冲击回波法定量评估低强和高强混凝土荷载损伤

丁勇楠，李曙光，田军涛，陈改新，卿龙邦

(1.河北工业大学土木与交通学院，天津300401；2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038)

0 引 言

混凝土在机械荷载作用下的损伤破坏过程是内部微裂纹的萌生和扩展过程。目前常用的评价混凝土荷载损伤程度的无损方法有超声波波速法和冲击回波法。国外学者Shokouhi等[1]研究了声波表面波速随应力增长的变化曲线；国内学者王怀亮等[2]研究了不同尺寸混凝土在受压状态下的超声波波速变化规律；朱劲松等[3]研究了双轴压疲劳荷载下超声波波速的变化规律。然而超声波波速法受混凝土含水量、钢筋等因素的影响比较大[4，5]，因此应用受限。冲击回波法作为20世纪80年代兴起的一种混凝土无损检测技术，目前已广泛应用于混凝土厚度和内部缺陷的检测。Lu X等[6]采用冲击回波法测试了混凝土动弹性模量，发现其结果与传统共振法是一致的，证明了冲击回波法测试动弹性模量的有效性；张建纲等[7]初步研究了不同压缩荷载水平下混凝土内部弹性波波速的变化，但其研究对象只是抗压强度约40MPa的混凝土。

本文采用冲击回波法对经过不同水平单轴压缩荷载加载后低强(C15)和高强(C70)混凝土的弹性波波速进行研究，并通过弹性波波速表征混凝土内部的损伤程度，研究荷载损伤下不同强度混凝土内部损伤发展过程的异同。

1 试验方案

1.1 试验过程

低强混凝土(LS系列)和高强混凝土(HS系列)均采用42.5普通硅酸盐水泥，萘系减水剂和ZB-1G引气剂。LS系列混凝土采用Ⅱ级粉煤灰，细骨料为河砂，粗骨料为最大粒径30 mm的天然卵石；HS系列混凝土采用Ⅰ级粉煤灰，细骨料为天然砂，粗骨料为最大粒径40 mm的人工碎石。LS和HS系列混凝土配合比见表1。

表1 混凝土配合比

制作成100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件。试件放入20 ℃，相对湿度95%的标准养护室中养护。养护完毕后取出，进行弹性波波速测试，获得未受荷载前的弹性波波速。按照《水工混凝土试验规程》进行抗压强度试验，得到LS和HS系列抗压强度分别为17.4 MPa(测试龄期6个月)和75.4 MPa(测试龄期2年)。

将LS和HS系列的每组(3块/组)试块通过全自动压力试验机以0.5 MPa/s的加荷速度分别加载到该系列混凝土抗压强度的10%、20%、30%、50%、70%、80%，每个荷载加载一次，卸载后再次进行弹性波波速测试。

弹性波测试所用的冲击波测试系统为四川升拓公司生产的混凝土弹性波测试系统，其基本原理见参考文献[8]。进行弹性波波速测试时，每个试块在垂直于加载方向的2个方向(h1和h2)分别测试一次，在平行于加载方向的方向(p)测试一次，测试方向见图1。

图1 弹性波测试方向示意

1.2 荷载损伤度

参考赵霄龙[9]和Ohtsu等[10]通过超声波波速构筑损伤变量的方法，将测试所得的混凝土弹性波波速转化为荷载损伤度，计算公式为

(1)

式中，DL为荷载损伤度；v0和、v′分别为承受荷载前、后混凝土的弹性波波速。DL的取值范围为0～100%，即未承受荷载混凝土的损伤度为0，完全破坏混凝土的损伤度为100%。

2 结果分析

弹性波波速测试结果见表2、3。编号中的10表示所经受的荷载为抗压强度的10%。

2.1 LS与HS系列弹性波波速对比

对LS与HS系列每个荷载下3个弹性波测试方向共9个试块的弹性波波速求平均值，接下来再进行归一化处理。图2为处理后的LS和HS系列波速结果，纵坐标表示同一荷载下加载后波速(vi)与加载前波速(vs)的比值。

结合表2、3与图2对LS和HS系列弹性波波速变化进行分析：

(1)由图2得到，低强和高强混凝土弹性波波速随荷载的增加而逐渐减小，但其减小速度有明显差异。荷载从0增加到80%的过程中，高强混凝土弹性波波速下降了35%(由3.55 km/s降低至2.29 km/s)，而低强混凝土仅下降了20%(由2.85 km/s降低至2.29 km/s)。弹性波波速对高强混凝土内部的荷载损伤变化更为敏感。

表2 LS系列弹性波测试结果 km/s

图2 LS、HS系列弹性波波速变化曲线

(2)虽然在无损状态下，高强混凝土的初始弹性波波速要远大于低强混凝土的初始弹性波波速；但在80%抗压荷载水平下，两者的弹性波波速相近，均约为2.29 km/s。

(3)随荷载增加，LS和HS系列的弹性波波速与测试方向并无相关性。与图2进行比较，可以看出两个系列各方向弹性波波速的变化趋势与两个系列平均弹性波波速的变化趋势保持一致。

2.3 LS与HS系列损伤度对比

LS与HS系列的损伤度是由每个荷载下3个弹性波测试方向共9个试块的损伤度求平均值得到，如图3所示。图3中文献[4]损伤度发展曲线是将文献[4]中波速变化按照式(1)计算得到。

由图3可知：

(1)低强和高强混凝土损伤度随荷载的增加而逐渐增大，但其损伤发展过程是不同的。当荷载增加到80%时，低强混凝土的损伤度增加到36.7%，高强混凝土增加到56.6%。高强混凝土的损伤度在20%荷载之前与低强混凝土相近，但在20%荷载后明显高于低强混凝土。

表3 HS系列弹性波测试结果 km/s

图3 LS、HS系列损伤度变化

(2)随着荷载的提高，低强混凝土的损伤度发展存在一个拐点(30%载荷处)，但高强混凝土不存在拐点。在低荷载(10%～30%)阶段，混凝土内部损伤度较低且变化不大(分别为6.8%、11.6%、7.7%)；当荷载超过30%时损伤度快速增大，荷载50%～80%的损伤度分别快速增加至20.9%、29.4%、36.7%。与低强混凝土相比，高强混凝土不存在明显拐点，损伤度随荷载的增加快速增长，荷载由10%增加到70%时，损伤度从4.9%快速增加至54.3%，之后缓慢增加至56.6%。

(3)低强混凝土损伤度随荷载的提高存在拐点的结论与文献[4]的结论相似。两者在低荷载水平阶段损伤度均较低且变化不大，且在80%荷载时，损伤度数值相近。不同的是，文献[4]中混凝土的损伤度发展拐点在60%荷载处，而本文混凝土发展拐点在30%荷载处。其原因推测与混凝土强度有关，本文混凝土强度17.4 MPa明显低于文献[4]中的混凝土强度44MPa。

(4)经典混凝土力学认为荷载小于30%时可认为混凝土一直处于弹性阶段[11]，根据本文研究，该假设对于普通强度混凝土有一定的合理性，但对高强混凝土并不适用。

2.4 LS与HS系列损伤度方向性分析

为验证测试方向对损伤度的影响，每个试块均选取了3个不同的方向进行测试。LS和HS系列不同测试方向损伤度变化见图4。由图4可知，荷载从低到高，LS和HS系列的损伤度与测试方向并无相关性。图3、4进行对比可知，两个系列各方向损伤度变化趋势与平均损伤度变化趋势一致；LS系列各方向损伤度与平均损伤度的平均偏离为2.7%，最大偏离为20%荷载时h2方向的7.6%；HS系列各方向损伤度与平均损伤度平均偏离为1.2%，最大偏离为80%荷载时h2方向的5.4%。两个系列混凝土3个方向损伤度变化均在合理范围之内，也表明混凝土的受压损伤是各向同性的。

图4 LS、HS系列不同测试方向损伤度变化

3 结 论

应用冲击回波法对不同强度混凝土的荷载损伤进行了研究，结果分析表明：

(1)低强和高强混凝土弹性波波速均随荷载的增加而减小，但高强混凝土弹性波波速的下降速度要大于低强混凝土。高强混凝土无损弹性波波速要远大于低强混凝土，但经受80%荷载后，两者弹性波波速相近。

(2)低强和高强混凝土损伤度均随荷载的增加而增大。荷载在20%以前两种混凝土损伤度数值接近，大于20%时高强混凝土的损伤度明显高于低强混凝土。

(3)低强混凝土损伤度发展在30%荷载处存在拐点，而高强混凝土损伤度随荷载的增加快速增长，不存在发展拐点。荷载小于30%时混凝土处于弹性阶段这一假设对普通混凝土有一定合理性，但对高强混凝土并不适用。

(4)随荷载的增加，两种混凝土弹性波波速与内部损伤度的变化与测试方向没有相关性，说明低强和高强混凝土的受压损伤是各向同性的。