应力波评价混凝土质量的影响因素分析

缪卓君

摘要：冲击振动回波法可以利用冲击振动所产生的应力波在混凝土内部传播过程中遇到病害、缺陷及边界时发生反射现象，分析传感器接收回波的信号和特征，推算出混凝土构件的厚度、强度等物理参数，进而评价出混凝土的质量。本研究基于混凝土中应力波的传播机理，对混凝土中应力波传播的主要影响因素进行分析。分析指出影响混凝土强度等级的各类原材料，均对应力波波速有一定影响，其中骨料类别对于应力波波速的影响最大。此外，为提高冲击振动回波法评定混凝土质量的精度，除降低人为因素的干扰，还可对测试面和钢筋的影响采用等效模量的方法加以修正。

关键词：混凝土;应力波;无损检测;影响因素

中图分类号：TU528文献标志码：A

0 引言

混凝土建筑物或构筑物在服役期间因其所处环境和气候条件的影响，常出现裂缝病害。裂缝的存在不可避免会影响结构的耐久性，缩短使用寿命，甚至危及结构安全[1-3]。为此，需要对混凝土建筑物的主要受力构件进行健康检测。工程上大都通过无损检测技术对混凝土建筑物的外观及强度进行检测，进而判断出结构物的质量和安全是否满足相关技术要求[4]。

常见的混凝土无损检测方法包括超声波法、回弹法、钻芯法和冲击振动回波法等。其中，冲击振动回波法是现阶段应用较为普遍的一种无损检测技术[5-6]。冲击振动技术（简称IE 技术），是美国和加拿大国家标准技术研究院联合研制开发的一种新的应力波法检测技术。经近20年的发展和完善，相继开发出了检测仪器（如图1 所示）及相应配套的应用软件[7-8]（如图2 所示）。应力波法检测技术的优点在于可单面测试，扩大了应用范围，可获得明确、直观的反射信号，测区布置灵活，不需耦合剂，测试方便。

冲击振动回波仪因其弹性波频率低，波长长，在结构混凝土质量检测评定过程中效果较好，而得到普遍应用。冲击振动回波仪通过在混凝土表面施加一个冲击力，形成的振动应力波在混凝土内进行传播，当应力波遇到介质界面后产生反射。根据被测混凝土构件的实际尺寸，可以得到应力波在混凝土中的传播速度。从而依据波的频谱分析，可以判定出频率值，最终评定出混凝土的强度[9]。由此可以看出，应力波在混凝土中的传播速度对评定混凝土强度起着决定性作用，为此，本论述主要研究分析混凝土中应力波传播的影响因素，以期提高冲击振动回波仪评定混凝土质量的精度。

2 影响应力波传播的因素

应力波评定混凝土建筑物的质量主要依据的是混凝土的抗压强度，为此可从影响混凝土强度因素入手考虑影响应力波传播的因素。本研究主要从混凝土原材料方面考虑，通过制备水泥组、粗骨料组、钢筋混凝土组等不同类别标准试块展开试验研究。试验过程中，将各组混凝土标准试块至于垫块上，除浇筑底面及其对应顶面外，四个侧面每个侧面均布置一个测点，并以测试点为中心，在该点以等间距60 mm 为半径选取四个点来测试应力波的波速，并以所测应力波速的平均值作为标准试块应力波波速代表值Vp。通过 P 波波速与其强度函数曲线进行转换可计算出混凝土试件的抗压强度，并将同组试块侧面放于压力机间，以（6±4）kN/s 的速度均匀连续加压直至试块破坏，得出实测混凝土试件抗压强度数据。通过对比各组实测数据和应力波推算出的强度数据即可分析出各因素对应力波传播的影响。

1 检测方法及原理

冲击振动回波法是利用冲击锤在混凝土结构物的表面进行敲击的激振方式，产成不同频率特性的应力波。该波主要包含压缩波（P波），剪切波（S波）和瑞利波（R波）这三种形式。应力波与地震波相同，P波穿透力最强，传播速度最快，常作为检测过程中的主要因素来评定混凝土质量。波速V，、弹性模量E、泊松比v、质量密度p的函数关系可用式（1）表示。

P波在传播时遇到病害、缺陷及边界时会出现反射现象，在冲击点附近放置一个传感器即可测试出该位置因多次反射的应力波而引起的表面振动响应。响应信号将以时间和位移的波形图表现出来，依据傅里叶变化和快速傅立叶變换式原理，可将其生成频谱图。其中，傅里叶频谱位移信号和频率。的函数关 （m）n系可用式（2）表示。通过分析传感器所接收回波的信号和特征，即可推算混凝土构件的质量。

2 影响应力波传播的因素

应力波评定混凝土建筑物的质量主要依据的是混凝土的抗压强度，为此可从影响混凝土强度因素入手考虑影响应力波传播的因素。本研究主要从混凝土原材料方面考虑，通过制备水泥组、粗骨料组、钢筋混凝土组等不同类别标准试块展开试验研究。试验过程中，将各组混凝土标准试块至于垫块上，除浇筑底面及其对应顶面外，四个侧面每个侧面均布置一个测点，并以测试点为中心，在该点以等间距60mm为半径选取四个点来测试应力波的波速，并以所测应力波速的平均值作为标准试块应力波波速代表值Vp。通过P波波速与其强度函数曲线进行转换可计算出混凝土试件的抗压强度，并将同组试块侧面放于压力机间，以（6±4）kN/s的速度均匀连续加压直至试块破坏，得出实测混凝土试件抗压强度数据。通过对比各组实测数据和应力波推算出的强度数据即可分析出各因素对应力波传播的影响。

2.1 水泥的影响

试验研究表明水泥品种和用量不同，使得混凝土强度发展规律不同，进而对混凝土中应力波速传播造成影响。在配合比相同的混凝土中，水泥品种不同，导致混凝土在早期强度有所不同;水泥用量不同，早期强度也不同，用量大的早期强度相对偏高。但到后期品种不同的水泥混凝土的强度发展趋势基本是一致的，从而推断出水泥品种对应力波在混凝土中传播的影响不是特别显著。

2.2 粗骨料品种的影响

弹性波波长较长，使得其测试的稳定性方面较超声波有很大的提高。根据学者的研究，当弹性波的波长大于混凝土中骨料直径的10倍以上时，骨料颗粒对弹性波的散射影响将大大降低。骨料种类的不同，对应力波速在混凝土中传播产生很大的影响。而碎石和卵石是在配制混凝土过程中通常采用的两种粗骨料。孙拴虎、唐先习[10]等人基于寒旱地区研究了混凝土的冲击回波法的测强公式，其中碎石混凝土的测强公式为 fi =0.04935Vp5.10649，卵石混凝土的测强公式为 fi =0.0235Vp5.62665 。通过对比可以看出，应力波在骨料自身中传播不同，加上碎石和卵石的表面情况完全不同，两者与混凝土的粘结情况也不同，在相同的配合比下，碎石的破碎面要多于卵石，与浆液容易形成包裹，可以保证混凝土的密实性，保证混凝土的强度，因而混凝土的强度较高。卵石因为表面光滑而粘结力不如碎石，混凝土强度较低。但应力波不能区分卵石和碎石的界面状况。因此，在相同波速的情况下，推算出来的平均强度就有所不同，所以骨料的类型不同是影响应力波在混凝土中传播的重要因素。

2.3 测试面的影响

当应力波速测点布置在浇筑方向的侧面时，因浇筑侧表面平整光滑，对应力波速影响不显著。当在构件浇筑的表面或底面检测时，由于会遇到浇筑表面或底面产生蜂窝麻面的情况，加之与侧面相比砂浆和石子分布不均匀，且测区打磨不平，影响应力波速传播。混凝土制作过程中混凝土底面和表面石子含量不均匀，也会影响应力波速传播。若以侧面测量为准，上表面或底面检测时则需对波速进行修正，从而可保证检测的精度。

2.4 人为因素的影响

由于操作人员的不规范操作，出现操作错误，导致试验时数据偏差大，不稳定，或者检测的数据无规律，误差太大，影响试验结果，影响应力波速传播，并且不能轻易判断检测结果是否可用，必须通过大量试验来验证，所以操作前应学习规范的操作仪器，学习相关理论知识，并且保证冲击回波仪器已校准好，且处于良好维护状态。操作人员科学合理的操作，把人为的影响因素降到最小。

2.5 钢筋的影响

应力波在混凝土中传播时，遇到钢筋会改变波速和传播路径。调查研究表明，对于钢筋混凝土结构中钢筋的影响，在检测中应采用等效模量的方法加以修正。在强度等级 C30的混凝土中改变1%的配筋率可以使波速提高大约1.02%。

3 影响测试精度的主要原因

3.1 传播波速的确定

通常，在已知厚度的地方，利用单面传播法对混凝土中的 P 波波速事先加以标定。已知厚度 T 与 P 波波速、频率值f 的函数关系，即 T =。但是，由于混凝土材质不是十分均匀，特别是当混凝土表层与内部混凝土材质差异较大时，原材料对波速的影响会更加明显。

3.2 反射时间的确定

当面积较大、构件较薄时，采用重复反射法是一种有效的手段。随着构件度的增加，反射信号逐步变弱、有效次数逐渐减少。同时，激振信号与反射信号开始分离，使得分辨反射信号成为可能的同时，頻谱分析的精度有所降低。

3.3 周围边界的影响

当构件面积不大，或测试位置与边界较近时，激振产生的弹性波在周围边界会反射。该反射波通常以表面波为主，对构件中波速的测试也有不可忽略的影响。

4 结论

混凝土中应力波的传播受到水泥类别、粗骨料品种、钢筋、测试面、人为因素等多方面的影响。其中，骨料与其他因素相比对应力波传播产生的影响较大。此外，检测时需选择最佳的方法，并认真分析影响因素，减少人为干扰。要求检测人员具有一定的专业技术水平，严格按流程操作。在进行数据整理时，对于一些偏差太大的数据，应采取舍弃的处理方法。分析出现这种大偏差情况的原因，检测时及时修正，以期保证检测数据的科学合理性。应力波法检测技术可以使混凝土构件保持原有的完整性。本研究通过对应力波在混凝土中传播的影响因素初步分析，可为应力波法更精确地检测混凝土强度起到一定的参考和指导作用。

参考文献：

[1]孙拴虎，唐先习，何勇，等. 基于西北地区道床板裂缝损伤等级的防裂治裂措施探讨[J]. 混凝土与水泥制品，2019（4） ：38-41.

[2]马泽琛，吴英红，周海鹏. 大体积混凝土裂缝控制[J]. 中国住宅设施，2021（10）：119-120.

[3]陈润. 建筑工程混凝土施工技术与质量控制措施研究[J].绿色环保建材，2021（10）：9-10.

[4]陆林军，余海帆，乔丕忠. 基于应力波传播机理的混凝土无损检测研究综述[J]. 力学季刊，2021，42（ 2）：197-216.

[5]张挺. 应力波在水工混凝土结构检测中的应用[J]. 水利科技，2015（3）：7-10.

[6]郑合营，侯爽. 压电智能骨料激励应力波在混凝土中传播规律[J]. 自动化与信息工程，2016，37（1） ：1-4，9.

[7]石绵靖. 关于结构混凝土耐久性无损检测技术研究[J]. 建筑与预算，2021（10）：95-97.

[8]石蒙，彭扬林，刘洪英，等. 冲击响应谱试验技术研究进展[J].环境技术，2021，39（5）：47-51，61.

[9]胡晓. 基于频谱分析的桥梁铰缝损伤检测方法研究[J]. 上海公路，2020（3）：60-63，72.

[10]孙拴虎，唐先习，何勇，等. 基于寒旱地区冲击回波法混凝土无损检测的试验研究[J]. 混凝土，2018（8）：22-26.