超声波法检测混凝土工作应力状态试验研究

李铭博

河北农业大学东校区土木工程专业

摘要：评估役结构安全性工作中混凝土结构工作应力属于重要指标。本文通过超声波法检测混凝土试件单项轴压试验，以了解超声波传播速度与养护龄期、强度等级、骨料类型的影响。基于此试验确定相对波速系数以及混凝土应力损伤系数，得到混凝土工作应力与超声波波速的关系式，进而提出混凝土工作应力的评估方法，以便于今后混凝土结构工作应力检测工作。

关键词：超声波波速；混凝土；工作应力；应力损伤系数

在建筑工程中混凝土结构属于一种主要结构形式。当出现混凝土碳化、冻融或应力损伤时均可破坏混凝土结构，其中由超载导致的结构内部应力加大是引发结构破坏的常见原因。建筑物的安全性主要依靠混凝土应力水平体现，因此针对役结构的不同部位、不同指标的工作应力值均需熟知。以往研究多针对利用超声波检测混凝土材料强度与裂缝缺陷，关于采用超声波检测混凝土工作应力状态的研究较少。本文针对混凝土立方体试块的试验，针对不同养护龄期、不同强度等级、不同骨料类型的试件的超声波传播速度与幅值的影响进行对比，得到不同应力下超声波波速与幅值的变化规律。基于试验确定相对波速系数以及混凝土应力损伤系数，得到混凝土工作应力与超声波波速的关系式，进而提出混凝土工作应力的评估方法，以为今后混凝土结构工作应力检测工作提供参考。

1试验概况

1.1试验设备

本试验选用YAW-2000D型微机控制电液伺服压力试验机，非金属超声波检测分析仪，50kHz换能器。

1.2试验试块

根据工程常用的混凝土强度等级及骨料类型（卵石、碎石），本文对C25、C30、C35三种强度等级的混凝土试块,骨料类型为碎石和卵石的C25强度的混凝土试块进行了实验研究，并根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ—2011）制定配合比；为了研究养护龄期对试验结果的影响，本次试验立方体试块同一龄期、同一强度、同一骨料类型为一组，每一组制作6个150mmΧ150mmΧ150mm试块，并根据试验龄期要求在标准养护条件下分别养护28d、60d、90d，以卵石为骨料类型的C25强度等级的混凝土试件养护28d。

1.3试验方法

在试验中，为了减少试件两端摩擦阻力对混凝土内部损伤的影响，以凡士林为润滑剂涂抹在立方体左右两端。将超声波的平面换能器垂直于加载方向对称放置在试件的中部。图1显示了试件的加载形式与测试布置图。

图1试验布置简图

根据相关规范制定各强度试件加载速度和等级如表1所示

表1加载速度及加载等级

通过分级加载的方法对混凝土试件进行荷载—超声波检测试验，要求各级加载过程中的保压时间不低于10min，进行超声波检测和数据采集。

2工作应力与超声波速之间的关系

2.1不同强度混凝土立方体试件超声波波速对比

图2所示为C25、C30、C35混凝土立方体试件28d养护龄期下，超声波波速随应力的变化趋势图。

在同一龄期下，不同强度等级的试件波速相差较小；随着应力的增加，同一应力水平下，强度等级越高，波速值越大，而在应力值在10MPa～15MPa时，强度为C30混凝土立方体试件波速值比C35的混凝土立方体试件波速值较高；在同一龄期下，随着应力的增加，C30与C35试块的波速趋于接近，而C25试件下降趋势较C30与C35试块更为明显。

整体呈现随应力水平增加，超声波波速波速降低的趋势。

图2不同强度混凝土立方体试件超声波波速对比趋势图

2.2不同龄期立方体试件超声波波速对比

图3所示为养护龄期为28d、60d、90d，强度等级为C25的混凝土立方体试件的超声波波速对比趋势图。

从图中可以看出，强度等级为C25的不同龄期混凝土立方体试件在加载初期波速值相差不大；随着应力值的增加，整体波速值呈现下降趋势；应力值在0MPa～9MPa时，龄期为90d的试件波速出现大幅度增长；应力值在9MPa～18MPa时，在同一应力水平下，试件龄期越长波速值越大；应力值在18MPa～28MPa时，龄期为60d的试件波速出现一段小幅增长。

对于在初期应力作用下出现波速增长，可能是由于在荷载的作用下，混凝土立方体试件被压密实。

整体大致呈现出随着应力水平的增加，超声波波速出现先下降后上升再下降的趋势。

图3不同龄期立方体试件超声波波速对比趋势图

2.3不同骨料类型立方体试件超声波波速对比

图4所示为骨料类型为卵石、碎石，强度等级为C25，养护龄期为28d的混凝土立方体试件的超声波波速对比趋势图。

从图中可以看出，骨料类型为碎石的立方体混凝土试件的工作应力与超声波波速的关系与骨料类型为卵石的立方体混凝土试件的工作应力与超声波波速的关系相差不大；随着应力水平的增加，立方体试件超声波波速呈现类抛物线式下降趋势。

因此骨料类别（卵石、碎石）对波速值影响不大。

图4不同骨料类型立方体试件超声波波速对比趋势图

3工作应力与超声波幅值之间的关系

3.1不同强度等级混凝土立方体试件超声波幅值对比

图5所示为C25、C30、C35混凝土立方体试件在28d养护龄期下，超声波幅值随应力的变化趋势图。

从图中不难看出随着应力水平的增加，超声波幅值波动幅度大，因此不同强度等级的混凝土立方体试件与超声波幅值的规律性很差，离散度很高。

不建议采用超声波幅值来监测混凝土试件的损伤程度。

图5不同强度等级混凝土立方体试件超声波幅值对比趋势图

3.2不同养护龄期混凝土立方体试件超声波幅值对比

图6所示为养护龄期为28d、60d、90d，强度等级为C25的混凝土立方体试件超声波幅值随应力的变化趋势图。

从图中可以看出，龄期为28d与龄期为60d试件的初始幅值相似，而龄期为90d试件的幅值偏低，随着应力水平的提高，不同养护龄期的试件的超声波幅值都呈现了先增加后减少的趋势。

从整体看，在相同应力水平下，随着养护龄期的提高，超声波幅值大体呈现下降的趋势。

图6不同养护龄期混凝土立方体试件超声波幅值对比趋势图

4工作应力检测方法

本试验主要针对在役混凝土结构中的混凝土构件工作应力检测，根据试验数据结果显示，超声波幅值与混凝土试件应力的规律性很差，不建议作为检测在役混凝土损伤状态的指标。

将初始波速v0。设被检测部位的超声波速为v，定义相对波速系数为dv，混凝土应力损伤系数为dσ，该两系数的表达式如下:

dv=v/v0(1)

dσ=σ/σu(2)

其中，σ为构件检测点的应力，σu为所检测混凝土构件的极限破坏应力。在检测中，对于受压区可以用下面两种方式来评估混凝土构件的工作应力。

4.1工作应力阶段法

如图如图7所示，根据试验数据，将混凝土构件的应力与超声波波速的对应关系划分为三个阶段，各阶段所对应的混凝土工作应力如下:

1)阶段一，图7中的AB段。在此阶段内，混凝土构件内粗骨料与水泥浆体之间的过渡区基本稳定，基本未出现应力损伤，超声波波速基本等于初始波速，混凝土应力不大于其极限破坏应力的30%，即相对波速系数dv≈1.0，应力损伤系数dσ≤0.3，此阶段称为低应力工作阶段。

2)阶段二，图7中的BC段。在此阶段内，混凝土试件过渡区粗骨料与水泥浆体之间的微裂纹缓慢开展，应力损伤逐渐体现，但砂浆中无明显裂缝，混

凝土的超声波波速随着应力的增加而缓慢减低，混凝土应力在其极限破坏应力的30%到70%之间;此阶段三种强度等级混凝土的超声波波速比初始波速最大降低约6%，即在此阶段内相对波速系数dv=1.0～0.94，应力损伤系数0.3≤dσ≤0.7。考虑到在结构设计时荷载的综合分项系数在1.2～1.4之间可以认为此阶段为结构在正常使用荷载作用下，称为正常应力工作阶段。

3)阶段三，图7中的CD段。在此阶段，随着应力的增加，混凝土内部的微裂纹逐渐贯通，混凝土超声波波速快速下降，应力损伤急剧增大直至混凝土破坏。破坏时超声波波速下降到初始波速的65%～75%，从安全角度考虑本文取75%，即在此阶段内相对波速系数dv=0.93～0.75，应力损伤系数0.7≤dσ≤1.0。此阶段称为应力破坏阶段。

图7混凝土相对波速系数与应力损伤系数简化关系图

4.2工作应力与超声波波速拟合法

经过分析，不同强度等级的混凝土试件超声波声速与工作应力图符合根据文章编号为1002-8528(2017)03-0094-06的期刊中提出的工作应力与超声波波速拟合法。

σ=σu－A1e(v－v0)/t1

式中:σ为混凝土构件检测部位工作应力，N/mm2;v为超声波波速，km/s;v0为初始超声波波速，本文取5.0km/s;σu为混凝土的极限破坏应力，N/mm2;A1为应力衰减参数;t1为系数。

以强度等级为C35的立方体混凝土试件为例，如图8，验证了其公式的合理性。

5结论

通过对三种强度等级立方体混凝土试件的试验分析，研究了混凝土试件在不同压应力作用下超声波波速和幅值的变化规律，探讨了立方体试块养护龄期的影响。在对试验数据分析的基础上，定义了相对波速系数和混凝土应力损伤系数，拟合了工作应力和超声波波速关系的公式，并提出了两种根据超声波波速评估混凝土工作应力的方法。

1)对于不同强度等级的混凝土，不同应力水平下，强度等级较高的混凝土的超声波波速较强度等级较低的混凝土的超声波波速时间稳定性好。

2)对于相同强度等级的混凝土，不同骨料类型（卵石、碎石），在不同应力水平下超声波波速与幅值并没有明显变化。

图8C35立方体试件工作应力与超声波波速关系拟合图

3)从养护龄期为28d的立方体试件来看，不同强度等级混凝土试件的初始超声波波速大约均为4.8m/s;在应力低于极限破坏应力的30%时，超声波波速基本等于初始波速;在工作应力为极限破坏应力的30%～70%阶段，超声波波速缓慢下降，最大比初始波速下降约6%;当工作应力大于混凝土极限破坏应力70%后，超声波波速下降较快;当达到破坏应力时，超声波波速比初始波速下降约25%。

4)超声波幅值与混凝土应力对应关系没有规律性，不宜用幅值来检测和评价混凝土的工作应力。

5)在进行混凝土构件应力检测时，可通过检测应力很小的部位来获得被检测混凝土的初始波速，然后利用本文所推荐的工作应力阶段法或拟合公式来确定构件的应力状态，为检测和评价提供参考。

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作者简介：李铭博(1998.04-)，男，河北省霸州市人，保定市南市区，河北农业大学东校区土木工程专业本科生

河北农业大学大学生创新创业训练计划资助项目(项目编号2018037)