贠建洲,陳順超,董春彥,聶良鵬,袁勝濤

(1.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,昆明 650224;2.云南通衢工程檢測(cè)有限公司,昆明 650224)

0 引 言

超聲波波速不僅可以預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,還可以預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的彈性模量。目前在檢測(cè)混凝土強(qiáng)度時(shí)應(yīng)用較廣泛的方法為超聲回彈綜合法[1]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)超聲波檢測(cè)混凝土強(qiáng)度、彈性模量進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究。向君正等[2]研究了骨料粒徑對(duì)透水混凝土超聲波波速的影響,結(jié)果表明相同強(qiáng)度及透水系數(shù)下,骨料粒徑越大超聲波波速越大。宋辰宇等[3]研究了溫度對(duì)超聲波波速的影響,結(jié)果表明在-30～10 ℃條件下超聲波波速隨著溫度降低而增大。廖杰洪等[4]通過三個(gè)擬靜力構(gòu)件加載全過程超聲參數(shù)的測(cè)試證明超聲波可以檢測(cè)混凝土構(gòu)件的震損,且隨著損傷增大,波速與波幅有不同程度的降低。陳良豪等[5]研究了不同溫度作用下混凝土的超聲波波速與抗壓強(qiáng)度的變化關(guān)系,結(jié)果表明混凝土抗壓強(qiáng)度與超聲波波速隨著溫度升高而降低。超聲波波速也是超聲回彈綜合法測(cè)試混凝土強(qiáng)度的重要參數(shù)。劉婷等[6]基于超聲回彈綜合法檢測(cè)再生混凝土強(qiáng)度,擬合出了抗壓強(qiáng)度與超聲波波速、回彈之間的關(guān)系。尚新想等[7]探究了混凝土超聲波、沖擊共振波、沖擊回波與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系,結(jié)果表明,超聲波波速與混凝土抗壓強(qiáng)度線性關(guān)系穩(wěn)定程度較低,易受設(shè)計(jì)強(qiáng)度的影響。超聲波波速同樣可以預(yù)測(cè)混凝土動(dòng)彈性模量。Washer[8]使用超聲法測(cè)試了活性粉末混凝土彈性模量。方志等[9]通過超聲法和沖擊回波法測(cè)得了活性粉末混凝土動(dòng)彈性模量并建立了動(dòng)彈性模量與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。

目前超聲波預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及彈性模量已有系統(tǒng)研究,且不少學(xué)者都建立了超聲波波速-強(qiáng)度、超聲波波速-彈性模量的關(guān)系。在實(shí)際工程檢測(cè)中,影響混凝土超聲波波速的因素還有很多,如溫度、濕度、齡期、應(yīng)力水平等,而這些因素對(duì)超聲波波速的影響研究較少。由于實(shí)際工程中混凝土構(gòu)件是處于不同應(yīng)力狀態(tài)下,而混凝土構(gòu)件進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)是否會(huì)受到應(yīng)力水平的影響尚無定論。基于此,本文試驗(yàn)澆筑了6個(gè)素混凝土軸心抗拉試件、9個(gè)素混凝土軸心抗壓試件、9個(gè)素混凝土立方體抗壓試件和12個(gè)鋼筋混凝土構(gòu)件,測(cè)試不同應(yīng)力水平下混凝土超聲波波速,探究應(yīng)力水平對(duì)混凝土超聲波波速的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

試驗(yàn)所用原材料包括:宜良紅獅P·O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,其技術(shù)性能指標(biāo)見表1;機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)為2.94,連續(xù)級(jí)配,Ⅱ區(qū)中砂;碎石粒徑范圍為5～20 mm,連續(xù)級(jí)配;水為城市自來水;鋼筋采用Q235鋼?；炷僚浜媳热绫?所示。

表2 混凝土配合比及強(qiáng)度Table 2 Concrete mix ratio and strength

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)設(shè)備包括北京海創(chuàng)高科科技有限公司生產(chǎn)的HC-30錨桿拔拉儀、北京智博聯(lián)科技股份有限公司生產(chǎn)的ZBL-U5200非金屬超聲檢測(cè)儀、微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)WAW-1000E和濟(jì)南時(shí)代試金試驗(yàn)機(jī)有限公司生產(chǎn)的YAW-2000D微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)。

1.3 試件概況

混凝土軸心抗拉試件:強(qiáng)度等級(jí)分別為C30、C40、C50,每種強(qiáng)度澆筑2個(gè),試驗(yàn)結(jié)果取平均值,共計(jì)6個(gè)。試件制備參考《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》[10],尺寸為100 mm×100 mm×500 mm,具體如圖1所示。

圖1 軸心受拉試件尺寸Fig.1 Dimension of axial tensile specimen size

混凝土軸心抗壓試件:強(qiáng)度等級(jí)分別為C30、C40、C50,每種強(qiáng)度澆筑3個(gè),試驗(yàn)結(jié)果取其平均值,共計(jì)9個(gè)。試件制備參考《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)[11],尺寸為150 mm×150 mm×300 mm。

混凝土立方體抗壓試件:強(qiáng)度等級(jí)分別為C30、C40、C50,每種強(qiáng)度澆筑3個(gè),試驗(yàn)結(jié)果取平均值,共計(jì)9個(gè)。試件制備參考《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)[11],尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。

1.4 構(gòu)件概況

混凝土構(gòu)件強(qiáng)度等級(jí)分別為C30、C40,每種強(qiáng)度等級(jí)分別澆筑6種不同的配筋率,每種配筋率澆筑一個(gè)構(gòu)件,共計(jì)12個(gè)構(gòu)件。構(gòu)件尺寸均為1 280 mm×120 mm×160 mm,具體如圖2所示。

圖2 混凝土構(gòu)件尺寸示意圖Fig.2 Schematic of dimensions of concrete members

構(gòu)件配筋情況:1)混凝土構(gòu)件受拉區(qū)與受壓區(qū)分別布置2根相同鋼筋,鋼筋直徑分為6、8、12、20 mm,共4種配筋情況,編號(hào)依次為2×6、2×8、2×12、2×20。2)混凝土構(gòu)件受拉區(qū)布置3根鋼筋,受壓區(qū)布置2根鋼筋,鋼筋直徑分為6、8 mm,編號(hào)依次為3×6、3×8,共兩種配筋情況。具體配筋情況如圖3所示。

1.5 加載及測(cè)試方法

1.5.1 試件加載及測(cè)試

將軸心抗拉試件放置在萬能試驗(yàn)機(jī)上施加拉應(yīng)力。每加載5 kN保壓5 min后對(duì)其超聲波波速進(jìn)行一次測(cè)試,直至試件破壞。測(cè)試方式為對(duì)測(cè),每個(gè)試件布置一個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)如圖4(a)所示。

圖4 不同試件超聲波波速測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.4 Schematic diagrams of ultrasonic wave velocity measurement points of different specimens

將抗壓試件放置在壓力機(jī)上施加壓應(yīng)力。每加載10 kN保壓5 min后對(duì)其超聲波波速進(jìn)行一次測(cè)試,直至試件破壞。測(cè)試方式為對(duì)測(cè),每個(gè)試件布置一個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)如圖4(b)、(c)所示。

1.5.2 構(gòu)件加載及測(cè)試

混凝土構(gòu)件測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。其中測(cè)點(diǎn)A為構(gòu)件受壓區(qū)超聲波波速測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)B為構(gòu)件受拉區(qū)超聲波波速測(cè)點(diǎn),均采用對(duì)測(cè)的方式。起始每加載2 kN保壓5 min后對(duì)構(gòu)件的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)超聲波波速進(jìn)行一次測(cè)試。加載到10 kN以后每加載5 kN保壓5 min后對(duì)構(gòu)件的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)超聲波波速進(jìn)行一次測(cè)試。

圖5 混凝土構(gòu)件測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 Measurement point arrangement of concrete members

2 結(jié)果與討論

2.1 拉壓應(yīng)力對(duì)素混凝土超聲波波速的影響

圖6、圖7分別為不同壓應(yīng)力水平、拉應(yīng)力水平對(duì)素混凝土超聲波波速的影響?；炷羶?nèi)部的缺陷(如空洞、蜂窩、裂縫等)是影響超聲波波速的重要因素。應(yīng)力水平對(duì)混凝土超聲波波速產(chǎn)生影響的主要原因是不同應(yīng)力水平會(huì)對(duì)混凝土內(nèi)部造成一定程度的微裂縫。根據(jù)圖6與圖7試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),混凝土試件破壞前超聲波波速?zèng)]有明顯變化,僅存在一些測(cè)試誤差,浮動(dòng)范圍在0.1 km·s-1左右。梁興文等[12]指出,混凝土破壞的根本原因是橫向擴(kuò)展拉伸所產(chǎn)生的裂縫非穩(wěn)定發(fā)展所引起的。素混凝土試件澆筑成型以后由于收縮以及骨料周圍的泌水會(huì)產(chǎn)生一些初始裂縫。當(dāng)應(yīng)力較小時(shí),骨料與水泥產(chǎn)生的變形為彈性變形,試件內(nèi)部初始裂縫不發(fā)展,此時(shí)混凝土超聲波波速不會(huì)變化。當(dāng)荷載約達(dá)到極限荷載的65%時(shí),骨料與水泥石的接觸面上產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,導(dǎo)致拉應(yīng)力超過黏結(jié)強(qiáng)度,從而產(chǎn)生一些微小的砂漿裂縫,此時(shí)砂漿裂縫較少且很微小,對(duì)超聲波波速的影響較小。隨著荷載增加至極限荷載的85%時(shí),砂漿裂縫繼續(xù)增大,并溝通骨料附近的初始裂縫。此時(shí)砂漿裂縫雖然溝通了附近的初始裂縫,但基本為初始裂縫的縱向延伸,在裂縫寬度上的變化還是較為微小,對(duì)超聲波波速影響較小。隨著荷載進(jìn)一步增大,裂縫將試件分割成許多的小柱體,最終導(dǎo)致試件破壞。此時(shí)砂漿裂縫不僅在縱向延伸,橫向也變寬了很多。這時(shí)超聲波波速會(huì)驟降,但試件已發(fā)生破壞,無法再承受荷載。綜上所述,素混凝土內(nèi)部裂縫發(fā)展到一定程度以后,混凝土發(fā)生脆性破壞。而在破壞之前混凝土試件內(nèi)部及表面的裂縫較少且很微小,因此素混凝土試件在破壞前超聲波波速不會(huì)發(fā)生大的變化。

圖6 壓應(yīng)力水平對(duì)素混凝土超聲波波速的影響Fig.6 Effect of compressive stress level on ultrasonic wave velocity of plain concrete

圖7 拉應(yīng)力水平對(duì)素混凝土超聲波波速的影響Fig.7 Effect of tensile stress level on ultrasonic wave velocity of plain concrete

2.2 拉壓應(yīng)力對(duì)混凝土構(gòu)件超聲波波速的影響

圖8為混凝土構(gòu)件受壓區(qū)超聲波波速隨應(yīng)力水平變化規(guī)律,其中B～X分別為本試驗(yàn)澆筑的12個(gè)構(gòu)件。由圖8可以看出,部分試件在應(yīng)力水平達(dá)到80～100時(shí)超聲波波速驟降,造成這一現(xiàn)象的原因是混凝土構(gòu)件即將達(dá)到極限承載力時(shí),受壓區(qū)混凝土出現(xiàn)大的橫向貫穿裂縫。應(yīng)力水平在80以下時(shí)超聲波波速基本不發(fā)生變化,這與不同應(yīng)力水平下混凝土試件超聲波波速發(fā)展規(guī)律相同。

圖8 壓應(yīng)力水平對(duì)混凝土構(gòu)件超聲波波速的影響Fig.8 Effect of compressive stress level on ultrasonic wave velocity of concrete members

圖9(a)、(b)為不同配筋率下C30、C40受拉區(qū)混凝土構(gòu)件的超聲波波速隨拉應(yīng)力水平變化規(guī)律。由圖9可以看出,隨著拉應(yīng)力水平增加,受拉區(qū)混凝土構(gòu)件的超聲波波速呈下降趨勢(shì)。由于混凝土抗壓不抗拉的特性,在混凝土構(gòu)件承受荷載以后,受拉區(qū)混凝土的內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫;隨著荷載不斷增加,受拉區(qū)混凝土內(nèi)部的裂縫逐漸增大,導(dǎo)致超聲波波速降低。圖中框線標(biāo)記的數(shù)據(jù)點(diǎn)為超聲波波速突變點(diǎn),即混凝土構(gòu)件測(cè)點(diǎn)處超聲波波速突然增大。造成這一現(xiàn)象的原因是受拉區(qū)混凝土構(gòu)件的超聲波波速測(cè)點(diǎn)附近的混凝土出現(xiàn)較大的豎向裂縫。因此在實(shí)際工程中若需采集受拉區(qū)混凝土構(gòu)件區(qū)的超聲波波速時(shí)應(yīng)注意避開較大裂縫附近區(qū)域。

圖9 拉應(yīng)力水平對(duì)混凝土構(gòu)件超聲波波速的影響Fig.9 Effect of tensile stress level on ultrasonic wave velocity of concrete members

圖9(c)、(d)為不考慮超聲波波速突變影響的受拉區(qū)混凝土構(gòu)件的應(yīng)力水平-波速規(guī)律圖。可明顯看出超聲波波速發(fā)展規(guī)律為平穩(wěn)-下降-平穩(wěn)-下降。即拉應(yīng)力-超聲波波速曲線可近似分為4個(gè)時(shí)期:1)無損傷期,加載初期拉應(yīng)力較小,此時(shí)混凝土構(gòu)件內(nèi)部沒有發(fā)生損傷,受拉區(qū)混凝土構(gòu)件也沒有豎向裂縫,因此受拉區(qū)混凝土構(gòu)件超聲波波速?zèng)]有變化。2)損傷發(fā)展期,隨著荷載的增加,受拉區(qū)混凝土構(gòu)件的應(yīng)力也不斷增加?；炷辆哂锌箟翰豢估奶匦?隨著受拉區(qū)混凝土構(gòu)件拉應(yīng)力的增加不斷出現(xiàn)豎向微裂縫,導(dǎo)致混凝土構(gòu)件密實(shí)度降低,超聲波波速出現(xiàn)急劇下降的現(xiàn)象。3)損傷穩(wěn)定期,隨著荷載增加到一定程度,混凝土構(gòu)件損傷也發(fā)展穩(wěn)定。受拉區(qū)混凝土構(gòu)件的裂縫數(shù)量不再急劇增加,受拉區(qū)混凝土基本退出工作,拉應(yīng)力更多的由鋼筋來承擔(dān),因此受拉區(qū)混凝土構(gòu)件的超聲波波速趨于穩(wěn)定。4)構(gòu)件破壞期,隨著荷載進(jìn)一步增加,構(gòu)件彎曲撓度也不斷增加,混凝土構(gòu)件即將被破壞。此時(shí)構(gòu)件發(fā)生較大形變,鋼筋即將屈服,受拉區(qū)混凝土裂縫進(jìn)一步發(fā)展且出現(xiàn)豎向貫穿裂縫,混凝土超聲波波速再一次進(jìn)入極速下降段,直至構(gòu)件破壞。此時(shí)也最容易發(fā)生應(yīng)力釋放現(xiàn)象,即受拉區(qū)混凝土超聲波波速突然上升。

2.3 混凝土構(gòu)件受拉區(qū)超聲波波速的拐點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

C30、C40混凝土構(gòu)件受拉區(qū)超聲波波速-拉應(yīng)力拐點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。根據(jù)表3可以看出,第①拐點(diǎn)的應(yīng)力值占極限應(yīng)力值的15%～25%,平均值為19.12%。當(dāng)混凝土構(gòu)件受拉區(qū)拉應(yīng)力在極限拉應(yīng)力的19%左右時(shí),超聲波波速出現(xiàn)第①拐點(diǎn),即受拉區(qū)混凝土超聲波波速?gòu)臒o損傷期向損傷發(fā)展期發(fā)展。第②拐點(diǎn)的應(yīng)力值占極限應(yīng)力值35%～55%,平均值為47.35%。當(dāng)混凝土構(gòu)件受拉區(qū)拉應(yīng)力為極限拉應(yīng)力47%左右時(shí),超聲波波速出現(xiàn)第②個(gè)拐點(diǎn),即受拉區(qū)混凝土超聲波波速?gòu)膿p傷發(fā)展期向損傷穩(wěn)定期發(fā)展。第③拐點(diǎn)的應(yīng)力值占極限應(yīng)力值的60%～75%,平均值為71.43%。當(dāng)混凝土構(gòu)件受拉區(qū)拉應(yīng)力在極限拉應(yīng)力的71%左右時(shí),超聲波波速出現(xiàn)第③拐點(diǎn),即受拉區(qū)混凝土超聲波波速?gòu)膿p傷穩(wěn)定期向構(gòu)件破壞期發(fā)展。

表3 不同拐點(diǎn)應(yīng)力水平Table 3 Stress levels of different inflection points

表4為不同拐點(diǎn)超聲波波速降低率。拐點(diǎn)①超聲波波速與未加載時(shí)超聲波波速相同,以拐點(diǎn)①為參考,拐點(diǎn)②超聲波波速降低率在3%～9%浮動(dòng),平均值為5.05%。破壞點(diǎn)超聲波波速降低率在5%～12%浮動(dòng),平均值為8.89%。綜上所述,鋼筋混凝土構(gòu)件受拉區(qū)混凝土達(dá)到最大承載力時(shí)超聲波波速平均下降5%左右,鋼筋混凝土構(gòu)件達(dá)到極限承載力時(shí)受拉區(qū)超聲波波速平均下降8%左右。

表4 不同拐點(diǎn)超聲波波速的降低率Table 4 Reduction rate of ultrasonic wave velocity at different inflection points

2.4 在役混凝土構(gòu)件拉應(yīng)力-超聲波波速關(guān)系

根據(jù)圖9超聲波波速隨拉應(yīng)力變化規(guī)律可將其簡(jiǎn)化為應(yīng)力-波速模型,結(jié)果如圖10所示。圖10中a～b為混凝土構(gòu)件無損傷期,即混凝土構(gòu)件表面沒有明顯裂縫及損傷,受拉區(qū)混凝土處于彈性狀態(tài),超聲波波速穩(wěn)定,沒有變化。b～c為損傷發(fā)展期,此時(shí)混凝土構(gòu)件受拉區(qū)拉應(yīng)力由鋼筋與混凝土共同承擔(dān),受拉區(qū)底部開始出現(xiàn)微小裂縫。隨著荷載等級(jí)的增加,裂縫會(huì)逐漸增多。c～d為損傷穩(wěn)定期,即構(gòu)件受拉區(qū)混凝土裂縫發(fā)展到一定程度,受拉區(qū)混凝土裂縫不再出現(xiàn)急劇增多的現(xiàn)象,裂縫區(qū)域混凝土退出工作,拉應(yīng)力主要由鋼筋來承擔(dān)。d～e段為構(gòu)件破壞期,此階段鋼筋發(fā)生屈服,構(gòu)件受拉區(qū)混凝土裂縫急劇增加且出現(xiàn)貫穿裂縫。綜上所述,當(dāng)混凝土構(gòu)件表面沒有明顯裂縫時(shí),可忽略應(yīng)力水平對(duì)構(gòu)件超聲波波速的影響。若存在少量微小的裂縫,則需考慮應(yīng)力水平對(duì)構(gòu)件超聲波波速的影響。

圖10 拉應(yīng)力-波速模型Fig.10 Tensile stress-wave velocity model

通過對(duì)混凝土構(gòu)件受拉區(qū)進(jìn)行超聲波波速測(cè)試可以推算構(gòu)件的拉應(yīng)力水平。具體方法如下:

在混凝土應(yīng)力水平較低且沒有裂縫的區(qū)域進(jìn)行超聲波波速測(cè)試得到混凝土構(gòu)件的初始波速v0,然后在混凝土構(gòu)件受拉區(qū)存在微小裂縫的區(qū)域進(jìn)行拉應(yīng)力水平下的超聲波波速測(cè)試,得到v1,此時(shí)v1所對(duì)應(yīng)的拉應(yīng)力為σ1。σ1與v1的關(guān)系式如式(1)所示。

(1)

圖11 不同構(gòu)件損傷發(fā)展期的應(yīng)力-波速曲線Fig.11 Stress-wave velocity curves of different members during damage development

圖12 初始波速與應(yīng)力-波速截距的關(guān)系Fig.12 Relationship between initial wave velocity and stress-wave velocity intercept

b=0.847v0+0.787

(2)

聯(lián)立式(1)與式(2)可得

σ1=44.35v0-52.36v1+41.2

(3)

3 結(jié) 論

1)不同拉、壓應(yīng)力水平對(duì)素混凝土超聲波波速影響較小,可以忽略不計(jì)。

2)不同壓應(yīng)力水平對(duì)混凝土構(gòu)件超聲波波速影響較小,可以忽略不計(jì)。不同拉應(yīng)力水平對(duì)混凝土構(gòu)件超聲波波速影響較大。

3)不同拉應(yīng)力水平下混凝土構(gòu)件超聲波波速變化分為無損傷期、損傷發(fā)展期、損傷穩(wěn)定期和構(gòu)件破壞期。當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到極限拉應(yīng)力的15%～25%時(shí),混凝土構(gòu)件從無損傷期進(jìn)入損傷發(fā)展期,此時(shí)超聲波波速?zèng)]有變化;當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到極限拉應(yīng)力的35%～55%時(shí),混凝土構(gòu)件從損傷發(fā)展期進(jìn)入損傷穩(wěn)定期,此時(shí)超聲波波速降低了5%左右;當(dāng)拉應(yīng)力到達(dá)極限拉應(yīng)力的60%～75%時(shí),混凝土構(gòu)件從損傷穩(wěn)定期進(jìn)入構(gòu)件破壞期,此時(shí)超聲波波速降低了8%左右。

4)建立了混凝土構(gòu)件拉應(yīng)力-超聲波波速關(guān)系式(σ1=44.35v0-52.36v1+41.2),為實(shí)際檢測(cè)工程中出現(xiàn)少量裂縫的混凝土構(gòu)件拉應(yīng)力水平的推算提供參考。