CN111595950B - 一种声波检测混凝土结合面强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种声波检测混凝土结合面强度的方法，该方法通过在混凝土结合面粘结界面测区和结合面两侧的新、旧混凝土测区进行声波检测，从声波信号时域图中提取各测点的首波声时计算测区混凝土声速代表值，将测区声速代表值代入强度换算公式计算测区强度值，再将粘结界面测区强度值与界面两侧的新、旧混凝土测区强度值进行对比，从而判断混凝土结合面强度。本发明方法适用于实际施工现场检测，具有激发容易、操作简单、在检测过程中不会对结构造成破坏、检测范围广泛等优点，优势明显。

Description

一种声波检测混凝土结合面强度的方法
技术领域
本发明提供一种检测方法，涉及工程结构强度检测技术领域，特别涉及混凝土结合面强度的检测方法。
背景技术
装配式混凝土结构作为一种符合工业化生产方式的结构形式，具有施工速度快、劳动强度低、噪音污染与湿作业少和产品质量易控制等优势，已成为国内外建筑业发展的主流方向。但是由于装配式混凝土建筑采用了大量的预制构件，预制构件在后浇混凝土时，由于浇筑面积大、钢筋密集且预埋管线路繁多，如果浇筑时振捣不密实，或者结合面没有按照规范要求处理，易在结合面上形成各类缺陷，导致预制构件与后浇混凝土之间的连接无法保证结构的整体受力，从而难以达到“等同现浇”的设计初衷。
混凝土结合面是指先后两次浇筑的混凝土之间形成的接触面，即在已经终凝的混凝土上再浇筑新的混凝土，两者之间的结合面。国内外研究学者对影响新旧混凝土粘结强度的因素进行了一系列研究，其中对新旧混凝土结合面强度影响程度最大的因素是旧混凝土表面粗糙度。研究表明在一定的粗糙度范围内，界面粗糙度越高，混凝土粘结强度越高。相关行业标准规定，预制构件结合面制作时应按设计要求进行粗糙面处理，设计无具体要求时，可采用化学处理、拉毛或凿毛等方法制作粗糙面并规定“粗糙面的面积不宜小于结合面的80%”，预制板的粗糙面凹凸深度不宜小于4mm，预制梁端，柱端，墙端的粗糙面凹凸深度不应小于6mm。
两次浇筑的混凝土之间，应保持良好结合，使新旧混凝土形成一个整体，共同承担荷载，方能保证结构安全使用。但是在第二次浇筑混凝土时，由于种种原因往往不能完全按照规范要求来处理已硬化的混凝土表面，很难保证混凝土结合面的粘结强度，因此对混凝土结合面强度的检测非常重要，若不能及时检测出强度不合格的混凝土结合面，有可能造成巨大的工程问题并带来巨大损失。
现有技术中有关检测混凝土结合面粘结强度的方法有直接拉伸法、单面直剪法、双面直剪法、压剪法等，但是这些常用的检测方法均为在实验室内进行，与工程实际还存在很多差异。
现有技术中的钻芯粘结拉拔法是一种能用于现场检测的方法，但是在实际工程中，由于混凝土表面通常存在碳化薄弱层，往往需要采用人工磨除表面薄弱层，并且修补抹平，单即便这样，由于人工操作的原因也常常会出现表面发生胶层粘附破坏。例如，公开号为CN106092880A、名称为一种现场检测桥面铺装层间粘结拉拔强度装置及检测方法的中国专利申请，公开了一种现场检测桥面铺装层间粘结拉拔强度检测方法，即上述钻芯粘结拉拔法，在实际工程运用中，由于混凝土表面存在薄弱层，而需要采用人工磨除表面薄弱层，并且修补抹平，容易出现表面表面发生胶结粘附破坏的现象。
另有公告号为CN20614661U、名称为一种改进的喷射混凝土与岩石粘结强度测定的中国专利，公开了一种改进传动钻芯拉拔法测定喷射混凝土与岩石粘结强度的装置，在试件与锚杆拉拔仪之间做成铰接连接，即在喷射混凝土与岩石粘结大板上植入一端带圆环的埋钩，锚杆拉拔仪拉杆通过内螺纹套管与一端带挂钩的转换接头连接，测定时，挂钩钩住挂环使试件和锚杆拉拔仪之间形成可转动的铰接，然后使锚杆拉拔仪加载测量。因其多次采用手动液压泵进行加载，加载过程中力值不连续，不能以恒定加载速率进行加载，受人为操作影响，对粘结力结果产生影响。此外，该专利装置采用的锚杆拉拔仪较重，不够便捷。并且，锚杆拉拔仪的仪表通常只能显示力值，对于粘结强度还需要后期根据芯样横截面人为处理计算才能获取得。
超声波在混凝土中的传播速度取决于混凝土的密度和弹性模量，而混凝土的弹性模量又与抗压强度存在内在联系，所以，混凝土中超声波传播速度与混凝土的抗压强度有着良好的相关性，即混凝土强度越高，相应的超声波波速越高。国内的一些研究人员针对用超声波法对新旧混凝土结合面检测开展了相关研究。如刘金伟采用对测法对修补小试块和修补梁的新旧混凝土界面性能进行了试验研究，发现超声波波速与粘结界面强度具有良好的相关性，提出了用超声波波速评价新旧混凝土粘结质量的一种方法，该方法存在如下不足：(1)对测法对测试条件要求较高，实际施工现场混凝土结合面的被测部位常常不具有使声波对测测试界面的条件；(2)其实验制作的试块较小，试块与实际工程情况具有较大区别。使用该方法并不能检测出实际工程中混凝土结合面的强度。
目前对于如何定性的检测出混凝土结合面强度的研究不多，准确的检测出混凝土结合面强度是目前工程结构技术领域急需解决的问题之一。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种声波检测混凝土结合面强度的方法，通过提取时域数据中的首波声时进行数据处理，从而实现对混凝土结合面粘结质量的精确检测。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
(1)布置超声测点；
(2)在待测混凝土结合面测点位置激发脉冲波，接收超声波透射待测混凝土结合面的脉冲信号；
(3)根据测区各测点的首波声时计算测区混凝土声速代表值V；
(4)根据测区混凝土声速代表值V计算测区强度换算值；
(5)将粘结界面测区强度换算值与界面两侧的新、旧混凝土测区强度值进行对比，从而判断混凝土结合面的强度。
优选地，所述步骤(1)中，布置超声测点前先定位测试构件混凝土内部钢筋位置和走向，避免钢筋对检测结果造成干扰。
优选地，所述步骤(1)中，采用超声斜测法对混凝土结合面各测区进行超声测点布置。
优选地，所述步骤(2)中，超声换能器与混凝土表面通过黄油进行耦合。
优选地，所述步骤(2)中，超声换能器的频率为100KHz。
优选地，所述步骤(3)中，通过公式(1)计算混凝土声速代表值V：
V=1/3[L/(TI-T0)] (1)
其中，V为测区混凝土声速代表值，L为激发与接收换能器的距离，TI为第I个测点的首波声时读数，T0为激发与接收换能器对测声时初读数。
优选地，所述步骤(4)中，通过公式(2)计算测区强度换算值：
Fcu=0.1986V3.5041 (2)
其中，Fcu为测区混凝土抗压强度换算值，V为测区混凝土声速代表值。
进一步优选地，所述混凝土强度换算公式适用于碎石混凝土。
值得一提的是，发明人在通过超声波检测不同粗糙度的混凝土结合面时，从声波信号时域图中对比发现了超声波透射不同粗糙度的混凝土结合面时，首波声时变化明显。界面粗糙度越高的混凝土结合面，超声波透射粘结界面区域的首波声时越小，测区强度换算值越高。
与现有技术相比，本发明方法具有以下优势。
1.本发明方法适用于实际施工现场检测。
2.激发容易、操作简单。
3.检测过程中不会对结构造成破坏。
4.本发明通过对混凝土结合面各测区进行声波检测，将各测区的声速代表值代入强度换算公式计算测区强度值，通过将粘结界面测区强度值与界面两侧的新、旧混凝土测区强度值进行对比，从而判断混凝土结合面的强度，判断结果直观准确。
5.本发明方法适用于新、旧混凝土强度等级相同和不同情况下的混凝土结合面强度检测，检测范围广泛。
附图说明
图1为本发明方法的算法流程图。
图2为旧混凝土试件制作示意图。
图3为旧混凝土粘结界面粗糙处理示意图。
图4为浇筑新混凝土示意图。
图5为激发换能器测点布置图。
图6为接收换能器测点布置图。
图7为换能器平面测点布置图。
图8为粗糙度为4mm结合面各对T-R测点的时域图。
图9为粗糙度为4mm结合面各对T-R测点的首波时域放大图。
图10为声波检测区域混凝土抗压强度换算值。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例实验模型测试
(1)本实验浇筑的新、旧混凝土的强度等级和材料配合比如表1所示：
表1
类别 强度等级 水（kg） 水泥（kg） 砂（kg） 石头(kg)
新混凝土 C30 185 411 559 1245
旧混凝土 C40 185 420 572 1273
(2)混凝土结合面模型试件的制作过程，分为三个步骤：旧混凝土试件制作；粘结界面粗糙度处理；浇筑新混凝土。旧混凝土试件、新混凝土试件的几何尺寸分别为700mm*300mm*600mm、300mm*300mm*600mm。取旧混凝土300mm*600mm平面作为粗糙处理界面，粗糙处理界面划分为3个相同的面积区域，采用人工凿毛对粘结界面进行粗糙处理，并使用灌沙法测得粘结界面的粗糙度。实验设计制作了界面粗糙度为4mm、8mm和12mm三种混凝土结合面。
(3)采用超声法对混凝土结合面模型进行声波检测。超声波换能器测点布置如图5-7所示，T为激发换能器，R为接收换能器，T1-R1测试新混凝土测区的声波，T2-R2测试粘结界面测区的声波，T3-R3测旧混凝土测区的声波。超声测距L=0.335m，各测区选择三条测试截面，分别为测区的上部、中部和下部区域。各截面选择三个测点进行测试，超声波测试仪器采用本课题组自主研发的TH204型多功能声波参数测试仪。
(4)将超声波激发换能器和接收换能器进行对测，提取声波信号时域图的首波声时T0。
(5)对试件各测点进行声波检测，提取测区各测点首波声时TI，将各测点首波声时TI代入公式(1)计算测区声速代表值：
V=1/3[L/(TI-T0)] (1)
其中，V为测区混凝土声速代表值，L为激发与接收换能器的距离，TI为第I个测点的首波声时读数，T0为激发与接收换能器对测声时初读数。
(6)取界面粗糙度为4mm各对T-R测点的声波数据为例，图8、9为界面粗糙度为4mm各对T-R测点时域图。
本实例中，分别对试件混凝土粘结界面测区和界面两侧的新、旧混凝土测区混凝土声速代表值进行计算，计算数据及结果如表2所示：
表2
检测区域 T<sub>1</sub>(μs) T<sub>2</sub>(μs) T<sub>3</sub>(μs) T<sub>0(</sub>μs) V(km/s)
4mm粗糙度界面 97 98 99 16.7 4.12
4mm粗糙度界面 95 96 95 16.7 4.26
12mm粗糙度界面 94 92 94 16.7 4.37
新混凝土 96 97 96 16.7 4.21
旧混凝土 92 92 93 16.7 4.43
(7)将步骤(6)所得各测区的声速代表值代入公式(2)计算测区的强度换算值：
Fcu=0.1986V3.5041 (2)
其中，Fcu为测区混凝土抗压强度换算值，V为测区混凝土声速代表值。
本实例中，分别对试件混凝土结合面测区和界面两侧的新、旧混凝土测区强度值进行计算，计算数据及结果如表3所示：
表3
检测区域 V(km/s) F<sub>cu</sub>(Mpa)
4mm粗糙度界面 4.12 28.3
8mm粗糙度界面 4.26 31.9
12mm粗糙度界面 4.37 34.9
新混凝土 4.21 30.5
旧混凝土 4.43 36.5
(8)将声波检测区域的混凝土抗压强度换算值绘制成柱状图，见图8。由图8可知，不同粗糙度的混凝土结合面测区强度值不同，界面粗糙度为4mm的粘结界面测区强度值最低，界面粗糙度为12mm的粘结界面测区强度值最高。国内外研究学者研究表明，在一定粗糙度范围内，混凝土结合面粗糙度越高，混凝土结合面强度越高，与实施例声波测试结果一致，故检测结果准确可靠。界面粗糙度为4mm的混凝土结合面测区强度值比界面两侧的新、旧混凝土强度值都低，因此推断界面粗糙度为4mm的混凝土结合面强度不足。界面粗糙度为8mm的混凝土粘结界面测区强度值接近新混凝土测区的强度值，推断界面粗糙度为8mm的混凝土结合面强度合格。界面粗糙度为12mm的混凝土粘结界面测区强度值介于新、旧混凝土测区强度值之间，推断混凝土结合面强度良好。界面粗糙度不足会导致新旧混凝土粘结不密实，增加界面粗糙度，混凝土粘结界面强度增加，这是由于增加界面粗糙度能够增加粘结界面区域内的粘结面积，使得新旧混凝土之间的粘结更加紧密，混凝土结合面强度越高，由实施例检测结果表明，通过声波检测混凝土结合面粘结界面测区和界面两侧的新、旧混凝土测区强度值，再将粘结界面测区强度值与界面两侧的新、旧 混凝土强度值进行对比，可以判断混凝土结合面的强度大小。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非以限制本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种声波检测混凝土结合面强度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)布置超声测点；
(2)在待测混凝土结合面测点位置激发脉冲波，接收超声波透射待测混凝土结合面的脉冲信号；
(3)根据测区各测点的首波声时计算测区混凝土声速代表值V；
(4)根据测区混凝土声速代表值V计算测区强度换算值；
(5)将粘结界面测区强度换算值与界面两侧的新、旧混凝土测区强度值进行对比，从而判断混凝土结合面的强度；
所述步骤(3)中，通过公式(1)计算混凝土声速代表值V：
V＝1/3[L/(TI-T0)] (1)
其中，V为测区混凝土声速代表值，L为激发与接收换能器的距离，TI为第I个测点的首波声时读数，T0为激发与接收换能器对测声时初读数；
所述步骤(4)中，通过公式(2)计算测区强度换算值：
Fcu＝0.1986V3.5041 (2)
其中，Fcu为测区混凝土抗压强度换算值，V为测区混凝土声速代表值。
2.根据权利要求1所述的一种声波检测混凝土结合面强度的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，布置超声测点前先定位测试构件混凝土内部钢筋位置和走向，避免钢筋对检测结果造成干扰。
3.根据权利要求1所述的一种声波检测混凝土结合面强度的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，采用超声斜测法对混凝土结合面各测区进行超声测点布置。
4.根据权利要求1所述的一种声波检测混凝土结合面强度的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，超声换能器与混凝土表面通过黄油进行耦合。
5.根据权利要求1所述的一种声波检测混凝土结合面强度的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，超声换能器的频率为100KHz。
6.根据权利要求1所述的一种声波检测混凝土结合面强度的方法，其特征在于，混凝土强度换算公式适用于碎石混凝土。
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