频率及含水量对混凝土损伤超声检测的影响

频率及含水量对混凝土损伤超声检测的影响

张鹏 王海涛

阿克苏地区产品质量检验所 新疆阿克苏市 843000

摘要：混凝土超声波速的影响因素既有配合比、水泥、骨料等原材料性能的内部条件，又有检测频率、含水率以及试件温度等外部因素，为了保证混凝土超声无损检测精度必须综合考虑各种因素的影响程度及其作用机理。

关键词：混凝土；超声检测；频率；含水量

前言

混凝土是一种内部存在广泛分布空洞、微裂纹等多种缺陷的各向异性多相复合材料，特别是显著影响混凝土力学性能的骨料与砂浆界面过渡区。因此，混凝土中声波的传播要远远比均匀介质复杂，声波会出现散射、折射和反射现象，并产生明显的衰减。虽然混凝土强度检测时，超声脉冲法可以检测出其内部的缺陷问题，但各种因素易对超声传播声速与混凝土强度间的定量关系产生影响，难以直接利用检测结果确定混凝土的损伤情况和真实强度。

1试验设计

为分析含水量和检测频率对混凝土超声损伤检测的影响规律，本文首先制作混凝土试件，并将到达龄期的试件置于水中60d达到完全饱和状态，然后通过烘箱烘干操作，控制混凝土试件中的含水量并进行超声检测，最后将试件用压力试验机压至破坏，并在此过程中测量超声波速。在试验中，所有的超声测量均采用15、30、50和100kHz84种频率进行。

1.1混凝土试件制作

混凝土主要由水泥、砂、骨料、水、空气还有其它化学和矿物添加剂组成。混凝土中各种成分比值将直接影响混凝土的强度。试验采用重庆金井源建材厂生产的32.5级的普通硅酸盐水泥，强度等级C30，坍落度35~50mm，中砂，5~20mm粒径碎石，按照《普通混凝土配合比设计》规范要求。试件采用尺寸为100mm×100mm×100mm钢模成型。成型前需要将钢模清理干净然后在其内壁涂抹一层矿物油，以便于脱模。按照所设计好的配合比，称取好需要的骨料、砂、水泥，然后放置于搅拌机内搅拌均匀，待骨料与水泥搅拌均匀后倒入按配合比所设计的水量，继续搅拌均匀后进行装模。在振捣台上振捣密置放24h脱模后放于养护室标准条件下养护28d。达到龄期的混凝土完全浸泡入水中，60d后取出进行试验。

1.2混凝土超声试验

由于本试验要分析不同含水率情况下对超声检测的影响，所以用烘箱对试件进行烘烤，通过对试件烘烤一定时间来控制试件的含水量。为避免在烘干过程中高温对混凝土试件造成损伤，试验中先采用60℃烘干24h，再采用105℃直至试件含水量为0。试验中每隔4h进行一次超声测量，在测量超声波速前进行称重，计算混凝土的含水量，最后烘烤到试件质量不变即水分烘干，此时含水率为0。本试验通过称出试件最初的重量，再称出每次烘烤后的重量，最后再称出烘干后无含水量时的重量，即可通过其中的重量差计算出每次的含水率，最后即可得到试件在不同含水率情况下所对应的超声波速。超声检测仪是声波测试的主要仪器设备，本次试验用到的超声检测仪为中国科学院武汉岩土力学研究所生产的RSM-SY5智能声波检测仪。RSM-SY5智能声波检测系统包括RSM-SY5智能声波采集与发射装置以及与之配套的分析与控制软件。试验中利用RSM-SY5自带的配套软件进行初步的数据处理最后将声波检测仪采集得到的数字信号输入电脑进行分析。

1.3混凝土加载

本次试验利用YE30液压式压力试验机进行加压。该试验机利用电脑控制机器，能够以事先设定好的加载速度及加载大小进行加载，且可以执行分级加载，本次试验即会进行分级加载，以50kN为一级，逐级进行加载，直到混凝土试件发生破坏。在试验中，待各级荷载稳定后，分别采用四种频率进行混凝土试件的超声测量，并记录下相应的声学参数。可以看出，混凝土试件的摆放角度与正常角度呈45°，这是因为本次试验采用的15k的超声换能器探头比较，为了使测定空间得到保证，故与正常角度呈45°夹角的摆放方式进行试验。

1.4耦合剂

由于被测混凝土表面粗糙不平整，当换能器辐射面与之接触时，不论压得多紧，实际上两者之间仍有空气夹层阻隔其间。由于固体与空气的特性阻抗相差悬殊，超声能量绝大部分被反射而难于进入混凝土。因此需要在换能器与混凝土之间加上耦合剂。耦合剂本身是液体或膏体，它们充填于二者之间时，排掉了空气，形成耦合剂层。平面换能器的耦合剂一般采用较廉价的膏体，如黄油、凡士林、石膏浆等。在本次试验中换能器与试块耦合方式为等压力耦合，以凡士林作为耦合剂。

2理论分析及探讨

2.1含水量对超声检测结果的影响

随着含水量的增加，混凝土内空隙中的空气逐渐被自由水分所代替。由于水相对于空气来说是不可压缩的液体，在外荷载的作用下产生的变形量很小，因此与混凝土材料基体在外荷载的变形叠加后，总变形量逐渐减小。这在宏观上体现为弹性模量的增加，由于测量得到的平均超声波速是和材料的弹性模量成正比，因此超声波速也随之增加。

2.2频率对超声检测结果的影响

较高的检测频率意味着较高的输入能量，在超声波的传播过程中，混凝土内相邻质点传递位移信息的动力越高，信息的传递也就越迅速。同时，现有研究表明，混凝土的弹性模量和强度随着加载速率的增加都有一定程度的增加。因此，随着检测频率的提高，相当于混凝土细观上对应于超声检测的弹性模量提高，测量得到的超声波速增加。同时，由于较高频率的超声波检测，超声波的波长短而传播的方向性较好，检测的灵敏度将相应提高，但由于能量衰减大，所以探测的距离短。于是，混凝土缺陷的超声波检测的频率选择，在和混凝土的超声波速在4000m/s左右。同时，频率对测量得到的混凝土试件超声波速值有明显影响，随着检测频率的增加，波速在逐渐增大，这种增加的趋势逐渐变缓，并逐渐趋于稳定。以饱和混凝土为例，当探头频率从15kHz增加到30kHz时，波速值的增量为16%左右，当探头频率从50kHz增加至100kHz时，波速值的平均增量为6%左右，这说明随着频率不断增大，波速的增加量趋于稳定。

2.3频率对混凝土损伤检测结果的影响

由于加载试验中，烘干混凝土已经置于空气环境中一段时间，因此其含水量为外界环境中的含水量。保证接受到明晰的探测信号的前提下，选取较高的探测频率则可以提高检测的灵敏度。混凝土材料的超声波检测的频率一般采用50~200kHz，最适用的频率为25~100kHz。因此，实际中常常兼顾两者，采用超声发射频率为50kHz的探头进行试验。

结论

1)在外荷载作用下混凝土的变形量随含水量的增加而减少，宏观弹性模量和超声波速检测值也随之增加。此外，超声波速增长速度随着混凝土含水量的增加而趋于平缓。2)超声检测频率越大则输入的能量越高，混凝土内相邻质点位移信息在超声波传播过程中的传递动力越高，信息传递速度越快。从微观上，增大检测频率相当于提高了超声检测时混凝土的弹性模量，超声波速测量值也会增大，超声波速的增长速度随着频率的不断增加而趋于平缓。3)随着外加荷载的增大混凝土超声波速逐渐减小，并且其减小幅度逐渐增大，混凝土逐渐产生损伤并进一步发展。

参考文献：

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