超声脉冲测速法无损检测水工混凝土质量分析应用

刘 盼

（辽宁省盘锦市大洼区水利局，辽宁 盘锦 124200）

混凝土是水利工程领域用量最多、用途最广的一种人造石材，通过掺入外加剂、粉煤灰、矿粉等掺合料可以改善混凝土性能，掺合料组分不同所获取的混凝土强度存在显著差异[1-3]。为准确评判水工混凝土质量，国内学者利用多种方法开展了深入研究，如谭艳等利用液压试验机将混凝土压缩至破裂，依据施加的压力值判定其强度等级；
闫维明等对混凝土轴压性能利用压轴试验进行测量；
卿龙邦等对任意荷载作用下混凝土的损伤程度利用数字图像处理技术进行了分析；
郑丹等对不同受热时间段和高温受热温度下的混凝土力学性能利用超声波进行检测，并进一步探讨了非线性超声法的适用条件[4-7]。本文借鉴现有文献资料，在不改变混凝土特性或原有状况的条件下，采用超声脉冲测速法无损检测了混凝土质量，流程如图1所示。

图1 混凝土试件评估

总体上，可以将超声脉冲测速法划分成3个阶段：混凝土试件的设计、制备和超声波脉冲速度的测量，以20MPa、30MPa、40MPa三种强度作为设计标准。

1.1 混凝土分析

混凝土是水库大坝、堤防、挡土墙等水工结构应用最常见的材料，一般由水、碎石、砂石、水泥、粉煤灰、外加剂等原材料按设计配合比混合而成，水泥与水发生一系列复杂的反应生成混凝土固体，硬化后的混凝土具有优异的力学性能，各组分所占比例如图2所示。

图2 混凝土各组分所占比例

室温条件下，精磨的水泥细粉颗粒与水发生反应，可以在水下或空气中凝固硬化。水泥作为一种胶凝材料能够将粗、细骨料牢固地连接成整体，随着时间的推移逐渐达到一定强度和刚度，一般水泥含量越多则混凝土强度越大。为提高强度以及降低成本，一般使用碎石、砂、外加剂等，其中外加剂有固体粉末和液体两种类型，其掺入时间有混凝土制备过程中或配制之前两个时段。外加剂的类型不同则其功能也存在显著差异，一般有早强剂、减水剂、引气剂、速凝和缓凝剂等等。

1.2 测量原理

目前，超声脉冲测速法是无损检测混凝土质量的重要手段，该方法可在不破坏工程结构完整性的情况下判定混凝土的质量状况。实际上，超声波穿过混凝土结构的时间是测量脉冲速度的关键。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足够多的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，同时以防声阻抗因传播介质的改变而减小的情况。

文章利用超声波系统直接测量声波的穿透试件的时间，主要工作流程为：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，采用示波器显示产生的信号；
③声波到达试件末端时换能器接收器Rx检测声波，通过转化处理超声波编程电信号显示在示波器上，如图3所示。

图3 超声脉冲速度测量示意图

因此，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。根据特定混凝土试件的穿透时间t和长度d，利用以下公式计算超声波脉冲速度V，即：

2.1 试件制作

试验设计20MPa、30MPa和40MPa三种强度混凝土试件，为保证超声波脉冲速度测量的精准度每个强度制作2个试件。试验选用P·O 42.5级普通硅酸盐水泥配制混凝土试件，考虑骨料体积、水胶比和含水量等因素合理设计配合比，如表1所示。

表1 水工混凝土试验配合比

依据试件规格和表1中的数据确定每种原材料用量，混凝土试件尺寸为高0.30m×直径0.15m的圆柱体，混凝土体积VP=π/4·D2h拟利用公式来计算，即0.0053m3，所对应的原材料用量如表2所示。

表2 单个试件的原材料用量

根据混凝土试件体积换算碎石、砂的总用量，采用水工混凝土试验配合比和表2获取的单个试件原材料用量，经进一步转化处理确定每组试件所需的总用量，并精准称量各原材料质量。试验选用长度30cm、直径15cm的模具制作混凝土试件，浇筑前必须确保模具良好，为减少摩擦和防止粘连将矿物油均匀涂抹至模具的内部；
浇筑过程中，将配制好的混合物分3层加入试模，同时利用橡胶锤和细铁棒振捣10～15次，如图4所示。

图4 试件浇筑振捣示意图

浇筑入模后，室温静置24h后拆模，脱模后将混凝土试件移入标养室养护至规定龄期，确保水泥充分水化，保证混凝土强度达到设计等级。

2.2 超声脉冲测速

将标准养护28d后的混凝土试件取出，采用超声波系统按照图3安装方法测试每个试件的脉冲速度，换能器共振频率达到50KHz时所检测的脉冲信号，如图5（a）。该条件下设定超声脉冲振幅500v，并将凡士林作为耦合剂涂覆于混凝土与换能器之间的接合面上，依次测试各组试件获取相应的信号，接受换能器捕获40MPa试件的信号，如图5(b)。脉冲信号的初始和接受时间间隔对应于超声波的飞行时间，依据换能器在一段时间内的声波电压变化情况即可确定超声波的飞行时间，40MPa时间的声波飞行时间约为75μs。

图5 接受换能器显示的信号

各组混凝土试件的超声波脉冲速度和飞行时间检测结果见表3。结果显示，混凝土的抗压强度与超声波脉冲速度密切相关，抗压强度为20MPa、30MPa和40MPa混凝土试样的超声波脉冲速度达到较低、中等、较高水平。试验表明，超声波脉冲速度会随着混凝土抗压强度的增加而增大，该变化规律更好地说明了超声脉冲测速法评价混凝土质量的有效性。

表3 超声波脉冲速度与飞行时间测量值

将混凝土试件按照超声波脉冲速度划分成不同类型，波速超过4570m/s则判定混凝土质量达到优良等级，波速处于3650～4570m/s范围时则判定混凝土质量达到良好等级，波速处于3050～3650m/s范围时则判定混凝土质量存在问题，波速处于2125～3050m/s范围时则判定混凝土质量属于劣质等级，波速＜2125m/s时则判定混凝土质量属于非常劣质等级。结合表3检测结果，20MPa抗压强度的混凝土试件存在质量问题，30MP和40MPa抗压强度的混凝土质量达到良好等级。

通过分析水、水泥、碎石和砂等原材料用量，试验制作高度0.30m、直径0.15m的三种不同强度的圆柱体混凝土试件，然后利用超声波系统检测每种抗压强度试件的脉冲速度，并得出超声脉冲速度会随着混凝土抗压强度的增加而增大的结论。

超声波脉冲速度与混凝土质量直接相关，依据不同的脉冲速度可划分混凝土质量等级，抗压强度越低则混凝土质量越差。另外，在混凝土质量、钢焊缝质量、厚度检测等领域超声脉冲法将发挥更大的作用，未来应考虑构件尺寸、养护条件、测试环境等因素，进一步探讨混凝土质量与超声脉冲速度之间的关系。