基于超声波无损检测的混凝土抗压强度试验研究

徐超杰，苏晓辉

(1.中铁建南沙投资发展有限公司，广东 广州 511455；2.中建二局土木工程集团有限公司，北京 101100)

混凝土是一种广泛应用于建筑和基础设施工程中的材料，其抗压强度指标是评估其强度和可靠性的关键参数，常规的强度检测为破坏性检测。近些年使用超声波对混凝土试块强度进行无损检测常用的是压缩波（P 波），具有能量较低、可在固态、液态和气态介质中传播等特点，导致使用P 波进行混凝土强度检测时难以建立统一的检测模型。零阶水平剪切波（SH 波）是唯一的非频散导波，再加上该波只有一个位移分量，更易于对波的信号进行处理和分析。

基于上述原因，本文对比研究了P 波和SH波在不同抗压强度混凝土中的传播速度和频率，得到二者与混凝土抗压强度的关联关系；同时研究了P 波和SH 波在同标号试块下的传播速度以及频率变化，得出二者对同标号混凝土的敏感性差异，总结出两种波在混凝土抗压强度检测中的特点，得出SH 波相较于P 波在理论上更有助于实现对混凝土试块抗压强度精确地进行无损检测的结论。

1 试验研究条件及方案

凝土试块原材料制备：采用金隅冀东水泥，标号为P·O42.5；试验用砂含水率5.2%，细度模数为2.6；试验用骨料粒径不大于40mm；所用水为广州市地区饮用自来水。本次试验按照C25、C30、C35、C40、C45 五种不同的强度等级来配制混凝土试块，如表1 所示。

表1 混凝土配合比（单位：kg/m3）

选取C30、C35、C45 试块各3 块，用于超声波测试以及抗压强度试验；混凝土试块采用抗压强度检测标准尺寸规格，为150mm×150mm×150mm，表面覆膜，一天后凝固成型脱模，在20±2℃、相对湿度95%养护室中养护28 天。

2 超声波试验测试

2.1 超声测试设备

本次试验采用中岩科技RSM-SY6（C)型号非金属声波检测仪，它是一种高效、精准、可靠的无损检测仪器，主要用于检测非金属材料的内部缺陷、裂纹、疲劳等问题。检测仪采用超声波技术，通过发射探头发射超声波，测量接受探头到达时间，再根据发射距离从而得到波速。本仪器可以智能化自动处理数据，在测量界面直接给出波速，而波频则需要根据测量所得超声波周期进行换算。

2.2 超声测试流程

本次超声波测量分为P 波波速和波频测量以及SH 波波速和波频测量，由于P 波波速波频测量需要耦合剂，因此首先进行SH 波波速波频的测量。测量之前需要先对仪器进行参数设置，其中，测距为两个探头之间的距离，取混凝土试块的边长150mm；测量电压选择低压；频率选择512kHz；放大倍数选择自动，为8 000 倍。

测量点位选择如图1 所示，将试块分为25 等份，去掉周围与中心区域，留下8 个测量区域，每个点位测量3 次，将3 个试块测量的平均波速波频数值作为该强度下的波速波频值。

图1 超声测量点位

SH 波测量完毕后进行P 波测量，需要在试块的测量位置与探头表面均匀涂抹一层耦合剂。耦合剂的作用是使探头与测量表面紧密贴合，以排除空气的干扰，并且不能对探头造成损伤，本次试验所用耦合剂为凡士林。测量时，需保证两个探头在同一直线上，并施加一定压力。

3 混凝土抗压强度测试

3.1 抗压强度试验设备

抗压强度测试仪器选用TYE-600B 压力型万能试验机。按照GB/T 50107-2010《混凝土强度检验评定标准》执行，由于试块强度均不超过C45，抗压强度加载速率取0.5MPa/s。每组强度等级3 个试块，试块尺寸均为150mm×150mm×150mm，所以取算数平均值的95%作为其抗压强度值。

3.2 抗压强度测试结果

5 个不同标号混凝土试块抗压强度检测结果均达标，其实测抗压强度值及平均强度值如表2所示。

表2 不同标号混凝土试块抗压强度实测结果

4 测试结果规律分析

4.1 超声波波速与混凝土抗压强度关联关系

将测得的各试块P 波与SH 波波速数据使用测强分析软件进行分析，得出不同混凝土标号试块通过的波速的平均值。

表3 为测得不同标号混凝土试块P 波通过时的波速平均值，随着混凝土试块强度的提高，P波波速值也在不断增大，试块强度从30.4MPa 增加到46.2MPa，增加了15.8MPa，P 波波速从4 542m/s 提高到4 760m/s，共提高了118m/s，平均每MPa 增速7.5m/s。

表3 P波通过不同强度混凝土试块时的波速

表4 为测得不同标号混凝土试块P 波通过时的波速平均值，不同强度的混凝土试块，通过的波速也不同，并且SH 波波速大约为P 波波速的1/2，这一结论也符合二者的波速规律。随着混凝土强度的提高，SH 波波速值也在增大，试块强度从30.4MPa 到46.2MPa，一共增加了15.8MPa，SH 波波速从2 230m/s 提高到2 574m/s，共提高了344m/s，平均每MPa 增速21.8m/s。

表4 SH波通过不同强度混凝土试块时的波速

通过表3、表4 可以得出，P 波波速与SH波波速都会随着混凝土试块抗压强度的提高而增加，并且SH 波敏感性更高，平均每MPa 强度增速达到21.8m/s，约为P 波增速7.5m/s 的3 倍，因此利用SH 波测量混凝土强度更加容易测得混凝土强度的微小变化，得到更加准确的结果。

图2 与图3 分别为P 波与SH 波波速与混凝土抗压强度值的关联曲线以及拟合成的二元一次函数，由图可以看到，二者都存在一定的相关关系，但P 波波速与混凝土抗压强度值的拟合关系明显差于SH 波，这是由于P 波为压缩波，可以在空气和水中传播，而在混凝土试块中的孔隙率以及含水率等因素的影响下，试块内部存在缺陷，这会导致声波速度有较大变化。而SH 波则只能在固体中传播，因此不受到孔隙率以及含水率的影响，性质更佳。

图2 混凝土强度与P波波速关联曲线

图3 混凝土强度与SH波波速关联曲线

4.2 超声波波频与混凝土抗压强度关联关系

将测得的P 波以及SH 波周期经过换算得出各抗压强度下的P 波以及SH 波频率，如表5 所示，不同的强度混凝土试块，通过的P 波以及SH 波波频各不相同，随着混凝土试块强度的提高，超声波频率也在增加。这是由于超声波频率在遇到混凝土中的缺陷时，其频率会产生衰减，而强度越大，混凝土内部结构越均匀，缺陷越小。因此越是强度高的混凝土其内部缺陷越少，通过的超声波频率越大。

表5 P波与SH波通过不同强度混凝土波频变化

如图4、图5 所示，P 波频率从45.1kHz 增加到47.6kHz；而SH 波频率从21.2kHz 增加到26.3kHz，增加幅度比P 波频率大，这说明了同P 波、SH 波波速一样，SH 波波频对抗压强度的敏感性更大，因此利用SH 波测量混凝土强度更加容易测得混凝土强度的微小变化，从而得到更加准确的结果。

图4 混凝土强度与P波波频关联曲线

图5 混凝土强度与SH波波频关联曲线

5 结论与展望

本文通过研究P 波和SH 波参数与混凝土抗压强度之间的关联关系，得到的结论如下。

1）P 波波速、波频约为SH 波的2 倍。

2）在与不同强度等级混凝土试块的关联性方面，随着混凝土标号的提高，P 波和SH 波波速和频率均会明显加强，SH 波比P 波敏感度更高，关联性更好。

3）SH 波比P 波更加适合用来建立波速、波频等参数与混凝土抗压强度之间的模型，能在混凝土试块的无损检测领域提供更有利的发展方向。

近些年，我们在利用超声波对混凝土试块进行无损检测的技术研究领域取得了一定成果，但在实际应用中仍然存在诸多问题和困难，如混凝土强度无损检测测强曲线受到区域性的严重制约、单独使用超声法测量存在的局限性、测量结果也会收到混凝土原材料类型、配合比变化以及测量方式等的影响，更多的适用于实验室理想条件下，但是也为超声波无损检测技术在混凝土工程中的发展提供了未来。