CN107192624A - 一种基于冲击弹性波的混凝土强度检测方法 - Google Patents

一种基于冲击弹性波的混凝土强度检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于冲击弹性波的混凝土强度检测方法，包括如下步骤：S1：计算待测混凝土不同深度范围内的R波波速VR；S2：根据待测混凝土的R波波速VR计算待测混凝土的P波波速VP，单位为m/s；S3：根据待测混凝土的P波波速VP计算待测混凝土的抗压强度fc，单位为MPa。本发明提供的基于冲击弹性波的混凝土强度检测方法，操作简单、方便，可实现对水工大体积混凝土内部强度大面积快速检测。

Description

一种基于冲击弹性波的混凝土强度检测方法
技术领域
本发明涉及水利工程技术领域，具体涉及一种基于冲击弹性波的混凝土强度检测方法。
背景技术
混凝土是水利、水电等基础设施建设中的重要材料，其质量的好坏往往关系着整个工程的安全。水工大体积混凝土结构，如大坝、船闸、泄洪建筑物、电站厂房等，体积大、结构形势复杂且运行条件比较恶劣，混凝土结构在服役过程中，由于受荷载的作用和外界环境因素的影响，可能会导致混凝土结构出现损伤和劣化，严重的甚至危及整座建筑物的安全。因此，在水工结构运行期应定期对混凝土质量进行检测，确保水工建筑物混凝土的质量满足设计要求，是非常有必要的。
混凝土强度是反映混凝土质量状况的重要指标之一，也是结构应力及稳定复核计算的重要参数。因此，对混凝土强度的检测和评价，对保证水工混凝土结构的安全运行具有非常重要的意义。目前，混凝土强度的检测方法主要有回弹法、钻芯法、超声综合回弹法等，虽然上述方法已广泛用于混凝土结构强度的检测，但是对于水工大体积混凝土强度检测均存在一定的问题：
(1)钻芯法。钻芯法检测混凝土强度具有直接、可靠、准确的优点，但会对混凝土结构造成局部损伤，大量取芯受到一定限制，只能做到点的检测，全面性不够；
(2)回弹法。回弹法是通过测试混凝土表面硬度来推定混凝土的抗压强度，操作简便，可开展大范围的检测，但只能反映混凝土表层强度状况，而且受到碳化、龄期等因素的影响较大，在长龄期建筑物的强度检测方面具有一定的局限性；
(3)超声回弹综合法。超声波法由于其激振能量低、频率高，因而穿透能力差、测试范围小，且容易受外界干扰影响，不太适合大体积混凝土的检测，而且底板、边墩、溢洪道等水工大体积混凝土往往只有一个可测面，不具备超声回弹综合法的检测条件。
冲击弹性波和超声波在本质上并无太大区别，都属于在媒介中传播的弹性波，仅在信号的激励及接收方式、频谱范围等方面有所不同。与传统的超声波相比，冲击弹性波主要具有以下特点：(1)冲击弹性波由冲击锤激发，能量大且集中，测试深度明显提高，能够穿透10m以上的混凝土。(2)冲击弹性波的卓越频率一般在几百到几千赫兹左右，波长较长，受混凝土骨料颗粒散射影响小，受外界杂散波影响小。(3)现场适用性强，操作方便，适合对大体积混凝土结构进行快速、全面检测。
需要强调的是，在假设混凝土为理想弹性体的条件下，弹性波(P波)速度与混凝土的动弹性模量之间存在直接的理论关系。由于混凝土的动弹性模量与强度有很好的相关关系，因此弹性波(P波)速度与强度之间也有较好的相关关系，弹性波速度可以用来评价检测断面内部混凝土质量分布情况。由于它具有能量大、测试距离远、适用于频谱分析以及与混凝土力学性能直接相关等优点，冲击弹性波在混凝土结构检测领域已得到广泛的应用。
目前工程界仍比较广泛地使用Leslie和Cheeseman于1949年提出的P波速度检测混凝土评价标准，见下表1。但是，该评价标准一般用来定性判断混凝土质量的优劣，因为不同混凝土的P波速度和强度之间的关系是不同的，影响因素包括骨料品种、级配、龄期、含水量等。
表1常用弹性波(P波)波速评定混凝土质量参考标准
发明内容
为了解决现有技术存在的不足，提供一种操作简单、方便，可实现大面积快速检测的混凝土强度检测方法，本发明提供了一种基于冲击弹性波的混凝土强度检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：计算待测混凝土不同深度范围内的R波波速VR；
S2：根据待测混凝土的R波波速VR计算待测混凝土的P波波速VP，单位为m/s；
S3：根据待测混凝土的P波波速VP计算待测混凝土的抗压强度fc，单位为MPa。
其中，所述步骤S1中，R波波速VR的测定方法包括：
S11：确定待测混凝土的测区中心点，在所述测区中心点两侧沿直线各布置一道加速度传感器；
S12：在每道所述加速度传感器一侧选择一激振点，用冲击锤敲击激振点，加速度传感器采集激振产生的R波信号，根据所述R波信号计算R波波速VR及波长λR。
其中，所述R波波速VR及波长λR的计算公式为：
VR＝d2/Δt；
λR＝VRT；
其中，d2为两个加速度传感器之间的距离；
Δt为将两个加速度传感器所接收到的信号经处理后得到的波形图的R波首波的声时差；
T为将两个加速度传感器所接收到的信号经处理后得到的波形图的R波首波的平均周期。
其中，所述步骤S11中，加速度传感器通过耦合剂布置于混凝土表面；
所述步骤S12中，激振点处混凝土表面平整，且冲击锤选用实心球形冲击锤。
其中，激振点到距离较近的加速度传感器的距离大于两个加速度传感器之间距离的二倍。
其中，所述P波波速VP的计算公式为：
其中，VS为S波波速，μ为泊松比。
其中，所述抗压强度fc的计算公式为：
其中，a、b为关系系数。
其中，所述抗压强度fc的计算公式的确定方法为：
获取混凝土芯样试件的抗压强度fc和表观P波速度VP，core，将表观P波速度VP，core换算为三维P波速度VP，采用指数函数对数据进行拟合处理，获得P波波速-抗压强度专用曲线，也即抗压强度fc的计算公式。
其中，所述表观P波速度VP，core的获取方法包括：
S31：根据混凝土级配，在混凝土上钻取预定大小的混凝土芯样，加工成标准芯样试件；
S32：在标准芯样试件的中央安置一道加速度传感器；
S33：用冲击锤在加速度传感器四周预定位置处敲击，每个点敲击预定次数，使加速度传感器采集激振产生的P波重复反射信号；
S34：通过加速度传感器接收的P波重复反射信号，根据冲击回波重复反射原理，测定P波在混凝土标准芯样试件中的传播速度，也即表观P波速度VP，core。
其中，所述步骤S33中，所述标准芯样试件被放置在海绵垫上，且使用的冲击锤为钢制球形冲击锤。
本发明提供的基于冲击弹性波的混凝土强度检测方法，操作简单、方便，可实现对水工大体积混凝土内部强度大面积快速检测。
附图说明
图1：本发明在测定R波波速VR时，激振点与加速度传感器布置实物图；
图2：本发明在测定R波波速VR时，激振点与加速度传感器布置示意图；
图3：本发明在测定R波波速VR时的检测原理图。
具体实施方式
为了对本发明的技术方案及有益效果有更进一步的了解，下面配合附图详细说明本发明的技术方案及其产生的有益效果。
图1-图2分别为本发明在测定R波波速VR时，激振点与加速度传感器布置实物图及布置示意图；图3为本发明在测定R波波速VR时的检测原理图。
如图1-图3所示，本发明提供了一种基于冲击弹性波的混凝土强度检测方法，包括如下步骤：
S1：计算待测混凝土不同深度范围内的R波波速VR；
S2：根据待测混凝土的R波波速VR计算待测混凝土的P波波速VP，单位为m/s；
S3：根据待测混凝土的P波波速VP计算待测混凝土的抗压强度fc，单位为MPa。
具体实施时，R波波速VR的测定方法包括：
S11：确定待测混凝土的测区中心点(即图1中右侧的两个加速度传感器的中间的点)，在所述测区中心点两侧沿直线各布置一道加速度传感器(即图2中P1和P2对应的位置)；
S12：在每道所述加速度传感器一侧选择一激振点(即图1中G点所在位置)，用冲击锤敲击激振点，加速度传感器采集激振产生的R波信号，根据所述R波信号计算R波波速VR及波长λR。
其中，所述R波波速VR及波长λR的计算公式为：
VR＝d2/Δt；
λR＝VRT；
其中，d2为两个加速度传感器之间的距离；
Δt为将两个加速度传感器所接收到的信号经处理后得到的波形图的R波首波的声时差；
T为将两个加速度传感器所接收到的信号经处理后得到的波形图的R波首波的平均周期。
具体的，使用冲击锤在G点敲击混凝土表面激发弹性波，P1和P2处的加速度传感器接收到信号，将信号处理后会得到图3所示的检测原理图(波形图)，读取频道1和频道2的R波首波半周期T1/2和T2/2，取平均后再乘以2，得出R波首波的平均周期T；根据频道1和频道2的R波首波的声时差Δt以及两个加速度传感器之间的距离d2，根据上述公式依次计算出R波波速VR及波长λR。
本发明中，所述R波的等效传播深度为传播波长λR的一半，也即，R波的等效传播深度为λR/2,R波波速VR表示的是等效传播深度范围内R波波速的平均值。
用不同尺寸的冲击锤在混凝土表面进行激振，会产生不同频率的R波信号以控制R波波长，从而获得不同深度范围内的R波波速。
较优的，为了保证良好的接触，所述步骤S11中，加速度传感器通过耦合剂布置于混凝土表面；并且，所述步骤S12中，激振点处混凝土表面平整，且冲击锤选用实心球形冲击锤。
较优的，激振点到距离较近的加速度传感器(图2所示的P1加速度传感器)的距离(图2所示的d1)大于两个加速度传感器之间距离(图2所示的d2)的二倍。
具体的，假设所测定的混凝土的表面为理想的半无限弹性体表面，则所述P波波速VP的计算公式为：
其中，VS为S波波速，μ为泊松比。
由此可见，在理想的混凝土半无限弹性体表面，当混凝土的泊松比确定后(正常情况下一般在0.20左右)，R波波速VR及P波波速VP存在理论上的数值对应关系。
具体的，所述抗压强度fc的计算公式为：
其中，a、b为关系系数。
其中，所述抗压强度fc的计算公式的确定方法为：
获取混凝土芯样试件的抗压强度fc和表观P波速度VP，core，将表观P波速度VP，core换算为三维P波速度VP，采用指数函数对数据进行拟合处理，获得P波波速-抗压强度专用曲线，也即抗压强度fc的计算公式。
其中，所述表观P波速度VP，core的获取方法包括：
S31：根据混凝土级配，在混凝土上钻取预定大小的混凝土芯样，加工成标准芯样试件；
S32：在标准芯样试件的中央安置一道加速度传感器；
S33：用冲击锤在加速度传感器四周预定位置处敲击，每个点敲击预定次数，使加速度传感器采集激振产生的P波重复反射信号；
S34：通过加速度传感器接收的P波重复反射信号，根据冲击回波重复反射原理，测定P波在混凝土标准芯样试件中的传播速度，也即表观P波速度VP，core。
其中，所述步骤S33中，所述标准芯样试件被放置在海绵垫上，且使用的冲击锤为钢制球形冲击锤，更佳的，选择使用直径为17mm的钢制球形冲击锤。
本发明的一个具体的实施例中，所述表观P波速度VP，core的获取步骤为：
S31：根据混凝土级配，在测试对象上钻取(或 )的混凝土芯样，加工成髙径比为1:1的标准芯样试件；
S32：在标准芯样试件的中央安置一道加速度传感器；
S33：用直径17mm的钢制球形冲击锤沿传感器四周每隔90°角在距离传感器2～4cm(根据试件尺寸适当调整)处进行敲击，每一个点敲击2次，使加速度传感器采集激振产生的弹性波数据；
S34：通过加速度传感器接收的弹性波重复反射信号，根据冲击回波重复反射原理，测定P波在混凝土标准芯样试件中的传播速度，也即表观P波速度VP，core。
因此，根据本发明提供的方法，可事先通过步骤S3确定P波波速-抗压强度专用曲线，之后通过对待测混凝土的不同测试位置对应安置加速度传感器及冲击锤，依次测定R波波速VR及P波波速VP，即可最终求得待测混凝土各个位置出的抗压强度。
本发明提供的基于冲击弹性波的混凝土强度检测方法，操作简单、方便，可实现对水工大体积混凝土内部强度大面积快速检测。
虽然本发明已利用上述较佳实施例进行说明，然其并非用以限定本发明的保护范围，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围之内，相对上述实施例进行各种变动与修改仍属本发明所保护的范围，因此本发明的保护范围以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种基于冲击弹性波的混凝土强度检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：计算待测混凝土不同深度范围内的R波波速VR；
S2：根据待测混凝土的R波波速VR计算待测混凝土的P波波速VP，单位为m/s；
S3：根据待测混凝土的P波波速VP计算待测混凝土的抗压强度fc，单位为MPa。
2.如权利要求1所述的基于冲击弹性波的混凝土强度检测方法，其特征在于，所述步骤S1中，R波波速VR的测定方法包括：
S11：确定待测混凝土的测区中心点，在所述测区中心点两侧沿直线各布置一道加速度传感器；
S12：在每道所述加速度传感器一侧选择一激振点，用冲击锤敲击激振点，加速度传感器采集激振产生的R波信号，根据所述R波信号计算R波波速VR及波长λR。
3.如权利要求2所述的基于冲击弹性波的混凝土强度检测方法，其特征在于，所述R波波速VR及波长λR的计算公式为：
VR＝d2/Δt；
λR＝VRT；
其中，d2为两个加速度传感器之间的距离；
Δt为将两个加速度传感器所接收到的信号经处理后得到的波形图的R波首波的声时差；
T为将两个加速度传感器所接收到的信号经处理后得到的波形图的R波首波的平均周期。
4.如权利要求2所述的基于冲击弹性波的混凝土强度检测方法，其特征在于，
所述步骤S11中，加速度传感器通过耦合剂布置于混凝土表面；
所述步骤S12中，激振点处混凝土表面平整，且冲击锤选用实心球形冲击锤。
5.如权利要求2所述的基于冲击弹性波的混凝土强度检测方法，其特征在于，激振点到距离较近的加速度传感器的距离大于两个加速度传感器之间距离的二倍。
6.如权利要求1所述的基于冲击弹性波的混凝土强度检测方法，其特征在于，所述P波波速VP的计算公式为：
<mrow> <msub> <mi>V</mi> <mi>S</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>&amp;mu;</mi> </mrow> <mrow> <mn>0.87</mn> <mo>+</mo> <mn>1.12</mn> <mi>&amp;mu;</mi> </mrow> </mfrac> <msub> <mi>V</mi> <mi>R</mi> </msub> </mrow>
<mrow> <msub> <mi>V</mi> <mi>P</mi> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <mi>&amp;mu;</mi> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <mi>&amp;mu;</mi> </mrow> </mfrac> </msqrt> <msub> <mi>V</mi> <mi>S</mi> </msub> </mrow>
其中，VS为S波波速，μ为泊松比。
7.如权利要求1所述的基于冲击弹性波的混凝土强度检测方法，其特征在于，所述抗压强度fc的计算公式为：
<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>a</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <msub> <mi>V</mi> <mi>P</mi> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>b</mi> </mrow> </msup> <mo>;</mo> </mrow>
其中，a、b为关系系数。
8.如权利要求7所述的基于冲击弹性波的混凝土强度检测方法，其特征在于，所述抗压强度fc的计算公式的确定方法为：
获取混凝土芯样试件的抗压强度fc和表观P波速度VP，core，将表观P波速度VP，core换算为三维P波速度VP，采用指数函数对数据进行拟合处理，获得P波波速-抗压强度专用曲线，也即抗压强度fc的计算公式。
9.如权利要求8所述的基于冲击弹性波的混凝土强度检测方法，其特征在于，所述表观P波速度VP，core的获取方法包括：
S31：根据混凝土级配，在混凝土上钻取预定大小的混凝土芯样，加工成标准芯样试件；
S32：在标准芯样试件的中央安置一道加速度传感器；
S33：用冲击锤在加速度传感器四周预定位置处敲击，每个点敲击预定次数，使加速度传感器采集激振产生的P波重复反射信号；
S34：通过加速度传感器接收的P波重复反射信号，根据冲击回波重复反射原理，测定P波在混凝土标准芯样试件中的传播速度，也即表观P波速度VP，core。
10.如权利要求9所述的基于冲击弹性波的混凝土强度检测方法，其特征在于，所述步骤S33中，所述标准芯样试件被放置在海绵垫上，且使用的冲击锤为钢制球形冲击锤。
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