硫酸盐侵蚀下超声波检测水工混凝土强度试验探讨

张晓翠

(大连金普新区农业农村发展服务中心，辽宁 大连 116100)

实践表明，及时发现和诊断水工混凝土的受腐蚀程度，对合理选择加固整治方案、预测剩余使用年限和评定水工结构耐久性等具有重要意义[1]。目前，我国学者深入研究了现场无损检测混凝土损伤和钢筋锈蚀技术，其中超声法凭借其经济性和便携性得到广泛的应用[2-6]。文章研究了硫酸盐侵蚀下水工混凝土强度超声波无损检测技术，并进一步探讨了超声声速与受腐蚀混凝土强度之间的函数关系。

1 试验方法

1.1 试件制备

本试验共制备75个水工混凝土试件，尺寸均为300mm×100mm×100mm，每组试件3个，各组试验数据取平均值，编号如表1。试验选用海螺牌P·O 42.5级普通硅酸盐水泥，粗骨料选用5～20mm连续级配人工碎石，细骨料选用细度模数2.6的天然河砂，依据《水工普通混凝土配合比设计规程》(DL-T 5330-2015)合理确定试验配合比，水：水泥：碎石：河砂=0.58∶1∶1.60∶2.75。

水工混凝土试件编号，见表1。

表1 水工混凝土试件编号

水工混凝土配制主要包括搅拌时间、投料顺序、原材料计量等过程，先按照配合比精准称量原材料，再按先骨料再凝胶材料、最后加水的顺序投料。由于涉及组分较多，搅拌时间与方式是保证混凝土质量及搅拌均匀的关键环节，故试验选用搅拌机配制混凝土，一般控制搅拌时间150s，以拌合均匀作为终止拌制的条件。拌制完成后倒入试模，室内静置24h后放入养护室标养28d，经检测28d抗压强度fcu达到25.18MPa。

1.2 硫酸盐侵蚀

通过增加溶液浓度和干湿循环的方式加速侵蚀，在质量百分比15%的硫酸镁、硫酸钠溶液中浸泡各组试件，以浸泡4d+烘干1d作为一个干湿循环，烘干温度80℃，每循环3次测一次混凝土强度。

1.3 测试仪器

采用电液伺服试验机和NM-4A非金属超声检测仪测试水工混凝土抗压强度，超声检测仪的工作频率50kHz，探头直径3cm；声时处于0.5～10000μs和20～30μs时测度精度达到0.1μs、0.2μs，选用凡士林作为耦合剂。

1.4 超声检测

目前，超声脉冲测速法是无损检测混凝土质量的有效手段，该方法是在不破坏工程结构完整性的情况下判定混凝土的强度状况，其中超声波穿过混凝土试件的时间是测量脉冲速度的关键[7-8]。在混凝土试件表面安装换能器进行直接测量，为保证测试精度必须把适量的耦合剂涂覆于混凝土与换能器之间的接合面上，确保穿过混凝土时声波不发生反射，同时防止声阻抗因传播介质的改变而减小的现象[9-10]。

采用超声波系统直接测量声波的穿透试件的时间，其工作流程为：①发生器发射超声波脉冲信号并激励换能器Tx；②换能器产生超声波，示波器显示产生的信号；③在声波到达试件末端时换能器接收器Rx检测声波，通过转化处理将超声波编程电信号显示在示波器上。每个试件均匀布设5个测点，以5个测点平均值作为超声波声时值t，如图1所示。

通过同步示波器通道能够获取接受信号与脉冲发射之间的时间，即声波穿透试件的时间，结合特定混凝土试件的声时值t和厚度l，利用以下公式计算超声波脉冲速度v，即：

v=l/t

(1)

图1 超声脉冲速度测量示意图

2 结果分析

2.1 试验结果

试件标养28d后取出，然后以浸泡4d+烘干1d作为一个干湿循环，烘干温度80℃，每循环3次检测一次超声声时，并揭示超声脉冲速度与混凝土抗压强度之间的关系[11-14]。结合未受侵蚀前混凝土超声检测结果，平均初始声时值为23.35μs，误差不超过±0.5%，即受侵蚀前混凝土浇筑质量较为均匀。水工混凝土在不同侵蚀条件下的超声波脉声时值t如表2所示，超声波脉冲速度V如表3所示。

表2 不同侵蚀条件下的超声波脉冲声时值

表2 不同腐蚀条件下的超声波脉冲速度

2.2 超声声速与混凝土强度的函数关系

一般采用非线性数学表达式fcuc=AeBv或fcuc=AvB反映v～fcu相关曲线，通过对比试验数据发现超声波脉冲速度V与侵蚀条件下混凝土强度之间符合fcuc=AvB关系，将初始数据归一化处理后进行拟合分析[15-16]，则有：

(2)

(3)

(a)v′≥v (b)v′

在硫酸钠、硫酸镁溶液中超声波脉冲速度与混凝土强度的拟合曲线如下：

(4)

y=2.2156x+0.0085；v′≥v
y=0.9245x+0.0004；v′

(5)

经转换处理，确定超声波脉冲速度与硫酸钠、硫酸镁侵蚀条件下混凝土抗压强度之间的关系，即：

(6)

(7)

3 结 论

1)受硫酸盐侵蚀程度不同的混凝土中超声波的传播速度存在一定差异，侵蚀初期超声波脉冲速度有所增大，随着侵蚀时间的延长超声波脉冲速度逐渐下降。硫酸盐侵蚀条件下，水工混凝土的抗压强度与超声波脉冲速度之间存在回归关系，拟合曲线符合fcuc=AvB的关系式。结合试验数据建立侵蚀条件下混凝土强度与超声波脉冲速度之间的函数关系，为侵蚀条件下水工混凝土强度超声波无损检测提供一定支持。

2)硫酸镁和硫酸钠侵蚀环境不同时，超声脉冲波检测的混凝土强度变化规律不尽相同。采用超声波法无损检测混凝土强度具有精准度高、操作简单方便等优势，若综合应用回弹法等其他方法将会达到更好的应用效果。