基于超声透射法的新拌混凝土密度检测研究

娜仁高娃

（内蒙古交通职业技术学院，赤峰 024005）

1 前言

混凝土生产和施工过程中，对其密度进行检测和控制是必不可少的环节。通过实时监测和控制混凝土的密度，可以及时发现和解决潜在的质量问题，确保混凝土的质量符合设计要求和相关标准。基于超声透射法的新拌混凝土密度检测，可以在不破坏混凝土样品的情况下，快速获取其内部结构和密度的信息。该检测方法还具有较高的可靠性和重复性，能够为混凝土质量控制、强度预测、施工监控和耐久性评估提供有力支持。下文就相关内容进行简要论述。

2 超声透射法概述

超声透射法是一种非破坏性测试技术，通过使用超声波在材料中的传播特性和反射信号来获取材料的内部信息。它基于超声波在不同密度或组织结构的材料中传播速度和衰减的差异，从而实现对材料性质、缺陷及内部结构的评估和检测。该方法通常涉及将超声波从一个传感器（发射器）发送到被测试材料，并通过另一个传感器（接收器）记录接收到的反射信号，然后分析这些信号以提取有关材料性质的信息。

搅拌后的混凝土中，随着水泥水化反应的进行和混凝土凝结过程的发展，混凝土内部的孔隙逐渐被水泥胶体充填，混凝土的密实度逐渐增加，密实度的增加会使声波在混凝土中传播的速度加快。

基于这一原理，超声透射法通过发送超声波并测量其传播时间来获得声速值，然后将声速值与已知密度的标定样品进行对比，建立声速与密度的关系曲线。超声透射法通过发送一束高频超声波穿过混凝土样品，并在另一侧接收传播回来的信号[1]。根据接收到的信号的传播时间，可以计算出超声波在混凝土中的传播速度，通过比较已知密度的标定样品与待测混凝土之间的声速差异，可以推断混凝土的密度。这种方法具有高精度、快速和非破坏性的特点，可以实时监测混凝土的密度变化，并提供准确的密度数值，为工程施工和质量控制提供重要依据。超声波透射固体介质的密度计算公式如下：

c 为超声波在固体介质中的传播速度，m/s；ρ 为固体介质的密度，kg/m3；σ 为固体介质的泊松比；E 为固体介质的弹性模量，N/mm2。

3 基于超声透射法的新拌混凝土密度检测特点

基于超声透射法的新拌混凝土密度检测具有非破损性、实时性、准确性、便捷性和适用性广等特点，为新拌混凝土的质量监控提供了有效手段。

（1）非破损性。这种检测方法不会对混凝土造成任何破坏，因此可以在不损害混凝土结构和性能的情况下进行密度检测。

（2）实时性。超声透射法可以在混凝土浇筑后立即进行密度检测，无需等待混凝土完全硬化，从搅拌到凝结阶段，可以持续跟踪密度变化，并及时获取数据，从而实现了对新拌混凝土质量的实时监控[2]。

（3）准确性。通过测量超声波在混凝土中的传播速度和衰减程度，可以准确地计算出混凝土的密度，为工程质量控制提供了可靠的数据支持。

（4）便捷性。超声透射法检测设备相对简单，操作方便，可以在施工现场快速进行密度检测，提高了检测效率。

（5）适用性广。超声透射法适用于各种类型的新拌混凝土密度检测，包括普通混凝土、高性能混凝土等，具有广泛的应用前景。

4 基于超声透射法的新拌混凝土密度检测

4.1 准备工作

超声密度检测试验装置通常包括单片机、超声换能器、试样容器等。单片机是超声密度检测仪器的控制核心，用于控制和处理数据，负责发送和接收超声波信号，并通过算法计算出试样的密度值。超声换能器是将电能转换为超声波能量的装置，它同时充当超声发射器和接收器的角色。当作为发射器时，它将电信号转换为超声波并将其传播到试样中，当作为接收器时，它会接收到经过试样后反射回来的超声波信号。试样容器是放置待测混凝土样品的容器。通常是一个具有适当尺寸和形状的容器，以确保混凝土样品与超声换能器之间的良好接触，试样容器的材料应足够坚固，以承受试样的重量并保持稳定。

在进行实际测试之前，需要对仪器进行校准，包括校准仪器上的参数设置、增益调整、频率校准等。超声发射器和接收器需要通过标定样品来校准，使用已知密度的标定样品进行测试，记录传播时间和接收信号强度，并与已知密度值进行比较，以确保仪器的准确性和可靠性。如果使用计算机或其他数据采集设备，需要确保其与超声透射仪器之间的连接正常，设置合适的采样频率和数据处理方式。

4.2 取样

基于超声透射法的新拌混凝土密度检测过程中，准确的取样方法对于获得可靠的测试结果至关重要，因此在操作过程中务必仔细注意并按照标准取样规程进行操作，本次操作采用C30 混凝土配合比，按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行设计，具体参数见表1。

表1 混凝土配合比

首先，保证所取得的样品具有代表性，能够准确反映整个混凝土批次的特性，样品应从不同位置和深度处采集，并在整个批次中均匀混合。确定需要取样的混凝土批次的大小，通常情况下较大批次的取样可以提供更好的代表性，但同时也要考虑操作的可行性和取样的难度。根据实际需要确定所需的样品数量，通常建议取三个以上的样品进行测试，以获得更可靠的平均值。使用适当的取样器具来采集样品，如铲子、锹或专用的取样工具，取样器具必须干净且无残留物，避免污染样品[3]。

其次，取样时，应在混凝土表面清除杂质和污染物的区域采取；从不同深度取样，以确保代表不同部位的混凝土；避免取样时对样品施加过多压力，以防止挤压和改变样品密度。

再次，取得样品后，应尽快将其放置在密封的容器中，防止水分蒸发和外部污染物的进入，保持样品的湿润状态，以避免水分损失和样品性质的变化。

4.3 超声透射检测

4.3.1 阶段Ⅰ（0～160min）：流动期

在混凝土的流动期，由于混凝土中存在大量的气泡和未完全水化的颗粒，超声波在其内部传播时会遇到强烈的折射和衰减现象。由于混凝土的流动期类似于悬浮液，其中的气泡和颗粒会散射和吸收超声波能量，导致传播速度降低，这使得超声波在流动期的混凝土中传播困难，造成穿透混凝土的声速偏低。因此，在进行超声透射法检测时，需要考虑到混凝土流动期特有的问题，并采用相应的校正方法来解决声速偏低的情况，一种常见的方法是通过已知密度样本进行衰减校正，建立声速与密度之间的关系，以消除混凝土密度对透射信号的影响。总之混凝土流动期的特殊性会对超声透射法的检测产生一定的影响，需要通过合适的校正方法来解决声速偏低的问题，以确保密度检测的准确性。

4.3.2 阶段Ⅱ（160～390min）：凝结期

凝结期，包裹在水泥颗粒表层的水化膜在外界渗透压的作用下被破坏，水泥颗粒中的凝胶不断增加，凝胶的形成会改变混凝土的声波传播速度和衰减特性，检测过程中需要根据实际情况进行校准，可以使用已知密度的样本来建立声速和密度之间的关系，并将其应用于待检测的混凝土样本。此外，凝结期混凝土中的凝胶分布不均匀，因此在选择测量位置时需避免可能存在异常的区域，如凝胶聚集或空洞部分，应采用合适的超声透射方式，如多个探头的平均测量，以提高测量的准确性和可靠性[4]。

混凝土在凝结过程中会逐渐失去流动性，混凝土的强度会随着凝结时间的推移而逐渐增加。通过检测可以了解混凝土在不同凝结时间下的强度差异，有助于评估施工过程中混凝土的强度发展情况。混凝土中的水泥胶体在凝结过程中会发生物理和化学变化，形成更为致密的结构，通过连续检测可以研究混凝土在不同凝结时间下的显微结构演变。混凝土密度在凝结过程中可能发生微小的变化。试验过程中发现，混凝土凝结过程在1h 内的状态变化并不明显，因此选择每间隔1h，对相应阶段的混凝土进行检测，以研究混凝土在不同凝结时间下的状态差异。由于混凝土密实度的增加和固相的增多，声波在混凝土中的传播速度逐渐增大，声速大约以200m/s左右的速度增长。这种声速增长与混凝土密度减小之间存在一定的正相关关系，因为声波的传播速度往往受到介质的密度和弹性特性的影响。因此，在超声透射法中，通过测量声速的变化可以推断混凝土在凝结期的密度变化情况。

4.3.3 阶段Ⅲ（390min 以后）：硬化期

混凝土的硬化期，水化反应会导致大量水化产物的生成，而混凝土中的固相总量缓慢增加。这是因为水化过程中，水泥颗粒与水发生反应形成水化产物，逐渐填充混凝土中的空隙。随着凝结时间的增长，混凝土的密度逐渐减小，声速逐渐增大，相对误差值变化不大，这一现象验证了拌合混凝土凝结的物态变化过程。研究发现，硬化期，混凝土完全固化，超声波在混凝土中以固相传播为主，混凝土密度下降到2240kg/m3，并趋于稳定，超声波声速迅速上升到3500m/s 左右。

4.4 数据采集和分析

基于超声透射法的新拌混凝土密度检测过程中，正确采集信号并进行预处理，进行衰减校正，并使用适当的数据分析方法来计算密度，这些步骤都是必不可少的。同时还要仔细对结果进行解释，并记录下采集和分析过程的详细信息，以便后续参考和验证。

首先，使用超声透射装置对混凝土样品进行扫描，收集超声波透射信号，确保超声波发射器和接收器对准，并与样品表面保持良好的接触，采集到的信号将包含有关混凝土内部结构和密度变化的信息。其次，对采集到的信号进行预处理，以去除可能存在的干扰或噪音，可以使用滤波、去基线等技术来清洁信号，并保留感兴趣的频率段。由于混凝土会吸收和散射超声波，导致信号衰减，对采集到的信号进行衰减校正，通常采用经验公式或已知密度样本进行校准。然后使用适当的算法和模型来计算混凝土的密度，常用的方法是利用声波在材料中的传播速度与密度之间的关系，如经验公式或经验回归模型。通过对采集到的信号与已知密度样本进行比较，可以推断出混凝土的密度[5]。再次，解释和报告密度推断结果时，需要考虑其他因素的影响，如水灰比、颗粒含量等。同时要记录下使用的校准方法和数据处理过程，以保证结果的可靠性和重复性。

需要注意的是，使用超声换能器检测新拌混凝土密度，经过多次重复试验，得到在不同时间内超声波声速与密度的测量均值，与现行检测方法得到的标准密度值进行比较，计算得到密度检测的相对误差。

5 结论

总而言之，基于超声透射法的新拌混凝土密度检测成效显著。该方法通过发射超声波并接收反射信号，能够快速、准确地测量新拌混凝土的密度。相较于传统方法，超声透射法具有非破损性、实时性、便捷性等优点，能够提高检测效率，为工程质量控制提供了有力支持。同时，超声透射法还能够有效避免因人为因素导致的误差，提高检测结果的准确性。因此，基于超声透射法的新拌混凝土密度检测在工程实践中具有广泛的应用前景。