CN109932423B - 一种基于弹性波的混凝土强度无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于弹性波的混凝土强度无损检测方法，包括顺序进行的以下步骤：S1、通过弹性波获得被测混凝土构件的弹性模量；S2、将步骤S1所获得的弹性模量引入已知的弹性模量与抗压强度关系中，获得步骤S1所获得的弹性模量对应的抗压强度；所述已知的弹性模量与抗压强度关系为：已知的与被测混凝土类型相同的混凝土构件的弹性模量与抗压强度关系。采用本方法可以快速的获得混凝土结构内部混凝土强度。

Description

一种基于弹性波的混凝土强度无损检测方法

技术领域

本发明涉及混凝土材料安全检测领域，特别是涉及一种基于弹性波的混凝土强度无损检测方法。

背景技术

混凝土是土木、建筑、桥隧、水利、冶金等行业中重要结构工程最常用的材料，在社会基础设施建设中占据举足轻重的地位。然而，混凝土在使用过程中，不可避免会出现各种老化、劣化现象，如果施工质量得不到很好的保证，会加速结构的老化、劣化，大幅增加维修加固成本，严重降低结构的使用年限，从而造成社会经济的损失。

混凝土抗压强度和弹性模量是反映混凝土施工质量、老化等重要的参数指标，在工程建设中历来受到高度的重视，在铁路行业中混凝土强度要求是不可逾越的红线。目前，混凝土强度检测最常用的方法包括抗压试验、回弹法、超声回弹综合法等。抗压试验是破坏性试验，且只能采用同期养护试块或结构取芯，无法在实体上直接进行。回弹法和超声回弹综合法是使用较广泛的无损检测方法，但这两种方法均无法测试混凝土的弹性模量，且受结构混凝土表面状态影响大。另外，回弹法无法测试内部强度、精度较差并需要碳化深度修正；超声回弹综合法高度依赖超声波波速标定曲线，标定复杂，且受仪器本身的特性影响，且在隧道衬砌等无法采用对测法测试的结构中，超声波波速的测试精度显著下降，同时超声波法受钢筋影响大，且需要耦合剂耦合，大大降低了测试效率，无法在隧道中进行大面积检测。

既有检测方法的不足，亟待一种能够在实体上快速准确地测试混凝土强度的无损检测方法。

发明内容

针对上述提出的针对混凝土强度检测，既有检测方法存在不足，亟待一种能够在实体上快速准确地测试混凝土强度的无损检测方法的问题，本发明提供了一种基于弹性波的混凝土强度无损检测方法，采用本方法可以快速的获得混凝土结构内部混凝土强度。

为解决上述问题，本发明提供的一种基于弹性波的混凝土强度无损检测方法通过以下技术要点来解决问题：一种基于弹性波的混凝土强度无损检测方法，包括顺序进行的以下步骤：

S1、通过弹性波获得被测混凝土构件的弹性模量；

S2、将步骤S1所获得的弹性模量引入已知的弹性模量与抗压强度关系中，获得步骤S1所获得的弹性模量对应的抗压强度；

所述已知的弹性模量与抗压强度关系为：已知的与被测混凝土类型相同的混凝土构件的弹性模量与抗压强度关系。

本方案基于：根据混凝土构件弹性模量与抗压强度的相关性，来准确测试混凝土的抗压强度：根据已知的相同类型混凝土构件弹性模量与抗压强度关系，以实际测得的被测混凝土构件的弹性模量为基础，将所测得的弹性模量带入所述关系中，来获得被测混凝土构件的抗压强度；同时基于：配合比相对近似或相同的混凝土构件，即以上定义的类型相同的混凝土，两者分别的弹性模量与抗压强度关系具有很好的相关关系：可近似为相同。

采用本方案，针对以上弹性模量，可通过测试弹性波波速来获得弹性模量，即本方案提供了一种可用来检测混凝土构件抗压强度的无损检测方法，有利于提高弹性波测试混凝土强度的适用范围，以快速的获得混凝土结构内部混凝土强度。

作为本领域技术人员，以上步骤S1和步骤S2的关系中，均涉及弹性模量，以上弹性模量可为动弹性模量E_d，也可以是静弹性模量E_c，在建立所述关系以及步骤S1获得弹性模量时，两者采用相同类型的弹性模量即可。如两者为不同的弹性模量，也可根据

进行换算。

同时，弹性波波速与混凝土动弹性模量间有明确的理论关系：

对于1维均质弹性体，其动弹性模量E_d与弹性波P波波速V_P1的关系可以表示为：

E_d＝ρV_P1 ²

当测试对象为2维或3维时，P波速度有一定的变化：

具体关系可表示为：

2维均质弹性体：E_d＝ρ(1-μ²)V_p2 ²；

3维均质弹性体：

其中，其中，ρ为材料的密度，对于混凝土构件，ρ一般为2400kg/m³左右，亦可方便的实际获得；μ为混凝土材料的泊松比。

而对于表面波(瑞利波)，其关系可以表示为：

瑞利波：

同时，上述方法得到的动弹性模量具有很高的精度：经与共振仪获得的动弹性模量进行对比，相对误差在2％以内。

更进一步的技术方案为：

结合如上所述，针对V_R，相应测试方法可通过面波法进行测试获得；针对V_P3，相应测试方法可通过双面透过法进行测试获得；针对V_P2，相应测试方法可通过单面平测法进行测试获得；针对V_P1，相应测试方法可通过单一反射法进行测试获得，但在具体实施时，若要保证相应测试方法所对应的波速测试精度，需要考虑：如面波法需要被测混凝土构件厚且体积大、双面透过法需要被测对象具有两个相对的临空面、单面平测法需要被测对象表面平整、单一反射法需要对应为杆件结构，考虑到本检测方法使用的灵活性或普遍适用性，设置为：在步骤S1中，所述弹性模量基于冲击回波法获得：

S1.1：利用冲击回波法，获得弹性波在混凝土构件中的波速V_ref；

S1.2：将所述波速V_ref转换为瑞利波波速V_R、一维波波速V_P1、二维波波速V_p2、三维波波速V_p3中的任意一种；

S1.3：建立被转换的瑞利波波速V_R、一维波波速V_P1、二维波波速V_p2、三维波波速V_p3与弹性模量的关系，获得弹性模量。采用本方案，只需要获得被测对象的形状参数，如厚度参数即可，故本方案具有能够普遍适用于现有混凝土构件，不存在上述的采用现有回弹法、超声波法的劣势或局限性的特点。同时，本方法在实施时，若采用低频弹性波，所述低频弹性波即为：其频率相对于超声波来说频率较低的弹性波，如使用激振锤产生的弹性波，低频弹性波受钢筋影响小且可以较好地修正。

在所述步骤S1.3中，所述弹性模量为动弹性模量E_d，且：

E_d＝ρV_P1 ²、E_d＝ρ(1-μ²)V_p2 ²、

其中，ρ为混凝土构件材料密度，μ为混凝土材料的泊松比。

为方便进行计算，设置为：将所述波速V_ref转换为一维波波速V_P1。

将所述波速V_ref转换为一维波波速V_P1的转换方式为：

根据：

V_ref＝βV_p2，

且：当η＜0.5时，取β＝0.96；

当0.5≤η＜0.8时，取

当0.8≤η＜2.0时，取

当η≥2时，取β＝0.98；

其中，所述η为被测混凝土构件的横截面宽厚比；

根据：一维波波速V_P1、二维波波速V_p2分别与弹性模量的关系，获得V_P1：V_p1＝αV_ref，其中，

μ为混凝土材料的泊松比。

为方便获得被检测混凝土构件弹性模量在已知关系中对应的抗压强度，设置为：所述已知的弹性模量与抗压强度关系为：弹性模量与抗压强度在直角坐标系中的关系曲线。具体的，如坐标系中，横坐标的值对应动弹性模量，纵坐标的值对应抗压强度，如开始获得一组动弹性模量与抗压强度的关系，就可以在坐标系中拟合出两者的关系曲线。具体的，在步骤S1中获得了被测混凝土构件的弹性模量，然后把这个弹性模量带入已知的关系中，即以上关系曲线中，以上关系曲线中，被测混凝土构件的弹性模量在关系曲线中对应具体的点，以上点的纵坐标即对应该弹性模量下的抗压强度值，这个抗压强度值就是需要获得的值。

采用Sigmoid曲线加以拟合获得E_A，将E_A带入：

中，获得混凝土构件的抗压强度f_cu；

其中，f_c0：为预测的混凝土构件的下限抗压强度；

δf_c：为预测的混凝土构件最大抗压强度与f_c0的差值；

E_A：Sigmoid曲线中点对应的动弹性模量，即拟定得到的相同类型的混凝土动弹性模量与抗压强度的关系曲线中具体点对应的动弹性模量；

λ：形状决定系数，该值的取值与混凝土构件的高宽比等有关，根据经验，该值的具体数值为5～6之间的任意数值，如取5.5；

e：自然对数的底，若保留小数点后五位，其值为2.71828；

E_d：步骤S1获得的被测混凝土构件的弹性模量，其中，该弹性模量为动弹性模量。

本发明具有以下有益效果：

本方案基于：根据混凝土构件弹性模量与抗压强度的相关性，来准确测试混凝土的抗压强度：根据已知的相同类型混凝土构件弹性模量与抗压强度关系，以实际测得的被测混凝土构件的弹性模量为基础，将所测得的弹性模量带入所述关系中，来获得被测混凝土构件的抗压强度；同时基于：配合比相对近似或相同的混凝土构件，即以上定义的类型相同的混凝土，两者分别的弹性模量与抗压强度关系具有很好的相关关系：可近似为相同。

采用本方案，针对以上弹性模量，可通过测试弹性波波速来获得弹性模量，即本方案提供了一种可用来检测混凝土构件抗压强度的无损检测方法，有利于提高弹性波测试混凝土强度的适用范围，以快速的获得混凝土结构内部混凝土强度。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但是本发明不仅限于以下实施例：

实施例1：

一种基于弹性波的混凝土强度无损检测方法，包括顺序进行的以下步骤：

S1、通过弹性波获得被测混凝土构件的弹性模量；

S2、将步骤S1所获得的弹性模量引入已知的弹性模量与抗压强度关系中，获得步骤S1所获得的弹性模量对应的抗压强度；

所述已知的弹性模量与抗压强度关系为：已知的与被测混凝土类型相同的混凝土构件的弹性模量与抗压强度关系。

本方案基于：根据混凝土构件弹性模量与抗压强度的相关性，来准确测试混凝土的抗压强度：根据已知的相同类型混凝土构件弹性模量与抗压强度关系，以实际测得的被测混凝土构件的弹性模量为基础，将所测得的弹性模量带入所述关系中，来获得被测混凝土构件的抗压强度；同时基于：配合比相对近似或相同的混凝土构件，即以上定义的类型相同的混凝土，两者分别的弹性模量与抗压强度关系具有很好的相关关系：可近似为相同。

采用本方案，针对以上弹性模量，可通过测试弹性波波速来获得弹性模量，即本方案提供了一种可用来检测混凝土构件抗压强度的无损检测方法，有利于提高弹性波测试混凝土强度的适用范围，以快速的获得混凝土结构内部混凝土强度。

作为本领域技术人员，以上步骤S1和步骤S2的关系中，均涉及弹性模量，以上弹性模量可为动弹性模量E_d，也可以是静弹性模量E_c，在建立所述关系以及步骤S1获得弹性模量时，两者采用相同类型的弹性模量即可。如两者为不同的弹性模量，也可根据

进行换算。

同时，弹性波波速与混凝土动弹性模量间有明确的理论关系：

对于1维均质弹性体，其动弹性模量E_d与弹性波P波波速V_P1的关系可以表示为：

E_d＝ρV_P1 ²

当测试对象为2维或3维时，P波速度有一定的变化：

具体关系可表示为：

2维均质弹性体：E_d＝ρ(1-μ²)V_p2 ²；

3维均质弹性体：

其中，其中，ρ为材料的密度，对于混凝土构件，ρ一般为2400kg/m³左右，亦可方便的实际获得；μ为混凝土材料的泊松比。

而对于表面波(瑞利波)，其关系可以表示为：

瑞利波：

同时，上述方法得到的动弹性模量具有很高的精度：经与共振仪获得的动弹性模量进行对比，相对误差在2％以内。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上作进一步限定，结合如上所述，针对V_R，相应测试方法可通过面波法进行测试获得；针对V_P3，相应测试方法可通过双面透过法进行测试获得；针对V_P2，相应测试方法可通过单面平测法进行测试获得；针对V_P1，相应测试方法可通过单一反射法进行测试获得，但在具体实施时，若要保证相应测试方法所对应的波速测试精度，需要考虑：如面波法需要被测混凝土构件厚且体积大、双面透过法需要被测对象具有两个相对的临空面、单面平测法需要被测对象表面平整、单一反射法需要对应为杆件结构，考虑到本检测方法使用的灵活性或普遍适用性，设置为：在步骤S1中，所述弹性模量基于冲击回波法获得：

S1.1：利用冲击回波法，获得弹性波在混凝土构件中的波速V_ref；

S1.2：将所述波速V_ref转换为瑞利波波速V_R、一维波波速V_P1、二维波波速V_p2、三维波波速V_p3中的任意一种；

S1.3：建立被转换的瑞利波波速V_R、一维波波速V_P1、二维波波速V_p2、三维波波速V_p3与弹性模量的关系，获得弹性模量。采用本方案，只需要获得被测对象的形状参数，如厚度参数即可，故本方案具有能够普遍适用于现有混凝土构件，不存在上述的采用现有回弹法、超声波法的劣势或局限性的特点。同时，本方法在实施时，若采用低频弹性波，低频弹性波受钢筋影响小且可以较好地修正。

在所述步骤S1.3中，所述弹性模量为动弹性模量E_d，且：

E_d＝ρV_P1 ²、E_d＝ρ(1-μ²)V_p2 ²、

其中，ρ为混凝土构件材料密度，μ为混凝土材料的泊松比。

为方便进行计算，设置为：将所述波速V_ref转换为一维波波速V_P1。

将所述波速V_ref转换为一维波波速V_P1的转换方式为：

根据：

V_ref＝βV_p2，

且：当η＜0.5时，取β＝0.96；

当0.5≤η＜0.8时，取

当0.8≤η＜2.0时，取

当η≥2时，取β＝0.98；

其中，所述η为被测混凝土构件的横截面宽厚比；

根据：一维波波速V_P1、二维波波速V_p2分别与弹性模量的关系，获得V_P1：V_p1＝αV_ref，其中，

μ为混凝土材料的泊松比。

为方便获得被检测混凝土构件弹性模量在已知关系中对应的抗压强度，设置为：所述已知的弹性模量与抗压强度关系为：弹性模量与抗压强度在直角坐标系中的关系曲线。具体的，如坐标系中，横坐标的值对应动弹性模量，纵坐标的值对应抗压强度，如开始获得一组动弹性模量与抗压强度的关系，就可以在坐标系中拟合出两者的关系曲线。具体的，在步骤S1中获得了被测混凝土构件的弹性模量，然后把这个弹性模量带入已知的关系中，即以上关系曲线中，以上关系曲线中，被测混凝土构件的弹性模量在关系曲线中对应具体的点，以上点的纵坐标即对应该弹性模量下的抗压强度值，这个抗压强度值就是需要获得的值。

采用Sigmoid曲线加以拟合获得E_A，将E_A带入：

中，获得混凝土构件的抗压强度f_cu；

其中，f_c0：为预测的混凝土构件的下限抗压强度；

δf_c：为预测的混凝土构件最大抗压强度与f_c0的差值；

E_A：Sigmoid曲线中点对应的动弹性模量；

λ：形状决定系数；

e：自然对数的底；

E_d：步骤S1获得的被测混凝土构件的弹性模量，其中，该弹性模量为动弹性模量。

实施例3：

本实施例提供一种具体的基于计算机数据处理的实现方式：

对150mm*150mm*150mm的试块采用冲击回波法进行测试：

将传感器连接至主机的0通道，增益倍率设为30；

采用冲击回波法进行试块波速测试，并输入试块相应参数(密度；边长或直径、高度---用于计算所述横截面宽厚比；形状决定系数)，自动获取到一维波波速V_P1；

根据一维波波速V_P1计算出其相应的动弹性模量；

根据建立的与被测混凝土试件类型相同的试件的动弹性模量与抗压强度的关系，获取所需的抗压强度值。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于弹性波的混凝土强度无损检测方法，其特征在于，包括顺序进行的以下步骤：

S1、通过弹性波获得被测混凝土构件的弹性模量；

S2、将步骤S1所获得的弹性模量引入已知的弹性模量与抗压强度关系中，获得步骤S1所获得的弹性模量对应的抗压强度；

所述已知的弹性模量与抗压强度关系为：已知的与被测混凝土类型相同的混凝土构件的弹性模量与抗压强度关系；

所述已知的弹性模量与抗压强度关系为：弹性模量与抗压强度在直角坐标系中的关系曲线；

采用Sigmoid曲线加以拟合获得E_A，将E_A带入：

中，获得混凝土构件的抗压强度f_cu；

其中，f_c0：为预测的混凝土构件的下限抗压强度；

δf_c：为预测的混凝土构件最大抗压强度与f_c0的差值；

E_A：Sigmoid曲线中点对应的动弹性模量；

λ：形状决定系数，具体数值为5～6之间的任意数值；

e：自然对数的底；

E_d：步骤S1获得的被测混凝土构件的弹性模量，其中，该弹性模量为动弹性模量。

2.根据权利要求1所述的一种基于弹性波的混凝土强度无损检测方法，其特征在于，在步骤S1中，所述弹性模量基于冲击回波法获得：

S1.1：利用冲击回波法，获得弹性波在混凝土构件中的波速V_ref；

S1.2：将所述波速V_ref转换为瑞利波波速V_R、一维波波速V_P1、二维波波速V_p2、三维波波速V_p3中的任意一种；

S1.3：建立被转换的瑞利波波速V_R、一维波波速V_P1、二维波波速V_p2、三维波波速V_p3与弹性模量的关系，获得弹性模量。

3.根据权利要求2所述的一种基于弹性波的混凝土强度无损检测方法，其特征在于，在所述步骤S1.3中，所述弹性模量为动弹性模量E_d，且：

E_d＝ρV_P1 ²、E_d＝ρ(1-μ²)V_p2 ²、

其中，ρ为混凝土构件材料密度，μ为混凝土材料的泊松比。

4.根据权利要求2所述的一种基于弹性波的混凝土强度无损检测方法，其特征在于，将所述波速V_ref转换为一维波波速V_P1。

5.根据权利要求4所述的一种基于弹性波的混凝土强度无损检测方法，其特征在于，将所述波速V_ref转换为一维波波速V_P1的转换方式为：

根据：

V_ref＝βV_p2，

且：当η＜0.5时，取β＝0.96；

当0.5≤η＜0.8时，取

当0.8≤η＜2.0时，取

当η≥2时，取β＝0.98；

其中，所述η为被测混凝土构件的横截面宽厚比；

根据：一维波波速V_P1、二维波波速V_p2分别与弹性模量的关系，获得V_P1：V_p1＝αV_ref，其中，

μ为混凝土材料的泊松比。