水泥土超声波试验研究*

章 炜，陈新江，陆惠平，刑 渊，黄志义

1.浙江大学工程师学院，浙江 杭州 310015

2.湖州南浔赛诚工程材料有限公司，浙江 湖州 313009

3.华汇工程设计集团有限公司，浙江 绍兴 312000

4.浙江大学交通工程研究所，浙江 杭州 310058

超声波检测技术是近年来逐渐兴起的一种无损检测方法，由于其不受构件几何尺寸大小的影响、检测速度较快以及检测结果准确，被广泛应用于水泥混凝土结构强度的检测中。姜玉松等[1]对土层注浆固结时间的变化进行了研究，得到了细砂、粗砂试样波速随固结时间的变化规律，并以波速基本不变对应的时间作为固结硬化时间。

为了在实际工程中能有效快速地检测水泥土的质量，文章对水泥土的超声波特性进行了相关研究，分析了水泥土的超声波变化规律及波速与抗压强度之间的关系。通过超声波变化规律更好地揭示了水泥土微观结构的变化规律，并利用超声波波速与抗压强度之间的关系更好地预测了水泥土的强度发展趋势。

1 试验材料、方案及方法

1.1 试验材料

试验用土取自某工地，取土深度为2m 以下，为淤泥质黏土。经50℃恒温鼓风干燥箱烘干至恒重，过4.75mm 筛后得到试验备用土样。根据《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）测试其基本的物理指标，测试结果见表1、表2。

表1 土样的基本性质

表2 固化材料的化学组成 单位：%

1.2 试验方案

设置了4 组水泥掺量组，水泥掺量分别为3%、5%、7%、9%，养护时间分别为7d、14d、28d，具体试验方案见表3。其中，水泥掺量所占百分比是指水泥占干土重量的百分比。试验内容主要包括无侧限抗压强度和超声波检测试验。

表3 试验方案

1.3 试验方法

（1）试件制作及养护。根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）[2]等相关标准规范要求进行制样，试样采用50mm×50mm 的圆柱形试模。根据高速公路、一级公路的压实度要求，试验压实度选择96%。制样完成后，将试样放置在标准养护室内养护至龄期。

（2）力学性能试验。无侧限抗压强度试验参照《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）[3]采用万能试验机，控制轴向应变速率为1mm/min。养护至龄期时，提前一天取出浸水，浸水24h 后再进行无侧限抗压。

（3）超声波检测试验。超声波检测试验所用仪器为CTS-25 型非金属超声波检测仪。在试验过程中，将转换开关拨至“AC”。开机后预热30min，待仪器工作稳定后再进行测量。测量试件前需用先用校准棒进行校准，待调好后再测量。测量时需用黄油、凡士林等耦合剂使探头与试件良好接触。测试过程中观察波形，并记录超声波声时。

2 试验结果分析

为了研究水泥土在养护过程中，超声波的波速变化规律，对以上四组试件分别进行了无侧限抗压强度试验和超声波检测试验。超声波检测时间为试件成型后1d、2d、3d、7d、14d、28d。由CTS-25 型非金属超声波检测仪可以测得超声波声时T，其与超声波波速V 之间的关系式为：

式中：L 为试件长度，mm。

由于试件长度统一为50mm，因此超声波波速与声时成反比关系，即声时越大，波速越小。一般通过试件所用的时间越小，代表试件内部越密实，结构越完整。

通过试验可知，随着水泥掺量和养护龄期的增大，水泥土强度也在不断增大，与之对应的超声波声时却在减小。根据具体实验数据绘制图形，舍去试验中人为和试样自身缺陷造成失真的数据，采用数学回归分析的方法进行拟合分析。拟合分析所用的函数为线性函数、多项式函数和指数函数，拟合结果见图1 ～图3，分析结果见表4。

图1 抗压强度与波速之间线性函数拟合曲线

图2 抗压强度与波速之间多项式函数拟合曲线

图3 抗压强度与波速之间指数函数拟合曲线

表4 水泥土纵波波速与抗压强度回归结果

从分析结果可以看出，水泥土抗压强度与超声波纵波波速之间存在相关关系。其中，多项式函数和指数函数拟合较好，通过相关系数比较发现，抗压强度与超声波波速之间更趋向于指数函数关系。由于水泥土超声波波速受很多因素影响，如水泥土含水率、密度、初始压力等因素，因此要得到抗压强度与超声波波速之间准确的关系，还需要后期进行更深入的系统试验。

3 结论

（1）通过试验结果可知，水泥土的无侧限抗压强度随着水泥掺量和养护龄期的增大而增大。（2）通过超声波检测试验可知，水泥土掺量越大的试件测得的声时越小，波速越大；水泥土试件的超声波纵波声速随着养护龄期的增长而不断增大。（3）对水泥土无侧限抗压强度和超声波波速进行拟合分析可知，水泥土抗压强度与超声波纵波波速之间存在相关关系，二者更趋向于指数函数关系。