混凝土强度检测方法：超声波法

超声波法属无损检测技术,它既可以检测混凝土的强度,又可以检测混凝土裂缝、混凝土均匀性、混凝土结合面质量、混凝土中不密实区和空洞、混凝土破坏层厚度和混凝土弹性参数等,是一种极具生命力的检测方法。

(一)检测原理及特点

超声波法就是利用超声波的传播特性来评定混凝土的抗压强度。

1.原理

超声波检测原理:在混凝土中传播的超声波,其速度和频率与混凝土的弹性模量和密实度有关,即混凝土密实度越高,弹性模量越大,超声波传播速度越高。因此,可以通过测定混凝土声速来确定其弹性模量与强度。

混凝土是由固相、液相和气相随机地交织在一起的非均匀的各向异性材料。通过大量的研究可知,当超声波在混凝土中传播时,其纵波速度的平方与混凝土的弹性模量成正比,与混凝土的密度成反比,而混凝土强度等级的高低又与其密度相关。因此,根据超声波传播速度即可推定混凝土的强度。一般来说,混凝土传声速度越大,其强度越高。

国内外采用统计方法建立超声波测强的经验公式。国内v-相关曲线一般采用=AvB 和=AeBv两种非线性的数学表达式,其中A 和B 为经验参数。如陕西省建筑科学院混凝土推定强度(MPa)与砂浆换算声速vm(km/s)的回归方程为

2.特点

超声波检测可以利用单一声速参数推定混凝土的强度,具有重复性好的优点。在混凝土中,水泥石的强度及其与集料的黏结能力对混凝土强度起决定作用。但是水泥石所占比例不占绝对优势,导致原料及配合比不同时,声速与强度关系发生明显变化,制约其普遍应用。

(二)仪器

1.概况

超声波检测法基本设备包括超声波仪及发射与接收两个换能器,如图4.5-5所示。

图4.5-5　超声波仪及换能器

超声波仪是超声波检测的基本装置,其作用是产生重复的电脉冲去激励发射换能器,发射换能器发射的超声波经耦合进入混凝土,在混凝土中传播后被接收换能器所接收并转换成电信号,电信号被送至超声波仪,经放大后显示在示波屏上。超声波仪除产生电脉冲,接收、显示超声波外,还具有测量超声波有关参数(如声传播时间,接收波振幅、频率等)的功能。

超声波换能器是混凝土超声波检测设备的重要组成部分,因为超声波的产生与接收是通过它来实现的。超声波换能器的原理是通过声能与电能的相互转换产生和接收超声波的。发射换能器是将电能转化成声能,即产生并发射超声波,超声波在混凝土中传播后,被接收换能器接收并将超声能量转换为电能,将转换后的电信号送到主机进行处理。混凝土的超声波换能器一般应用压电体材料的压电效应实现电能与声能的相互转换,因此,常被称为压电换能器。

目前,应用于混凝土的超声波检测仪有模拟式和数字式两类。前者接收信号为连续模拟量,可由时域波形信号测读声时参数;数字式接收信号转化为离散数字量,具有采集、存储数字信号,测读声学参数和对数字信号进行处理的智能化功能。

2.技术要求

超声波检测仪技术要求如下:

(1)超声波检测仪应通过技术鉴定,并必须具有产品合格证。

(2)仪器的声时范围应为0.5～9999μs,测读精度为0.1μs。

(3)仪器应具有良好的稳定性,声时显示,调节在20～30 μs范围内时,2h内声时显示的漂移不得大于±0.2μs。

(4)仪器的放大器频率响应宜分为10～200kHz和200～500kHz两种频率。

(5)仪器宜具有示波屏显示及游标测读功能,显示应清晰稳定。若采用整形自动测读,则混凝土超声测距不得超过1m。

(6)仪器应能适用于温度为-10℃～+40℃的环境。

(7)换能器宜采用厚度振动形式压电材料,换能器的频率宜为50～100kHz,换能器实测频率与标称频率相差应不大于±10%。

(三)影响因素

超声波检测混凝土的强度主要是通过测量在一定测距内超声波传播的平均速度来推定的。

影响声速的因素主要有以下7个方面。

1.横向尺寸效应

通常,纵波速度是指在无限大介质中测得,随着试件横向尺寸的减小,纵波速度可能向杆、板的声速或表面波速转变,即声速降低,如图4.5-6所示,表示在不同横向尺寸的试件上测得声速的变化情况。

图4.5-6　声波随试件横向尺寸变化

当横向最小尺寸d≥2λ(λ为波长)时,传播速度与大块体中纵波速度值相当(Ⅰ区);当λ＞d＞2λ时,传播速度降低2.5%～3%(Ⅱ区);当0.2λ＞d＞λ时,传播速度变化较大,降低6%～7%,在这个区间(Ⅲ区)测量时,强度误差可能达到30%～40%。

2.温度和湿度

(1)温度。混凝土环境温度处于5 ℃～30 ℃时,温度影响不明显;环境温度处于40℃～60℃时,声速值约降低5%;温度为0℃以下,由于冰的声速为3.5km/s,大于自由水的声速1.45km/s,使脉冲波速增加。对于温度为-4 ℃～+60 ℃时,温度影响可以用有关数据修正。

(2)湿度。由于超声波在水中的传播速度为1.45km/s,而在空气中仅为0.34km/s,因此,在水中养护的混凝土得到比空气中养护高的强度。饱水混凝土含水率比一般混凝土增高约4%,声波在饱水混凝土中的传播速度比在一般混凝土中增高约6%。

3.混凝土结构中钢筋对超声波法测强的影响

钢筋中超声波传播速度v为普通混凝土中的超声波传播速度vs 的1.2～1.9倍,在检测钢筋混凝土结构时,会遇到钢筋对声波的影响,从而影响到所测混凝土结构的强度。

(1)钢筋垂直于声波脉冲传播方向时,在一般配筋情况下,当混凝土体积较大时,这种影响很小,且往往被测量误差掩盖,可以忽略。

(2)钢筋平行于声脉冲传播方向时,如果能使探头与钢筋的间距增大,则钢筋对混凝土声速的影响逐渐减小。当探头离开钢筋的距离大于探头距离的1/8～1/6时,就足以避免钢筋的影响。

4.粗集料品种、粒径和含量(www.xing528.com)

每立方米混凝土中集料用量的变化、颗粒组成的改变对混凝土强度的影响要比水胶比、水泥用量及强度等级的影响小得多,但是粗集料的数量、品种及颗粒组成对超声波速度的影响却十分显著。比较水泥石、砂浆和混凝土3种试体的超声波波速,在强度相同的条件下,混凝土声速最高,砂浆次之,水泥石最低,这是因为声波在粗集料中的传播速度较混凝土高。

5.水胶比和水泥用量

随混凝土水胶比的降低,混凝土强度、密实度及弹性的提高,超声波在混凝土中的传播速度也相应提高;反之,超声波速度随水胶比的增大而降低。水泥用量的变化,实际上改变了混凝土的骨灰比,在相同混凝土强度的情况下,当粗集料用量不变时,水泥用量越低,超声波的速度越高。

6.混凝土龄期

不同龄期混凝土的fcu-v 关系曲线是不同的,当声速相同时,长龄期混凝土的强度较高。

7.混凝土缺陷及损伤

采用超声波检测和推测混凝土的强度时,只有混凝土强度波动符合正太分布的条件下,才能进行混凝土强度推定。

(四)检测方法

1.测区选择

在构件上划出10个200mm×200mm 的方格,即10个测区。测区应在构件混凝土浇筑方向的侧面,测区表面应清洁平整。

2.换能器布置

为使混凝土测试条件、方法尽可能与率定曲线时一致,在每个测区内布置3对测点。同时,选择合适的换能器布置方式。常用的换能器布置方式有3种,如图4.5-7所示。

(1)对测法:最敏感,换能器直接在两个平行的测试面上相对布置。

(2)角测法:两个换能器布置在相互垂直的测试面上,用直角三角形斜边为测距,需要通过变化测距获取稳定的声速。

(3)平测法:最不敏感,两个换能器布置在同一测试面上,一般采用变动测距求出基本的声速。应尽可能将换能器布置在脱模混凝土表面,并尽量采用对布式。

3.数据采集

量测每对测点之间的直线距离,即声程,采集记录对应声时。目前,仪器一般可以自动计算出砂浆换算声速vm(km/s)。当同一测区中布置多个测点时,测区声速应按式(4.5-18)计算:

式中 v——测区声速(km/s),精确至0.01;

l——测距(mm);

tm——测区内3对测点的声时平均值(μs),tm=(t1+t2+t3)/3。

为对声波仪检测结果进行校验,可在现场取样,到实验室内进行试验,并可对各种力学参数进行全面测定。

4.声速修正

(1)对测修正。在顶面和底面测试时,声速按va=βv,一般β取1.034。

(2)平测修正。顶面平测时,β取1.05;底面平测时,β取0.95。

(3)角测修正。没有统一的修正系数,一般通过现场测试得出对测与角测的校正系数:v对/v角。

(五)强度推定

根据各测区超声波声速检测值,采用专用或地区测强曲线推定测区混凝土强度值。混凝土强度推定如下:

(1)当按单个构件检测时,单个构件的混凝土强度推定值,取该构件各测区中最小的混凝土强度换算值。

(2)当按批抽样检测时,该批构件的混凝土强度推定值应按下列公式计算:

式中 fcu——该批构件混凝土强度推定值(MPa);

——各测区混凝土强度换算值(MPa);

n——测区数;

,——各测区混凝土强度换算的平均值和标准差。

(3)当同批测区混凝土强度换算值标准差过大时,该批构件的混凝土强度推定值可按式(4.5-22)计算:

式中 ——该批每个构件中最小的测区混凝土强度换算值的平均值(MPa);

——第i个构件中的最小测区混凝土强度换算值(MPa);

m——该批中抽取的构件数。

(4)当同批构件按批抽样检测时,若全部测区强度的标准差出现下列情况,则该批构件应全部按单个构件检测:当混凝土强度等级低于或等于C20时,＞2.45MPa;当混凝土强度等级高于C20时,＞5.4MPa。