冲击回波法检测水工混凝土耐久性的试验研究

孙其臣, 吕小彬, 岳跃真, 田军涛, 孔祥芝

(中国水利水电科学研究院 结构材料所 流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京 100038)

冲击回波法检测水工混凝土耐久性的试验研究

孙其臣, 吕小彬, 岳跃真, 田军涛, 孔祥芝

(中国水利水电科学研究院 结构材料所 流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京 100038)

研究了冲击回波法用于混凝土棱柱体试件动弹性模量的测试情况，发现测试的波速为理论的一维P波波速，且获取混凝土动弹性模量的方法在本质上与传统的共振法是一致的。采用冲击回波法检测混凝土试件在冻融循环中波速的变化，与共振法测试的自振频率的变化进行对比研究，总结其内在规律，最终换算到相对动弹性模量的下降值来评价混凝土的抗冻性。初步的试验和理论分析的结果表明，利用冲击回波法进行水工混凝土抗冻性检测的方法切实可行，可用于水工混凝土的耐久性评估。

冲击回波法；混凝土；动弹性模量；耐久性

影响水工混凝土耐久性的主要因素有冻融循环、干湿交替、冷热变化以及酸、盐有机物等的化学侵蚀，其中以冻融循环作用对混凝土的破坏最为严重。《水工混凝土试验规程》(SL352-2006)中规定以混凝土试件承受冻融循环试验后其质量指标下降的情况来评定耐久性的优劣。规程中抗冻性试验结果的评价指标有两种：相对动弹性模量下降到初始值的60%或质量损失率达到5%时，即可认为试件已达破坏，并以相应的冻融循环次数作为该混凝土的抗冻等级[1-2]。对于普通混凝土(未添加引气剂)，随着冻融次数的增加，动弹性模量下降40%时失重率为负值，这是因为混凝土尚未产生剥蚀，吸水率增加导致。因此对于普通混凝土特别是结构性混凝土，用质量损失率作为混凝土冻融破坏的评估指标就不一定合适了。动弹性模量与材料自身的性质密切相关，既可以表现出试件整个体积的动弹性模量平均值，也可以反映材料局部的破损情况，因此试验室常以相对动弹性模量值作为混凝土耐久性优劣的主要评价指标[3-4]。

现行的《水工混凝土试验规程》是通过测试混凝土试件的自振频率来计算动弹性模量，原理是使试件在一个可调频率的周期性脉冲力作用下产生受迫振动，根据共振频率和振动衰减系数计算混凝土动弹性模量的值。但测试过程中，随着冻融次数的增加，测试的自振频率数值容易出现先减小后增大的现象，而当相对动弹性模量下降较大时也很难正确读取自振频率的数值，且此法对试件的尺寸有一定的要求，主要用于室内混凝土抗冻性的测试，还不能用于现场混凝土结构的检测。因此研究一种既能用于试验室标准试件的抗冻性测试又能用于现场混凝土结构实际抗冻性的检测技术，对于水工混凝土结构的质量检测和耐久性评价都有重要的意义。本文运用冲击回波法，通过弹性波波速来反推混凝土抗冻试件的动弹性模量值，通过相对动弹性模量对混凝土抗冻性进行评价，为水工混凝土结构的耐久性评估提供了依据。

1 冲击回波法

冲击回波法是基于瞬态应力波的一种无损检测技术，自从20世纪80年代兴起以来，已成功的运用到许多不同类型混凝土建筑物的缺陷检测和质量评价中[5-7]。该法通过一次短暂-持续的力学冲击(通常为小钢球敲击，接触时间为15-80 μs)用来产生低频应力波并传播到内部结构，在缺陷处和外部边界中来回反射而引起瞬态共振响应。这些波反射引起的表面位移将会被靠近冲击位置的一个传感器所记录，位移随时间变化的结果会转化为振幅随频率变化的结果，即时域分析转化为频域分析。瞬态共振响应和振幅频谱图是由结构的几何尺寸和应力波波速所决定的。因此，可以通过频域分析确定实体结构的弹性波波速或厚度，进而确定结构的完整性及缺陷的位置[8]。

冲击回波法一般由激振锤激发，高灵敏度的传感器接收，激振能量大且集中，能够穿透10 m左右的混凝土，现场操作方便、适用性强、测试深度显著提高。随着电子技术的发展，检测设备的激振、接收、采集、分析手段有了很大的进步，测试结果受介质和环境条件的影响较小，保证了较高的测试精度和测试效率。

对抗冻试件弹性波(P波)波速的测试采用日本土木学会推荐使用的[9]与美国材料与试验协会ASTM标准类似的重复反射法(即冲击回波法)[10]。将试件平放在海绵垫上，以保证在冲击响应时试件的自由振动，在端部位置进行冲击激励产生弹性波，经试件反射拾振器接收信号，利用信号处理方法和频谱技术抽出壁底部的反射信号，来测试弹性波在混凝土中的传播速度Vp。美国试验材料学会在C1383和C215规范中分别阐述了使用冲击回波法测试波速和自振频率的基本概念、基本步骤和计算分析方法，通过公式推导，可以将冲击回波法测试的波速值与结构的自振频率、动弹性模量联系起来。

我国现行的《水工混凝土试验规程》关于混凝土动弹性模量试验是借鉴ASTM C215规范[11]。C215规范中棱柱体试件横向、纵向动弹性模量按公式(1)、(2)计算，C1383规范中定义了P波波速的计算公式(3)，即两倍的构件厚度与P波厚度频率[10](FFT频谱图上的卓越频率，理论上与试件纵向自振频率相同)的乘积，将公式(3)频率f(等同于n′)带入公式(2)中，可推出公式(4),而公式(4)是声学基础中在一维条件下传播的波速Vp1，所以用冲击回波法测试P波波速来推求动弹性模量的方法与国内规程是一致的，且测得的棱柱体试件波速是一维波速。

(1)

(2)

Vp=2f×c

(3)

(4)

其中Ed为动弹性模量，GPa；M为试件质量，kg；n、f(或n′)分别为试件横向自振频率、纵向自振频率，Hz；T为取决于试件边长比和泊松比的修正系数；L(或c)、b、t分别为试件的长、宽、高，mm(或m)；Vp(Vp1)为P波(一维)波速，m/s；ρ为材料的密度，kg/m3。

本文应用混凝土结构多功能无损测试仪测试标准抗冻试件的弹性波波速。测试时，标准抗冻试件选用直径为17 mm不锈钢球做激振锤，而全级配抗冻试件由于尺寸较大，能量衰减较快，故选用直径为30 mm不锈钢球做激振锤。以标准抗冻试件为例，受信点位于端面中心，沿端面对角线布置4个激振点且与受信点的距离均为3 cm，每个激振点至少激振两次以保证每个受信点能拾取到两个有效数据，计算机保存数据以待处理(如图1所示)。

图1 标准抗冻试件的弹性波波速测试Fig.1 Detecting the variation of wave velocities of concrete specimen

采集数据后，通过自带的处理软件进行解析，而试件纵向自振频率同样可以采用测试试件P波厚度频率即FFT频谱图上的卓越频率的方法来获得，从如图2可以清晰的看到卓越频率的峰值，峰值明显且分布相同，与两倍的构件厚度的乘积即可得到弹性波(P波)的波速。将峰值频率代入公式(3)中可得到波速Vp，图2中峰值频率为4 993 Hz，棱柱体试件的长度为0.4 m，则波速Vp=2×T×f=2×0.4×4 993=3 994 m/s。

图2 冲击回波测试振幅频谱Fig.2 Amplitude spectrum for a valid impact-echo test

2 试验研究

根据《水工混凝土试验规程》，混凝土冻融试验以混凝土实体试件进行，制备龄期为180 d的水工混凝土试件(成型标准抗冻试件和全级配抗冻试件，尺寸分别为100 mm×100 mm×400 mm和400 mm×400 mm×1 600 mm)和龄期为28 d不同配合比下基准、引气混凝土试件(成型标准抗冻试件)。采用国产的混凝土冻融试验机设备，以快冻法进行，冻结时混凝土试件的中心温度为-170C±2 ℃，融化时试件中心温度为80C±2 ℃，标准抗冻试件一次冻融循环为3 h左右，全级配

2.1 龄期为180d的某工程水工混凝土抗冻性试验

试验原材料为白鹤滩旱谷地料场灰岩粗、细骨料，华新(昭通)中热硅酸盐水泥，云南宣威电厂粉煤灰，ZB-1A减水剂和ZB-1G引气剂，配合比见表1。本试验按照上述配合比设计，同时成型标准抗冻试件和全级配抗冻试件，且在同一养护室养护至180 d龄期，试验条件和养护环境完全一致。按照规程进行试验，成型试件后养护180 d进行抗冻性测试，每隔25次冻融循环后测试自振频率和波速的变化，以3个试件试验结果的平均值为测试值，统计自振频率和波速并计算相对动弹性模量，标准抗冻试件测试结果见表2和图3，全级配抗冻试件测试结果见表3和图4。

表1 混凝土试验配合比

由表2和表3可知，混凝土试件的自振频率和弹性波波速随冻融循环的增加而逐步降低，标准抗冻试件在冻融循环次数达到250次时相对动弹性模量下降至初始值的61.2%，而全级配抗冻试件在冻融循环次数达到200次时相对动弹性模量下降至初始值的63.7%，且质量损失率均小于5%，则标准抗冻试件的抗冻等级为250次，全级配抗冻试件的抗冻等级为200次。造成这种差异的原因可能是全级配大试件中骨料与水泥石界面过渡区和微裂缝等薄弱环节较多，更容易受到侵蚀。为进一步研究混凝土在冻融循环过程中劣化的程度，将冻融循环分别延长至300次和225次，在同一图表中同时建立基于自振频率、波速的相对动弹性模量随冻融循环的变化关系，由图3和图4可以看出两条曲线基本重合，随着冻融循环次数的增加，两个数值同时减小且减小的幅度大体相同。

图3 测试参数与冻融循环次数的关系Fig.3 The variation of testing parameters under the freeze-thaw test

冻融次数n自振频率f/Hz波速Vp/(m·s-1)相对动弹性模量Pn/%基于波速的Pn/%Pn-Pn/%024354502100．0100．00．0252349436293．093．9-0．8502328434691．493．2-1．8752317433090．592．5-1．91002288426488．389．7-1．41252243422184．887．9-3．11502178411580．083．5-3．61752114396775．477．6-2．22002039378670．170．7-0．62251981363466．265．11．02501906363461．265．2-3．92751780345653．458．9-5．53001700325248．752．2-3．4

表3 抗冻性测试结果

注：- 表示因仪器送检未测定数值

图4 测试参数与冻融循环次数的关系Fig.4 The variation of testing parameters under the freeze-thaw test

2.2 不同配合比下基准、引气混凝土抗冻性试验

试验原材料为卡拉变质岩粗、细骨料，乃托硅酸盐水泥42.5，曲靖二级粉煤灰，萘系减水剂和引气剂，配合比及坍落度和含气量测试见表4。本次试验是在相同原材料(骨料、掺合料、水泥品种及外加剂品种)的情况下进行的，采用基准混凝土(未添加外加剂)和引气混凝土(添加减水剂、引气剂)的配合比设计，两种状态的混凝土水胶比分别为0.45、0.50、0.55。

试验按照规程规定执行，成型标准试件后养护28 d进行抗冻性测试，采用2.1相同的方法进行测试和计算。试件养护28 d后按照冲击回波法和共振法分别计算动弹性模量，入箱后每隔25次冻融循环后测试自振频率和波速的变化，建立基于自振频率、波速的相对动弹性模量随冻融循环的变化关系。由于测试的数据和结果较多，试件的抗冻性测试结果未能一一列出，仅把冲击回波法和共振法计算动弹性模量的结果(见表5)和基于自振频率、波速的相对动弹性模量随冻融循环的变化关系图(见图5)给出。

表4 混凝土试验配合比及坍落度、含气量测试

由表5可以看出，冲击回波法测得的动弹性模量Ed与传统的共振法测得的值大体相等，除SQ-5020组的差异为2.3%，其他各组差异均小于2%。测试结果受水灰比、引气量等因素的影响很小，这充分证明了冲击回波法可以有效的测试混凝土的动弹性模量Ed。

图5可以反映冻融过程中两种方法测试相对动弹性模量的变化，这对于定性、定量的评价混凝土的抗冻性是有重要意义的。对未掺气混凝土试件测试后，发现三组不同水胶比的混凝土试件SJZ-4520、SJZ-5020、SJZ-5520的抗冻性很差，在25次冻融循环后相对动弹性模量早已降低至60%，试件认为早已达到破坏，三组试件的抗冻等级也远低于25次，但为进一步研究混凝土严重冻融劣化时的性质将冻融循环延至50次。试验过程中，用动弹性模量测试仪测试试件编号组为SJZ5020和SJZ5520的自振频率时，读取的自振频率一直在波动，很难稳定读数，且每次读取的数值均有较大变化，图5(b)和(c)中以多次读数的平均数值作为测试的结果，这是有一定误差的。而用冲击回波法测试的混凝土试件频谱图易读取，解析的波速值比较稳定，能较好的反映冻融循环中混凝土试件内在性质的变化。对于掺气混凝土试件SQ4520、SQ5020、SQ5520测试到300次时相对动弹性模量降低至90%左右，基于自振频率、波速的相对动弹性模量随冻融循环的变化关系曲线一直拟合的较好，下降的趋势和数值也是基本一致的。试验表明，利用冲击回波法测试的波速值既能推求混凝土动弹性模量，也能反映混凝土试件的抗冻性，特别是当混凝土冻融侵蚀严重时(相对动弹性模量降低至60%以下)，可以明显的读取弹性波的波速值，这为更好的研究混凝土试件抗冻性提供了一种新方法。

表5 冲击回波法和共振法在龄期28d时测得的动弹性模量Ed

图5 测试参数与冻融循环次数的关系Fig.5 The variation of testing parameters under the freeze-thaw test

3 试验结果理论分析及小结

上述试验结果表明，在对龄期为180 d的某工程水工混凝土进行抗冻性测试时，发现冲击回波法测试标准抗冻试件、全级配抗冻试件抗冻性的结果与规程中共振法的结果是基本一致的，基于自振频率和波速的相对动弹性模量随冻融循环的变化关系曲线拟好的较好，试件的自振频率、波速、相对动弹性模量均随冻融循环而逐步下降；在对不同配合比下基准、引气混凝土进行抗冻性测试时，发现冲击回波法测得的动弹性模量Ed与传统的共振法测得的值大体相等，冲击回波法可用于混凝土试件的抗冻性测试，且测试结果受级配、骨料、水灰比、引气量等因素的影响较小。按照规程中试验结果的处理，相对动弹性模量按公式(5)计算，以3个试件试验结果的平均值作为测试值。

(5)

其中Pn为n次冻融循环后试件相对动弹性模量，%；f0为试件冻融循环前的自振频率，Hz；fn为试件冻融n次循环后的自振频率，Hz。

(6)

(7)

由上述理论和计算公式可知，无论是基于自振频率的相对动弹性模量还是基于弹性波波速的相对动弹性模量的数值应该是相等的，即可得到公式(8)和(9)，这与试验得到的结果是近似一致的，说明基于冲击回波法来评价试验室水工混凝土抗冻性是有理论依据的。

(8)

(9)

《水工混凝土试验规程》中规定对于混凝土试件，宜测试其横向自振频率。共振法测试的数值为横向自振频率，推求的为横向动弹性模量。而冲击回波法测试的振幅频谱图可以确定试件的卓越频率(纵向自振频率)，进而推求纵向动弹性模量。共振法主要是在受迫振动下确定试件的自振频率，而冲击回波法主要靠传感器获取外荷载激励下试件的瞬态共振响应，获得卓越频率，进而推求弹性波波速和结构厚度。在测试室内混凝土抗冻性时，共振法测试自振频率时较为简单，可直接读取，但当自振频率下降较大时或相对动弹性模量下降至60%时测试结果易出现波动；冲击回波法测试是步骤略微繁琐，波速需要解析，但数值较为稳定，可重复性较好。总之，两种测试方法原理相似，却又不同，共振法主要是试验室控制的一种手段，不能用于现场混凝土结构，而冲击回波法可以在现场复制，通过测试弹性波波速来推求动弹性模量，进而对混凝土结构的耐久性做出评价。

4 结 论

冲击回波法可以有效的测试混凝土试件的动弹性模量，且与规程中规定的混凝土抗冻性试验测试结果是基本一致的，特别是在混凝土冻融破坏严重时，通过测试弹性波波速要比测试自振频率的抗冻性测试方法有更好的稳定性。冲击回波法中的应力波可以穿透混凝土结构，测试结果受介质内杂散波的影响很小，通过波速的转换，可以利用P波波速来表达混凝土动弹性模量，进而测试混凝土结构的抗冻性，为混凝土实体结构的耐久性检测和评价提供了一种新思路。

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Detecting durability of hydraulic concrete with impact echo method

SUN Qi-chen, LÜ Xiao-bin，YUE Yue-zhen，TIAN Jun-tao, KONG Xiang-zhi

(State Key Laboratory for Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, Department of Structures and Materials, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038，China)

The validity of using the impact-echo method to measure the dynamic elastic modulus of concrete for standard prismatic specimens was studied here. It was found that P-wave speed in a standard prism obtained with the impact-echo test agrees well with the theoretical one-dimensional P-wave speed, and the dynamic elastic moduli obtained using the impact-echo method are essentially equal to those using the conventional transverse resonant frequency method. Here, the impact-echo method was adopted to detect the variation of P wave velocities of concrete specimens with increase in freezing and thawing cycles, it was compared with the variation of the fundamental vibration frequencies of the specimens obtained with the resonance method. The parallel evaluation of the decline of relative dynamic elastic modulus was conducted using these two methods. The experimental results and theoretical analysis showed that using the impact echo method to detect the frost resistance of hydraulic concrete is feasible and the method can be used for durability assessment of hydraulic concrete.

impact echo method; concrete; dynamic elastic modulus; durability

中国水利水电科学研究院科研专项(结集1246);水利部“948”项目(201301)

2012-09-03 修改稿收到日期：2013-04-01

孙其臣 男，硕士生，1987年生

TU528.01

A

10.13465/j.cnki.jvs.2014.08.034