趙 杰

(新民市水利事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 新民 110300)

0 引 言

我國(guó)水利工程數(shù)量眾多,且規(guī)模較大,在提供生產(chǎn)及生活用水方面具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。隨著現(xiàn)代化建設(shè)的逐步推進(jìn),水工建筑物規(guī)模不斷擴(kuò)大,成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不可忽視的推動(dòng)力量之一?；炷烈子诔尚?、耐久性好,在交通、水利等工程領(lǐng)域得到廣泛的利用[4-5]。在水工建筑中,混凝土性能優(yōu)劣在很大程度上直接決定著水利工程的安全性。然而,因長(zhǎng)期受到相對(duì)惡劣條件如大風(fēng)、潮汐等自然因素的影響,使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)遭到過(guò)早破壞,嚴(yán)重制約水利工程耐久性的提高[6-7]。同時(shí),在正負(fù)溫度交替下,凍融破壞現(xiàn)象頻發(fā),對(duì)水利工程安全性造成極大威脅。

目前,對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和耐久性進(jìn)行檢測(cè)依然采取傳統(tǒng)方法,即通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣,然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)估其參數(shù)是否符合標(biāo)準(zhǔn)。該方法雖然具有較高的精度,但缺乏全面性,且工作量較大。因此,本文在室內(nèi)環(huán)境中將沖擊彈性波作為檢測(cè)手段,對(duì)該方法的檢測(cè)過(guò)程及檢測(cè)效果進(jìn)行分析,以期為水利工程中混凝土結(jié)構(gòu)的安全性能評(píng)估提供理論及實(shí)踐支持,進(jìn)一步優(yōu)化檢測(cè)的技術(shù)手段。

1 試件制備與測(cè)試

1.1 試驗(yàn)依據(jù)及裝置設(shè)備

沖擊彈性波是在外力打擊(球形錘)下產(chǎn)生的,具有頻率較低、能量較大的特點(diǎn)。該彈性波能夠來(lái)回重復(fù)發(fā)射,主要發(fā)生地點(diǎn)為鋼筋和混凝土結(jié)合面、混凝土底面[8-9]。在來(lái)回重復(fù)發(fā)射作用下,構(gòu)件瞬態(tài)動(dòng)力響應(yīng)被完全激發(fā),并在頻譜圖上顯現(xiàn)出厚度的頻率值。根據(jù)不同頻率值,可以求得P波的傳播速度,見(jiàn)圖1。

圖1 沖擊彈性波基本過(guò)程示意

在沖擊彈性波的計(jì)算中,波速通過(guò)式(1)求得:

VP=2·h·f

(1)

式中:VP為沖擊彈性波的P波波速;f為厚度頻率;h為構(gòu)件的厚度。

根據(jù)沖擊彈性波實(shí)施的基本過(guò)程,本研究在室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行模擬試驗(yàn),并與超聲波檢測(cè)法進(jìn)行比較。超聲波檢測(cè)法是利用超聲波在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)的衰減和反射,通過(guò)判斷接收的頻率及首波振幅是否降低進(jìn)行缺陷損傷判斷的方法[10-11]。室內(nèi)試驗(yàn)所需的全部裝置設(shè)備包括5種,分別是凍融循環(huán)試驗(yàn)機(jī)、壓力試驗(yàn)機(jī)、動(dòng)彈性模量測(cè)定儀、超聲波檢測(cè)儀以及沖擊彈性波測(cè)試儀。其中,凍融循環(huán)試驗(yàn)主要通過(guò)“快凍法”進(jìn)行,快速凍融試驗(yàn)機(jī)為CABR-HDK9,并以25次凍融為循環(huán),每個(gè)循環(huán)完成后均將凍融試件取出,獲得相應(yīng)參數(shù)再進(jìn)行記錄。壓力試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為YAW-2000D,動(dòng)彈性模量測(cè)定儀為DT-20,用于共振法的測(cè)試中[12]。非金屬超聲波檢測(cè)儀為超聲波所需設(shè)備,沖擊彈性波測(cè)試儀采用的是多功能無(wú)損測(cè)試儀SCE-MATS。室內(nèi)試驗(yàn)的裝置設(shè)備見(jiàn)圖2。

圖2 室內(nèi)試驗(yàn)的所有裝置設(shè)備

1.2 試驗(yàn)配比及方法

在橫向共振法測(cè)試中,為實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的自由振動(dòng),在相應(yīng)的混凝土試件下安置厚20mm的泡沫板,且該泡沫板的成型面被設(shè)定為朝上。在試件側(cè)面1/2處,發(fā)射器探頭與其微微接觸,接收器探頭則在距端面5mm與其輕微接觸。此外,將機(jī)油涂抹在兩者的接觸面,用以加強(qiáng)二者接觸的緊密程度。在測(cè)試次數(shù)方面,每個(gè)試件均為3次,最后以平均值為準(zhǔn)。在超聲波對(duì)測(cè)法中,安放厚20mm的泡沫板,位于試件的下方。同時(shí),測(cè)試面的中心放置傳感器,發(fā)射器和接收器均在同一水平線上,且所有位置均是固定的。在進(jìn)行按壓時(shí),為排除其他影響因素造成的誤差,盡可能保證按壓的壓力相同。在沖擊回波法測(cè)試中,試件的安放與超聲波對(duì)測(cè)法保持一致,并配備直徑17mm的激振錘,所有測(cè)試面均為正方形端面,數(shù)量為兩個(gè)。傳感器均被放置于測(cè)試面的中心,在兩者接觸處通過(guò)耦合劑來(lái)加強(qiáng)緊密度。在該部分測(cè)試過(guò)程中,所有測(cè)點(diǎn)均被敲擊2次,最后取8個(gè)讀數(shù)的平均值作為測(cè)試值。試驗(yàn)原材料均為普通混凝土,粗骨料為5～25mm碎石,細(xì)骨料采用中粗河砂,采用木質(zhì)素磺酸鈉作為引氣劑。整個(gè)室內(nèi)試驗(yàn)所需水源均為自來(lái)水,水泥采用P·O 42.5R型普通硅酸鹽水泥。試驗(yàn)設(shè)置的水膠比對(duì)應(yīng)A、B、C 3種混凝土,分別為0.55、0.50、0.50(摻引氣劑),所有混凝土的原材料均保持一致?；炷僚浜媳纫?jiàn)表1。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

所有混凝土的制備均包含立方體試塊和棱柱體試件,數(shù)量分別對(duì)應(yīng)1組和2組。立方體的規(guī)格100mm×100mm×100mm,棱柱體的規(guī)格100mm×100mm×400mm。在2組棱柱體試件中,一組為AX、BX、CX;另一組為AY、BY、CY。前者為7和28d的動(dòng)彈性模量,后者為抗凍性能測(cè)試。

該部分試驗(yàn)內(nèi)容分為兩個(gè)方面:①通過(guò)3種方法,即共振法、超聲波法和沖擊回波法,分別測(cè)試AX、BX、CX在7和28d齡期時(shí)的橫向共振頻率、超聲波波速和彈性波波速,由此求得動(dòng)彈性模量。②對(duì)AY、BY、CY展開(kāi)快速凍融循環(huán)測(cè)試,同樣通過(guò)3種方法測(cè)試不同凍融循環(huán)次數(shù)試件,并求取相對(duì)動(dòng)彈性模量,該過(guò)程需要對(duì)試件的質(zhì)量變化進(jìn)行記錄。在計(jì)算動(dòng)彈性模量時(shí),沖擊彈性波一維P波波速、超聲波波速與其關(guān)系如下:

(2)

式中:V為超聲波波速;Vp1為沖擊彈性波一維P波波速;Ed1、Ed2分別為V與Vp1的動(dòng)彈性模量。

在相對(duì)動(dòng)彈性模量計(jì)算中,3種方法由式(3)求得:

(3)

式中:f0為初始橫向共振頻率;V0為初始超聲波波速;Vp10為初始波速;fn為第n次凍融的橫向共振頻率;Vn為第n次凍融的超聲波波速;Vp1n為第n次凍融的彈性波波速。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本研究在室內(nèi)進(jìn)行了共振法、超聲波法和沖擊回波法的動(dòng)彈性模量測(cè)試,AX、BX、CX在7和28d齡期時(shí)的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知,在齡期為7d的測(cè)試結(jié)果中,共振法測(cè)得的3組編號(hào)對(duì)應(yīng)Ed值分別為34.96、36.87和38.06GPa;超聲波法對(duì)應(yīng)的Ed1值分別為41.70、43.46和45.35GPa;而沖擊回波法所得分別為35.97、38.15和38.53GPa,明顯低于共振法與超聲波法之間的偏差。同時(shí),結(jié)合28d齡期時(shí)的結(jié)果可知,超聲波法測(cè)得的動(dòng)彈模量最大偏差值達(dá)到21.58%,利用沖擊回波法所得動(dòng)彈模與共振法的差距十分微小,即二者保持了高度的一致性,大部分組別的偏差均保持在2%以內(nèi)。

表2 齡期7和28d時(shí)3種方法的測(cè)試結(jié)果

綜合所得測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),共振法、超聲波法和沖擊回波法在加入水膠比或引氣劑等因素后,所得結(jié)果總體上與加入前保持了較高的一致性,表明這些因素對(duì)結(jié)果的影響十分微小,可以被忽略。同時(shí),超聲波法和沖擊彈性波均能夠有效測(cè)量動(dòng)彈模。與共振法相比,兩種方法的差距在于動(dòng)彈模偏差,前者偏差相對(duì)較大,后者則更小。其原因是超聲波速在傳播過(guò)程中并非一直不變,而是會(huì)受到橫向尺寸效應(yīng)的影響,導(dǎo)致結(jié)果發(fā)生較大偏差。而對(duì)于沖擊回波法來(lái)說(shuō),通過(guò)激振錘敲擊,得到的波頻率不高,相對(duì)較為微小。在此情況下,波長(zhǎng)較長(zhǎng)使得骨料粒徑散射的作用難以發(fā)揮,且造成的影響較低,外界干擾被大大減弱,測(cè)試精度得到提升。因此,通過(guò)與超聲波法的對(duì)比可知,沖擊回波法求得的動(dòng)彈性模量具有更高的精確度。

AY、BY、CY 3組試件的抗凍性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。從表3中3組試件對(duì)比可知,在凍融階段一致的情況下,同一組試件的Pn1值均比該試件的Pn值更高,表明超聲波波速對(duì)應(yīng)所得相對(duì)動(dòng)彈性模量與實(shí)際相比偏差較大。通過(guò)分析3組試件的Pn與Pn1值可知,兩者之間的偏差均相對(duì)較大,并且在試件接近凍融破壞前后時(shí),這種偏差呈現(xiàn)出加大的趨勢(shì)。此外,在相同凍融階段,對(duì)于同一組中的試件來(lái)說(shuō),其Pn值大部分都比其Pn2值更低,但這種差距相對(duì)微小,并未超過(guò)3%,基本保持一致。

表3 AY、BY和CY 的3組試件抗凍性測(cè)試結(jié)果

綜合表3的抗凍測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),所有試件的質(zhì)量損失率中,最大值為0.88%,均在1%以下,表明所有試件最終都出現(xiàn)了凍融破壞。由此可知,僅僅通過(guò)質(zhì)量損失率這一指標(biāo)對(duì)混凝土的抗凍性能進(jìn)行評(píng)價(jià)是不夠全面的,仍然存在局限性。同時(shí),在同一凍融階段,橫向共振頻率、超聲波波速和P波波速3種方法得到的相對(duì)動(dòng)彈性模量之間存在較大差異,而沖擊回波法表現(xiàn)最好。

圖3為AY、BY和CY 3組混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化曲線。由圖3可知,AY、BY和CY 3組試件的Pn1、Pn和Pn2值變化趨勢(shì)總體上具有高度的一致性,并且三者的下降速度均表現(xiàn)為先緩慢后增加的特點(diǎn)。同時(shí)可知,Pn和Pn2的吻合度相對(duì)較高,沖擊回波法與共振法所得結(jié)果非常接近。此外,在凍融損傷接近臨界值時(shí),通過(guò)超聲波法得到的讀數(shù)會(huì)發(fā)生且保持較大波動(dòng),引起該試件在相鄰次數(shù)測(cè)試間所得數(shù)值差距過(guò)大,降低了測(cè)試結(jié)果的精確度。而沖擊回波法在多次讀數(shù)過(guò)程中,不會(huì)受到其他因素的影響,所得結(jié)果基本保持穩(wěn)定。因此,超聲波法和沖擊回波法均能利用動(dòng)彈性模量對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)抗凍性能展開(kāi)評(píng)價(jià),但沖擊回波法既簡(jiǎn)化了操作流程,又增加了結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性,具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

圖3 AY、BY和CY 3組混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量變化曲線

在驗(yàn)證沖擊彈性波技術(shù)的有效性和準(zhǔn)確性基礎(chǔ)上,對(duì)該技術(shù)的可靠性展開(kāi)進(jìn)一步分析。這部分試驗(yàn)有兩方面,即重復(fù)性檢驗(yàn)和復(fù)現(xiàn)性檢驗(yàn)。其中,重復(fù)性檢驗(yàn)要求測(cè)試條件、方法、環(huán)境和設(shè)備的一致性,并對(duì)同一對(duì)象進(jìn)行連續(xù)多次測(cè)試,得到相似性程度。在重復(fù)性檢驗(yàn)中,設(shè)置水膠比為0.55、0.50、0.50的3種混凝土試件,分別對(duì)應(yīng)A組、B組和C組,各包含3個(gè)試件。A、B、C與AX、BX、CX一一對(duì)應(yīng)求得的動(dòng)彈性模量結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 A、B、C與AX、BX、CX對(duì)應(yīng)得到的動(dòng)彈性模量

由圖4可知,通過(guò)沖擊回波法求出的動(dòng)彈性模量差距均較小。其中,試件AX1與A3之間動(dòng)彈性模量差距最大,但偏差僅為0.82%。通過(guò)計(jì)算可知,在同一組混凝土試件中,所得動(dòng)彈性模量之間的標(biāo)準(zhǔn)差均較小。同時(shí),A組與AX組、B組與BX組、C組與CX組3組之間的動(dòng)彈性模量均符合重復(fù)性檢驗(yàn),表明沖擊彈性波技術(shù)滿足混凝土檢測(cè)技術(shù)對(duì)重復(fù)性的要求,具有較高的適用性。

最后進(jìn)行復(fù)現(xiàn)性檢驗(yàn),即在不同的測(cè)試條件下,通過(guò)改變?cè)O(shè)備等因素,檢驗(yàn)同一被測(cè)對(duì)象所得結(jié)果的一致程度。同樣,配備水膠比為0.55、0.50、0.50的混凝土試件,分別記為J、K、I三組,并與AX、BX、CX相對(duì)應(yīng)進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5可知,在不同檢測(cè)儀器的測(cè)試結(jié)果中,J、K和I三組與AX、BX、CX 對(duì)應(yīng)的混凝動(dòng)彈性模量差距均十分微小,最大動(dòng)彈性模量偏差0.57%,準(zhǔn)確度較高。

圖5 J、K、I三組與AX、BX、CX對(duì)應(yīng)所得動(dòng)彈性模量結(jié)果

通過(guò)計(jì)算可知,J組與AX組、K組與BX 組、I組與CX組的動(dòng)彈性模量測(cè)試值之間的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值關(guān)系均符合復(fù)現(xiàn)性要求。綜上可以得出,沖擊彈性波可以在重復(fù)性檢驗(yàn)和復(fù)現(xiàn)性檢驗(yàn)中保持較小的偏差,并且符合檢驗(yàn)要求,應(yīng)用效果較好。

3 結(jié) 論

本文根據(jù)沖擊彈性波特性,確定了室內(nèi)試驗(yàn)的裝置設(shè)備,并進(jìn)行了動(dòng)彈性模量測(cè)試。結(jié)果顯示,在齡期為7d的測(cè)試結(jié)果中,沖擊回波法所得Ed值分別為35.97、38.15和38.53GPa,與共振法相差較小;在重復(fù)性和復(fù)現(xiàn)性檢驗(yàn)中,沖擊彈性波法所得動(dòng)彈性模量偏差最大分別為0.82%和0.57%,表明沖擊彈性波應(yīng)用于水利工程混凝土檢測(cè)中具有較高的準(zhǔn)確性。