自密实混凝土超声波声时及波幅影响因素研究

张明华，陈敬，凯乐，徐心舟

（1重庆建工建材物流有限公司，重庆 401122；2重庆市建筑材料与制品工程技术研究中心，重庆 401122）

0 引言

超声波无损检测技术是一种方便、简单、准确的检测混凝土内部缺陷的无损检测技术。在测试自密实混凝土内部缺陷时，容易受到环境、试件等各种因素的影响，从而影响测试精度。试件的温度、强度等级、含水率、钢插件、测试仪器[1-3]等都会造成超声波测试数据的偏差，但是关于自密实混凝土缺陷检测可行性和定量分析的研究较多[4-6]，而对于影响因素的研究很少，所以本文探究了混凝土含水率、强度、钢板厚度和数量若干因素对超声波声学参数的影响程度。

当超声波在不同界面传播时，一部分会透过界面继续传播，一部分进行反射和折射[7-8]。当超声波通过不同物质状态的介质时，会表现出不同的声学现象。通过传播速度、传播时间、首播波幅、频率等声学参数，可以判断介质的物质状态。

1 原材料与试验方法

1.1 试验目的

探究含水率、混凝土强度等级、钢插件等因素对超声波检测自密实混凝土时的影响，通过对声速、波幅数据的分析，从而确定各项因素的影响程度，为超声波检测提供一定的理论参考依据。

1.2 测试仪器

测试仪器具体型号如表1所示。

表1 超声波检测器性能介绍

1.3 原材料

采用强度等级42.5的水泥、粉煤灰选用Ⅱ级灰、S95矿渣粉，选用级配良好的卵石机制砂和河砂；选用5～10mm、10～16mm的分级配碎石；选用自密实混凝土专用聚羧酸系高性能减水剂，减水率不低于30%；拌和水采用生活用自来水。

1.4 试验方案及配合比设计

1.4.1 自密实混凝土配合比

试验采用自密实混凝土，具体配合比如表2所示。

表2 配合比设计

1.4.2 试验方案

超声波在混凝土和水中传播会发生声学参数的变化，试件的含水率会影响超声波传播速度和波幅。为探究含水率对超声波声速和波幅的影响，制100mm×100mm×100mm试件，浸水96h，使其达到水饱和状态，取出试件，在100℃条件下烘干，间隔1h进行称重，计算其相对含水率，同时对每组试件进行超声波测试，直至试件达到恒重和无水状态，近似等同于其含水率为0。每组试件测试3次超声波数据求平均值。

混凝土内部一般都会有钢插件，超声波在遇到钢插件时会发生折射和透射，所以当混凝土内部埋有钢插件时，会影响超声波声学参数。人工设置厚度为 10mm、20mm、30mm、40mm的钢板和数量为1、2、3、4的厚10mm的钢板，具体布置如图1所示，每组试件测试3次超声波数据求平均值，分析钢插件尺寸和数量对超声波声时和波幅的影响。

图1 钢板分布图

2 试验结果与讨论

2.1 含水率对超声波声速的影响

混凝土含水率会影响超声波声速，以混凝土烘干状态下超声波声速值为基准数据，分析不同含水率下声速的增大值，具体数据如图2所示。

图2 含水率对混凝土超声波声速的影响

由图2可以看出，在不同强度等级，随着含水率的增大，声速值随之增大。当含水率从烘干状态到水饱和状态，C30混凝土超声波声速增大0.90km/s，C40混凝土为0.82km/s，C50混凝土为0.98km/s，C60混凝土为1.28km/s。在C30强度等级下，含水率在3.6%～4%区间时，超声波声速值增长迅速，声速区间增大值为0.15km/s；当含水率超过4%时，超声波声速增长缓慢，含水率在4%～4.8%区间时，声速区间增大值为0.10km/s；当含水率在4.8%～5.3%区间时，混凝土达到水饱和状态下，声速区间增大值为0.10km/s。在C40强度等级下，含水率在3.6%～4.1%区间时，声速区间增大值为0.18km/s；含水率在4.1%～4.6%区间时，声速区间增大值为0；含水率在4.6%～5.3%区间时，水饱和状态下，声速区间增大值为0.1km/s。在C50强度等级下，含水率在3.9%～4.1%区间时，声速区间增大值为0.3km/s；含水率在4.1%～4.6%区间时，声速区间增大值为0.08km/s；含水率在4.6%～5.0%时，混凝土达到水饱和状态下，声速区间增大值为0.18km/s。在C60强度等级下，含水率在3.75%～3.95%区间时，声速区间增大值为0.5km/s；含水率在3.95%～4.5%区间时，声速区间增大值为0.10km/s；含水率在4.5%～4.8%区间时，混凝土达到水饱和状态下，声速区间增大值为0.3km/s。在不同强度等级下，均有一含水率的临界区间，超声波声速随含水率变化不明显。当含水率增大时，试件内部自由水增多，超声波在水中传播速度大于空气，从而超声波传播速度也随之增大；含水率增加到一定程度，混凝土内部孔隙充满水，从而对超声波声速影响不大。但随着混凝土强度等级的提高，含水率对声速的影响程度增大。

2.2 含水率对超声波波幅的影响

混凝土含水率会造成超声波波幅的降低，为了直观描述含水率对超声波波幅的影响，以烘干状态下超声波波幅为基准值，分析不同含水率下波幅的相对降低值，具体数据如图3所示。

图3 含水率对混凝土超声波波幅的影响

由图3可以看出，随着含水率的增大，超声波波幅随之降低。当含水率从烘干状态逐渐变化为水饱和状态，C30混凝土波幅降低47dB，C40混凝土波幅降低28.6dB，C50混凝土波幅降低28.8dB，C60混凝土波幅降低40.2dB。在C30强度等级下，含水率在3.6%～4.0%区间时，波幅区间降低值为14.15dB；含水率在4.0%～4.8%区间时，波幅区间降低值为7dB；含水率在4.8%～5.3%区间时，波幅区间降低值为10.14dB。在C40强度等级下，含水率在3.7%～3.9%区间时，波幅区间降低值为9.4dB；含水率在3.9%～4.6%区间时，波幅区间降低值为1.97dB；含水率在4.8%～5.1%区间时，波幅区间降低值为5.88dB。在C50强度等级下，含水率在3.9%～4.1%区间时，波幅区间降低值为12.21dB；含水率在4.1%～4.6%区间时，波幅区间降低值为-1.42dB；含水率在4.6%～5%区间时，波幅区间降低值为5.64dB。在C60强度等级下，含水率在3.76%～3.86%区间时，波幅区间降低值为13.3dB；含水率在3.86%～4.5%区间时，波幅区间降低值为2.91dB；含水率在4.5%～4.8%区间时，波幅区间降低值为7.16dB。不同强度等级的混凝土均存在一定的含水率临界区间，波幅降低不明显，甚至会有上升的波动，属于波幅波动阶段。当含水率低于或超过波幅波动临界区间时，随着含水率的增大，对波幅的影响随之增大。

2.3 混凝土强度对超声波声速的影响

超声波声速受到混凝土内部致密程度的影响。随着胶凝材料的增加，骨料级配的优化，混凝土结构致密，从而影响超声波声速，但对波幅影响不大。所以，分别制备了C30、C40、C50、C60四个强度等级的试件，测试其7d抗压强度和超声波声速值，具体数据如图4所示。

图4 强度等级对混凝土超声波声速的影响

由图4可以得出，随着混凝土强度等级增大，7d抗压强度随之增大，超声波声速也随之增大。C30混凝土7d抗压强度为35.02MPa，C40为43.15MPa，C50为50.44MPa，C60为66.78MPa，在含水率为0的状态下，随着混凝土强度等级的增大，声速增长0.4 km/s；当含水率为5.3%的状态时，达到水饱和状态，声速增长0.8km/s。随着混凝土强度等级的增大，抗压强度随之增大，混凝土结构更加致密和均匀，降低了大骨料界面造成的声波散射、折射和绕射，所以超声波传播速度随之增大。

2.4 钢板数量和尺寸对超声波声速和波幅的影响

为了直观描述钢板数量和厚度对超声波声速和波幅的影响，以普通混凝土超声波声速和波幅为基准值，分析声速相对增大值和波幅相对降低值，具体数据如图5、图6所示。

图5 钢板厚度对混凝土超声波声速及波幅的影响

图6 钢板数量对混凝土超声波声速及波幅的影响

由图5可以得出，随着钢板厚度的增大，超声波声速值随之增大，钢板厚度由10mm增加到40mm，超声波声速增大值分别为0.016km/s、0.03km/s、0.06km/s、0.108km/s。10mm的钢板对超声波声速并没有太大的影响。钢板混凝土界面和测试距离会影响超声波声速，在同一测试距离时，超声波通过钢板混凝土界面时，超声波频率随之降低，从而降低声速。超声波在钢板中的传播速度大，随着钢板厚度的增大，可以中和超声波声速降低的影响，所以当钢板尺寸为10mm时，声速值变化不大。但随着钢板厚度的增大，声速值会随钢板厚度的增大而增大。

随着钢板厚度的增大，超声波波幅随之降低。当钢板厚度从10mm增加到40mm时，超声波波幅降低值分别为5.13dB、5.88dB、6.3dB、7dB。当遇到钢板和混凝土结合面时，一部分超声波发生折射，一部分透过钢板和混凝土结合面继续传播，从而造成波幅的减小。随着钢板尺寸的增大，透射钢板造成的能量损失增大，从而使波幅减小程度增大。

由图6可以得出，钢板数量对超声波声速影响不大。钢板从1块增加到4块时，声速增加值分别为0.016km/s、0.0165 km/s、0.032km/s、0.0345km/s，钢板数量对声速值影响不大。由于钢板和混凝土的结合面会造成超声波频率的下降，当钢板尺寸为10mm时，加上钢板厚度对超声波声速提高不大，两者相互作用，对声速的影响可以相互抵消。所以，随着钢板数量的增多，声速值有所提高，但是影响不大。

随着钢板数量的增多，波幅随之降低。当钢板数量从1块增加到4块时，波幅降低值分别为5.13dB、5.97dB、6.1dB、7.9dB。当超声波透过钢板混凝土界面时，波幅会减小。当经过数量较多的钢板时，随着测试距离和厚度的双向影响，其波幅变化值并没有成倍数增长。

3 结论

（1）随着混凝土含水率的增大，声速随之增大，波幅随之降低。当混凝土从烘干状态到水饱和状态，C30混凝土超声波声速增 大 值 为0.90km/s，C40为0.82km/s，C50为0.98km/s，C60为1.28km/s，超声波波幅降低值分别为47dB、28.5dB、29dB、40dB。

（2）混凝土随着强度等级的增大，内部致密，抗压强度随之增大，超声波声速值也随之增大。在含水率为0时，随着混凝土强度等级的增大，声速增长0.4 km/s；当含水率为5.3%时，达到水饱和状态，声速增长0.8km/s。

（3）随着钢板厚度的增大，超声波声速值随之增大，波幅随之降低。钢板厚度由10mm增加到40mm，超声波声速增加值分别为0.016km/s、0.03km/s、0.06km/s、0.108km/s，钢板厚度对超声波声速的影响会受到钢板混凝土界面、测试距离的综合影响，所以当钢板厚度为10mm时，对超声波声速影响不大；超声波波幅降低值分别为5.13dB、5.88dB、6.3dB、7dB。随着钢板数量的增多，超声波声速值随之增大，波幅随之降低。钢板数量从1块增加到4块，声速增加值分别为0.016km/s、0.0165 km/s、0.032km/s、0.0345km/s，波幅降低值分别为5.13dB、5.97dB、6.1dB、7.9dB。当经过数量较多的钢板时，随着测试距离和厚度的双向影响，其声速和波幅变化值并没有成倍数增长。