和直径等因素有关。测定声速时应尽量避开钢筋，否则应按表2-22 和表2-23所列系数加以修正。

图2-12　含水率对f —v关系的影响

8.测试距离

测试距离与率定试件的尺寸（15cm）有差别时，将导致传播过程的衰减增大，测试距离越长，接收信号频率越低、波形起点越圆滑平缓，这时测得的声时偏大，计算的声速偏小。测试距离的影响可按表2-24 修正。(www.xing528.com)

图2-13　龄期对f —v关系的影响

表2-22　横向钢筋声速修正系数

注　1.横向钢筋为钢筋轴线垂直于声波传播方向的钢筋（图2-14）。
2.l0 为声波穿越钢筋的声程，l0=Σd，d 为钢筋直径。
3.l 为总声程。

表2-23　平行钢筋声速修正系数

注　1.平行钢筋为钢筋轴线平行于声波传播方向的钢筋（图2-15）。
2.VS 为钢筋声速值，与钢筋直径有关，见图2-16。
3.VC 为混凝土声速值。
4.D、l 为图2-15 所示距离。

表2-24　测距修正系数

注　表中结果系采用手动游标测读方式、等幅值方法试验所得。

（五）现场测试技术

1.声速测试方法

（1）对测法。对测法也称直穿对测法，是将发射、接收换能器分别置于结构构件的两个相对侧面上，并在垂直于浇筑面的同一法线上，让声脉冲穿越结构构件［图2-17（a）］。有条件时应优先采用这一方法。

图2-14　钢筋垂直于声波传播方向

图2-15　钢筋平行于声波传播方向

图2-17　声速测试方法

（a）对测法；（b）斜测法；（c）平测法

图2-16　钢筋直径与声速关系

（2）斜测法。当用对测法有困难时，可采用如图2-17（b）所示的斜向对测法。

（3）平测法。当两个换能器无法置于两个相对侧面上时，也可采用将两个换能器置于同一平面上的平测法，见图2-17（c）。

2.测区的数量和选取

测区的数量和选取与回弹法相同。但应预先用钢筋位置测定仪或根据施工图，确定钢筋和铁件的位置，以尽量避开钢筋，特别是与声通路平行的钢筋。测区表面应平整、清洁，否则，应将表面用砂轮打磨平整或用快硬水泥浆取最小厚度填平。量测时，应在换能器与结构构件表面之间加耦合剂（黄油、凡士林、水玻璃，滑石粉浆等），以减少声能反射损失。

3.声速量测和计算

如图2-18 所示，在每个测区的上、中、下取3～5 个测点，用对测法测得相应的声时值。测区平均声速按下式计算

式中：为测区平均声速值，m/s；V 为第i 个测点的声速值，m/s；li 为第i 个测点的声程值，m；ti 为第i 个测点的声时值，s；n 为测区的测点数，n = 3 ～5。

图2-18　测区测点布置

若测区内有钢筋时，应按表2-22 和表2-23 对Vi 进行修正。若测距（声程）较大时，还应按表2-24对Vi 进行修正。

（六）混凝土强度的推定

混凝土强度推定的一般原则同回弹法，其单个（逐个）推定法和抽样推定法的步骤如下。

1.测区混凝土强度值

根据修正后的测区实测平均声速值，查专用、地区或通用f —v 关系曲线，求得测区混凝土强度值（fi）。

2.结构混凝土强度平均值

式中为结构混凝土强度平均值，N/mm2；fi 为第i 个测区混凝土强度值，N/mm2；n 为测区数，对于单个（逐个）推定的构件，取一个构件的测区数；对于抽样推定的构件，取各抽检构件测区数之和。

3.结构混凝土强度条件值

（1）按GBJ204—83《钢筋混凝土工程施工验收规范》

式中：f1 为结构混凝土强度第一条件值，N/mm2；f2 为结构混凝土强度第二条件值，N/mm2；fi，min为混凝土强度的最小值，对于单个（逐个）推定的构件，取一个构件中测区混凝土强度的最小值；对于抽样推定的构件，取抽样构件中测区混凝土强度的最小值，N/mm2；K为合格判定系数，按表2-25取值；Sf 为结构混凝土强度标准差，按公式（2-30）计算，N/mm2。

式中：fi 为第i个测区混凝土强度值，N/mm2；n为测区数。

（2）按GBJ107—87《混凝土强度检验评定标准》

式中：λ1、λ2 均为合格判定系数，按表2-26取值。

表2-25　合格判定系数K 值

表2-26　合格判定系数λ1、λ2 值

4.混凝土强度推定值

单个结构构件混凝土强度推定值f，应取单个推定时f1、f2中的较小值。一批构件混凝土强度的推定值f，应取抽样推定时f1、f2 中的较小值。

5.混凝土强度的评定

当混凝土强度的推定值大于设计值或下一目标使用年限要达到的强度值时，结构混凝土的强度满足要求。