基于超声波测试的混凝土应力与波速关系

()JournalofHebeiUniversitNaturalScienceEditiony

河北大学学报(自然科学版)

Vol.38No.4

2018

:/DOI10.3969.issn.10001565.2018.04.003j

基于超声波测试的混凝土应力与波速关系

()河北大学建筑工程学院,河北保定 0河北大学河北省建筑工程实验教学示范中心,河北保定 01.71002;2.71002

22

,杜二霞1,张君鸿1,阎宇杰1,

行超声波测试.通过测试不同龄期、不同点位混凝土试块的超声波波速和工作应力,借助Oriin数据处理软g件对超声波波速和工作应力之间的关系进行回归分析,得出超声波波速与点位工作应力的关系曲线方程.研应力超声波检测提供参考.

摘 要:基于超声波无损检测原理,对自然养护的C20和C302个强度等级的泵送混凝土立方体试块进

究结果表明:采用线性函数描述超声波波速与应力之间的关系相关度高,准确性好,可以为在役混凝土工作

关键词:混凝土;超声波速;工作应力;无损检测

()中图分类号:TU5 文献标志码:A 文章编号:10001565201804035606

Exerimentalstudntherelationshietweenpyopb

concretestressandultrasonicvelocity

12112

,DUErxiaZHANGJunhonANYuieg,Yj

(,H,;1.ColleeofCivilEnineerinndArchitectureebeiUniversitBaodin71002,Chinagggayg0

,2.HebeiExerimentalTeachinemonstrationCenterofConstructionEnineerinpgDgg

,B)HebeiUniversitaodin71002,Chinayg0

,

,

:,AbstractBasedontheultrasonicnondestructivetestinethodthenaturalmaintainedpuminon-gmpgc

,creteblocksofC20andC30istested.Throuhthetestofdifferentaesanddifferentointstheultrasonicggptweenultrasonicvelocitndtheconcreteworkintress.Theresultshowsthatlinearfunctionisreasona-yagsbeprovidedintestinheworkintressofin-serviceconcretebondestructivetestinechnolo.gtgsyngtgy

:;;;Keordsconcreteultrasonicvelocitworkintressnondestructivetestinygsgywbleindescribintherelationshifultrasonicvelocitndworkintressofconcrete.Thenareferencecangpoyagsvelocitndworkintressareobtained.ThentheOriinsoftwareisusedtoanalzetherelationshie-yagsgypb

混凝土是现代建筑中不可或缺的建筑材料,每年用量达到上亿m3.混凝土的质量直接影响工程结构的

1]2-3]

安全[施工中的各种偶然因素、恶劣天气、自然灾害等原因使混凝土经常处于带“病”工作状态[准确掌..握混凝土的工作情况,判断病因,可以提前采取预防措施,将危害降到最低.

超声波作为无损检测的主要手段,因为操作简单、成本低廉、应用范围广、易于操作、灵敏度高、穿透能力强、对人体无害等优势,在工程研究中已经得到了广泛的应用.尤其是在大体积混凝土,如大坝、承台及灌注

收稿日期:20171204

);;河北省高等学校科学技术研究项目(河北省自然科学基金资助项目(河北大学大学 基金项目:QN2017308E2018201106),杜二霞(女,河北平山人,河北大学讲师,河北农业大学在读博士研究生,主要从事土木工程材料与结构 第一作者:1976—)

:方向研究.E-mail103120876@126.com)生创新训练计划项目(201514

第4期

杜二霞等:基于超声波测试的混凝土应力与波速关系

357

]4]5-6

,桩等的质量检测上[但现阶段超声波的应用还主要是在检测混凝土的强度与缺陷等[在应力检测领域.7]

的研究不多,而在役混凝土的应力水平是混凝土检测评估的关键参数[.

理论表明,在弹性范围和非线性应变范围内超声波20世纪50年代,Huhes和Kell-gy提出声弹性理论,波速与应力状态均存在有关的现象.声弹理论的提出使得超声波检测混凝土结构的应力成为可能.然而由于

8]

()发现了声波的二次折射现象后,声弹性方面的研究才不断发展.朱金颖等[通过man和Shabbender1958

实验确定了单轴压力下超声波波速、幅值以及主频之间的变化规律,Nelson测定了超声横波在钢铝中传播

超声波能量的损耗以及现场测试的困难,超声波波速与应力关系的研究仍然处于初步研究阶段.直到Ber-g时波速随应力的变化规律,因其待定系Makhort从变形角度研究建立了表面波传播速度与应力的线性关系,

[]数的确定繁冗,现场检测困难,并没有对其进行推崇.Herbert9研究了混凝土试块在不同荷载下的横向波波

速与零轴向压力状态下的波速比、不同荷载下的首波振幅与零轴向压力状态下的首波振幅比在应力变化时的规律,并在此基础上,通过实验研究确定了对声应力测试技术的主要影响因素.役混凝土工作应力提供参考.

本文对C不同应力下的超声20和C302个强度等级的混凝土试块采用超声波测试仪进行了不同龄期、

波波速测试,并对超声波速和工作应力的关系进行了回归分析,获得二者之间的关系曲线,为超声波检测在

1 超声波检测原理

超声波法的基本原理是超声仪按一定频率不断的重复激发发射换能器发射超声脉冲波,超声脉冲波经过混凝土介质中的传播被接收换能器接收,接收换能器将接收到的携带混凝土力学性能、材料组成、有无缺陷等信息的超声波转换成电信号传给超声仪,超声仪处理后,转换成声学参数(声时、声速、振幅、频率以及波形)显示在液晶显示器上.准确测定并处理这些声学参数,可以了解到混凝土的性能及其相关的质量信

2-3]息[本文采用声速和首波振幅声学参数进行检测,声速和混凝土的弹性性质有关,首波振幅和混凝土的塑.

性性能有关.

2 实验设计

2.1 实验仪器及原材料

/本次实验采用北京智博联科技有限公司生产的Z声时测读为BL-U520510非金属超声波检测仪,,声时测读精度±0.原材料采用河北太行山P.满城粒径为5~30~600000μs05μs.O42.5水泥,0mm级配

良好天然碎石,满城细度模数为2.掺合料为西柏坡电厂的Ⅱ级粉煤灰.72的中砂,2.2 混凝土试块制作

]]严格按照文献[和文献[中泵送混凝土配合比和粉煤灰混凝土配合比的要求进行混凝土配制.严1011]格按照国家标准文献[的要求进行试块制作和材料性能实验.采用11250mm×150mm×150mm的标准试,模制作标准立方体试块,自然养护至测试龄期.试块的测试龄期分别为7、共5组,每组14、28、49和60d

将养护好的规定龄期试块取出,测试前对试块表面进行清理、编号,试块处理见图1.采用“对测”超声波6块.

2.3 实验过程

测试法,为了避免不同测距对结果的影响,在2个相对的测试面上画出相对应的2个测点,测距1每50mm.个待测面上测点布置在上、中2个位置,点位布置见图2.用黄油耦合剂进行表面耦合,测试时保证发射器和换能器的轴线始终在同一直线上.采用2台超声测试仪进行测试,换能器布置见图3.

358

河北大学学报(自然科学版)

第38卷

图1 试块处理Fi.1 Testblockprocessingg

图2 超声波测点布置示意

Fi.2 Ultrasonicmeasurinointsschematicggp

图3 测试换能器布置Fi.3 Testtransducerg

/加荷速率为0.在加载的过程中,对于混凝土等级为C 采用分级加载的方式,3MPas.20的混凝土试块,在应力达到3、获得声速、声时、振幅等参数;对于强度等级为C6、9、12和15MPa时进行超声测试,30的混凝土试块,在应力达到3、记录相应参数.将测得的2个位置的声速取6、9、12、15和18MPa时进行超声测试,平均值作为试块的声速值.

3 实验数据分析

3.1 实验数据

实验数据如表1所示.

表1 实验数据Tab.1 Testdata

-1

()声速/km·s应力9应力12

试块编号k2071k2071k2142k2142k2283k2283k2494k2494k2605k2605试块编号k3071k3071k3142k3142k3283k3283k3494k3494k3605k3605

等级C20C20C20C20C20C20C20C20C20C20等级C30C30C30C30C30C30C30C30C30C30

龄期/d71414282849496060龄期/d7141428284949606077

位置点1点2点1点2点1点2点1点2点1点2位置点1点2点1点2点1点2点1点2点1点2

4.21305.13704.195.13704.16675.20834.57324.26145.00005.5970应力3

应力3

4.21304.195.067.12095.20834.51814.26145.00005.5556应力65.0680

应力6

4.16705.13704.14365.067.12095.20834.41184.07614.93425.4745

4.16705.06804.12095.00004.03235.13704.360.12094.87015.3957

4.12105.00004.07614.96693.945.067.213.03234.80775.3191

应力15

4.87013.69463.318.435.06763.71295.00003.75004.80773.6058

4.87013.67653.318.435.00003.71294.93423.71294.80773.6058

4.87013.083.2.41184.93423.676.87013.676.77713.5885

-1

()声速/km·s应力9应力12

4.80773.58853.26094.360.87013.084.80773.084.71703.5714

4.74683.553.23284.31034.80773.60584.74683.62324.68753.5377

应力15

4.65843.48843.20514.26144.74683.57144.68753.588.62963.5047

应力18

第4期

杜二霞等:基于超声波测试的混凝土应力与波速关系

359

3.2 数据分析

采用O部分试块拟合曲线图如riin专用数据处理软件进行数据拟合.C20混凝土试块拟合报表见表2,g图4所示;部分试块拟合曲线如图5所示.C30混凝土部分试块拟合报表见表3,

表2 C20混凝土拟合报表

系数B标准差28.19722.76042.65942.78455.152110.29722.68236.02840.12844.287

拟合值-19.918-57.518-51.811-77.731-83.061-65.415-71.1-58.777-62.500-61.607

标准差5.6085.0019.211.96822.9774.47.5248.6109.7419.316

Tab.2 FittineortofC20concretegrp

试块k2071k2073k2141k2142k2284k2286k2491k2494k2604k2606

系数A拟合值107.270.7105239.6779365.9412391.7492306.3803352.8806281.3746308.2500296.03

相关系数0.79470.97040.84790.94490.92180.91680.68560.97280.94440.9262

显著分析值0.04100.00140.00580.00360.00610.00670.05260.00120.00370.0056

图4 C20混凝土声速与应力的拟合曲线

Fi.4 FittinurveofconcretesoundseedandthestressaboutC20ggcp

表3 C30混凝土拟合报表Tab.3 FittineortofC30concretegrp

试块k3071k3072k3141k3146k3284

系数A拟合值282.0088295.9601315.0968309.4938328.0683

标准差44.25829.31727.80930.70610.876

拟合值-.568-75.187-72.580-75.187-75.731

系数B标准差10.5237.7206.6257.7202.593

相关系数0.8790.9490.9590.9490.994

显著分析值0.00360.00060.00040.00060.0000

360

河北大学学报(自然科学版)

续表3Continuedtab.3

试块k3286k3492k3494k3602k3606

系数A拟合值307.6043343.2188280.6343347.0581312.0539

标准差28.99732.01912.14312.80813.258

拟合值-71.735-84.375-63.511-77.907-70.401

系数B标准差7.0008.1192.82.93.095

相关系数0.90.9550.9900.9920.990

显著分析值0.00050.00050.00000.00000.0000

第38卷

图5 C30混凝土声速与应力的拟合曲线

Fi.5 FittinurveofconcretesoundseedandthestressaboutC30ggcp

程,σ=313.883-75.067v可以作为C30混凝土超声波声速和应力之间的回归曲线方程.2个强度等级的回3.3 结果分析

对拟合报表进行分析可得C20、C30混凝土回归结果见表4.

表4 混凝土回归结果

由表2和表3可知,σ=304.6-.228v可以作为C20混凝土超声波声速和应力之间的回归曲线方

归曲线的系数不同,说明声速与应力之间的回归曲线还与混凝土的强度等级有关.

Tab.4 Fittinesultsoftheconcretegr

强度等级C20C30

系数A304.6313.883

标准差38.62328.391

系数B-.228-75.067

标准差8.3667.023

相关度0.9220.947

显著分析值0.00770.0013

表4中的显著分析值表示F检验对应的概率,当显著分析的值小于0.认为数据的拟合关系显著.05时,均接近于1;C20混凝土相关度为0.922,C30混凝土相关度为0.947,C20混凝土显著分析值为0.0077,C30混凝土显著分析值为0.均小于0.声速与应力间的线性关系明显.0013,05,

从拟合报表和回归结果可知,2个强度等级的混凝土超声波声速与混凝土应力之间的线性相关性良好.

4 结论

本文对不同龄期、不同强度等级的混凝土试块在不同工作应力下进行了超声波无损检测实验,获得了强

第4期

杜二霞等:基于超声波测试的混凝土应力与波速关系

361

度等级为C通过对超声波声速与工作应力之间20和C30的混凝土在不同工作应力下的超声波声速和振幅,的相关关系进行分析,获得如下结论:

)同一龄期的混凝土中的超声波声速,随着应力的增长,声速降低.1

)混凝土的工作应力与超声波声速之间相关性良好,可以用线性函数描述二者之间的关系.2

的应力下的超声波声速,声速随试块应力从零荷载到极限荷载的变化规律还有待研究.

参 考 文 献:

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[],():bersJ.Buildintructure2013,432373-80.gS

)强度等级对声速与应力间的关系曲线有影响,不同强度等级的关系曲线不同.3)本文只研究了2个强度等级的超声波声速与工作应力的关系曲线,且只测试了试块强度的0%以内

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(责任编辑:王兰英)