冲击回波测试混凝土试件弹性波波速研究.pdf
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1、水利水电技术第4 6卷2 0 l 5年第3期 冲击 回波测试混凝 土试件弹性波波速研 究 吕小彬 ,吴佳晔 ,李秀琳 ,李 萌 ( 1 中国水利水电科学研究院 结构材料研究所,北京1 0 0 0 3 8 ;2 四川理工学院 建筑X - 程学院,四川 自贡6 4 3 0 0 0 ) 摘要 :通过有限元分析和试验 ,采用冲击回波方法替代传统超声波测试水工混凝土试件 P波波速, 以此来确定弹性波波速与混凝土强度之间的相关关系,建立工程弹性波专用评价曲线。结论表 明钢球 与混凝土敲击接触时间5 0 4 0 0 s 范围内冲击回波测试结果不受影响,1 0 0 2 0 0 s 范围内频谱图卓 越频率识别效
2、果最佳 ;1 5 0 mm立方体和 4 , 1 o o X 1 0 0 m m( 或 4, 1 5 0 x 1 5 0 mm) 芯样试件“ 视 P波波速” 分 别为 三维 P波 波速 的 8 6 4 和 9 0 0 。经试 验验证 ,立方体试 件 与 圆柱 体试 件 “ 视 P波 波速 ” 的 比值 为 0 9 0 5,与理论分析值 0 9 1 1非常接近 。 关键词:冲击回波;频谱分析 ;P波波速 ;卓越频率 中图分 类号 :T V 6 9 8 1 5 文献标识码 :A 文章编号 :1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 5 ) 0 3 0 0 8 4 0 7 S t u dy o
3、n e l as t i c wa v e v e l o c i t y o f t e s t i ng o n c o nc r e t e s p e c i m e n wi t h i m p a c t - e c h o m e t ho d L YU Xi a o b i n ,WU J i a y e ,L I Xi u l i n ,L I Me n g ( 1 D e p a r t me n t o f S t r u c t u r e s a n d Ma t e ri a l s ,C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r
4、 R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r R e s e a r c h ,B e i j i n g 1 0 0 0 3 8 ,C h i n a ; 2 I n s t i t u t e o f A r c h i t e c t u r e a n d E n g i n e e r i n g ,S i c h u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ,Z i g o n g 6 4 3 0 0 0,S i c h u a n , C
5、 h i n a ) Ab s t r a c t :T h r o u g h fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s a n d t h e r e l e v a n t e x p e r i me n t ,t h e i mp a c t e c h o me t h o d i s a d o p t e d t o r e p l a c e t h e c o n - ve n t i o na l u l t r a s o ni c me t ho d f o r t h e t e s t i n g ma d e o n P w
6、a v e v e l o c i t y t h r o u g h t h e h y dr a u l i c c o n c r e t e s p e c i me n, S O a s t o d e t e r mi ne t h e c o r r e l a t i o n b e t w e e n b o t h t h e e l a s t i c wa v e v e l o c i t y a n d t h e c o n c r e t e s t r e n g t h, a n d t h e n e s t a b l i s h t h e e v a
7、 l u a t i o n c u r v e t h a t i s s pe c i a ll y us e d for t h e e ng i n e e rin g e l a s t i c wa v e Th e c o nc l u s i o n s h o ws t h a t i f t he t i me o f t h e kn o c k i ng c o n t a c t be t we e n t he s t e e l b a l l f o r t h e t e s t i n g a n d c o n c r e t e i s wi t h i
8、 n t h e r a n g e o f 5 04 0 0 I x s ,t h e i mp a c t e c h o t e s t i n g r e s u l t i s n o t a f f e c t e d, a n d t h a t t h e e f f e c t o f t h e i d e n t i fic a t i o n o n t h e d o mi n a n t fre q u e n c y o f t h e s p e c t rum ma p i s t h e b e s t F o r t h e c o n c r e t e
9、 c u b e o f 1 5 0 mm a n d c o r e s a mpl e o f q S l O01 0 0 mm t h e i r a pp a r e n t P wa v e v e l o c i t i e s a r e 8 6 4a n d 90 0o f t h e 3一D P wa ve v e l o c i t y r e s p e c t i v e l y T h e r e l e v a n t e x p e r i me n t d e mo n s t r a t e s t h a t t h e r a t i o b e t w
10、e e n t h e a p p are n t P - wa v e v e l o c i t i e s o f b o t h t h e c o n c r e t e c u b e a n d t h e c o r e s a mp l e i s 0 9 0 5 a n d i s q u i t e c l o s e t o t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s v a l u e Ke y wo r d s : i mp a c t e c h o me t h o d;s p e c t r a l a n aly
11、s i s ;P w a v e v e l o c i t y;d o mi n a n t fr e q u e n c y 1 研究背景 在水工混凝土结构无损检测和安全评估工作中经 常采用弹性波 ( 如声波 、超声波 ) 波速来评价混凝土 的强度 、质量分布和内部缺陷等。弹性波( P波) 波速 与混凝土的强度和弹性模量之间具有 比较好 的相关关 系 ,但不同混凝 土的 P波波速 和强度之 间的关系 是不同的。对于重要混凝土结构 ,为保证无损检测结 果的准确性 ,比较可靠的方法是采用现场钻取芯样或 在试验室 内制备混凝 土试 件 ,通过确定其 强度和 P 波波速之间的相关关系建立工程专用弹
12、性波波速评价 曲线。 水工混凝土试验室经常采用的混凝土试件类型主 要有 4种 ,分别为 1 0 0 mm X 1 0 0 mm X 4 0 0 m m棱柱体 ( 抗冻试验) 、4, 1 5 0 x 3 0 0 mm圆柱体 ( 弹模 和强度试 收稿 日期 : 基金项 目: 作者简介 : 2 01 4 1 2 O 8 中国水利水 电科 学研究 院科研专 项 ( 结集 1 4 5 5 ) ;水 利部 “ 9 4 8 ” 项 目( 2 0 1 3 0 1 ) 。 吕小彬( 1 9 7 0 一 ) ,男 ,博士 。 W a t e rRe s o u r c e s a n dHy d r o p o
13、w e rE n g i n e e r i n g V o 1 4 6No 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 吕小彬, 等冲击回波测试混凝土试件弹性波波速研究 表 3混凝 土配合 比 编号 水胶 比 水泥 k g m一 粉煤灰 k g m 砂 k g m一 石 k g m 坍落度 c m 含气量 L NA4 5 2 0 0 4 5 2 0 9 8 5 2 4 7 8 2
14、 1 2 8 3 5 4 2 2 L NA5 0 2 0 0 5 0 1 8 8 8 4 7 2 81 4 1 2 7 6 5 2 2 0 LNA5 5 2 0 0 5 5 1 71 6 4 2 9 8 4 4 1 2 6 5 5 2 2 2 LA 4 5 2 0 0 4 5 2 0 0 8 5 O 2 7 6 0 1 2 4 8 5 2 5 1 LA5 0 2 0 0 5 0 1 8 0 8 4 5 2 7 91 1 2 4 0 5 1 5 2 LA5 5 2 0 0 5 5 1 6 5 8 41 4 8 2 5 1 2 3 5 5 3 5 8 样点数对圆柱体和立方体试件分别为 4 0 9
15、6和 8 1 9 2 , 频谱图上的分辨率分别为 0 1 2 2 k H z 和0 0 6 1 k H z ( 保 证按公式( 1 ) 计算“ 视 P 波波速” 时误差相同) 。 4 2试验结果 图 6是典型配比 LN A 4 5 2 0某立方体试 件 2 8 d 龄期 8次测试( 4个敲击点各敲击 2次) 所得频谱 图的 叠加结果 ,可以看出不但卓越频率易于辨识 ,且 8次 测试结果一致性非常好( 此处卓越频率为 1 2 9 4 k H z , 计算立方体试件“ 视 P波波速” 为 3 8 8 2 m s ) 。 圆柱体试件试验频谱图与图 6基本相似 。所有配比在 不 同龄期的冲击回波试验结
16、果见表 4 ,表中的波速数 据至少是 3个试件测试结果 的平均值。圆柱体和立方 体试件的“ 视 P波波速” 和 分别利用试验 所得频谱 图上的卓越频率代入公式( 1 ) 计算得 出。 l1 I l 卓越频率1 2 9 4 k H z J L : : : 频率 k H z 图 6 2 8 d龄期 LN A 4 5 2 0某立方体试 件 8次 测试频谱图叠加结果 从表 4的结果 看出,立方体试件“ 视 P波波速 ” 拈与圆柱体试件“ 视 P波波速” 的比值基本在 0 9 0到 0 9 1之 间,平 均 值 为 0 9 0 5 ,标 准 差 为 0 0 0 5 。由于 与 P波一维传播速度 相 同
17、, 因此这一 比值与表 1中 v p 的理论 值 非 ,c u b ev p 0 91 1 常接近。 5 弹性波波速专用评价曲线的建立 除了表 3中的采用人工灰岩骨料的混凝土外 ,在 本研究 中还另外制备 了人工片岩骨料 ( 饱 和弹模 4 6 G P a ) 和天然骨料两种混凝土,同样采用如表 3中的 6 表 4所有配比不同龄期 冲击 回波试验结果 龄期 配 比 波速 3 d 7 d 1 4 d 2 8 d 9 0 d c y L m -s 4 1 1 4 4 21 5 4 2 8 3 4 3 3 3 4 4 4 3 V p s 3 7 21 3 8 0 9 3 8 48 3 9 0 7 3
18、 9 9 2 LNA4 5 2 0 , c u b e m 。 0 9 0 5 0 9 0 4 0 8 9 9 0 9 0 2 0 8 9 8 v Pm | V t, c “ m s一 4 0 9 4 4 1 9 9 4 2 7 3 4 3 3 2 4 4 6 2 V p s 一 , u b e m 3 7 l 2 3 7 9 2 3 8 3 8 3 8 9 4 3 9 9 2 LNA5 O 2 0 。 O 9 O 7 O 9 0 3 0 8 9 8 0 8 9 9 0 8 95 v p m s 3 9 9 3 4 1 3 2 4 2 l 1 4 2 8 5 4 41 9 V p s 一 ,c
19、 u b e m 3 6 4 6 3 7 4 7 3 8 21 3 8 6 7 3 9 5 5 LNA5 5 2 0 。 幽 0 9 1 3 0 9 0 7 0 9 0 7 0 9 0 2 0 8 9 5 L m s 4 0 2l 4 1 0 8 4 l 6 9 4 2 1 7 4 33 3 V p s 一 ,c u b e m 3 6 6 7 3 7 4 3 3 7 8 7 3 8 2 4 3 91 8 L A4 5 2 O 。 0 91 2 0 9 1 1 0 9 0 8 0 9 0 9 0 9 0 4 v P 融 P E m s 3 9 4 4 4 0 4 4 4 l O 8 4 1 7
20、 5 4 2 9 7 V p s一 ,c u b e m 3 5 9 l 3 6 7 3 3 7 0 7 3 7 7 5 3 8 7 0 LA5 0 2 0 6 0 91 1 0 9 0 8 0 9 0 2 0 9 0 4 0 9 01 yl m s 3 8 3 5 3 9 3 7 4 0 2 2 4 0 9 6 4 2 l l k m s 3 4 9 1 3 5 7 3 3 6 5 0 3 7 1 9 3 7 9 7 LA 55 2 0 k 0 9 1 1 0 9 0 8 0 9 0 7 0 9 08 0 9 02 f 个不 同混凝土配 比。在 7 d 、2 8 d和 9 0 d龄期时 ,首
21、 先按照图 1测试 1 5 0 m m1 5 0 m m1 5 0 m m立方体试 件的“ 视 P波波速” ,根据表 1 计算 P波三维传 播速度 ,随后对立方体试件进行抗压 强度试验 , 建立混凝土强度与 之 间的关系 ,见图 7 。从 图中 可以看出,单独对 某一种 骨料 ,混凝 土强度与 P波 波速 问具有 比较好 的相关性 ,R 2 在 0 8 7 0 9 2之 间。但是如果将这三种不 同骨料的混凝土一起考虑 , 则强度与 P波波速 之间相关性非常差,用 其中一种 混凝土的曲线去评价另外两种混凝土的质量会产生很 大的偏差。因此对于重要结构 ,为提高结构安全评估 水利水电技术第 4 6卷
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