混凝土冻融损伤厚度的超声波检测

张 峰，蔡建军，李树忱，牛平霞，李守凯

1)山东大学岩土与结构工程研究中心，济南250061;2)山东高速青岛发展有限公司，山东青岛266100;3)旧桥检测与加固技术交通行业重点实验室，北京100088

中国北方地区海洋环境中的普通混凝土结构，因受到除冰盐和冻融协同作用，保护层混凝土表面剥落、疏松，加快了结构表面的氯离子向钢筋表面的扩散速度，加速了钢筋锈蚀. 钢筋锈蚀后的体积膨胀将导致混凝土保护层破坏，进一步加剧钢筋的锈蚀及混凝土的剥落胀裂［1-4］. 有效评估混凝土的冻融损伤对结构的服役寿命有重要影响. 对于钢筋混凝土结构冻融损伤的评估，目前主要还处在材料层次，主要集中在室内评估混凝土冻融损伤程度方面［5-8］. 超声波检测在结构工程中已有较多应用.Naffa 等［9-10］采用高频超声波检测了混凝土的化学损伤程度，研究了应力波与混凝土弹性、非弹性等性能之间的关系. 罗骐先［11］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，进而确定其动弹模和泊松比，该方法可在各种混凝土结构物上直接测得其动弹性模量. 目前未见定量检测混凝土冻融损伤厚度的研究文献. 本研究利用超声脉冲法检测盐冻环境下的混凝土构件损伤层厚度的变化规律，为盐冻条件下钢筋混凝土结构设计及耐久性设计时混凝土保护层厚度的选取提供参考.

1 冻融混凝土结构中应力波的传播

应力波在固体中的传播见图1. 假定上层固体为冻融后的混凝土，下层固体为未冻融的混凝土.

图1 入射波在异质界面上的反射波和折射波Fig.1 The reflected wave and refracted wave of the Incident wave in the heterogeneous interface

在海洋恶劣环境下，随着结构服役时间的增加，表层混凝土冻融后产生了大量微裂纹，波的传播速度v1比内部未损伤混凝土的传播速度v2要小.增大入射角θ1，使得折射角θ2增至π/2. 达到这个临界条件，射线被折射到界面. 临界入射角θic根据Snell 定律计算(θ2= π/2)为

超声脉冲速率检测是指纵向超声脉冲穿过混凝土所需要的时间，通常采用频率为20 ～150 kHz 的纵波. 通过电子计时把脉冲开始和接收到的时间记录下来，再乘以波传播的平均速率，即可得出传播的距离.

校验材料均匀性的有效方法是沿厚层混凝土的表面放置一系列的接收器，如图2. 发射器发出脉冲，根据惠根斯原理，波阵面上的每一个点都可以作为次级球形波的波源，并形成一系列波阵面. 如果材料是均匀的，可以绘出一条直线. 如果有大量异质出现，点将会偏离这条直线.

图2 平测传送的多接收器示意图Fig.2 Configuration of many receivers transmission method

假定厚度为h，冻融后混凝土中波的传播速率为v1，未冻融混凝土中的传播速率为v2. 采用以下方法检测结构表面冻融损伤层厚度. 在混凝土表面放一系列接收器. 首先，靠近发射器的接收器只能感应到表面层并且时间-距离点的斜率为1/v1. 但是随着距离(或时间)的增加，低层的影响被感应到，当波以临界入射角θic入射时，折射角将会平行两种材料的界面. 沿着斜率为1/v2外推得到x = 0，可以得到与纵轴的截距ti，如图3，则可得到混凝土的冻融损伤厚度表达式［12］为

图3 混凝土冻融损伤层波速传播示意图Fig.3 The concrete freeze-thaw damage layer wave velocity propagation diagram

2 冻融损伤厚度检测

2.1 混凝土材料

为得到混凝土结构在冻融损伤下的性能退化规律，进行了试件的室内快速冻融试验. 试块制作所需原材料均取自青岛海湾大桥施工现场，混凝土设计配合比与海湾桥施工现场的配合比一致:水胶比0.34，水泥164 kg/m3，矿粉212 kg/m3，粉煤灰94 kg/m3，砂子737 kg/m3，碎石938 kg/m3，水155 kg/m3，减水剂4.47 kg/m3，阻锈剂6 kg/m3，引气剂0.011 8 kg/m3.

为研究混凝土冻融厚度，对4 个冻融300 次后的混凝土试块进行冻融厚度检测. 混凝土试块尺寸为100 mm ×100 mm ×400 mm，沿400 mm 方向8等分，每个测点间距为50 mm，将发射器固定，移动接收器，测试得到不同超声波传播长度的首波到达时间.

2.2 冻融损伤厚度测试结果

对冻融300 次后的混凝土试块进行测试，共4个试块，每个试块测试3 次，结果如表1.

表1 混凝土试块测试结果Table 1 Test results of concrete test tubes

对表1 进行分析可得到图4. 图4 中的v1和v2分别为冻融损伤层波速和未损伤层波速. 限于篇幅，只显示第1 次测试结果.

图4 第1 次测试传播时间与测试距离的关系Fig.4 Relationship of travel time and test distance in the first test

分析表1 和图4 得到表2. 由表2 可得到300次混凝土冻融后的损伤厚度为29.5 mm.

李金玉等［13］通过研究得出室内外冻融循环次数之间的对比关系在1 ∶10 ～1 ∶15 之间，平均为1∶12.5，即室内一次快速冻融循环相当于自然条件下12.5 次冻融循环. 贾超等［14］指出青岛地区混凝土每年天然冻融次数约为47 次. 根据该描述可以通过计算得到，天然冻融次数为3 750 次，即青岛海湾大桥运营79.8 年后混凝土的冻融厚度为29.5 mm. 据此可以推算青岛海湾大桥运营100 年时的混凝土冻融厚度为37 mm.

表2 冻融损伤厚度计算结果Table 2 Compute results of freeze-thaw damage thickness

结 语

本研究基于无损检测方法，采用非金属超声波检测仪，依据波速在不同物质中的传播速度差异，采用平测法对冻融后的混凝土试块进行冻融损伤厚度检测与评估，并在室内对4 个冻融300 次后的混凝土试块进行了室内混凝土试块冻融厚度检测. 本研究所提供引气混凝土试块在300 次混凝土冻融后的损伤厚度为29.5 mm，据此可以推算青岛海湾大桥运营100 年时的混凝土冻融厚度为37 mm. 并未超过混凝土保护层厚度50 mm.

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