基于应力波的混凝土抗压强度无损检测试验研究

尚新想，谢友均，马昆林，龙广成

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

混凝土是一种重要的土木工程建筑材料，用量巨大，其强度关系着整个工程结构的安全。从1930年开始，研究人员便尝试将不破坏混凝土结构性能的无损检测技术与之结合，力图实现对现场工程结构抗压强度的连续有效检测。目前，超声波测试混凝土抗压强度已相对成熟，DEMⅠRBOĞA等[1]发现大体积矿物掺合料混凝土的抗压强度与超声波波速之间满足相关程度达0.96以上的幂指数关系；赵望达等[2]发现环形混凝土电杆的抗压强度与超声波波速之间满足线性方程；WANG等[3]发现再生废弃液晶玻璃混凝土的抗压强度与超声波波速之间呈非线性关系；GHOSH等[4]发现聚合物混凝土的抗压强度与超声波波速之间满足线性关系。以上研究结果表明，超声波在混凝土内部的传播速度与各组分的性质密切相关，在不同种类的混凝土上呈现不同的关系。同时，高频的超声波易受混凝土内非均质性和钢筋等影响而引起复杂的反射和散射[5-6]。因此，研究人员开始发掘其他无损检测技术在测试混凝土抗压强度上的应用：孙其臣等[7]发现冲击回波法测试混凝土动弹性模量的结果与传统共振法大致相等；张景奎等[8]通过测试不同尺寸、不同强度的素混凝土和钢筋混凝土，发现28 d后的龄期和强度对冲击回波波速影响不大；SAJID等[9]发现冲击共振波在估算混凝土砌体单元抗压强度上比超声波要可靠；JIANG等[10]研究了自密实混凝土充填层在不同龄期下的冲击回波频谱，准确换算出冲击回波在不同龄期自密实充填层中的波速。CARINO[11]提出的冲击回波法，是一种依靠机械冲击来产生瞬态低频应力波的无损检测技术。它克服了超声波易受混凝土内部钢筋影响的缺点[12]，也解决了冲击共振波不可单面检测的难题，此外，冲击回波法测试无需耦合剂，能在现场的钢筋混凝土结构检测中发挥较大作用。冲击回波同超声波和冲击共振波一样，均属于应力波，但在混凝土抗压强度的检测上却鲜有研究。本文借此对不同配比的混凝土进行相关实验，建立混凝土抗压强度与3种应力波波速之间的关系式，比较3种应力波波速的特性，探讨冲击回波法检测混凝土抗压强度的可行性。

1 试验

1.1 原材料及配合比

试验选用42.5级普通硅酸盐水泥，聚羧酸系减水剂，细骨料选用级配合格的Ⅱ区河砂，细度模数2.7，表观密度2 630 kg/m3，粗骨料选用级配合格的破碎石灰石，最大粒径25mm，表观密度2 680 kg/m3。

进行C30～C50强度等级的4个系列的混凝土设计和试件制作，其配合比如表1所示。其中：系列A和系列B分别为C30和C35强度等级，减水剂掺量均为胶凝材料总质量的0.3%；系列C为C40强度等级，矿粉掺量为胶凝材料总质量的20.7%，减水剂掺量为胶凝材料总质量的0.5%；系列D为C50强度等级，矿粉掺量占比同系列C，减水剂掺量为胶凝材料总质量的0.8%。

表1 混凝土配合比Table 1 M ix proportion of concrete kg/m3

1.2 试件制备

每一强度等级均成型100 mm×100 mm×100mm的立方体试件和100mm×100mm×300mm的棱柱体试件，3个一组进行不同龄期的强度测试、超声波测试和冲击共振测试。同时成型长×厚×高为1 200mm×250mm×1 200mm的试验墙，在相同龄期进行冲击回波测试。试件拆模后，均放置在相同的室外环境下养护。

试验墙制作简介：1 200mm的高度均分成由上到下的C30～C50 4个强度等级，每一强度等级的混凝土分2层浇注，即浇注150mm振捣密实后再浇注下一层。

1.3 试验方法

1.3.1 强度测试

图1给出了混凝土抗压强度测试示意，选用TYA-2000E型微机控制恒加载压力试验机，按《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T50081 2019)[13]进行试验。3个试件一组按龄期测试，加载速度为0.5MPa/s。

图1 混凝土抗压强度测试Fig.1 Testof compressive strength

1.3.2 超声波测试

图2给出了混凝土超声波波速测试示意，选用HS-SB1W型波速测试仪，参数设置为0.1μs采样率、1 K采样字节、250 V脉冲电压和5μs脉冲宽度。实验中需将HS-4810P10纵波换能器和试件两面测试点均匀地涂抹一层凡士林，并用一圆铁块保持稳定的换能器压紧力，使换能器与试件之间进行良好的耦合并上下对准。

图2 混凝土超声波波速测试Fig.2 Testof U ltrasonicwave velocity

1.3.3 冲击共振波测试

图3给出了混凝土共振频率测试示意，采用美国标准规范ASTMC215中的冲击振动法[14]：通过小锤敲击试件端部，使试件产生纵向振动，振动频率信号由另一端涂抹耦合剂的传感器接收，通过Emodumeter仪器的分析和计算，可以直接输出共振基频数据。

图3 共振频率测试Fig.3 Testof resonance frequency

试件纵向共振基频与动态弹性模量Ed之间的函数关系如式(1)所示。式中，D=4(L/bt)，为试件尺寸，m-1；L为试件长度，m；b为试件横截面的长，m；t为试件横截面的宽，m；M为试件质量，kg，保留一位小数；n为纵向共振频率，Hz。

孙其臣等[7]指出一维均质弹性体的动弹性模量和冲击波速vP满足式(2)，其中ρ为试件的表观密度。将式(1)和式(2)联立，可得冲击共振波的波速如式(3)。

1.3.4 冲击回波测试

冲击回波法是用小钢球等机械冲击方式在混凝土表面进行冲击，产生包括纵波(P波)、横波(S波)和表面波(R波)在内的冲击应力脉冲，产生的表面波沿敲击表面传播，纵波和横波以球面波在敲击表面的垂直方向传播[15]。遇到波阻抗有差异的界面时，纵波和横波会发生反射；反射波到达混凝土敲击表面时，就产生瞬态共振位移[16]。已有研究证明当检测点靠近冲击点0.2～0.5倍深度时，纵波引起的位移变化大于横波[17-18]，加上纵波在混凝土内部的传播速度快于横波，故纵波的多次反射信号在测试中占据主要地位。

图4给出了此次试验的测试系统，系统由带有弹性柔杆和传感接收器的小车及电脑组成。弹性柔杆用作产生应力波的机械冲击途径，接收传感器采集反射波信号，二者处于同一检测面；电脑用作信号处理与输出数据。图5给出了试验测点的分布，位于每一强度等级混凝土层的中间并间隔100mm。

图4 冲击回波法测试系统Fig.4 Basic principle of impactechomethod

图5 冲击回波测点分布Fig.5 Distribution of impactechomeasuring points

当接收到的发射波信号主要由传播距离—墙厚度引起时，FFT变换得到的频域曲线会出现一个高峰值，对应的频率称为“厚度频率”，可由式(4)计算。式中，f为厚度频率；T为实心板厚；CPP为纵波通过板厚的速度，与纵波的波速之间存在一个系数关系，板式结构中取CPP=0.96CP。也因如此，得到测定纵波波速的方法：已知厚度，由测得的厚度频率来反推波速。

2 结果与分析

2.1 龄期对应力波波速的影响

图6给出了混凝土抗压强度和应力波波速与龄期的关系，其中，图6(a)为4个设计强度等级(系列A～D)混凝土抗压强度与龄期的结果，由图6可知：随着龄期的增长，混凝土抗压强度均增大；在龄期相同时，设计强度等级越高的混凝土抗压强度较高。28 d龄期时，A，B，C和D组混凝土抗压强度分别为37.7，39.7，54.6和61.0MPa，满足本研究设计要求。

图6(b)，6(c)和6(d)为混凝土超声波波速、冲击共振波波速和冲击回波波速与龄期之间的结果，由图6可知：3种应力波波速均随着龄期的增加而增大，超声波的增长波动性较大；在相同龄期时，设计强度等级越高的混凝土具有更高的应力波波速；同一龄期下，混凝土的超声波波速要明显高于冲击共振波波速和冲击回波波速。

图6 混凝土抗压强度、应力波波速与龄期的相关关系Fig.6 Correlation betw een concrete compressive strength，tresswave velocity and age

随着龄期的增长，混凝土内部结构逐渐密实，抗压强度随之增长，应力波在混凝土内部传播时受到的干扰减弱，从而获得更大的波速。

2.2 设计强度等级对相关关系的影响

图7为不同设计强度等级下应力波波速与混凝土抗压强度相关关系的结果。由图7可知：在设计强度等级相同时，应力波波速随着抗压强度的增长而增加；设计强度等级较低时，如C30和C35，超声波波速和抗压强度之间并不适合线性关系，线性相关程度明显弱于冲击共振波波速和冲击回波波速；设计强度等级较高时，如C40和C50，超声波波速和抗压强度之间满足线性关系，线性相关程度高于冲击共振波波速和冲击回波波速；在4种设计强度等级下，冲击共振波波速和冲击回波波速均与抗压强度满足较好的线性关系。

图7 不同设计强度等级下(系列A～D)应力波波速与混凝土抗压强度相关关系Fig.7 Correlation between stresswave velocity and concrete compressive strength under differentdesign strength grades(From seriesA to D)

设计强度等级较低(如C30和C35)时，混凝土内部会因较大的水灰比而导致结构密实程度较弱，超声波传播时受干扰程度严重，与抗压强度增长的线性相关关系不强；设计强度等级较高(如C40和C50)时，混凝土内部会因较低的水灰比和外加剂而导致结构密实程度较强，超声波传播时受干扰程度较低，与抗压强度增长的线性相关关系较强；冲击共振波和冲击回波均是由机械振动产生的应力波，冲击回波利用应力波的反射实现单面检测，其能量也会在反射中减弱，从而导致波速降低，但仍能较好地表征混凝土抗压强度。

2.3 抗压强度与应力波的关系

图8为混凝土抗压强度与应力波波速之间的关系结果，8(a)，8(b)和8(c)分别为超声波波速、冲击共振波波速和冲击回波波速。由图8可知：混凝土超声波波速、冲击共振波波速和冲击回波波速均随着抗压强度的增加而增大，二者有着很好的相关性；数据点整体位于抗压强度20～60 MPa，应力波波速3 300～4 700m/s区间；在较低抗压强度时，混凝土超声波波速明显高于3 700m/s，冲击共振波波速与冲击回波波速均大于3 300m/s；相同混凝土抗压强度条件下，冲击共振波波速和冲击回波波速接近，大致为超声波波速的0.9倍。

图8 混凝土抗压强度与应力波波速相关关系Fig.8 Correlation between concrete compressive strength and stresswave velocity

混凝土抗压强度越高，其内部孔隙等缺陷较少、结构更加密实，应力波传播时便获得较大的波速，二者之间存在明显的相关关系。混凝土抗压强度与每种应力波波速之间有24组平均值有效数据，分别将之拟合，式(5)给出了混凝土抗压强度与超声波波速的拟合关系式，式(6)给出了混凝土抗压强度与冲击共振波波速的拟合关系式，式(7)给出了混凝土抗压强度与冲击回波波速的拟合关系式。从拟合的关系式中可知：混凝土抗压强度和3种应力波波速之间均满足一次线性关系式，且线性相关程度均较强、在0.92以上，但关系式仅适用于20～60MPa的结构混凝土。

3 结论

1)混凝土应力波波速随龄期的增加而增大，相同龄期时，设计强度等级高的混凝土应力波波速较大；相同混凝土抗压强度条件下，冲击共振波波速和冲击回波波速接近，是超声波波速的0.9倍左右。

2)超声波波速与混凝土抗压强度之间的线性相关程度在稳定程度上弱于冲击共振波和冲击回波，易受设计强度等级的影响，在较低设计强度等级时偏向于非线性关系。

3)超声波、冲击共振波和冲击回波均能良好地表征20～60MPa混凝土的抗压强度，且具有较高的线性相关性，相关系数分别为0.951 84，0.922和0.928 47。

4)混凝土抗压强度与冲击回波波速之间的线性关系不易受设计强度等级影响，始终保持较高的相关程度；结合其可单面检测和几乎不受钢筋影响的特点，冲击回波法将为钢筋混凝土结构质量的高效、可靠检测评价提供强有力支持。