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工程中。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。在实际工程中，由于混凝土强度的无损检测受外界环境条件的，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。在工程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试验，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（Vd）与平测声速（Vp）两者的比例系数、亦同时建立平测声速与对测声速的线性方程，其经检验的平均相对误差和相对标准误差均很小。依据平测声速的换算值，使得在工程检测中就能应用超声平测法检测混凝土的强度。

1. 试验方法

1.1 试验设计

1.1.1 试验原材料

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

根据试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。

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。

表1 设计强度等级及配合比

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50 kHz。

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. 试验数据处理

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

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2 Vd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+0.9825 Vp                                          （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+0.9825 Vp，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试验，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

表4 不同频率换能器对声速的影响

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，极易产生读数偏差。

超声测强一般采用的频率范围为50～100 kHz，本试验采用频率为50 kHz的超声波换能器进行检测。在波幅选择上，参照规程要求：正常对测法检测时，宜以首波等幅4cm读数[2]，最佳选择应该建立首波幅度同为4cm的平测、对测相关关系，但是考虑到现场混凝土平测时，有时是在混凝土成型面上进行，表面毛糙、尤其是低强度等级或长龄期混凝土在350mm测距下，根据笔者实际检测经验，接收信号将达不到首波等幅4cm的要求。所以本试验统一采用平测法首波等幅2cm的读数标准，以适应工程中实测的需求。

5 结论

（1）在建筑物混凝土构件上只有一个可供超声波检测平面的情况下，采用超声平测法修正声速取代对测法声速，无损检测可按常规通式推定混凝土强度的技术是可行有效的。平测法声速取自多点表面平测声时，不受结构物尺寸和形状的影响，不苛求对测法必需的两个平行检测面，有时往往比对测法检测实体结构更具可操作性。

（2）既使在同一试体上，当选用的换能器频率不同或读取首波幅度不同时，其测得的声速值有一定差异，本文特定了对测法首波幅度取4cm，平测首波等幅2cm的试验条件，既结合了规程，又能保证现场实用要求。

（3）对测声速与平测声速之间具有良好的线性相关关系，选用50kHz换能器，并在对测首波等幅4cm，平测首波等幅2cm的试验条件下，建立的对测声速与平测声速之间的比例系数为1.0214。