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吴慧敏
概述
一、超声法检测混凝土强度的根据
混凝土材料是弹粘塑性的复合体,合组分的比例变化、制造工艺条件不同,以及硬化混凝土构造随机性等,十分错综复杂地影响了凝聚体的性质,采用一种一般的数学模型,严密定量地描述构造混凝土强度是比较困难的。工程上,为理解燃眉之急,国内外专业人员都十分注重检测和评价构造混凝土的性能,超声波检测构造混凝土的强度便是内容之一。
超声波检测混凝土的强度基本的根据是超声波传播速度与混凝土的弹性性质的密切关系。超声声速与固体介质的弹性模量之间的数学关系在第三章中已列出,在实际检测中,超声声速又通过混凝土弹性模量与其力学强度的内在联系,与混凝土抗压强度建立有关关系以推定混凝土的强度。
超声测强以混凝土立方试块28天龄期抗压强度为基准,大体是把这种混凝土当做弹性体看待,而原材料品种规格、配合比、施工工艺等影响着超声检测参数,因此采用预先校正措施建立超声测强的经验公式。国内外采用记录措施建立专用曲线或数学体现式有如下几种:
前苏联、捷克和前民主德国采用:
荷兰、罗马尼亚采用:
法国采用,该公式与前苏联采用的相似(v2∞Ed)。波兰采用。
国内,v~有关曲线基本采用:
和两种非线性的数学体现式。
式中——动力弹性模量;Q、A、B、C——经验系数。
可见,国内外实际应用的经验公式,采用超声声速参量便是突出了超声弹性波我与混凝土弹性模量及强度的有关性。
二、超声法检测混凝土强度的技术途径
混凝土超声测强曲线因原材料的品种规格和含量、配合比和工艺条件的不同而有不同的实验成果,因此,建立按常用的原材料品种规格、不同的技术条件和测强范畴进行实验,大量的实验数据经合适的数学拟合和效果分析,建立超声声速v1与混凝土抗压强度的有关关系,取参量的有关性好、记录误差小的曲线作为基准校正曲线;并经验证明验,测强误差小的经验公式作为超声测强之用。超声测强有专用校正曲线、地区曲线和统一曲线,校正曲线和地区曲线在实验设计中一般均考虑了影响因素,而校正实验的技术条件与工程检测的技术条件基本相似,曲线的使用,一般不要特殊的修正,因此,建议你使用。在没有专用或地区测强曲线的状况下,如果应用统一的曲线,则需要,按不同的技术条件提出修正系数,使推算构造混凝土的精度控制在许可的范畴内。这些修正系数也可根据多种不同的影响因素分项建立,以扩大合用范畴。
由于超声法测强精度受许多因素的影响,测强曲线的适应范畴受到较大限制。为了消除影响,扩大测强曲线的适应性,除了采用修正系数法外还可采用混泥净浆声速换算法和水混砂浆声速换算法,基本措施是把混凝土声速换算成砂浆或水泥净浆声速,再由较匀质的砂浆或是水泥净浆声速与混凝土强度建立有关关系,以便消除骨料的影响,扩大所建立的有关关系的合用范畴,并提高测强精度。
三、混凝土超声法测强的物点与技术稳定性
(一)超声法的特点
(1)检测过程无损于材料、构造的组织和使用性能;
(2)直接在构筑物上检测实验并推定其实际的强度;
(3)反复或复核检测以便,反复性良好;
(4)超声法具有检测混凝土质地均匀性的功能,有助于测强测缺的结合,保证检测混凝土强度建立在无缺陷、均匀的基本上合理地评估混凝土的强度;
(5)超声法采用单一声速参数推定混凝土强度。当有关影响因素控制不严时,精度不如多因素综合法,超声法仍有其特殊的适应性。
(二)技术稳定性
混凝土超声测强技术稳定性是一种综合性的技术指标。为了保证技术稳定性,除继续进一步开展技术完善和评价措施的研究之外,就广泛研究证明和工程检测的经验,归纳起来有如下方面需加以控制:
(1)理解超声仪器设备的工作原理,熟悉仪器设备的操作规程和使用措施;
(2)对的掌握超声声速测量技术和精度误差的分析;
(3)建立校正曲线务必精确,技术条件和状况尽量与实际检测的接近;
(4)从混凝土材质组分和组织构造上理解影响超声声速及测量的因素,并在实测中加以排除或作必要的修正;
(5)研究和拟定超声检测“坏值”(指混凝土缺陷的指标)区别解决措施,以保证在混凝土材质均匀基本上推定强度值。
超声法检测混凝土强度的重要影响因素
超声法检测混凝土强度,重要是通过测量在测距内超声传播的平均声速推定混凝土的强度。可见,“测强”精度评价与超声声速读取值的精确与否是密切有关的,换句话说,对的运用超声声速推定混凝土强度和评价混凝土质量,从事检测工作的技术人员必须熟悉影响声速测量的因素,在检测中自觉地排除这些影响。
超声声速也许受到混凝土性能无关的某些因素的影响,且不可避免地要受到混凝土材料组分与构造状况差别的因素的影响。根据国内外科学研究和实际检测的经验总结,这些影响大体归纳如下诸方面:
一、横向尺寸效应
有关试件横向尺寸的影响,在测量声速时必须注意。一般,纵波速度是指在无限大介质中测得,随着试件横向尺寸减小,纵波速度也许向杆、板的声速或表面波速度转变,即声速比无限大介质中纵波声速要小。
图4-1表达在不同横向尺寸的试件上测得声速的变化状况。
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称(图4-1中Ⅰ区)。
当λ<d>2λ时,—3%
(见Ⅱ区)。
<d<λ时,传播速度变化较大,约降
低6—7%,在这个区间(Ⅲ区)里测量时,估计
强度的误差也许达30—40%,这是不容许的。
Ⅳ区为d<2λ这是属于波在杆件中的传播。
Jones等对不同测距、最小断面尺寸和探头固
有频率的选择参见表4-1
不同测距最小断面尺寸和探头固有频率的选择表4-1
二、温度和湿度的影响
混凝土处在环境温度为5℃—30℃状况下,因温度升高引起的速度减小值不大;当环境温度在40℃—60℃范畴内,脉冲速度值约减少5%,这也许是由于混凝土内部的微裂缝增多所致。
温度在0℃如下时,由于混凝土中的自由水结冰,使脉冲速度增长(自由水的v=,冰的v=)。
当混凝土测试时的温度处在表4-2所列的范畴内时,可以容许修正;如果混凝土遭到受过冰融循环下的冰结,则不容许修正。
超声波传播速度的温度修正值表4-2
混凝土的抗压强度随其含水率的增长而减少,而超声波传播速度v随孔隙被水填满而逐渐增高。饱水混凝土的含水率增高4%,传播速度v相应增大6%。速度的变化特性取决于混凝土的构造,随着混凝土孔隙率的增大,干混凝土比空气中养护的混凝土具有更高的超声传播速度。水下养护混凝土的强度最大,;。
湿度对超声波传播速度的影响可以解释为:
(1)水中养护的混凝土具有较高的水化度并形成大量的水化产物,超声波传播速度对此产物的反映不小于空气中硬化的混凝土;
(2)水中养护的混凝土,水分渗入并填充了混凝土的孔隙,,,因此,水中养护的混凝土具有比在空气中养护的混凝土大得多的超声波传播速度,甚至掩盖了混凝土强度增长而提高的声速的影响。
三、构造混凝土中钢筋的影响与修正
——。因此测量钢筋混凝土的声速,在超声波通过的途径上存在钢筋,测读的“声时”也许是部分或所有通过钢筋的传播“声时”,使混凝土声速计算偏高,这在推算混凝土的实际强度时也许浮现较大的偏差。
钢筋的影响分两种状况:一是钢筋配备的轴向垂直于超声传播方向;二是钢筋轴向平行于超声传播的方向。对第一种状况,在一般配筋的钢筋混凝土构件中,钢筋断面所占整个声通途径的比例较小,因此影响较小(对于高标号混凝土影响更小)。钢筋轴向平行超声传播的方向,在作超声“声时”测量时,也许影响较大,应设法加以避免或修正。钢筋轴向垂直和平行于超声传播方向的布置对超声声速的影响分述如下:
(一)钢筋的轴线垂直于是超声传播的方向
图4-2表达钢筋的轴线垂直于声通路。当超声波完全通过钢筋的每个直径时,仪器测量的超声脉冲传播时间t用下式表达:
式中L——两探头间的距离;
Ls——钢筋直径的总和(=∑di);
vc、vs——分别为混凝土、钢筋中的超声传播的速度。
用t=L/v代入上式v——钢筋混凝土中实测的超声波传播速度:
则得:(4-1)
为了找出混凝土中实际的传播速度vs,需要对
测得速度v乘以某个系数,这个系数取决于脉冲穿
过钢筋所经的路程与总路程之比Ls/L及测得的速
度,以及测得的速度与钢筋中传播速度之比v/vs。
此系列于表4-3,事实上,校正系数vc/v稍不小于表4-3中所列的值,由于发射-接受的途径与钢筋的分布线不同完全重叠,即实际通过钢筋的距离<LS。
修正系数还可根据图4-3曲线查出,对实测的传播速度v进行修正。例如LS/,并且觉得混凝土质量是差的,则混凝土中钢筋影响vs/,这样,。
钢筋影响的修正值(钢筋垂直于超声传播方向)表4-3
(二)钢筋轴线平行于超声传播方向
图4-4为超声传播与钢筋轴线平行,且探头接近钢筋轴线的状况。超声传播从发射探头A发出,先经AB在混凝土中传播,然后沿钢筋BC段传播,再经CD段在混凝土中传播而达到接受探头D。
设:vc为混凝土的声速;vs为钢筋的声速;l为两探头间距离;a为探头与钢筋轴线的距离。则超声波在混凝土中的传播时间为:
超声波在钢筋中的传播时间为:
总的传播时间:(4-2)
欲求超声波达到接受探头的最短时间,即求t的最小值,需对x求导并令其为零,即:
得:,经整顿后得(只取正值)
将x代入(4-2)式,得最短传播时间:(4-3)
理论上要避免混凝土中传播受钢筋的影响,根据(4-3)式得到混凝土的真正声速为:
vc=2avs/[4a2+(vst-l)2]
令:t1=l/vc为超声波直接在混凝土中传播所需要的时间。
则为经由钢筋折线的传播时间。欲避免钢筋的影响,应使t1=t2,
即整顿后得:(4-4)
即当探头距离钢筋不小于之后,由于经
由钢筋传播的信号落在直接由混凝土中传播的信号之
后,于是钢筋的存在就不会影响混凝土声速的测量,
一般当超声测量线离开钢筋轴线约1/8—1/6测距时,
就可以避免钢筋的影响。
素混凝土中的传播速度v0根据图4-5曲线中查出
修正系数,对实测的超声传播速度v加以修正。例如
钢筋混凝土中的a/,并觉得混凝土地一般
的,那么混凝土中钢筋影响的修正系数vc/,
,即为素混凝土的脉
冲速度。
四、粗骨料品种、粒径和含量的影响
每立方米混凝土中骨料用量的变化、颗粒构成的变化对混凝土强度的影响要比水灰比、水泥用量及标号的影响小得多,但是,粗骨料的数量、品种及颗粒构成对超声波传播速度的影响却十分明显,甚至稍微增长某些碎石的用量或采用较高弹性模量的骨料,第三性最强的是超声脉冲的声速。比较水泥石、砂浆和混凝土三种试体的超声检测,在强度值相似的状况下,混凝土的超声脉冲声速最高,砂浆次之,水泥石最低。差别的因素重要是超声脉冲在骨料中传播的速度比混凝土中传播速度快。声通路上粗骨料多,声速则高;反之,通路上粗骨料少,声速则低。
(一)粗骨料品种不同的影响
表4-4为不同品种粗料的声速值。由于骨料的声速比混凝土中其他组分的声速要高的多,它在混凝土中所点比例又高达75%左右。因此,骨料声速对混凝土总声速度具有决定性的影响。
不同品种粗骨料的声速值表4-4
不同品种的骨料配制混凝土对fcu-v关系曲线的
影响如图4-6所示
由图可见,若不注意粗骨料品种的影响,简朴
地采用某一特定的混凝土强度与相应的超声声速关
系曲线,在拟定混凝土强度时将会导致很大的误差。
经研究和实际检测表白,卵石和卵碎石这两种
料配制的混凝土,一般来说,当声速相似时,卵碎
石混凝土的抗压强度比卵石混凝土的强度高出10—
20%。其因素是当种配比条件均相似时,卵碎石的
表面粗糙,有助于水泥石与骨料的粘结,因此强度
可略高于表面光滑的卵石混凝土,而于由石质基本
相似,卵石较为坚实,可导致声速略为提高。
(二)粗骨料最大粒径的影响
图4-7表达不同最大粒径的料且料配制的混凝土,抗压强度与超声声速的关系数曲线。它表白了骨料粒径越大,测单位体积混凝土骨料所有点的声程随之增长,即混凝土的声速随骨料最大粒径的增大而增长。换句话说,对于某一给定的超声声速所相应的混凝土抗压强度则料低,其因素是骨料的超声传播速度比混凝土中超声的传播速度要快,骨料粒径增大使混凝土中超声传播速度的增长,比混凝土强度测定值增长更快。
(三)粗骨料含量的影响
图4-8表达骨料品种相似时,不同含石量对混凝土中超声脉冲传播速度的影响。一般相似强度的混凝土其超声声速度随粗骨料含量增长而提高趋势。事实上,在混凝土的组合料中,砂率变化、骨灰比的大小,对混凝土中超声声速影响仍然在粗骨料含量中起主导作用。
不同标号的混凝土,超声声速不同,低标号混凝土的超声速较高,由于低标号混凝土相对的粗骨料含量多,或者说骨灰比大所引起的。
图4-9表达不同水灰比,骨灰比超声声速的影响。可见,
忽视骨灰比的影响,采用声速估算混凝土强度的误差很大。
图4-10表达混凝土中不同砂率对fcu-v