不同拉压应力水平对混凝土超声波波速的影响

贠建洲,陈顺超,董春彦,聂良鹏,袁胜涛

(1.西南林业大学土木工程学院,昆明 650224;2.云南通衢工程检测有限公司,昆明 650224)

0 引 言

超声波波速不仅可以预测混凝土结构的强度,还可以预测混凝土结构的弹性模量。目前在检测混凝土强度时应用较广泛的方法为超声回弹综合法[1]。国内外许多学者对超声波检测混凝土强度、弹性模量进行了相关试验研究。向君正等[2]研究了骨料粒径对透水混凝土超声波波速的影响,结果表明相同强度及透水系数下,骨料粒径越大超声波波速越大。宋辰宇等[3]研究了温度对超声波波速的影响,结果表明在-30～10 ℃条件下超声波波速随着温度降低而增大。廖杰洪等[4]通过三个拟静力构件加载全过程超声参数的测试证明超声波可以检测混凝土构件的震损,且随着损伤增大,波速与波幅有不同程度的降低。陈良豪等[5]研究了不同温度作用下混凝土的超声波波速与抗压强度的变化关系,结果表明混凝土抗压强度与超声波波速随着温度升高而降低。超声波波速也是超声回弹综合法测试混凝土强度的重要参数。刘婷等[6]基于超声回弹综合法检测再生混凝土强度,拟合出了抗压强度与超声波波速、回弹之间的关系。尚新想等[7]探究了混凝土超声波、冲击共振波、冲击回波与抗压强度的关系,结果表明,超声波波速与混凝土抗压强度线性关系稳定程度较低,易受设计强度的影响。超声波波速同样可以预测混凝土动弹性模量。Washer[8]使用超声法测试了活性粉末混凝土弹性模量。方志等[9]通过超声法和冲击回波法测得了活性粉末混凝土动弹性模量并建立了动弹性模量与抗压强度之间的关系。

目前超声波预测混凝土结构强度及弹性模量已有系统研究,且不少学者都建立了超声波波速-强度、超声波波速-弹性模量的关系。在实际工程检测中,影响混凝土超声波波速的因素还有很多,如温度、湿度、龄期、应力水平等,而这些因素对超声波波速的影响研究较少。由于实际工程中混凝土构件是处于不同应力状态下,而混凝土构件进行超声波检测时是否会受到应力水平的影响尚无定论。基于此,本文试验浇筑了6个素混凝土轴心抗拉试件、9个素混凝土轴心抗压试件、9个素混凝土立方体抗压试件和12个钢筋混凝土构件,测试不同应力水平下混凝土超声波波速,探究应力水平对混凝土超声波波速的影响。

1 实 验

1.1 原材料及配合比

试验所用原材料包括:宜良红狮P·O 42.5级普通硅酸盐水泥,其技术性能指标见表1;机制砂细度模数为2.94,连续级配,Ⅱ区中砂;碎石粒径范围为5～20 mm,连续级配;水为城市自来水;钢筋采用Q235钢。混凝土配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比及强度Table 2 Concrete mix ratio and strength

1.2 试验设备

本试验所采用的试验设备包括北京海创高科科技有限公司生产的HC-30锚杆拔拉仪、北京智博联科技股份有限公司生产的ZBL-U5200非金属超声检测仪、微机控制电液伺服万能试验机WAW-1000E和济南时代试金试验机有限公司生产的YAW-2000D微机控制电液伺服压力试验机。

1.3 试件概况

混凝土轴心抗拉试件:强度等级分别为C30、C40、C50,每种强度浇筑2个,试验结果取平均值,共计6个。试件制备参考《结构设计原理》[10],尺寸为100 mm×100 mm×500 mm,具体如图1所示。

图1 轴心受拉试件尺寸Fig.1 Dimension of axial tensile specimen size

混凝土轴心抗压试件:强度等级分别为C30、C40、C50,每种强度浇筑3个,试验结果取其平均值,共计9个。试件制备参考《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)[11],尺寸为150 mm×150 mm×300 mm。

混凝土立方体抗压试件:强度等级分别为C30、C40、C50,每种强度浇筑3个,试验结果取平均值,共计9个。试件制备参考《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)[11],尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。

1.4 构件概况

混凝土构件强度等级分别为C30、C40,每种强度等级分别浇筑6种不同的配筋率,每种配筋率浇筑一个构件,共计12个构件。构件尺寸均为1 280 mm×120 mm×160 mm,具体如图2所示。

图2 混凝土构件尺寸示意图Fig.2 Schematic of dimensions of concrete members

构件配筋情况:1)混凝土构件受拉区与受压区分别布置2根相同钢筋,钢筋直径分为6、8、12、20 mm,共4种配筋情况,编号依次为2×6、2×8、2×12、2×20。2)混凝土构件受拉区布置3根钢筋,受压区布置2根钢筋,钢筋直径分为6、8 mm,编号依次为3×6、3×8,共两种配筋情况。具体配筋情况如图3所示。

1.5 加载及测试方法

1.5.1 试件加载及测试

将轴心抗拉试件放置在万能试验机上施加拉应力。每加载5 kN保压5 min后对其超声波波速进行一次测试,直至试件破坏。测试方式为对测,每个试件布置一个测点,测点如图4(a)所示。

图4 不同试件超声波波速测点示意图Fig.4 Schematic diagrams of ultrasonic wave velocity measurement points of different specimens

将抗压试件放置在压力机上施加压应力。每加载10 kN保压5 min后对其超声波波速进行一次测试,直至试件破坏。测试方式为对测,每个试件布置一个测点,测点如图4(b)、(c)所示。

1.5.2 构件加载及测试

混凝土构件测点布置如图5所示。其中测点A为构件受压区超声波波速测点,测点B为构件受拉区超声波波速测点,均采用对测的方式。起始每加载2 kN保压5 min后对构件的两个测点超声波波速进行一次测试。加载到10 kN以后每加载5 kN保压5 min后对构件的两个测点超声波波速进行一次测试。

图5 混凝土构件测点布置Fig.5 Measurement point arrangement of concrete members

2 结果与讨论

2.1 拉压应力对素混凝土超声波波速的影响

图6、图7分别为不同压应力水平、拉应力水平对素混凝土超声波波速的影响。混凝土内部的缺陷(如空洞、蜂窝、裂缝等)是影响超声波波速的重要因素。应力水平对混凝土超声波波速产生影响的主要原因是不同应力水平会对混凝土内部造成一定程度的微裂缝。根据图6与图7试验数据发现,混凝土试件破坏前超声波波速没有明显变化,仅存在一些测试误差,浮动范围在0.1 km·s-1左右。梁兴文等[12]指出,混凝土破坏的根本原因是横向扩展拉伸所产生的裂缝非稳定发展所引起的。素混凝土试件浇筑成型以后由于收缩以及骨料周围的泌水会产生一些初始裂缝。当应力较小时,骨料与水泥产生的变形为弹性变形,试件内部初始裂缝不发展,此时混凝土超声波波速不会变化。当荷载约达到极限荷载的65%时,骨料与水泥石的接触面上产生应力集中现象,导致拉应力超过黏结强度,从而产生一些微小的砂浆裂缝,此时砂浆裂缝较少且很微小,对超声波波速的影响较小。随着荷载增加至极限荷载的85%时,砂浆裂缝继续增大,并沟通骨料附近的初始裂缝。此时砂浆裂缝虽然沟通了附近的初始裂缝,但基本为初始裂缝的纵向延伸,在裂缝宽度上的变化还是较为微小,对超声波波速影响较小。随着荷载进一步增大,裂缝将试件分割成许多的小柱体,最终导致试件破坏。此时砂浆裂缝不仅在纵向延伸,横向也变宽了很多。这时超声波波速会骤降,但试件已发生破坏,无法再承受荷载。综上所述,素混凝土内部裂缝发展到一定程度以后,混凝土发生脆性破坏。而在破坏之前混凝土试件内部及表面的裂缝较少且很微小,因此素混凝土试件在破坏前超声波波速不会发生大的变化。

图6 压应力水平对素混凝土超声波波速的影响Fig.6 Effect of compressive stress level on ultrasonic wave velocity of plain concrete

图7 拉应力水平对素混凝土超声波波速的影响Fig.7 Effect of tensile stress level on ultrasonic wave velocity of plain concrete

2.2 拉压应力对混凝土构件超声波波速的影响

图8为混凝土构件受压区超声波波速随应力水平变化规律,其中B～X分别为本试验浇筑的12个构件。由图8可以看出,部分试件在应力水平达到80～100时超声波波速骤降,造成这一现象的原因是混凝土构件即将达到极限承载力时,受压区混凝土出现大的横向贯穿裂缝。应力水平在80以下时超声波波速基本不发生变化,这与不同应力水平下混凝土试件超声波波速发展规律相同。

图8 压应力水平对混凝土构件超声波波速的影响Fig.8 Effect of compressive stress level on ultrasonic wave velocity of concrete members

图9(a)、(b)为不同配筋率下C30、C40受拉区混凝土构件的超声波波速随拉应力水平变化规律。由图9可以看出,随着拉应力水平增加,受拉区混凝土构件的超声波波速呈下降趋势。由于混凝土抗压不抗拉的特性,在混凝土构件承受荷载以后,受拉区混凝土的内部产生微裂缝;随着荷载不断增加,受拉区混凝土内部的裂缝逐渐增大,导致超声波波速降低。图中框线标记的数据点为超声波波速突变点,即混凝土构件测点处超声波波速突然增大。造成这一现象的原因是受拉区混凝土构件的超声波波速测点附近的混凝土出现较大的竖向裂缝。因此在实际工程中若需采集受拉区混凝土构件区的超声波波速时应注意避开较大裂缝附近区域。

图9 拉应力水平对混凝土构件超声波波速的影响Fig.9 Effect of tensile stress level on ultrasonic wave velocity of concrete members

图9(c)、(d)为不考虑超声波波速突变影响的受拉区混凝土构件的应力水平-波速规律图。可明显看出超声波波速发展规律为平稳-下降-平稳-下降。即拉应力-超声波波速曲线可近似分为4个时期:1)无损伤期,加载初期拉应力较小,此时混凝土构件内部没有发生损伤,受拉区混凝土构件也没有竖向裂缝,因此受拉区混凝土构件超声波波速没有变化。2)损伤发展期,随着荷载的增加,受拉区混凝土构件的应力也不断增加。混凝土具有抗压不抗拉的特性,随着受拉区混凝土构件拉应力的增加不断出现竖向微裂缝,导致混凝土构件密实度降低,超声波波速出现急剧下降的现象。3)损伤稳定期,随着荷载增加到一定程度,混凝土构件损伤也发展稳定。受拉区混凝土构件的裂缝数量不再急剧增加,受拉区混凝土基本退出工作,拉应力更多的由钢筋来承担,因此受拉区混凝土构件的超声波波速趋于稳定。4)构件破坏期,随着荷载进一步增加,构件弯曲挠度也不断增加,混凝土构件即将被破坏。此时构件发生较大形变,钢筋即将屈服,受拉区混凝土裂缝进一步发展且出现竖向贯穿裂缝,混凝土超声波波速再一次进入极速下降段,直至构件破坏。此时也最容易发生应力释放现象,即受拉区混凝土超声波波速突然上升。

2.3 混凝土构件受拉区超声波波速的拐点统计

C30、C40混凝土构件受拉区超声波波速-拉应力拐点统计结果如表3所示。根据表3可以看出,第①拐点的应力值占极限应力值的15%～25%,平均值为19.12%。当混凝土构件受拉区拉应力在极限拉应力的19%左右时,超声波波速出现第①拐点,即受拉区混凝土超声波波速从无损伤期向损伤发展期发展。第②拐点的应力值占极限应力值35%～55%,平均值为47.35%。当混凝土构件受拉区拉应力为极限拉应力47%左右时,超声波波速出现第②个拐点,即受拉区混凝土超声波波速从损伤发展期向损伤稳定期发展。第③拐点的应力值占极限应力值的60%～75%,平均值为71.43%。当混凝土构件受拉区拉应力在极限拉应力的71%左右时,超声波波速出现第③拐点,即受拉区混凝土超声波波速从损伤稳定期向构件破坏期发展。

表3 不同拐点应力水平Table 3 Stress levels of different inflection points

表4为不同拐点超声波波速降低率。拐点①超声波波速与未加载时超声波波速相同,以拐点①为参考,拐点②超声波波速降低率在3%～9%浮动,平均值为5.05%。破坏点超声波波速降低率在5%～12%浮动,平均值为8.89%。综上所述,钢筋混凝土构件受拉区混凝土达到最大承载力时超声波波速平均下降5%左右,钢筋混凝土构件达到极限承载力时受拉区超声波波速平均下降8%左右。

表4 不同拐点超声波波速的降低率Table 4 Reduction rate of ultrasonic wave velocity at different inflection points

2.4 在役混凝土构件拉应力-超声波波速关系

根据图9超声波波速随拉应力变化规律可将其简化为应力-波速模型,结果如图10所示。图10中a～b为混凝土构件无损伤期,即混凝土构件表面没有明显裂缝及损伤,受拉区混凝土处于弹性状态,超声波波速稳定,没有变化。b～c为损伤发展期,此时混凝土构件受拉区拉应力由钢筋与混凝土共同承担,受拉区底部开始出现微小裂缝。随着荷载等级的增加,裂缝会逐渐增多。c～d为损伤稳定期,即构件受拉区混凝土裂缝发展到一定程度,受拉区混凝土裂缝不再出现急剧增多的现象,裂缝区域混凝土退出工作,拉应力主要由钢筋来承担。d～e段为构件破坏期,此阶段钢筋发生屈服,构件受拉区混凝土裂缝急剧增加且出现贯穿裂缝。综上所述,当混凝土构件表面没有明显裂缝时,可忽略应力水平对构件超声波波速的影响。若存在少量微小的裂缝,则需考虑应力水平对构件超声波波速的影响。

图10 拉应力-波速模型Fig.10 Tensile stress-wave velocity model

通过对混凝土构件受拉区进行超声波波速测试可以推算构件的拉应力水平。具体方法如下:

在混凝土应力水平较低且没有裂缝的区域进行超声波波速测试得到混凝土构件的初始波速v0,然后在混凝土构件受拉区存在微小裂缝的区域进行拉应力水平下的超声波波速测试,得到v1,此时v1所对应的拉应力为σ1。σ1与v1的关系式如式(1)所示。

(1)

图11 不同构件损伤发展期的应力-波速曲线Fig.11 Stress-wave velocity curves of different members during damage development

图12 初始波速与应力-波速截距的关系Fig.12 Relationship between initial wave velocity and stress-wave velocity intercept

b=0.847v0+0.787

(2)

联立式(1)与式(2)可得

σ1=44.35v0-52.36v1+41.2

(3)

3 结 论

1)不同拉、压应力水平对素混凝土超声波波速影响较小,可以忽略不计。

2)不同压应力水平对混凝土构件超声波波速影响较小,可以忽略不计。不同拉应力水平对混凝土构件超声波波速影响较大。

3)不同拉应力水平下混凝土构件超声波波速变化分为无损伤期、损伤发展期、损伤稳定期和构件破坏期。当拉应力达到极限拉应力的15%～25%时,混凝土构件从无损伤期进入损伤发展期,此时超声波波速没有变化;当拉应力达到极限拉应力的35%～55%时,混凝土构件从损伤发展期进入损伤稳定期,此时超声波波速降低了5%左右;当拉应力到达极限拉应力的60%～75%时,混凝土构件从损伤稳定期进入构件破坏期,此时超声波波速降低了8%左右。

4)建立了混凝土构件拉应力-超声波波速关系式(σ1=44.35v0-52.36v1+41.2),为实际检测工程中出现少量裂缝的混凝土构件拉应力水平的推算提供参考。