基于理论分析的固结波速与混凝土强度的相关性分析

程忠赫

摘要：为了探讨出一种检测混凝土强度的可行性无损检测方法，我们借鉴了锚杆锚固质量无损检测的原理，基于理论分析和实验探讨了固结波速与混凝土强度的相关性，验证了钢筋混凝土结构内固结波速随着混凝土的强度变化而变化的情况，得出了固结波速与混凝土早期强度之间的定形关系，确定了固结波速检测混凝土早期强度的可行性，为工程检测混凝土结构质量提供了一种无损检测手段。
关键词：理论分析；固结波速；混凝土强度；相关性
中图分类号： TU973+.25 文献标识码：A 文章编号：

Abstract: in order to discuss a kind of test of the strength of concrete feasibility nondestructive testing methods, we can use for reference the anchor of the principle of non-destructive test, based on the theoretical analysis and experimental discusses the wave of consolidation and the strength of concrete correlation, verify the reinforced concrete structure in consolidation wave with the strength of concrete and changing circumstances change, it is concluded that the consolidation wave velocity and concrete strength of the relationship between early setting, determined the consolidation wave velocity test the feasibility of early concrete strength for the engineering quality test concrete structure provides a nondestructive testing method.
Keywords: theoretical analysis; Consolidation wave; The strength of concrete; correlation

混凝土是建筑工程中使用最多、最主要的一种建筑材料，它的质量直接影响着建筑工程结构的安全。由于混凝土的抗拉强度相对较小而且也可能存在着裂缝，或者施工时振捣不足而使内部存在空洞，建筑物使用期限过长，预留试件不足等都需要施工人员对混凝土进行检测，从而确保建筑物的质量。因此，加强混凝土质量的监控和检测工作已经成为当今建筑工程中的一个重要课题。目前，检测混凝土强度一般都是采用的无损检测技术，主要包括回弹法、超声法、钻芯法、拔出法等。虽然，无损检测法具有测试仪器简单、操作方便、费用较低并可以重复测试等优点。但是这些方法都存在着一些局限性，在检测过程中获得的参数受混凝土材质及组料的影响也较大，并且都不适用于混凝土早期的强度检测。然而，最近几年在混凝土强度的无损检测法方面并没有什么新方法出现，主要还是在原有方法的基础上对其进行改善，或是采用两种或是两种以上方法综合来进行测定。下面我们将借鉴锚杆锚固质量的动态检测方法，通过测定激发应力波在含筋混凝土锚固段的固结波速来检测混凝土的早起强度。采用固结波速检测法进行检测，其突出的优点是可以对混凝土构件早期强度进行实时、无损的监测。
概述固结波速
固结波速是指弹性应力波通过钢筋——混凝土体系传播时的速度。通过理论分析我们可以知道固结波速的大小是介于钢筋和混凝土中弹性应力波速之间的，它主要是由钢筋和混凝土二者之间的材料性质决定的，而且与钢筋和混凝土两者的粘结强度密切相关，并且随着混凝土强度的增长呈规律变化。由此可见，固结波速的变化实质上就是早期混凝土材质参数的变化情况，因此，固结波速可以反映混凝土强度的增长情况，它也可以作为检测混凝土早期强度的一种无损检测方法。
激发应力波在混凝土——钢筋体系内传播的基本原理
固结波速检测法是借鉴锚杆锚固质量的动态检测方法，它主要是测定激发应力波在含筋混凝土锚固段的固结波速。其基本原理如下：假设钢筋中存在一个变阻抗面，、分别为介质上下部的密度；、分别为介质上下部的横截面积；、分别为波在介质上下部的传播速度。因此，介质上部的波阻抗为，下部的波阻抗为。当钢筋端头受到瞬间的冲击力后，钢筋头质点就会在冲击力的作用下振动，并且以应力波的形式向钢筋的底部传播，当应力波传到变阻抗界面的时候就会发生反射和透射。我们根据连续条件和动量守恒定理就可以得到反射系数R和折射系数T，它们分别为：

对于被锚固的钢筋而言，在锚固段的上界面我们可以近似地认为钢筋轴向广义波阻抗增大，即R>0；在锚固段的下界面我们也可以近似的认为波阻抗减小，即R<0。因此，激发应力波在混凝土——钢筋体系中传播的主要过程为：当激发应力波传播到锚固段上界面时，激发应力波发生反射，波阻抗增大，反射系数R>0，这时反射波与入射波方向相同，而在反射波传播到钢筋外露的端头时，反射波要发生全反射，这时钢筋头传感器记录的波与初始波的方向相反；同理，底端反射波则与初始波同相。
固结波速与混凝土强度的相关性分析
固结波速随着混凝土强度的增强可以呈现出有规律的变化，是评价含筋混凝土质量及强度的重要参数。对于施工现场混凝土的施工而言，现场的锚固同时承受着很多因素的影响，特别是全长粘结型钢筋。当混凝土的刚度和阻力可以与钢筋相比较时，就会对钢筋的振动特性产生较为明显的影响。而在钢筋与混凝土共同工作时，钢筋的振动是非常复杂的。因此，我们为了简化检测混凝土强度过程中的计算，对钢筋相关的一些因素作了如下假设：
钢筋受到激发应力发生的振动在弹性限度内
钢筋在振动的过程中，杆体内各质点的位移、应力和应变力之间的关系都服从胡克定律。在低应变动力的测试中，因为激振力很小且可以控制，所以，钢筋的振动满足我们假设的条件。
钢筋受到激发应力振动时截面保持为平面
钢筋在受到激发应力振动时，同一截面上所有质点的位移方向和大小一致，且不存在相位的差别或振动的超前或滞后现象。当钢筋直径d和杆长L之比L/d远小于十分之一时满足该假设。
钢筋材料均匀或分段均匀且各向同性
对于混凝土而言，其在拉伸和压缩方面的特性存在着很大的差异，而且分布也不均匀，但是，在低应变力条件下，可以近似的满足这一假设条件，对其差异性可以忽略不计。
下面我们将对采用固结波速检测法检测混凝土强度的主要检测过程以及计算方法进行说明。
在钢筋锚固段内取一段控制体积，假设在低应变力的情况下，钢筋和混凝土的界面仍有足够的黏结强度，然后在钢筋的自由端施加一个脉冲激励。根据S.T.Venat原理可知，在杆体内有一个稳定的弹性应力波向前传播。而当应力波传播到钢筋锚固段内时，混凝土与钢筋的界面就会发生变形，而且沿着弯曲表面的方向会有一个动态剪应力产生。如果这个复杂的应力场范围是有限的，那么，在波震面的左边一定距离处原则上就是一个准静态区域，且该区域内的质点速度是均匀的。这时，界面的切应力就等于零，钢筋与混凝土的方程为：

式中：、——分别表示钢筋和混凝土在控制体中的密度；
、——分别表示钢筋和混凝土在控制体中的横截面面积；
、——分别表示准静态应变状态钢筋和混凝土的密度；
、——分别表示准静态应变状态钢筋和混凝土的面积；
——表示波震面的传播速度；
——表示质点的运动速度。
由于波震面的前方是未受扰动的，伸长率就等于正应变，所以由Love运动学条件可知：

式中、为钢筋和混凝土的正应变。
在控制体积左边，即在准静态应变区中，材料的单向应力应变关系可用一般形式表示为：
=

式中：、为钢筋杆体和混凝土的单向应力；、为钢筋杆体和混凝土的折算刚度系数。
根据求单向应力的二式可以由平均折算刚度求得平均应力为：
=
式中，、表示钢筋杆体和混凝土在控制体中所占的体积百分数。
由上面所提到的各式可以近似的求的波震面速度：

式中，分母表示平均密度，与使用混合法则得到的结果一致；分子表示平均折算刚度。
在随后一个式子中，若是令，那么在时，固结波速也趋向于应力波在混凝土中的传播速度；在时，固结波速趋向于应力波在钢筋杆体中的传播速度。
结语
混凝土的强度与质量决定了建筑工程的质量与强度，而无损检测法是检测混凝土强度使用最广泛的方法，固结波速检测法在混凝土强度的监测过程中的使用也越来越广泛。通过上面的分析我们可以知道，固结波速直接反应了混凝土对钢筋测杆的约束作用和黏结强度，和混凝土的强度有着很大的关联。固结波速随着混凝土强度的增长也会呈现有规律的变化，因此，在混凝土强度的检测过程中发挥了很重要的作用，今后也将会得到更广泛的发展。
参考文献：
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