超声波平测法检测混凝土强度的研究.docx

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超声波平测法检测混凝土强度的研究

TechnologyDataOfUltrasonicTesting

xxx有限公司

2008年3月5日

本书简介

本人从事超声波检测2004年3月从事检测工作近三年有余，在工作中收集了大量有关金属与非金属检测资料，

第一章超声波平测法检测混凝土强度技术的研究

在建筑物施工过程以及随后的质量评估中，检测混凝土强度是最重要的环节之一。

根据超声波在混凝土中传播的速度及其它参量来推定混凝土的强度，从而对建筑物的质量进行评估,近年来已广泛应用于各项项目中。

超声波在混凝土中的传播速度与混凝土的抗压强度之间有着良好的相关关系，即混凝土的强度越高，相应的超声声速也越高。

因此，可以根据超声波在混凝土中的传播速度来推定混凝土的强度。

在实际项目中，因为混凝土强度的无损检测受外界环境条件的限制，超声换能器的布置大致有两种方式：

直接穿透对测法和单面平测法。

其中对测法灵敏度高、测距明确、精度好，是通常采用的方法，并且前人已经回归总结出一套可靠的混凝土测强经验公式——利用对测声速值推定出混凝土的强度。

但是在建筑物结构混凝土只有一个可测平面的情况下，只能采用单面平测法布置换能器，例如水池壁、底板、飞机跑道、路面、地下室及沉井井壁等。

尽管在同一混凝土构件上，但平测法与对测法所测得的声速值并不相同；此外，平测法不能准确地确定超声路径的距离，简单采用换能器边-边或中-中间距使计算的声速值产生偏差，因此平测法测得的声速不能直接采用现有的对测法声速测强公式推定混凝土强度。

在项目中有些检测单位直接用平测法的声速代替对测法的声速，缺乏科学依据。

针对这一问题，本文成型了一系列不同强度等级的普通混凝土试件，旨在现有的超声波检测混凝土强度技术的基础上，分八个龄期在混凝土试件上进行对测和平测的声速对比测定。

通过混凝土龄期及强度变化的实验，分别用常规方法求出对测及用“时-距”回归方式求得平测的声速，确定对测声速

依据平测声速的换算值，使得在项目检测中就能应用超声平测法检测混凝土的强度。

1．实验方法

1.1实验设计

1.1.1实验原材料

水泥：

32.5#普通硅酸盐水泥

粗骨料：

碎石<5~31.5mm）

细骨料：

中砂<μf=2.5）

水：

自来水

1.1.2混凝土强度等级及配合比设计

根据实验要拉开混凝土强度范围的要求，设计了C15、C20、C30、C40、C50五个普通混凝土强度等级，配合比见表1。

表1设计强度等级及配合比

设计强度等级

单位

C

S

G

W

C50

kg/m3

524

472

1336

183

配合比

1

0.90

2.55

0.35

C40

kg/m3

495

490

1327

183

配合比

1

0.99

2.68

0.37

C30

kg/m3

418

493

1333

184

配合比

1

1.18

3.19

0.44

C20

kg/m3

323

614

1308

184

配合比

1

1.90

4.05

0.57

C15

kg/m3

279

650

1320

184

配合比

1

2.33

4.73

0.66

1.1.3试件制作、养护方法及龄期

采用150×150×600mm的钢模，振动台密实振捣成型。

试块在试模中停置两天拆模、标准养护8天后，在室内自然养护。

混凝土试块按10天、20天、28天、40天、50天、60天、70天、90天龄期进行超声波声速测定。

1.2声速测试方法及步骤

在每块混凝土试块的2个150×600mm侧面中选择一个侧面作为平测面，两个150×150mm的端面作为对测面。

声速测试面上换能器测点布置如图1所示：

平测面上取7对测点，间距a=50mm，检测时固定发射换能器、接收换能器以间距a的整数倍移动；对测面上布置5对测点。

使用CTS-25型非金属超声波检测仪，测试时固定发射电压200V、增益2，超声波换能器频率50kHz。

1.2.1对测

直接采用常规方法，在两个对测面5对测点上用等压力等幅分别测得各点的超声波传播时间，计算出各点的超声声速值，然后求5对测点的平均声速Vd。

对测时首波等幅4cm。

1.2.2平测

在平测面一条中线上固定发射换能器于第一点，等间距移动接收换能器，使两换能器边-边间距d为50mm、100mm、……、350mm，共7对间距，分别测得不同距离时各自的超声波传播时间ti，然后采用时-距回归法求得di=a0+Vp·ti的线性方程。

式中Vp为回归系数，即平测声速值。

平测时首波等幅2cm。

2．实验数据处理

各组试块各个龄期所测得的Vd、Vp值如下表2所示：

表2测试结果Vd、Vp值

编号

Vd（km/s>

Vp（km/s>

编号

Vd（km/s>

Vp（km/s>

C15-10

3.541

3.451

C15-50

4.033

3.899

C20-10

3.829

3.748

C20-50

4.128

4.067

C30-10

3.904

3.804

C30-50

4.279

4.154

C40-10

4.074

4.037

C40-50

4.408

4.334

C50-10

4.130

4.049

C50-50

4.460

4.381

C15-20

3.742

3.689

C15-60

4.058

3.891

C20-20

3.889

3.799

C20-60

4.181

4.121

C30-20

4.061

3.935

C30-60

4.331

4.222

C40-20

4.225

4.191

C40-60

4.451

4.374

C50-20

4.264

4.160

C50-60

4.502

4.387

C15-28

3.860

3.790

C15-70

4.094

4.009

C20-28

4.002

3.914

C20-70

4.224

4.187

C30-28

4.171

4.047

C30-70

4.370

4.273

C40-28

4.312

4.242

C40-70

4.474

4.428

C50-28

4.365

4.202

C50-70

4.525

4.420

C15-40

3.931

3.845

C15-90

4.152

4.045

C20-40

4.050

4.002

C20-90

4.274

4.186

C30-40

4.208

4.071

C30-90

4.422

4.376

C40-40

4.354

4.280

C40-90

4.515

4.461

C50-40

4.410

4.299

C50-90

4.573

4.486

Vd平均值

4.194

Vp平均值

4.106

注：

C15-10表示混凝土强度等级为C15，龄期为10天 

3．对测声速与平测声速相关关系

  根据表2的对测声速Vd与平测声速Vp两组数据建立起Vd-Vp的散点图见图2所示。

从图2的散点走势可以看出，图上各对数据散点基本都在某一直线附近波动，说明Vd与Vp之间具有良好的线性相关关系，则二者之间应该有一个可确定的比例系数。

由表2数据统计计算：

Vd平均/Vp平均=4.194/4.106=1.0214

      Vdj=1.0214×Vp                                                                      <1）

    式中Vdj为对测声速的理论计算值。

平均相对误差

    （n=40>

相对标准误差

此外，如将表2Vd与Vp值以最小二乘法作一元线性回归处理，其回归方程为：

   Vdj=0.1599+0.9825Vp                                         <2）

即直线方程的截距为0.1599，斜率为0.9825。

该直线方程经回归效果检验，相关系数γ=0.99，平均相对误差δ=±0.62%，相对标准误差er=0.79%。

4．讨论

4.1比例系数的确定

根据前节所述，Vdj用简单的<1）式Vd/Vp算术平均值或用<2）式最小二乘法一元线性回归方程：

Vdj=0.1599+0.9825Vp，按这两种方法计算的误差都相当小<δ=±0.6%，er=0.8%），后者比前者精度略高，但前者采用1.0214的比例系数使用更方便且直观。

4.2超声波频率和首波波幅对声速测量的影响

在90天龄期同时采用了50kHz和100kHz的换能器对各试块进行比对检测，且平测、对测均采用等幅2cm和等幅4cm的首波振幅进行重复实验，测试结果见表3和表4。

表3首波不同等幅读数对声速的影响

90天/50kHz

C15

C20

C30

C40

C50

平均差值

对测等幅4cm

4.152

4.274

4.422

4.515

4.573

对测等幅2cm

4.118

4.243

4.396

4.487

4.548

声速差值（km/s>

0.034

0.031

0.026

0.028

0.025

0.029

平测等幅4cm

4.060

4.197

4.399

4.483

4.512

平测等幅2cm

4.045

4.186

4.376

4.461

4.486

声速差值（km/s>

0.015

0.011

0.023

0.022

0.026

0.019

 表4不同频率换能器对声速的影响

90天/对测

C15

C20

C30

C40

C50

平均差值

100kHz等幅4cm

4.164

4.292

4.447

4.535

4.591

50kHz等幅4cm

4.152

4.274

4.422

4.515

4.573

声速差值（km/s>

0.012

0.018

0.025

0.020

0.018

0.019

100kHz等幅2cm

4.136

4.267

4.423

4.509

4.564

50kHz等幅2cm

4.118

4.243

4.396

4.487

4.548

声速差值（km/s>

0.018

0.024

0.027

0.022

0.016

0.021

由表3可知对测和平测首波等幅4cm时测得的声速比等幅2cm时高，平均差值约为0.024km/s。

原因是等幅4cm时首波陡峭，声时读数准确；而等幅2cm时波形首波幅值小，接收信号的前沿起弯点后移，使声时读数偏大，导致声速偏小。

由表4可知100kHz换能器测得的声速值比50kHz换能器测出的大，平均差值约为0.020km/s。

这也是因为100kHz的首波陡峭程度优于50kHz的首波，声时读数较小，所以声速略高。

平测时采用频率为100kHz的换能器检测，当固定发射电压为200V、增益为2，首波幅度都能大于2cm，即等幅2cm的设计可以满足，但100kHz不能满足首波等幅4cm的要求；此时如改电压为500V、增益为6时，使超声仪接收信号的幅值增大，刻意使首波等幅达到4cm，此时示波器内基线、波形跳动厉害不稳定