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沖擊回波法評價混凝土損傷程度的試驗研究
發布時間：2017-09-01
1引言
混凝土是水利、土木工程中廣泛使用的材料。混凝土在載荷、外界環境的作用下會出現不同程度的損傷。其中內部裂紋的產生與擴展使混凝土強度下降并最終導致混凝土的破壞[1]。目前常用的混凝土質量檢測的方法主要是鉆芯取樣法、回彈法、以及超聲波等方法。鉆芯取樣法會對混凝土構件造成一定的破壞;回彈法主要局限于混凝土強度的快速檢測;超聲檢測方法是一種有效的無損檢測方法,但是超聲檢測往往受到混凝土含水量、鋼筋以及混凝土與傳感器之間的耦合等多種因素的影響[2]。沖擊回波方法是20世紀80年代興起的一種混凝土無損檢測技術。國內外學者相繼研究了沖擊回波法對混凝土厚度、內部缺陷檢測[3]。目前已經成為一種有效的混凝土無損檢測方法。本文通過對單軸加載后混凝土對機械應力波反射特性的研究,來探討沖擊回波方法對混凝土內部損傷的檢測。
2試驗
采用亞東水泥股份有限公司生產的P.O42.5水泥;湖北巴河中砂;粗集料采用陽新碎石,最大粒徑為20 mm;采用陽邏Ⅰ級粉煤灰;減水劑為格雷斯中國有限公司生產的高效減水劑ADVA180;試件按照GB 50504-2002制作為150 mm×150 mm×150mm的立方體。其中A、B、C分別代表粉煤灰摻量為0%、15%、30%。試件成型后在標準養護條件下養護28天。試驗混凝土配合比見表1。
試驗儀器為美國Olson公司研制的沖擊回波掃描儀、意大利Milano生產的無機非金屬材料試驗機。A、B、C三組試件在28天時測得的抗壓強度分別為46.7 MPa、44.1 MPa、41.9 MPa。將每組中的試塊分別加載到該組混凝土破壞強度的20%、40%、60%、80%。每個載荷等級按照相同的加載速率(0.5MPa/s)反復加載10次,最后一次結束后再保持該壓力靜壓2分鐘。經過不同大小的循環荷載的處理后,混凝土試件內部發生了不同程度的損傷。卸載后采用沖擊回波掃描儀測量該組試件對于機械應力波的響應。測試面垂直于加載方向。測量結果分析中采用帶通濾波3000 Hz～30000 Hz。測試示意圖如圖1。
3試驗結果與分析
將經歷過載荷作用的各組試塊分別用沖擊回波掃描儀進行檢測。圖2為所測得的頻率響應結果。其中由左至右分別表示A、B、C三組不同配合比的試塊。由上至下分別對應所經歷的載荷為破壞載荷的0%、20%、40%、60%、80%時的測試結果。圖3為所測得的波速結果,縱坐標表示波速(Ci)與基準值的比值,其中以A組中未損傷的試塊所測得波速作為基準波速(CP) ,橫坐標表示所加載荷(Pi)相應組試塊的極限抗壓強度(Pm)的比值。圖4表示在經歷了不同載荷后所測得的頻譜峰值強度的變化趨勢,圖中縱軸以指數坐標的形式給出,該強度值反映了接收到的反射回波的強弱。
由圖2可以看出隨著混凝土所經歷的載荷的增加,機械應力波在混凝土中的速度呈減小的趨勢,這種減小的趨勢主要表現為:在載荷為破壞載荷的40%以前波速減小的速度比較緩慢,當超過破壞載荷的60%以后,波速的減小非常迅速。此外該圖中三條曲線的分布可以看出三類混凝土的初始波速與混凝土的強度呈對應關系。但是在隨著混凝土經歷的載荷的增加也即混凝土損傷程度的增加,這種對應關系逐漸不明顯,到混凝土最終破壞時更是沒有任何規律可言。圖3中的沖擊回波頻率峰值強度與損傷程度呈對數遞減關系,可見隨著混凝土內部損傷程度的增加,波在混凝土內部的衰減越來越迅速,當混凝土完全破壞后,已經很難找到主頻率。
宏觀的損傷理論把包含各種缺陷的材料體看成一種含有微損傷的“連續”介質,將這些微缺陷的發展過程看作是損傷演變過程,并把損傷作為細觀結構的一部分引入連續介質模型,有如下關系:
式中E0―材料無損狀態的彈性模量
D―損傷因子
可見混凝土的損傷過程包含著混凝土本身力學特性的逐步退化。沖擊回波法是基于機械應力波在固體介質內傳播的無損檢測方法。在物體表面施加機械沖擊,在其內部激發瞬時應力波,包括縱波(P波)、橫波(S波)和表面波(R波)。縱波和橫波被內部缺陷或外邊界反射所引起的表面位移由放置在沖擊點附近的位移換能器檢測。因為沖擊點以下縱波的幅度最大,而橫波的幅度較小,所以表面位移主要由縱波產生。用快速傅里葉變換(FFT)將時域波形轉化為頻率幅度譜,從而獲得換能器接收到的縱波頻率。縱波波速CP、主頻率f、試件厚度T之間存在如下關系[5]:
式中E―材料的彈性模量
ν―材料泊松比
ρ―材料密度
由式(2)、(3)可以看出機械應力波在材料中傳播的波速、沖擊回波獲得的反射波的頻率與材料的彈性模量、泊松比這兩個力學參數有關,結合式(1)～式(3)來看,對于沖擊回波測試過程中波速、頻率、頻譜特性的規律的研究能夠反映材料的損傷程度。波速以及頻譜幅值的這種變化與混凝土應力應變曲線表現出一致性(圖5)。這一結果很好地驗證了式(1)～式(3)所表達的混凝土內部損傷與機械應力波傳播特性的關系。當混凝土經歷的載荷小于混凝土最終破壞載荷的30%以下時混凝土處于彈性形變階段,該階段內混凝土的彈性模量損失很小,此時造成波的衰減的主要因素是混凝土中骨料與水泥漿體的界面、孔隙等,因此與應力為零時相比波速減小非常緩慢。當載荷增加到30%～60%時,骨料水泥漿、孔隙等薄弱區微裂紋的數量、長度開始增加,混凝土的變形偏離彈性階段,彈性模量開始減小,波的衰減逐漸加快,頻譜響應的強度也隨之降低;當應力超過破壞載荷的60%以后,裂縫在這一階段開始形成并迅速擴展,在超過80%以后開始形成裂縫系統,混凝土內波的反射面迅速增加,因此波的衰減速度也大大加快,同時主頻附近出現其他的頻率峰值(圖1),表明其他反射面開始出現,反映出混凝土內部已經開始出現比較完整的大裂縫。可見沖擊回波各參數變化反映了混凝土內部損傷、劣化的過程。
4結論
(1)混凝土的損傷與機械應力波在其中的傳播特性具有很好的相關性,表現為隨著損傷程度的增加,應力波在混凝土中的傳播速度呈降低的趨勢;接收到的反射波的強度也隨之降低。
(2)機械應力波在混凝土中傳播的過程比較復雜,進一步研究機械應力波在混凝土中的傳播特性有望實現該方法對于混凝土的強度、損傷程度的快速檢測。
摘自：中國計量測控網
