带粉刷沟槽烧结多孔砖强度的无损检测

杨晓东,尚建丽,

(1.西安建筑科技大学 材料科学与工程学院,陕西 西安 710055;2.西安建筑科大工程技术有限公司,陕西 西安 710055)

1 前 言

目前带粉刷沟槽的烧结多孔砖大量用于砖混结构的建筑中,当需要对这类建筑结构进行鉴定时,首先要检测烧结多孔砖的强度。对于既有结构而言,采用无损法检测烧结多孔砖强度可以避免对结构的损伤。国外一些学者采用无损法检测建筑材料强度的研究大多集中于实体的建筑材料,如智利圣地牙哥大学的Pablo Alcaíno、Hernán Santa Maria、Michael Cortés等采用“硬度指数Esclerometric index(EI)”和“超声波脉冲速度Ultrasonic pulse velocity”联合快速评级火灾后的混凝土强度,为消防和法医等人员提供安全工作条件[1];埃及亚历山大大学工程学院建筑系的Ali Abd Elhakam Aliabdo、Abd Elmoaty Mohamed Abd Elmoaty利用施米特硬度回弹值(RN)与超声脉冲速度(UPV)研究了大理岩、粉色石灰岩、白色石灰岩和玄武岩,以及烧结和灰砂两种类型实体砖的抗压强度(fc)与RN 和UPV 之间的关系,提出了线性和非线性模型,RN 和UPV 与抗压强度之间存在高度的相关性[2];美国普渡大学土木工程学院的Mirian Velay-Lizancos与其合作者,采用超声波脉冲速度和电导率无损检测技术研究再生骨料混凝土早期弹性模量和强度的变化[3];Tokat Gaziosmanpasa大学工程与自然科学学院土木工程系的Şinasi Bingöl与其合作者建立新的混凝土抗压强度与施密特回弹值及超声波波速的关系,测试强度准确度为85%,对于现浇混凝土采用超声回弹综合法是一个很好的选择[4];西班牙塞维利亚大学Juan Jesús Martín-del-Rio、Jacinto Canivell、Raúl M.Falcón用超声脉冲速度和回弹指数互补的方法,评价比“混凝土”均匀性更差的石灰稳定夯土墙的抗压强度,并且统计证明了所提出方法的准确性[5]。近年国际上对无损法测试材料性能尤为重视,开展了许多应用方面的研究,如“利用无损检测技术预测历史博物馆砖石砌体的剩余强度,基于无损检测和自校准响应面的神经网络方法预测混凝土抗压强度,振动声调制方法测试各种结构和材料缺陷”[6-14]等等。目前我国采用无损法测试建筑材料强度的研究大多也集中在混凝土领域等实体形式的材料[1-25]。国内外无损检测建筑材料强度的研究中均发现脉冲式超声波声速和硬度回弹值与非金属材料强度具有很好的相关性。

目前我国的相关规范中对于烧结多孔砖无损检测法的评定只是采用单一的回弹法,回弹法仅仅测试材料表面硬度,通过回归表面硬度值与强度的相关性来推测烧结多孔砖的强度。实践和有关研究发现,由于回弹值受到材料孔洞、表面形状及含水量的影响,采用单一的回弹法来评定烧结多孔砖的强度不是很准确,特别是对于表面有粉刷沟槽的多孔烧结砖,沟槽的宽度及内部材质会对回弹值有一定的影响,以单一的表面硬度推测强度偏差较大。鉴于上述诸多问题及国内外无损法测试材料强度的研究,本课题采用超声-回弹综合法来研究评定带粉刷沟槽的烧结多孔砖强度,以期缩小检测误差。

2 测试仪器及材料

2.1 主要仪器

符合《回弹仪评定烧结普通砖强度等级的方法》JC/T 796-2013要求的ZC4型砖回弹仪和符合《混凝土超声波检测仪》JG/T 5004-1992要求的HC-F800非金属超声波仪。

2.2 带粉刷沟槽多孔转样貌

带粉刷沟槽烧结多孔砖孔洞率约为20%,公称尺寸为200 mm×115 mm×90 mm,条面粉刷沟槽深度约为2.0 mm,宽度约为9.5 mm,条面上分布9个粉刷槽条,端面上分布4个粉刷槽条,试样产地为陕西。多孔砖外貌及尺寸见图1。多孔砖内部存在大小不同的裂纹、气孔和未完全烧结的杂质等缺陷。

图1 带粉刷沟槽的烧结多孔砖与尺寸(a)与外貌(b)Fig.1 Structure of perforated brick with painted groove (a)size; (b)appearance

3 多孔砖的回弹测试值和超声波声速测试

3.1 回弹测试点的位置

回弹测试点分布在两个条面上,弹击点避开曲槽及气孔、疏松缺陷处。测点分布如图2所示。每个条面上设10个测试点,测试时任选其中5个点。

图2 回弹测试点的分布Fig.2 Distribution of rebound measuring points

按照建材行业JC/T 796-2013“回弹仪测定烧结普通砖强度等级的方法”[2]进行多孔砖的回弹测试。该方法中规定,回弹测试时必须对多孔砖施加一定的荷载,该荷载由该方法所采用的测试装置中的配重来施加到多孔砖表面。

3.2 试样承压荷载的确定

在进行回弹测试前,必须首先确定多孔砖必须在多大的荷载下进行测试才是最合适的。

本研究测定两种荷载下的含水量为2.6%(自然含水量)的多孔砖的回弹平均值,每种荷载测定10次,以此确定配重变化对试样回弹值HT 的影响,结果见图3。

图3 试样所受施压荷载与回弹值的相关性Fig.3 Effect of compression load on rebound value

测试结果显示,配重从100 N 增至200 N,试样的回弹值变化量较小,检测结果呈随机性,100 N 的配重产生的压力足以确保测试时试样在垂直方向上不产生位移,且试样的刚度较大,配重增加100 N 也不会对试样产生新的压缩。所以实验研究均采用100 N 的配重作为施压荷载。

3.3 超声波换能器测试位置选择

利用JG/T 5004-1992要求的非金属超声波检测仪测试超声波在多孔砖两条面及两端面之间的声速。将超声波换能器的两个探头分别置于多孔砖相对应的两个条面测得的声速,称为“对测”;若置于相对应的两个端面测得的声速就称为“平测”。对测时声速用式V=B/t计算,式中B 为多孔砖厚度,t为波束线在两条面间传播时间的最小值;平测时声速可用式V≈(L-ϕ)/t来计算,式中L 为砖块长度,ϕ为探头直径。

随机抽取含水量(w)为零的12块多孔砖,按照不同的测试方法测定声速,结果如图4所示。由图4可知,对测时测得的声速比平测得到的快。

图4 对测和平测对声速的影响Fig.4 Effect of ultrasonic measuring points on sound speed

可以用图5来分析上述所测结果的原因,图5中箭头所示方向为超声波传播声程方向。超声波在介质内传播时,遇到异质材料或界面,传播方向会发生改变,从而形成反射或折射。这是因为界面两侧材料的声阻抗存在差异。声阻抗差异越大,声压反射率越高,超声波甚至可能会被完全反射,不会折射进入第二介质。由于砖体中烧结密实部分的声阻抗(Z1:～1.9×106g/(cm2·s))远大于空气声阻抗(Z3∶0.00004×106g/(cm2·s)),砖体中气孔的存在,使超声波在试样中的传播实际上并不完全是直线,而是经气孔界面多次反射前进。陕西地区烧结砖的孔隙率约42%左右,超声波平测的探头之间距离较长,超声波所经过的孔洞越多,要经历更多的气孔反射,更多次地改变传播方向,导致较波线实际传播的声程变大,如图5中(3)所示仪器采到的时间延长,使测得的声速变小。

图5 对测和平测声速变化分析Fig.5 Analysis of the change of sound velocity in pairs and flat of measurements

考虑到工程中某些砌体结构中的多孔砖对侧不易实现,因此本研究采用端面平测。

3.4 试样回弹值测试结果

回弹测试12组试样,每组试样由含水量不同的5块多孔砖组成,测得的回弹值如图6所示。

图6 不同含水量试样的回弹值Fig.6 Rebound value of samples with different water content

测试结果显示,含水量为0时(绝对干燥),回弹值最高。随着含水量增加,回弹值总体变化趋势是下降的,但含水量为5.5%的试样的回弹值均高于其他含水量(w=2.6%,w=7.5%,w=吸水饱和)条件下的值。

分析原因:由于试样吸水后表面会产生软化,含水量为0时,表面无软化,回弹值最高;试样吸入微量的水,如含水量达2.6%(自然状态),不足以完全填满表面气孔,表面开始发生软化,回弹值随之开始降低。试样近表面处都有一定数量的气孔,试样吸水是从表面开始,当表面孔隙充满水后,回弹测试时,虽然软化层较薄会略降低回弹值,但充满水的孔隙表面反弹的能量反而略有提高,如含水量达5.5%的试样回弹值反而出现增高。当含水量继续增加,充满水的孔隙数量继续增加,但软化层厚度也随之增加,回弹时会吸收更多的冲击能量,软化层吸收的能量远大于充满水的孔隙回弹的能量,导致回弹值也随之降低,如含水量达7.5%以后,随着含水量的增加,回弹值进一步降低。

3.5 试样超声波声速测试

平测14组试样的声速,每组试样由三种不同含水量(2.6%、5.5%、饱和含水)的砖块组成,测试结果如图7所示。

图7 砖块不同含水量对超声声速的影响Fig.7 Effect of water content on sound speed

分析图7中14组数据:其中含水量为2.6%的11组试样出现最大声速;含水量饱和的试样中,有2组出现最大声速;含水量为5.5%的试样中,没有声速最大的组。总体上看,含水量从2.6%增长至饱和状态,超声波声速呈下降趋势。对于这种超声声速变化的分析如图8所示。

图8 声速随含水量变化的机理分析示意图Fig.8 Analysis of the change of sound velocity with water content

试样砖体中含有大量气孔,当气孔吸收水分,但含水量尚未饱和时,水吸附在孔壁形成水膜层,此时超声波传播主要经过三种不同声阻抗的材质,如图8 中(a),超声波传播的路径经过砖体(声阻抗Z1:～1.9×106g/(cm2·s),声速C1)→水膜层d(声阻抗Z2:20℃时为0.15×106g/(cm2·s),声速C2)→空气腔(声阻抗Z3:0.00004×106g/(cm2·s),声速C3)。固态砖体声速C1大于液体水声速C2,超声波从砖体进入水膜外层(类似凸透镜)要产生聚焦折射,折射波遇到水膜内侧,由于水膜声阻抗Z2远大于空气层声阻抗Z3,超声波在空气层界面发生全反射,反射波从另一处外侧水膜-砖体界面类似凹透镜发散折射传出,且可以修复第一次折射改变的传播方向,使传播方向比较接近初始传播方向。随着含水量增加,水膜厚度d增厚,超声波在声速较低的水中传播的时间延长,超声波仪记录的声速值降低。当试样吸水饱和,气孔中完全充满水(如图8(b)),虽然没有空气层界面的全反射,但经过两次折射的超声波传播方向发生较大改变,更加延长了仪器接收超声波的时间。这些因素最终导致试样的超声声速随试样含水量增加出现下降趋势。

3.6 多孔砖强度与回弹值及声速的相关性

3.6.1 多孔砖试样实测强度与回弹值、超声声波测试值结果为进一步研究上述测定的多孔砖回弹值及超声波声波值与多孔砖强度之间的相关性,同时逐一测定了多孔砖试样的强度。随机抽取均由三种不同含水量(0%、2.6%、5.5%)的砖块组成的16组试样,分别测试每一组试样的平均强度、回弹值及超声波声速,测试结果如表1所示。

表1 不同含水量试样的强度与回弹值及超声波声速实测结果Table 1 Sample test results of rebound value and ultrasonic velocity

3.6.2 回归分析分析表1 测试结果中回弹值HT 与强度P及声速V 与强度P之间的相关性,找出最大相关系数R2的函数式。

当砖块含水量为0%时,回弹值HT 与强度P 的相关性分析如图9所示,声速V 与强度P的相关性分析如图10所示。回弹值HT 与强度P的相关性可以回归为多项式(一元二次)函数,P=0.088HT2-3.766 HT+47.056,相关系数R2=0.927;声速V 与强度P的相关性回归为复杂多项式(一元六次)函数,P=14.71V6-234.4V5+517V4-5102V3+9374V2-8889V+3393,相关系数R2=0.880。

图9 w=0%试样的回弹值HT 与强度P的相关性Fig.9 w=0%correlation of rebound value HT strength P

图10 w=0%试样的声速V 与强度P的相关性Fig.10 w=0%correlation of sound velocity v-strength P

当砖块含水量w=2.6%时,回弹值HT 与强度P的相关性如图11所示,声速V 与强度P 的相关性如图12所示。回弹值HT 与强度P的相关性可以回归为指数函数,P=1.26eHT/10.35-8.83,相关系数R2=0.910;声速V 与强度P 的相关性回归为乘幂函数,P=4.67V1.72,相关系数R2=0.938。

图11 w=2.6%试样的回弹值HT 与强度P的相关性Fig.11 w=2.6%correlation of rebound value HT strength P

图12 w=2.6%试样的声速V 与强度P的相关性Fig.12 w=2.6%correlation of sound velocity v-strength P

当砖块含水量w=5.5%时,回弹值HT 与强度P的相关性分析如图13所示,声速V 与强度P 的相关性分析如图14所示。回弹值HT 与强度P的相关性可以回归为对数函数,P=-1567.78+330.22ln(HT+92.61),R2=0.922;声速V 与强度P 的相关性回归为指数函数,P=2.093e1.058V,相关系数R2=0.898。

图13 w=5.5%试样的回弹值HT 与强度P的相关性Fig.13 w=5.5%correlation of rebound value HT strength P

图14 w=5.5%试样的声速V 与强度P的相关性Fig.14 w=5.5%correlation of sound velocity v-strength

当试样吸水饱和时,回弹值HT 与强度P的相关性分析如图15所示,声速V 与强度P 的相关性分析如图16所示。回弹值HT 与强度P的相关性可以回归为多项式,P=0.046 HT2+4.62HT-69.06,相关系数R2=0.943;声速V 与强度P的相关性回归为乘幂函数,P=10.95V1.02,相关系数R2=0.944。

图15 吸水饱和试样的回弹值HT 与强度P的相关性Fig.15 Correlation of water absorption saturation rebound value HT strength P

图16 吸水饱和试样的声速V 与强度P的相关性Fig.16 Correlation of water absorption saturation sound velocity V-strength P

强度P与声速V 及回弹值HT 的回归分析:采用二元线性回归分析,当带粉刷沟槽烧结多孔砖试样的含水量从零增加到饱和状态,强度P与声速V 及回弹值HT的回归关系式分析函数的相对误差如表2所示。

表2 强度P与声速V及回弹值HT的回归关系Table 2 Regression relationship between strength P and sound velocity V and rebound value HT

分析表2,绝对干燥的试样回归函数的相对误差较大(e r=27.7%);试样的含水量从自然状态(2.6%)到饱和状态,回归函数的相对误差均小于15%;试样含水量达饱和状态,回归函数的相对误差最小(e r=10.7%)。随试样含水量的增加,强度P 与声速V 及回弹值HT 之间的回归关系式计算结果相对误差减小。从上文超声波传播路径分析可知,主要原因是含水量的增加减少了试样中气孔腔的空气,试样内部的超声波传播介质发生了变化。当砖块中含水量为零时,超声波的转播介质主要是固态砖体和空气,试样内孔隙不但有气孔还有各种裂纹,超声波在其中传播时在砖体和空气界面上会发生全反射,使得超声波的传播路径变得复杂,宏观表现为试样强度与超声波声速的回归性比较差,导致了试样强度与声速及回弹值回归函数的相对误差较大。

试样吸收少量水后超声波传播介质为砖体-水-空气,由于超声波可以在水中折射传播,使超声波在这种介质中传播相对容易,而且随着含水量增加直至饱和,传播介质转变为更利于超声波传播的砖体-水介质。宏观上表现为随试样含水量的增加直至饱和,强度P与声速V 及回弹值HT 的回归关系式计算结果的相对误差最小。

自然条件下的砌体结构,烧结砖均会有一定含水量,对比CECS 02 2005《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》的回归统计相对误差小于15%的要求,试样自然吸水后,采用超声-回弹联合推测带粉刷沟槽烧结多孔砖强度的回归统计相对误差均可以满足要求,因此本研究结果在工程中具有一定的实用价值。

4 结 论

1.不含水的带粉刷沟槽多孔砖的回弹值最高。当多孔砖少量吸水后,回弹值下降;但当含水量达5.5%时,回弹值又略为增大。

2.不同含水量的带粉刷沟槽烧结多孔砖的强度与回弹值、强度与超声波声速的最优相关性的函数变化趋势线不相同,采用统一函数,推测不同含水量的多孔砖试样的强度,将会产生较大误差。试样含水量增加有利于超声波在试样中的传播;随试样中含水量的增加,多孔砖强度与声速及回弹值的回归函数的相对误差减小。试样在绝对干燥条件下,相对误差大于15%,含水量从2.6%增加至饱和,相对误差在14.8%～10.7%范围内,试样含水达饱和状态时回归函数的相对误差最小。

该研究既适用于准确评定既有建筑中多孔砖的强度,也可以用于实验室多孔砖的强度检测。