基于室内试验的冲击弹性波在水利工程混凝土检测中的应用

赵 杰

(新民市水利事务服务中心,辽宁 新民 110300)

0 引 言

我国水利工程数量众多,且规模较大,在提供生产及生活用水方面具有极其重要的现实意义[1-3]。随着现代化建设的逐步推进,水工建筑物规模不断扩大,成为经济发展中不可忽视的推动力量之一。混凝土易于成型、耐久性好,在交通、水利等工程领域得到广泛的利用[4-5]。在水工建筑中,混凝土性能优劣在很大程度上直接决定着水利工程的安全性。然而,因长期受到相对恶劣条件如大风、潮汐等自然因素的影响,使得钢筋混凝土结构遭到过早破坏,严重制约水利工程耐久性的提高[6-7]。同时,在正负温度交替下,冻融破坏现象频发,对水利工程安全性造成极大威胁。

目前,对混凝土结构的质量和耐久性进行检测依然采取传统方法,即通过现场钻芯取样,然后根据实验结果评估其参数是否符合标准。该方法虽然具有较高的精度,但缺乏全面性,且工作量较大。因此,本文在室内环境中将冲击弹性波作为检测手段,对该方法的检测过程及检测效果进行分析,以期为水利工程中混凝土结构的安全性能评估提供理论及实践支持,进一步优化检测的技术手段。

1 试件制备与测试

1.1 试验依据及装置设备

冲击弹性波是在外力打击(球形锤)下产生的,具有频率较低、能量较大的特点。该弹性波能够来回重复发射,主要发生地点为钢筋和混凝土结合面、混凝土底面[8-9]。在来回重复发射作用下,构件瞬态动力响应被完全激发,并在频谱图上显现出厚度的频率值。根据不同频率值,可以求得P波的传播速度,见图1。

图1 冲击弹性波基本过程示意

在冲击弹性波的计算中,波速通过式(1)求得:

VP=2·h·f

(1)

式中:VP为冲击弹性波的P波波速;f为厚度频率;h为构件的厚度。

根据冲击弹性波实施的基本过程,本研究在室内环境中进行模拟试验,并与超声波检测法进行比较。超声波检测法是利用超声波在混凝土内部出现的衰减和反射,通过判断接收的频率及首波振幅是否降低进行缺陷损伤判断的方法[10-11]。室内试验所需的全部装置设备包括5种,分别是冻融循环试验机、压力试验机、动弹性模量测定仪、超声波检测仪以及冲击弹性波测试仪。其中,冻融循环试验主要通过“快冻法”进行,快速冻融试验机为CABR-HDK9,并以25次冻融为循环,每个循环完成后均将冻融试件取出,获得相应参数再进行记录。压力试验机型号为YAW-2000D,动弹性模量测定仪为DT-20,用于共振法的测试中[12]。非金属超声波检测仪为超声波所需设备,冲击弹性波测试仪采用的是多功能无损测试仪SCE-MATS。室内试验的装置设备见图2。

图2 室内试验的所有装置设备

1.2 试验配比及方法

在横向共振法测试中,为实现全过程的自由振动,在相应的混凝土试件下安置厚20mm的泡沫板,且该泡沫板的成型面被设定为朝上。在试件侧面1/2处,发射器探头与其微微接触,接收器探头则在距端面5mm与其轻微接触。此外,将机油涂抹在两者的接触面,用以加强二者接触的紧密程度。在测试次数方面,每个试件均为3次,最后以平均值为准。在超声波对测法中,安放厚20mm的泡沫板,位于试件的下方。同时,测试面的中心放置传感器,发射器和接收器均在同一水平线上,且所有位置均是固定的。在进行按压时,为排除其他影响因素造成的误差,尽可能保证按压的压力相同。在冲击回波法测试中,试件的安放与超声波对测法保持一致,并配备直径17mm的激振锤,所有测试面均为正方形端面,数量为两个。传感器均被放置于测试面的中心,在两者接触处通过耦合剂来加强紧密度。在该部分测试过程中,所有测点均被敲击2次,最后取8个读数的平均值作为测试值。试验原材料均为普通混凝土,粗骨料为5～25mm碎石,细骨料采用中粗河砂,采用木质素磺酸钠作为引气剂。整个室内试验所需水源均为自来水,水泥采用P·O 42.5R型普通硅酸盐水泥。试验设置的水胶比对应A、B、C 3种混凝土,分别为0.55、0.50、0.50(掺引气剂),所有混凝土的原材料均保持一致。混凝土配合比见表1。

表1 混凝土配合比设计

所有混凝土的制备均包含立方体试块和棱柱体试件,数量分别对应1组和2组。立方体的规格100mm×100mm×100mm,棱柱体的规格100mm×100mm×400mm。在2组棱柱体试件中,一组为AX、BX、CX;另一组为AY、BY、CY。前者为7和28d的动弹性模量,后者为抗冻性能测试。

该部分试验内容分为两个方面:①通过3种方法,即共振法、超声波法和冲击回波法,分别测试AX、BX、CX在7和28d龄期时的横向共振频率、超声波波速和弹性波波速,由此求得动弹性模量。②对AY、BY、CY展开快速冻融循环测试,同样通过3种方法测试不同冻融循环次数试件,并求取相对动弹性模量,该过程需要对试件的质量变化进行记录。在计算动弹性模量时,冲击弹性波一维P波波速、超声波波速与其关系如下:

(2)

式中:V为超声波波速;Vp1为冲击弹性波一维P波波速;Ed1、Ed2分别为V与Vp1的动弹性模量。

在相对动弹性模量计算中,3种方法由式(3)求得:

(3)

式中:f0为初始横向共振频率;V0为初始超声波波速;Vp10为初始波速;fn为第n次冻融的横向共振频率;Vn为第n次冻融的超声波波速;Vp1n为第n次冻融的弹性波波速。

2 试验结果与分析

本研究在室内进行了共振法、超声波法和冲击回波法的动弹性模量测试,AX、BX、CX在7和28d龄期时的测试结果见表2。由表2可知,在龄期为7d的测试结果中,共振法测得的3组编号对应Ed值分别为34.96、36.87和38.06GPa;超声波法对应的Ed1值分别为41.70、43.46和45.35GPa;而冲击回波法所得分别为35.97、38.15和38.53GPa,明显低于共振法与超声波法之间的偏差。同时,结合28d龄期时的结果可知,超声波法测得的动弹模量最大偏差值达到21.58%,利用冲击回波法所得动弹模与共振法的差距十分微小,即二者保持了高度的一致性,大部分组别的偏差均保持在2%以内。

表2 龄期7和28d时3种方法的测试结果

综合所得测试结果可以发现,共振法、超声波法和冲击回波法在加入水胶比或引气剂等因素后,所得结果总体上与加入前保持了较高的一致性,表明这些因素对结果的影响十分微小,可以被忽略。同时,超声波法和冲击弹性波均能够有效测量动弹模。与共振法相比,两种方法的差距在于动弹模偏差,前者偏差相对较大,后者则更小。其原因是超声波速在传播过程中并非一直不变,而是会受到横向尺寸效应的影响,导致结果发生较大偏差。而对于冲击回波法来说,通过激振锤敲击,得到的波频率不高,相对较为微小。在此情况下,波长较长使得骨料粒径散射的作用难以发挥,且造成的影响较低,外界干扰被大大减弱,测试精度得到提升。因此,通过与超声波法的对比可知,冲击回波法求得的动弹性模量具有更高的精确度。

AY、BY、CY 3组试件的抗冻性测试结果见表3。从表3中3组试件对比可知,在冻融阶段一致的情况下,同一组试件的Pn1值均比该试件的Pn值更高,表明超声波波速对应所得相对动弹性模量与实际相比偏差较大。通过分析3组试件的Pn与Pn1值可知,两者之间的偏差均相对较大,并且在试件接近冻融破坏前后时,这种偏差呈现出加大的趋势。此外,在相同冻融阶段,对于同一组中的试件来说,其Pn值大部分都比其Pn2值更低,但这种差距相对微小,并未超过3%,基本保持一致。

表3 AY、BY和CY 的3组试件抗冻性测试结果

综合表3的抗冻测试结果可以发现,所有试件的质量损失率中,最大值为0.88%,均在1%以下,表明所有试件最终都出现了冻融破坏。由此可知,仅仅通过质量损失率这一指标对混凝土的抗冻性能进行评价是不够全面的,仍然存在局限性。同时,在同一冻融阶段,横向共振频率、超声波波速和P波波速3种方法得到的相对动弹性模量之间存在较大差异,而冲击回波法表现最好。

图3为AY、BY和CY 3组混凝土的相对动弹性模量变化曲线。由图3可知,AY、BY和CY 3组试件的Pn1、Pn和Pn2值变化趋势总体上具有高度的一致性,并且三者的下降速度均表现为先缓慢后增加的特点。同时可知,Pn和Pn2的吻合度相对较高,冲击回波法与共振法所得结果非常接近。此外,在冻融损伤接近临界值时,通过超声波法得到的读数会发生且保持较大波动,引起该试件在相邻次数测试间所得数值差距过大,降低了测试结果的精确度。而冲击回波法在多次读数过程中,不会受到其他因素的影响,所得结果基本保持稳定。因此,超声波法和冲击回波法均能利用动弹性模量对混凝土结构抗冻性能展开评价,但冲击回波法既简化了操作流程,又增加了结果的有效性和准确性,具有显著的应用优势。

图3 AY、BY和CY 3组混凝土的相对动弹性模量变化曲线

在验证冲击弹性波技术的有效性和准确性基础上,对该技术的可靠性展开进一步分析。这部分试验有两方面,即重复性检验和复现性检验。其中,重复性检验要求测试条件、方法、环境和设备的一致性,并对同一对象进行连续多次测试,得到相似性程度。在重复性检验中,设置水胶比为0.55、0.50、0.50的3种混凝土试件,分别对应A组、B组和C组,各包含3个试件。A、B、C与AX、BX、CX一一对应求得的动弹性模量结果见图4。

图4 A、B、C与AX、BX、CX对应得到的动弹性模量

由图4可知,通过冲击回波法求出的动弹性模量差距均较小。其中,试件AX1与A3之间动弹性模量差距最大,但偏差仅为0.82%。通过计算可知,在同一组混凝土试件中,所得动弹性模量之间的标准差均较小。同时,A组与AX组、B组与BX组、C组与CX组3组之间的动弹性模量均符合重复性检验,表明冲击弹性波技术满足混凝土检测技术对重复性的要求,具有较高的适用性。

最后进行复现性检验,即在不同的测试条件下,通过改变设备等因素,检验同一被测对象所得结果的一致程度。同样,配备水胶比为0.55、0.50、0.50的混凝土试件,分别记为J、K、I三组,并与AX、BX、CX相对应进行测试,结果见图5。由图5可知,在不同检测仪器的测试结果中,J、K和I三组与AX、BX、CX 对应的混凝动弹性模量差距均十分微小,最大动弹性模量偏差0.57%,准确度较高。

图5 J、K、I三组与AX、BX、CX对应所得动弹性模量结果

通过计算可知,J组与AX组、K组与BX 组、I组与CX组的动弹性模量测试值之间的标准差与平均值关系均符合复现性要求。综上可以得出,冲击弹性波可以在重复性检验和复现性检验中保持较小的偏差,并且符合检验要求,应用效果较好。

3 结 论

本文根据冲击弹性波特性,确定了室内试验的装置设备,并进行了动弹性模量测试。结果显示,在龄期为7d的测试结果中,冲击回波法所得Ed值分别为35.97、38.15和38.53GPa,与共振法相差较小;在重复性和复现性检验中,冲击弹性波法所得动弹性模量偏差最大分别为0.82%和0.57%,表明冲击弹性波应用于水利工程混凝土检测中具有较高的准确性。