杜 浩 楊先俊 姬鵬越 劉 敏

(1.黑龍江科技大學建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022; 2.東北石油大學土木建筑工程學院，黑龍江 大慶 163000)

1 概述

混凝土受壓構件，如梁、柱等在制作工程中，由于攪拌及施工工藝等因素影響，會在混凝土內部產生構件局部不密實，裂縫或空缺區(qū)，在混凝土外部會產生蜂窩、麻面等缺陷[1]；在使用過程中，混凝土受壓構件由于少筋，或承載力超載等因素，會造成混凝土構件的損傷。這些損傷的存在嚴重影響混凝土承載力和耐久性[2,3]。

筆者以超聲檢測法為例，對混凝土損傷構件進行檢測試驗，采用超聲試驗方法[4,5]，觀測超聲波通過有裂縫的混凝土構件時超聲波速度、振幅、頻率、周期、波形等多個參數(shù)變化，分析研究這些數(shù)據(jù)變化的規(guī)律及物理機制，得到混凝土內部缺陷對超聲波聲時、聲速影響的一般規(guī)律。

2 試驗方案

2.1 試驗試樣制備

試驗試樣制備兩個，為145 mm×145 mm×145 mm和1 200 mm×150 mm×200 mm和混凝土受壓梁構件，將此試驗試樣進行編號，標定為一號試樣，二號試樣。

試驗材料使用水泥，砂子，碎石等原材料按照1∶1.5∶1.5的比例配置而成，其中水泥為325號普通硅酸鹽水泥，砂子的粒徑為0.35 mm～0.5 mm，碎石的粒徑為5 mm～20 mm。其中一號試樣較為密實，沒有明顯損傷區(qū)域。二號試樣有較大裂縫3條，裂縫寬度約為1.5 cm，中型裂縫2條，裂縫寬度約為0.5 cm，微型裂縫較多，裂縫寬度小于0.5 cm，中部受壓區(qū)有局部壓碎區(qū)域，如圖1所示。

2.2 測點布置

試驗預設測點五個，均勻分布于受測截面，將受測點編號1號測點，2號測點，3號測點，4號測點，5號測點，測點布置見圖2。

每個測點均勻涂抹凡士林耦合劑，測取參量數(shù)據(jù)的方式為每個測點測取五次取平均值作為該測點的參數(shù)值。可減少因試驗操作或耦合不好所引起的實驗誤差，提高本次實驗的準確性。

2.3 試驗方法

本次試驗選用超聲波非金屬檢測儀，采用對比實驗方式進行。通過對一號較為完整混凝土構件的檢測，得到標準混凝土試樣的檢測參數(shù)，據(jù)此，進行二號損傷混凝土構件的檢測，檢測數(shù)據(jù)加以對比，分析，得到缺陷混凝土構件基本分析方法。

試驗傳感器采用對點發(fā)射接收方式，非金屬超聲檢測分析儀經調零聲時后進入正常工作狀態(tài)，對一號試樣進行完整檢測的過程中，始終保持測定管距設定為145 mm，起點設定為0.0 m，點距設定為-0.074 mm，采樣周期為0.8 μs，發(fā)射電壓為60 V，標定值設定為1。

單一測點測取五次數(shù)據(jù)中，每進行一次檢測，將傳感器取下，重新耦合以后，方進行下一次數(shù)據(jù)檢測工作。

檢測試驗中所采用的耦合劑為涂抹均勻的凡士林耦合試劑。

每個測點進行五次重復檢測，即每一組試驗分別進行25次檢測，最終取每個測點的算術平均值為該測點的參量。

3 結果分析

按上述試驗布置及操作，對兩組試驗試樣進行檢測，得到超聲波通過完整混凝土構件之后的檢測參數(shù)和超聲波通過有損傷混凝土構件的檢測聲時、幅度、聲度參數(shù)。對一號試樣測得結果見表1。

3.1 混凝土構件裂縫對于超聲波聲速影響較大

在一號試樣聲速檢測中，最大聲速為2.648 km/s，最小聲速為2.189 km/s，平均聲速為2.43 km/s，即未通過裂縫區(qū)的超聲波聲速對于均值的偏差較小，約在10%以內；在二號試樣聲速檢測中，最大聲速為5號測點測得5.136 km/s，最小聲速為1號測點測得2.918 km/s，平均聲速3.912 km/s，即通過裂縫區(qū)混凝土超聲波聲速對于均值的偏差較大，約在30%。但對于一號試樣測得的平均聲速為2.43 km/s，二號試樣測得的平均聲速為3.912 km/s，二號試樣的平均聲速比一號試樣平均聲速高1.482 km/s。由于二號試樣存在明顯損傷部位，依據(jù)波動傳播理論，聲波在空氣中的傳播速度應小于在固體中傳播速度，試驗測得的數(shù)據(jù)與波動理論相背離。這一現(xiàn)象表明，二號試樣中存在密實度極高的物質，使聲波得以快速傳播，經資料查實，二號混凝土構件為鋼筋混凝土試件，與一號素混凝土試樣材料相異。超聲波在鋼材中的傳播速度約為5.9 km/s，在空氣中的傳播速度約為0.34 km/s，并受溫度影響較大。本次試驗中，超聲波通過二號試樣中的裂縫及鋼筋，聲速為二者的疊加，平均聲速大于素混凝土中超聲波傳播的平均聲速。

1號和4號測點位于受測試樣的上部左右兩端，5號和3號測點位于受檢試樣的下部左右兩端。在一號試樣檢測中，由1號測點和4號測點測得的聲速為2.472 km/s，2.189 km/s，由3號測點和5號測點測得的聲速為2.398 km/s，2.447 km/s。在二號試樣檢測中，由1號測點和4號測點測得的聲速為2.918 km/s，2.932 km/s，由3號測點和5號測點測得的聲速為4.76 km/s，5.136 km/s。一號試樣為裂縫較少的素混凝土試樣，聲速變化較小。1號和4號測點測得聲速平均值與3號和5號測點測得的聲速平均值偏差在3%以內，表明該構件混凝土較為均質。二號試樣為裂縫較多的鋼筋混凝土試樣，聲速變化較大。1號和4號測點測得聲速平均值與3號和5號測點測得的聲速平均值偏差在25%左右，差值較大。在一號試樣和二號試樣檢測中，兩組試樣的1號和4號測點測得聲速變化較小，兩者平均值的偏差在10%左右，二號受檢鋼筋混凝土構件試樣80%裂縫自構件中部下側開始發(fā)育。超聲波聲速對于混凝土構件較大損傷比較敏感，聲速會表現(xiàn)出明顯變化，而對于微裂縫超聲波聲速的變化相對較小，超聲波聲速對于混凝土構件中微裂縫敏感適中。

表1 一號試件每個測點檢測數(shù)據(jù)平均值

表2 二號試件每個測點檢測數(shù)據(jù)平均值

對二號試樣的檢測，重新進行調零聲時計算，得到零聲時為2.1 μs，管距由試樣一的145 mm變更為1 200 mm，其他條件不進行變更，檢測得到表2數(shù)據(jù)。

3.2 混凝土構件裂縫對于超聲波聲時影響較大

超聲波在混凝土中傳播時，遇到損傷部位如不密實、裂隙、孔洞等會產生散射或漫射現(xiàn)象。二號檢測試樣上部受壓區(qū)存在局部壓碎現(xiàn)象，從二號試樣第1測點和第4測點測得的聲時為415.18 μs，409.9 μs，第2測點、第3測點和第5測點測得的聲時分別為294.86 μs，252.14 μs，234.86 μs。計算得到第1測點和第4測點聲時對于均值的偏差在5%以內，聲時差異為5.28 μs。第2測點，第3測點和第5測點聲時對于均值的偏差在10%以內，聲時差異為60 μs。計算第1測點，第4測點和第2測點，第3測點，第5測點的聲時對于均值的偏差約25%，均值聲時差異為152.54 μs，此聲時差異較大。表明第1測點和第4測點處，存在混凝土缺陷區(qū)，超聲波在此缺陷區(qū)發(fā)生散射、折射現(xiàn)象，表現(xiàn)為所測聲時的異常增大,見圖3，圖4。

在一號試樣第4測點第二次檢測中，出現(xiàn)聲時為105.62 μs，聲速為1.737 km/s，幅度為93.1 dB的異常數(shù)據(jù)，聲時約為其他四次檢測的2倍，聲速約為其他四次檢測的1/2。根據(jù)實驗記錄，此次試驗過程中，傳感器與試樣耦合不良，致使聲波在空氣中傳播，聲時增大，聲速減小。依據(jù)此數(shù)據(jù)異常，計算時該數(shù)據(jù)予以剔除，不參與計算結果。

4 結語

1)在混凝土構件中，裂縫的出現(xiàn)，會導致聲波在空氣中傳播，使聲波聲速降低，以此可以根據(jù)超聲波聲速的變化來判斷混凝土構件內部裂隙發(fā)育。

2)蜂窩、麻面等損傷區(qū)域的出現(xiàn)，導致超聲波在損傷區(qū)域內發(fā)生散射和折射現(xiàn)象，使聲波聲時增大，以此可以根據(jù)超聲波聲時的變化來判斷混凝土構件內部損傷區(qū)域。

參考文獻:

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[4] 張 勇,唐國龍.建筑工程檢測中無損檢測的有效運用[J].黑龍江科技信息,2017(5)：176-178.

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