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冲击回波法评价混凝土损伤程度的试验研究
发布时间：2017-09-01
1引言
混凝土是水利、土木工程中广泛使用的材料。混凝土在载荷、外界环境的作用下会出现不同程度的损伤。其中内部裂纹的产生与扩展使混凝土强度下降并最终导致混凝土的破坏[1]。目前常用的混凝土质量检测的方法主要是钻芯取样法、回弹法、以及超声波等方法。钻芯取样法会对混凝土构件造成一定的破坏;回弹法主要局限于混凝土强度的快速检测;超声检测方法是一种有效的无损检测方法,但是超声检测往往受到混凝土含水量、钢筋以及混凝土与传感器之间的耦合等多种因素的影响[2]。冲击回波方法是20世纪80年代兴起的一种混凝土无损检测技术。国内外学者相继研究了冲击回波法对混凝土厚度、内部缺陷检测[3]。目前已经成为一种有效的混凝土无损检测方法。本文通过对单轴加载后混凝土对机械应力波反射特性的研究,来探讨冲击回波方法对混凝土内部损伤的检测。
2试验
采用亚东水泥股份有限公司生产的P.O42.5水泥;湖北巴河中砂;粗集料采用阳新碎石,最大粒径为20 mm;采用阳逻Ⅰ级粉煤灰;减水剂为格雷斯中国有限公司生产的高效减水剂ADVA180;试件按照GB 50504-2002制作为150 mm×150 mm×150mm的立方体。其中A、B、C分别代表粉煤灰掺量为0%、15%、30%。试件成型后在标准养护条件下养护28天。试验混凝土配合比见表1。
试验仪器为美国Olson公司研制的冲击回波扫描仪、意大利Milano生产的无机非金属材料试验机。A、B、C三组试件在28天时测得的抗压强度分别为46.7 MPa、44.1 MPa、41.9 MPa。将每组中的试块分别加载到该组混凝土破坏强度的20%、40%、60%、80%。每个载荷等级按照相同的加载速率(0.5MPa/s)反复加载10次,最后一次结束后再保持该压力静压2分钟。经过不同大小的循环荷载的处理后,混凝土试件内部发生了不同程度的损伤。卸载后采用冲击回波扫描仪测量该组试件对于机械应力波的响应。测试面垂直于加载方向。测量结果分析中采用带通滤波3000 Hz～30000 Hz。测试示意图如图1。
3试验结果与分析
将经历过载荷作用的各组试块分别用冲击回波扫描仪进行检测。图2为所测得的频率响应结果。其中由左至右分别表示A、B、C三组不同配合比的试块。由上至下分别对应所经历的载荷为破坏载荷的0%、20%、40%、60%、80%时的测试结果。图3为所测得的波速结果,纵坐标表示波速(Ci)与基准值的比值,其中以A组中未损伤的试块所测得波速作为基准波速(CP) ,横坐标表示所加载荷(Pi)相应组试块的极限抗压强度(Pm)的比值。图4表示在经历了不同载荷后所测得的频谱峰值强度的变化趋势,图中纵轴以指数坐标的形式给出,该强度值反映了接收到的反射回波的强弱。
由图2可以看出随着混凝土所经历的载荷的增加,机械应力波在混凝土中的速度呈减小的趋势,这种减小的趋势主要表现为:在载荷为破坏载荷的40%以前波速减小的速度比较缓慢,当超过破坏载荷的60%以后,波速的减小非常迅速。此外该图中三条曲线的分布可以看出三类混凝土的初始波速与混凝土的强度呈对应关系。但是在随着混凝土经历的载荷的增加也即混凝土损伤程度的增加,这种对应关系逐渐不明显,到混凝土最终破坏时更是没有任何规律可言。图3中的冲击回波频率峰值强度与损伤程度呈对数递减关系,可见随着混凝土内部损伤程度的增加,波在混凝土内部的衰减越来越迅速,当混凝土完全破坏后,已经很难找到主频率。
宏观的损伤理论把包含各种缺陷的材料体看成一种含有微损伤的“连续”介质,将这些微缺陷的发展过程看作是损伤演变过程,并把损伤作为细观结构的一部分引入连续介质模型,有如下关系:
式中E0―材料无损状态的弹性模量
D―损伤因子
可见混凝土的损伤过程包含着混凝土本身力学特性的逐步退化。冲击回波法是基于机械应力波在固体介质内传播的无损检测方法。在物体表面施加机械冲击,在其内部激发瞬时应力波,包括纵波(P波)、横波(S波)和表面波(R波)。纵波和横波被内部缺陷或外边界反射所引起的表面位移由放置在冲击点附近的位移换能器检测。因为冲击点以下纵波的幅度最大,而横波的幅度较小,所以表面位移主要由纵波产生。用快速傅里叶变换(FFT)将时域波形转化为频率幅度谱,从而获得换能器接收到的纵波频率。纵波波速CP、主频率f、试件厚度T之间存在如下关系[5]:
式中E―材料的弹性模量
ν―材料泊松比
ρ―材料密度
由式(2)、(3)可以看出机械应力波在材料中传播的波速、冲击回波获得的反射波的频率与材料的弹性模量、泊松比这两个力学参数有关,结合式(1)～式(3)来看,对于冲击回波测试过程中波速、频率、频谱特性的规律的研究能够反映材料的损伤程度。波速以及频谱幅值的这种变化与混凝土应力应变曲线表现出一致性(图5)。这一结果很好地验证了式(1)～式(3)所表达的混凝土内部损伤与机械应力波传播特性的关系。当混凝土经历的载荷小于混凝土最终破坏载荷的30%以下时混凝土处于弹性形变阶段,该阶段内混凝土的弹性模量损失很小,此时造成波的衰减的主要因素是混凝土中骨料与水泥浆体的界面、孔隙等,因此与应力为零时相比波速减小非常缓慢。当载荷增加到30%～60%时,骨料水泥浆、孔隙等薄弱区微裂纹的数量、长度开始增加,混凝土的变形偏离弹性阶段,弹性模量开始减小,波的衰减逐渐加快,频谱响应的强度也随之降低;当应力超过破坏载荷的60%以后,裂缝在这一阶段开始形成并迅速扩展,在超过80%以后开始形成裂缝系统,混凝土内波的反射面迅速增加,因此波的衰减速度也大大加快,同时主频附近出现其他的频率峰值(图1),表明其他反射面开始出现,反映出混凝土内部已经开始出现比较完整的大裂缝。可见冲击回波各参数变化反映了混凝土内部损伤、劣化的过程。
4结论
(1)混凝土的损伤与机械应力波在其中的传播特性具有很好的相关性,表现为随着损伤程度的增加,应力波在混凝土中的传播速度呈降低的趋势;接收到的反射波的强度也随之降低。
(2)机械应力波在混凝土中传播的过程比较复杂,进一步研究机械应力波在混凝土中的传播特性有望实现该方法对于混凝土的强度、损伤程度的快速检测。
摘自：中国计量测控网
