北京明长城原青砖的超声波测强

(北京化工大学 材料科学与工程学院，北京 100029)

长城作为我国著名的军事防御工程，其修缮保护工作受到各界广泛关注。北京地区长城多以明长城为主，主要分布在平谷、密云、怀柔、昌平、延庆和门头沟等6个区县，且多为砖石混砌，砌筑材料主要为青砖和条石。其中，青砖是长城砌筑过程中使用数量最多，使用范围最广的材料，作为主要的承重材料，其与长城自身的结构安全息息相关。因此，针对青砖后续修缮选材需求，对北京明长城原青砖抗压强度的检测显得尤为重要。

目前，建材行业中主要依据GB/T 5101-2003《烧结普通砖》和GB/T 2542-2012《砌墙砖试验方法》等相关建材标准来测试(破损法)青砖的实际抗压强度，但在文物保护领域又因取样困难、对文物本体造成破坏、成本较大等原因，需要采用无损或微损的检测方法来推算青砖的抗压强度。现阶段提出了JC/T 796-2013《回弹仪评定烧结普通砖强度等级的方法》标准，即通过测定青砖的表面回弹强度和实际抗压强度，建立回弹强度与抗压强度的曲线关系，从而通过回弹强度来推算其抗压强度，所得测强曲线相关系数较好，且符合测强模型精度要求[1-2]。但在长城勘测过程中，因青砖长期受风霜、雨雪等自然营造力的影响，加上表面风化层较厚，以及内部缺陷、表面石子、表面湿度、检测人员变动等因素影响，回弹强度常常无法有效测定或所测结果偏差较大，且测定过程会对青砖表面存在一定的损伤和破坏。故除上述的回弹法，有人提出了感官识别法、冲击法和超声脉冲法等无损检测概念[3]。

超声波脉冲法是一种无损检测方法，在混凝土、天然石材等无机材料领域中应用较为广泛[4-6]，且在国内外已存在多个行业标准，但在烧结青砖上的应用研究还较少。戴仕炳等对烧结黏土砖超声波波速与抗折强度、抗压强度的相关性进行了研究，发现同一类型的砖的抗压强度、抗折强度随着固定方向的波速的增大而增大[7-8]。KOJIMA等[9]通过超声波波速的测量来估计砖结构的强度，结果表明超声波波速与材料性能之间存在着显著的关系。为了解北京明长城砌筑青砖抗压强度性能，笔者采用超声波无损检测技术测试其超声波波速，研究超声波波速与抗压强度的相关性，建立两者之间的曲线关系，该曲线可应用于北京明长城的勘察工作，通过现场检测出的青砖超声波波速可推算出青砖的实际抗压强度。

1 检测原理

超声检测的基本原理是利用超声波在物质中传播时，遇到内部孔隙或缺陷(如裂缝、空鼓等)时，会产生反射、折射、衰减等现象，从而导致声波的声时、波速、波形、振幅、频率等特性参数发生变化，即因物质的内部缺陷会延长传播路径或以空气作为传播介质时使传播声时变长，从而导致波速变小，故超声波波速在一定程度上能反映出物质的内部情况[10]。而青砖抗压强度的变化本质上也受其内部物质特性的影响[11]，由于原料筛选、砖坯养护条件、烧制工艺等因素影响，其内部孔隙会有所变化，内部孔隙率越大，结构越疏松，若忽略青砖原料材料、内部杂质(如石子、石灰等)等的影响，对于同地区青砖而言，理论上其抗压强度也越小。

2 超声波与青砖内部孔隙关系

筛选出5块青砖整样，每块整样切割出2组尺寸(边长×边长×边长，下同)为5 cm×5 cm×5 cm的立方体试件，共10组青砖试件，参考CECS21:2000《超声法检测混凝土缺陷技术规程》标准测量其超声波波速(测量3对对测面，取平均值)及开孔孔隙率，验证超声波与青砖内部状况的相关性，其结果如表1所示。

表1 超声波与青砖内部开孔孔隙率的相关性

根据上述测试结果，为了解超声波与青砖内部情况的相关性，在x-y坐标轴上绘制青砖超声波波速与开孔孔隙率的散点图，如图1所示。

图1 超声波波速与青砖内部孔隙率的关系

由图1可知，若忽略测试过程中的偶然误差，青砖超声波波速与内部开孔孔隙率大致呈负相关关系，即青砖内部孔隙越多，所测得的超声波波速数值越小，同时内部孔隙率会影响青砖的实际抗压强度，故青砖超声波波速也与实际抗压强度之间存在一定的相关性，可通过超声波波速对青砖内部孔隙或缺陷进行概括性评估。

3 超声波与青砖抗压强度的关系

3.1 试件制备

选取北京明长城6个区县的青砖试样，用砂纸除去表面风化层，因样品数量有限，将所得青砖试样切割为5 cm×5 cm×5 cm的立方体试件，试件数量约为50组，用于超声波波速和实际抗压强度对比试验。

3.2 测试设备

试验过程中，青砖的超声波检测采用ZBL-U510型非金属超声波检测仪(北京智博联公司)，其读数精度为±0.05 μs，换能器频率为10 kHz～250 kHz，发射电压为65，125，250，500，1 000 V可调，增益范围为0～82 dB，其具体测试参数为:采样长度,1 024;采样周期,0.4 μs;发射电压,500 V;发射脉宽,0.04 ms;换能器频率,50 kHz。而青砖实际抗压强度使用DYE-300A型微机伺服抗折抗压试验机进行检测。

3.3 试验过程

3.3.1 超声波波速测试

选择青砖试件的两个平行被压面，使用游标卡尺测量被压面的长度、宽度及两平行被压面之间的高度，然后采用超声波检测仪通过对测法[10]测量超声波通过两被压面的声时，且通过多次测量求取平均值，并按式(1)计算超声波波速。

V对=L/T

(1)

式中：V对为试件超声波波速，km·s-1；L为两平行被压面之间的高度，即超声测距，mm；T为通过两被压面的声时，μs。

3.3.2 实际抗压强度测试

超声波波速测量完毕后，将试件放入抗折抗压试验机中进行抗压强度测定，记录试件破坏载荷，再按式(2)计算实际抗压强度。

f=F/(a×b)

(2)

式中：f为试件实际抗压强度，MPa；F为试件破坏载荷，N；a为受压面长度，mm；b为受压面宽度，mm。

3.3.3 测试结果

计算并记录试件的超声波波速V对和青砖实际抗压强度f，汇总如表2所示，综合分析两者之间的关系。

3.4 回归方程选取

图2 线性函数型超声波测强曲线

为了解试件超声波波速与实际抗压强度之间的相关性，筛选出线性函数型、幂函数型以及指数函数型3种常见的回归方程来研究两者之间的规律性，结合表2所示的测试结果，分别利用3种函数形式进行相应回归分析，绘制青砖超声波测强曲线，如图2～4所示。

表2 超声波波速与实际抗压强度数据汇总

图3 幂函数型超声波测强曲线

图4 指数函数型超声波测强曲线

3.5 超声波测强曲线确定

参考《回弹仪评定烧结普通砖强度等级的方法》标准相关要求，一般主要通过相关系数R、抗压强度平均相对误差(%)以及抗压强度相对标准偏差RSD(%)来评估测强曲线的精度，进行曲线筛选，其计算过程如式(3)，(4)所示。

(3)

(4)

按上述要求，计算其相关结果，如表3所示。

表3 青砖超声波测强曲线精度对比结果

由表3可知，3条青砖超声波测强曲线的相关系数、平均相对误差及相对标准偏差都较为接近。一般统一测强曲线平均相对误差不应大于±15%，相对标准偏差不应大于±18%，地区测强曲线平均相对误差不应大于±14%，相对标准偏差不应大于±17%，综合考虑，幂函数型超声波测强曲线的相关系数最大，推算的抗压强度的平均相对误差和相对标准偏差最小，且较为符合测强曲线平均相对误差和相对标准偏差的数值要求，为了确保曲线的精度，故选择幂函数型超声波测强曲线作为抗压强度推算的表达式，如式(5)所示。

f推=3.328 2V对1.653 5

(5)

式中：f推为青砖推算抗压强度，MPa。

文章拟合所得的超声波波速与抗压强度之间的回归方程，主要适用于北京明长城青砖的抗压强度推算，为地区测强曲线，其他地区青砖的抗压强度推算可参考此方法进行。此方法为无损检测方法，适用于文物古建现场的勘察工作。

4 结语

为了解青砖强度特性，选用与青砖内部孔隙或缺陷存在相关性的超声波波速作为强度推算指标，又因超声波对测法精度好，灵敏度高，与强度关联性大，建立了超声波对测波速与抗压强度的回归方程曲线，可通过测试所得的对测波速大致推算出青砖抗压强度。

此方法在合适的现场勘察条件下，通过超声波波速测量能有效推算出青砖抗压强度，从而避免取样困难或对文物古建筑造成破坏等问题。然而，此方法还有需要进一步研究的地方，一是自然环境的影响，温、湿度等会对超声波测量结果造成一定影响，后续需研究自然环境对青砖超声波波速测量结果的影响，对其结果数值进行适当修正；二是测量位置的选取，因对测法主要是测量通过两个被压面的超声波波速，大多数现场勘察条件下，较难找到合适的对测面，多为一个可测的平面，故后续需研究青砖超声波平测技术与对测技术之间的相关性，使平测波速能够修正转换成对测波速。