混凝土结构抗冻性超声检测方法的研究

水工混凝土建筑物经常受到冻融剥蚀的破坏，所以其混凝土结构的抗冻性是必须检测的主要指标，由于实验室制作的试件与结构物上的混凝土抗冻性存在着差异，在结构物上切割混凝土试件所引起的破损又不能被人们接受，且实验室测试也只对来样负责，因此必须研究一种更加真实地反映混凝土结构抗冻性的无损检测方法，直接检测混凝土结构抵抗冻融破坏的能力，这对于实施混凝土工程现场质量控制，特别是对国家重点水工混凝土建筑物的质量检测及其长期耐久性评估尤为重要。

共振法测定混凝士试件在冻融循环过程中的动弹模变化，作为混凝土材料的抗冻性指标，它对试件而言可算是一种无损检测方法，但对混凝土结构而言，共振法就无能为力［1］。超声波法测试量为波速、波谱和衰减系数等，其换算原理为应力波分析及其混凝土弹性、非弹性等性能之间的关系，它不需要整体结构的激振，而且超声波能够穿透混凝土结构本身，其辐射面较大，测量值和分析计算方法选择余地大，因此用超声波参量表达混凝土结构的动弹性模量是可行的，该方法不需要专门形状和尺寸的混凝土试件，就可评价混凝士结构的抗冻融指标。

1、超声波法测混凝土结构动弹模的理论依据

1.1 计算公式

为计算动弹模Ed，文献［2］中提出了采用常规纵波超声换能器，依表面平测法测定混凝土表面波的速度，来确定其动弹模Ed和泊松比μ的新方法，可在各种混凝土结构物上直接测得其动弹性模量。
固体材料的动弹模与其表面波速度之间的关系为［3］

(1)

式中：ρ为固体的密度，Vr为表面波速度。对硬化混凝土来讲，泊松比一般在0.2～0.3之间。如取μ=0.2时，则
Ed=2.888ρV2r(2)

(2)

其相对动弹模可按下式计算：

(3)

式中：Vr0为初始表面波速度。

1.2 检测原理

置于固体表面的纵波换能器将发出轴向的平面波，即纵波、横波以及微弱的径向边缘波，换能器还发射能量更强的表面波并沿固体表面传播。波形的前部应是纵波，因为它的波速，但其振幅很小；波形后面部分振幅突然增大，是由于波速小于纵波的表面波到达，但它的信号。采用超声多点表面平测法，测试时首先确定纵波的初至点以及表面波的初至点和第—个峰值点，为与横向振动共振法作对比，试验中尽量做到超声法与共振法测距和测点都相同，测距从试件端部算起，分别为50mm、100mm、150mm、200mm、250mm，测得混凝土材料的表面波速度后，对于密度已知的混凝土来讲，则可由式（1）求得混凝土材料的动弹性模量。

1.3 共振法动弹模的计算方法

共振法是用周期脉冲力激励混凝土试件稳态振动，记录其振动参数，根据激励频率及振动衰减系数，推算混凝土的弹性和非弹性性质，可作为混凝土耐久性试验中的一个测试指标得出其相对值。由于冻融损伤作用在混凝土表层中出现较快，因此采用横向共振为基础的测试方法，可以迅速取得有关混凝土表面性能变化的资料。
横向振动的动弹模与固有频率关系的一般表达式为［3］

(4)

对于矩形截面杆件：J=ba3／12;基振：m=4.73。由于试件尺寸比：L/a=4(L=400mm，a=100mm)，根据参考文献［４］，当泊松比μ=0.2时，Tn取1.40，式(4)可简写成

(5)

另外，如果按照两种方法所测得的动弹模相等的观点，则Ed=E′d,由式(2)和式(5)得