混凝土损伤超声检测受含水量与频率的影响研究

邵 帅

(盘锦水务集团有限公司，辽宁 盘锦 124010)

0 引 言

一般地，以混凝土材料制成的结构使用寿命可分为早期性能退化、损伤起始与积累过程、最终断裂破坏3个阶段。其中，外部特征形态比较明显的有最终的断裂破坏及结构损伤起始和积累过程，一旦结构出现宏观裂纹将大大缩减其剩余的使用寿命。所以，科学诊断与监测结构及材料早期性能尤为重要。1929年，为探测金属结构内部缺陷Sokolov最早提出超声波技术，经过长期发展超声无损检测现已成为材料性能检测的主要手段，并广泛应用于多个工程领域。

混凝土是一种内部存在广泛分布空洞、微裂纹等多种缺陷的各向异性多相复合材料，特别是显著影响混凝土力学性能的骨料与砂浆界面过渡区。因此，混凝土中声波的传播要远远比均匀介质复杂，声波会出现散射、折射和反射现象，并产生明显的衰减。虽然混凝土强度检测时，超声脉冲法可以检测出其内部的缺陷问题，但各种因素易对超声传播声速与混凝土强度间的定量关系产生影响，难以直接利用检测结果确定混凝土的损伤情况和真实强度。

混凝土超声波速的影响因素既有配合比、水泥、骨料等原材料性能的内部条件，又有检测频率、含水率以及试件温度等外部因素，为了保证混凝土超声无损检测精度必须综合考虑各种因素的影响程度及其作用机理[1-2]。据此，文章深入探究了混凝土声学参数受含水量和检测频率的影响规律，旨在促进无损检测技术在水工混凝土中的应用推广。

1 试验设计

试验按照相关标准制作混凝土试件，并将标准养护28d后的试件放于水中，经60d浸泡使其达到完全饱水状态，然后利用烘箱烘干操作控制混凝土试件的含水量，完成超声检测，最后用压力试验机破坏并测量其超声波速，试验过程中所用的超声测量频次有100、50、30、15kHz，从而揭示混凝土超声损伤检测受含水率和检测频率的影响规律。

1.1 试件的制作

混凝土的主要组成材料有矿物添加剂、水、骨料、砂石、水泥和其他化学成分，混凝土强度在很大程度上取决于各种成分比值。试验所用水泥为P.O 32.5水泥，塌落度35-50mm，强度C30，碎石粒径5-20mm，中砂，依据设计规范确定混凝土试件的配合比。配合比设计，见表1。

表1 配合比设计

混凝土试件采用钢膜成型，尺寸为100mm×100mm×100mm，成型之前清理干净钢膜，并用矿物油涂抹钢膜内壁以便脱模。首先，根据设计配合比称取相应的水泥、砂石用量，按顺序投入搅拌机，先将水泥与骨料干拌均匀，然后按配合比称取所需水量倒入搅拌机，继续搅拌至规定时间倒出装模。启动振捣台，将入模试件振捣密实并常温放置24h，脱模后置于标养室养护至规定龄期28d，标养完成后取出试件浸泡水中60d，确保试件吸水饱和，以备后用。

1.2 超声试验

试验过程中，为探讨超声检测受不同含水率的影响作用，对饱水状态的试件用烘箱进行烘干处理，即试件含水量用烘干时间来控制。为了防止试验过程中混凝土试件因高温烘干而出现损伤，先以60℃烘干24h再以105℃烘至含水量为0。设定超声检测频次为4h/次，在超声波速测量之前先对混凝土试件称重确定其含水量，最后烘干至含水率为0，即试件质量不变状态。

试验时，通过称出试件的最初重量、每次干燥后重量、最后烘干无含水重量以及重量差可以计算出每次的含水率，从而获取不同含水率条件下混凝土试件的超声波速。声波测试时主要应用超声检测仪，本次试验选用智能RSM-SY5声波检测仪，该仪器的测量系统有声波发射、采集装置以及配套的控制分析软件。试验数据的初步处理利用RSM-SY5自带的软件完成，然后向电脑输入仪器采集的数据信号，按系统操作流程完成相应的分析。

1.3 混凝土加载

试件加载所用的压力试验机为YE30液压式，该试验机能够以预先设定好的加载大小、速度对试件加压，通过电脑控制可以进行分级加载。本次试验实行分级加载，控制逐级加载幅度为50kN一级，直至试件完全破坏。试验过程中，待各级荷载稳定后对混凝土试件采用4种频率开展超声测量，并对超声参数进行准确记录。

为保证混凝土试件的测定空间，更好的比较分析15k的超声换能器探头，试验时以正常角度与试件排放角度呈45°进行检测[3]。

1.4 耦合剂选用

考虑到混凝土被测表面粗糙不平的实际情况，无论挤压的多密实，混凝土表面与换能器辐射面接触时两者之间仍会有空气夹层阻隔。一般地，空气与固体的阻抗特性具有较大差异，绝大部分超声能量被反射而无法贯入混凝土内部。所以，需要将膏体或者液体耦合剂填充于混凝土与换能器之间，通过排掉二者之间的空气形成耦合剂层，一般选用石膏浆、凡士林、黄油等较廉价的膏体作为平面换能器的耦合剂。试验过程中，以等压力耦合的方式耦合混凝土试块与换能器，耦合剂选用凡士林。

2 试验结果与分析

2.1 含水量的影响分析

含水量与超声波速之间的关系，见图1。图1中横、纵坐标代表混凝土的含水量和超声波速，混凝土完全干燥和饱水状态的含水量为0%、6%(重量百分比)。

(a)试件1

(b)试件2

(c)试件3

(d)试件4

(c)试件5

(d)试件6

由图1可知，随着含水量的增加混凝土试件的超声波速波动增大，这与空气中超声波速低于水中的物理事实相符。以检测频率50kHz为例，试块饱水状态和完全干燥状态的超声波速约为4000m/s、3500/s。另外，试件的超声波速测量值受检测频率的影响较大，波速随检测频率的增加而增大，其增大幅度逐渐变缓并趋于稳定。保水状态下的试块，从15kHz探头频率提高至30kHz时测量的超声波速值增量达到15%，继续增大探头频率至100kHz测量的超声波速值增量仅有约5%，可见波速增加量随着频率的不断增大逐渐趋于稳定。

2.2 频率的影响分析

外加荷载与试件超声波速的关系，见图2。图2中的横、纵坐标为外加荷载和超声波速(m/s)，不同监测频率用不同曲线反映。考虑到室内加载过程中，在烘干的混凝土试块吸收空气中的水分，故以外界环境含水量作为试块的含水量。

由图2可知，随着外加荷载的增加试件的超声波速逐渐减少，超声波速下降速度在外加荷载较小时比较缓慢，而超声波速下降速度在外加荷载较大时下降速度较快。由此表明，混凝土内微裂纹随着外加荷载的增加逐渐扩展，试块内部开始出现损伤，加之宏观弹性模量的下降使得超声波速测量值减小。此外，增加探测频率会导致不同含水量混凝土试件的超声波速的增大。

(a)试件1

(b)试件2

(a)试件3

(b)试件4

2.3 深层理论分析

1)超声检测受含水量的影响。随着含水量的增加自由水分逐渐替代混凝土内空隙中的空气，与空气相比水作为一种不可压缩液体，其变形量在外荷载作用下相对较小。所以，在外荷载作用下水与混凝土材料基体叠加后的总变形量逐渐减小。从宏观上，该变化特征表现为弹性模量的增大，由于材料的弹性模量与超声波速测量平均值呈正比，所以测量的超声波速随含水量的增加而增大。

2)超声检测受频率的影响。能量输入越高意味着检测频率就越高，混凝土内相邻质点位移信息在超声波传播过程中的传递动力越高，信息传递速度越快。研究表明，随着加载速率的增加混凝土强度和弹性模量也会随之增加。从微观上，增大检测频率相当于提高了超声检测时混凝土的弹性模量，超声波速测量值也会增大。

此外，超声波的检测频率越高其波长就越短，传播的方向性和灵敏度就越好，由于能量衰减大导致探测距离较短。因此，要合理选择超声波频率检测混凝土缺陷，在确保能够探测信号能够清晰接受的情况下，为了进一步提高检测的灵敏度要选择较高的探测频率。一般地，混凝土材料超声波速的最适用检测频率为25-100kHz，频率范围为25-200kHz。试验过程中，结合实际情况并兼顾各种因素，可以将探头超声发射频率设为50kHz。

3 结 论

文章探讨了混凝土损伤超声检测受含水量和超声检测频率的影响，通过初步分析及试验研究得出的主要结论如下：

1)在外荷载作用下混凝土的变形量随含水量的增加而减少，宏观弹性模量和超声波速检测值也随之增加。此外，超声波速增长速度随着混凝土含水量的增加而趋于平缓。

2)超声检测频率越大则输入的能量越高，混凝土内相邻质点位移信息在超声波传播过程中的传递动力越高，信息传递速度越快。从微观上，增大检测频率相当于提高了超声检测时混凝土的弹性模量，超声波速测量值也会增大，超声波速的增长速度随着频率的不断增加而趋于平缓。

3)随着外加荷载的增大混凝土超声波速逐渐减小，并且其减小幅度逐渐增大，混凝土逐渐产生损伤并进一步发展。