一种利用冲击弹性波评价混凝土早期受冻性能的方法与流程
本发明属于混凝土检测领域，具体涉及一种评价混凝土早期受冻性能的方法。
背景技术：
混凝土是土木工程中用量最大、用途最广的一种建筑材料，在结构的安全、可靠度和耐久性方面起绝对作用，对混凝土质量的研究与控制特别重要。当工地昼夜平均气温连续3d低于5℃或最低气温低于-3℃进行混凝土作业时称为混凝土的冬期施工，昼夜平均气温指的是最高和最低的平均值或当地时间6时、14时及21时室外气温的平均值。冬季气温低，许多建筑材料因含有水分结冻成冰进而出现脆裂，给建筑施工带来许多困难。因此对于冬期施工的混凝土，其内部含有水分，气温低会导致结冰，给混凝土带来附加强度进而影响其力学性能，难以正确掌握在冬季施工负温环境下混凝土的力学性能，导致冬季施工进度受到影响，施工质量控制难以保证。对现场混凝土强度发展不能及时准确反馈，工程质量存在隐患的几率会大大提升，目前缺乏对早期受冻混凝土的受冻评价方法，大多需要对混凝土工程造成不同程度的创伤，从而对混凝土工程造成影响，这些方法缺少对混凝土受冻情况准确且快速的获取手段，导致冬季施工难度大且隐患大。
技术实现要素：
本发明的目的是利用混凝土多功能无损检测仪提供一种利用冲击弹性波评价混凝土早期受冻性能的方法，以解决由于冬期施工混凝土结冰，从而难以正确掌握混凝土的力学性能，导致冬期施工进度受到影响，施工质量控制难以保证的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
一种利用冲击弹性波评价混凝土早期受冻性能的方法，包括：
建立标准养护条件下混凝土冲击弹性波纵波波速与成熟度关系曲线，确定待评价混凝土工程，在混凝土工程中预埋温度传感器进行温度数据采集，当混凝土工程中的混凝土养护至测试龄期时同时进行受冻损伤程度检测和成熟度计算，通过受冻损伤程度检测获取实际冲击弹性波纵波波速，根据温度测试仪提供温度数据计算混凝土工程在测试龄期内对应的成熟度，将计算得出的成熟度比对混凝土冲击弹性波纵波波速与成熟度关系曲线，获取该成熟度值对应的标养冲击弹性波纵波波速，比较标养冲击弹性波纵波波速和实际冲击弹性波纵波波速，评价混凝土早期受冻性能。
作为优选方案：混凝土冲击弹性波纵波波速与成熟度关系曲线的建立过程为：在标准养护条件下，对和混凝土工程配合比一致的多个混凝土试块进行养护，当达到测试龄期时，在标准养护条件下进行冲击弹性波纵波波速测试，在每个混凝土试块上确定多个测点，获取不同养护龄期下的混凝土冲击弹性波纵波波速的代表值，根据温度和龄期计算成熟度，建立混凝土冲击弹性波与成熟度关系曲线，计算成熟度的公式如下：
m＝∑(t+15)×△t
公式中，m为成熟度，t为在时间段△t内混凝土试块的平均温度，将混凝土冲击弹性波纵波波速的代表值和计算得到成熟度值放入直角坐标系中，建立混凝土冲击弹性波纵波波速与成熟度关系曲线。
作为优选方案：在为建立标养养护条件下混凝土冲击弹性波纵波波速与成熟度关系曲线而进行的冲击弹性波纵波波速测试中，每个成熟度测点个数的取值范围为5～15个。
作为优选方案：将混凝土工程中的混凝土养护至测试龄期时进行受冻损伤程度检测过程为：在混凝土表面由激振装置冲击产生冲击弹性波，冲击弹性波纵波在混凝土试块内传递后到达加速度传感器，加速度传感器将获取的振动信号转换成电信号，经数据处理即可完成纵波波速的检测，对比冲击弹性波纵波的波速变化，从而完成无损评价混凝土的受冻状态。
作为优选方案：激振装置在混凝土工程表面上进行敲击，从而产生冲击弹性波，激振装置的敲击测点个数的取值范围为5～15个。
作为优选方案：根据温度的发展计算混凝土工程在测试龄期内对应的成熟度为现场混凝土工程的成熟度，在标准养护条件下混凝土冲击弹性波纵波波速与成熟度关系曲线上找出混凝土工程成熟度值，该成熟度对应的冲击弹性波纵波波速为标养冲击弹性波纵波波速，比较标养冲击弹性波纵波波速和实际冲击弹性波纵波波速，标养冲击弹性波纵波波速和实际冲击弹性波纵波波速之间差值越大，表示混凝土工程的受冻程度越高，标养冲击弹性波纵波波速和实际冲击弹性波纵波波速之间差值越小，表示混凝土工程的受冻程度越低。
作为优选方案：温度传感器配合设置有温度记录仪，温度传感器与温度记录仪相连接。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
1、本发明为一种利用冲击弹性波评价混凝土早期受冻性能的方法，对评价对象的结构不造成损伤，确保评价对象的完整性，确保评价对象的后续使用性能不受影响。本发明能够快速检测冬期混凝土负温受冻损伤程度，科学确定拆模时间和养护方案，是保证混凝土工程质量的重要技术手段。
2、本发明操作方便，步骤简单，相对于预养大量同条件养护试件的测试方法而言，省时省力。
3、本发明操作灵活且适用范围广泛，能够在混凝土工程中多个部位设置测点，以测试混凝土工程中不同部位的受冻状态。本发明还适用于混凝土各个阶段的受冻测试，尤其适用于早期。
4、本发明通过建立标准养护条件下混凝土试块的纵波波速与成熟度关系曲线，并结合纵波波速测试方法，评价早期混凝土的受冻程度以及冬期施工中混凝土的早期强度，从而为冬期施工中混凝土的受冻程度进行准确且及时的评价。
5、本发明用于混凝土受冻结冰的无破损检测，本发明对冬期施工中混凝土冻害的的防治工作具有指导意义。
附图说明
图1是采用冲击回波法检测混凝土工程的纵波速度示意图。
图2是结合实施例建立的相同成熟度下混凝土不同受冻状态下的纵波波速对比关系图，图中箭头方向表示纵波的运动方向。
上述图中涉及的部件名称及标号汇总如下：
1-混凝土工程；2-温度传感器；3-温度记录仪；4-冲击锤；5-加速度传感器；6-纵波路径；7-电线；8-前置放大器；9-仪器主机。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，包括：
确定待评价混凝土工程1，在混凝土工程1中预埋温度传感器2进行温度数据采集，确定测试龄期，并根据测试龄期建立标准养护条件下利用激振装置与加速度传感器5相配合完成冲击弹性波纵波波速与成熟度关系曲线，测试龄期为一定的时间段，具体指的是从混凝土工程1浇灌成型后的一段时间，根据具体需要进行具体设定即可，通常时间段设置范围选取在混凝土工程1养护后的一个月内，即混凝土早龄期阶段，当混凝土工程1中的混凝土养护至测试龄期时同时进行受冻损伤程度检测和成熟度计算，通过受冻损伤程度检测获取实际纵波波速，根据温度测试仪器提供温度数据计算混凝土工程1在测试龄期内对应的成熟度，将计算得出的成熟度比对混凝土纵波波速与成熟度关系曲线，获取标养纵波波速，比较标养纵波波速和实际纵波波速，评价混凝土早期受冻性能。
本发明中在混凝土工程1和标养条件下模拟的混凝土试块上均需要进行受冻损伤程度检测，且检测操作过程相同，通过受冻损伤程度检测获取实际冲击弹性波纵波波速，比较标养冲击弹性波纵波波速和实际冲击弹性波纵波波速，评价混凝土早期受冻性能。
由于混凝土的抗压强度是养护温度t与硬化时间t乘积的单价函数。对于同一品种混凝土，不管成熟度是由怎样的温度和时间乘积得出，只要其成熟度相等，则混凝土的强度可认为是相同的。
进一步的，混凝土纵波波速与成熟度关系曲线的建立过程为：在标准养护条件下，对和混凝土工程1配合比一致的多个混凝土试块进行养护，脱模后继续处于该标准养护条件下进行纵波波速测试，获取与混凝土工程1处于同一龄期下的混凝土纵波波速的代表值，计算成熟度，建立混凝土纵波波速与成熟度关系曲线，计算成熟度的公式如下：
m＝∑(t+15)×△t
其中，m为成熟度；t为在时间段△t内混凝土试块的平均温度，将混凝土纵波波速的代表值和计算得到成熟度值放入直角坐标系中，建立混凝土纵波波速与成熟度关系曲线。
进一步的，在建立混凝土纵波波速与成熟度关系曲线而进行的纵波波速测试中，每个试块上的测点至少为5个，要求加速度传感器5固定时与测试面接触良好，加速度传感器5与冲击锤4之间距离不大于0.1m。
进一步的，每个试块的尺寸为150mm×150mm×150mm。
进一步的，混凝土养护至测试龄期时进行受冻损伤程度检测过程为：在混凝土表面由激振装置冲击产生冲击弹性波，冲击弹性波纵波在混凝土试块内传递后到达加速度传感器5，加速度传感器5获取振动信号并转换为电信号，经数据处理可获得纵波波速，对比冲击弹性波纵波的波速变化，从而完成无损评价混凝土的受冻状态。
进一步的，在实际混凝土工程中，冲击锤在混凝土表面上进行敲击，从而产生冲击弹性波，冲击锤4的敲击测点个数的取值范围为5～15个。在标准养护条件下，利用混凝土多功能无损检测仪对混凝土试块非成型侧面进行垂直于侧面方向的纵波波速测试，按单个混凝土试块检测时，根据冲击回波法在混凝土试块上均匀布置测区，每个混凝土试块测区数量不少于10个，若混凝土试块较小时，测区可适当减少，测点个数的最小取值为5。
激振装置与加速度传感器5相配合的过程为现有技术，激振装置包括冲击锤4和仪器主机9。其他现有能够实现敲击动作的激振装置和广域振动信号拾取装置也可替换。还可选用混凝土多功能无损检测仪。
激振装置与加速度传感器5之间的工作过程还涉及到前置放大器8的配合，三者相配合的过程与现有技术相同。
进一步的，采用冲击回波法的检测方式检测纵波波速的实施过程为：取一较为平整的表面确定待评价混凝土工程1的检测表面，选定与现有仪器、冲击回波法检测方式相匹配的加速度传感器5、前置放大器8以及冲击锤4，将加速度传感器5与前置放大器8的输入端相连接，前置放大器8打开开关并选择合适的放大档位，前置放大器8的输出端与仪器主机9的通道相连接，启动仪器主机9后，设置待评价混凝土工程1的厚度、混凝土强度等级的相关参数后，用冲击锤4锤击待评价混凝土工程1的检测表面，加速度传感器5采集数据传输到仪器主机9，保存采集的数据再进行数据解析即可完成纵波波速的检测。加速度传感器5、前置放大器8与仪器主机9之间通过电线7连接。
把电信号变成纵波波速这个过程为加速度传感器5接收振动信号转换成电荷信号，然后输入到前置放大器8后，前置放大器8把电信号处理成数字信号，然后输入到仪器主机9中利用计算机程序进行处理，计算机程序经过波形频谱分析等一系列步骤，最后形成纵波波速。
进一步的，根据温度的发展计算混凝土工程1在该龄期内对应的成熟度为现场混凝土工程1的成熟度，在混凝土纵波波速与成熟度关系曲线上找出与混凝土纵波波速与成熟度关系曲线相同的成熟度，该成熟度对应的纵波波速为标养纵波波速，比较标养纵波波速和实际纵波波速，标养纵波波速和实际纵波波速之间差值越大，表示混凝土工程1的受冻程度越高，标养纵波波速和实际纵波波速之间差值越小，表示混凝土工程1的受冻程度越低。
进一步的，温度传感器2配合设置有温度记录仪3，温度传感器2与温度记录仪3相连接。温度传感器2和温度记录仪3均为现有产品，二者相互配合的工作过程与现有技术相同。
进一步的，混凝土工程1中测点的获取位置仅为在实际施工的混凝土工程1的表面上获取，混凝土试块上测点的设定位置多样，在混凝土试块的上端面、下端面或四周侧面上确定并获取。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式包括以下四个步骤：
步骤一：首先，冬期施工或者寒冷地区的混凝土工程1，在混凝土施工时预埋温度传感器2，并连接温度记录仪3，实时记录混凝土内部温度，确定测试龄期。
步骤二：其次在标准养护条件下，相同配合比的混凝土根据测试龄期，建立混凝土纵波波速与成熟度关系曲线。
步骤三：在混凝土工程1中选定测试区域，当养护至测试龄期需要进行检测混凝土受冻损伤程度时，可先用混凝土多功能无损检测仪在混凝土表面上进行的纵波波速测试，获得现场混凝土工程1在测试龄期下的纵波波速，并根据温度传感器2和温度记录仪3相配合得到的温度的发展计算该龄期对应的成熟度。
步骤四：对比分析混凝土在相同成熟度时，标准养护条件下和施工现场的纵波波速，用二种养护条件下纵波波速之比，作为混凝土早期受冻的表征值。
步骤二中，建立混凝土纵波波速与成熟度关系曲线的具体过程如下：
在温度20℃±2℃，湿度不小于95％的环境下，选取三个试块进行养护，混凝土试块为与现场混凝土工程1的混凝土的配合比一样的混凝土试块，将混凝土试块养护至测试龄期后进行脱模，脱模后在标准条件下进行养护，同时进行纵波波速测试。纵波波速测试的测试过程与现有技术相同。
具体实施方式三：本实施方式为具体实施方式一或二的进一步限定，标养下的混凝土试块在进行纵波波速测试时，从成型第1天后，每6h进行一次纵波波速测试。成型后第2天和第3天，每12h进行一次纵波波速测试。成型后第4天至第28天，每24h进行一次纵波波速测试。
具体实施方式四：本实施方式为具体实施方式一、二或三的进一步限定，标准养护条件下，使用混凝土多功能无损检测仪对混凝土进行纵波波速测试，测量值精确到0.001km/s。在规定龄期进行纵波波速试验时，选择每个试件的四个非成型侧面中一个最为平整的侧面进行纵波波速测试。每个龄期每个试件的侧面分别选5个点进行测量。即每个龄期纵波波速的测量点为每个试件5个，三个试件共计15个点。
具体实施方式五：本实施方式为具体实施方式一、二、三或四的进一步限定，标准养护条件下，考虑到试验过程中部分数据存在较大误差，在处理数据时，将每个试件测得的5个数据中的最大点和最小点剔除，计算剩余纵波波速的平均值作为该试件纵波波速代表值。将三个试件的纵波波速代表值取平均值，作为该龄期下混凝土纵波波速的代表值。
具体实施方式六：本实施方式为具体实施方式一、二、三、四或五的进一步限定，建立标养试件的纵波波速-成熟度定标曲线。成熟度计算方法如下：
m＝∑(t+15)×△t
其中，m为成熟度，单位：℃·h，t为在时间段δt内混凝土平均温度。
具体实施方式七：本实施方式为具体实施方式一或二的进一步限定，在施工时即对现场混凝土工程1进行温度传感器2的预埋。温度传感器2预埋一个即可，温度传感器2与温度记录仪3相连，并实时记录混凝土的温度发展。当混凝土工程1不同的部位有可能处于不同的温度下时，则应在这些部位均埋置温度传感器2。
具体实施方式八：本实施方式为具体实施方式一、二或七的进一步限定，现场混凝土工程1的纵波波速测试在混凝土表面进行，测试方法与数据处理方法与标养条件下的混凝土的方法相同。同样的，为防止测量结果的偶然性，对现场混凝土工程1进行测试时，每个龄期的测点5～15个。剔除混凝土纵波波速最大值和最小值后，取平均值作为该龄期下混凝土的纵波波速vp1，单位为km/s。
具体实施方式九：本实施方式为具体实施方式一、二、七或八的进一步限定，当对现场混凝土工程1进行纵波波速测试后，根据测温数据和公式计算现场混凝土工程1在测试龄期时混凝土的成熟度。
具体实施方式十：本实施方式为具体实施方式一或二的进一步限定，在标养混凝土纵波波速-成熟度定标曲线上，找到与现场混凝土工程1在测试龄期相同成熟度的纵波波速，记为vp0，单位为km/s，对比vp0和vp1的值，记，
本发明能够根据相同成熟度条件下现场混凝土和标养混凝土的纵波波速比值来判定混凝土的受冻程度。
具体实施方式十一：本实施方式为具体实施方式一的进一步限定，采用本方法在评价混凝土早期受冻性能时，针对不同的混凝土工程1，获取纵波速度的检测方式有冲击回波法、单面传播法、双面透过法以及表面波法，不同的检测方式对于混凝土工程1的形状尺寸要求不同，冲击回波法适用于面积大、厚度小且壁厚已知的结构，单面传播法适用于壁厚较薄且表面面积小的结构，双面透过法要求双面作业且测试面间距不少于0.5米，表面波法适用于厚度在0.5米以上且表面面积大的结构，针对不同混凝土工程1的形状尺寸，选择相对应的检测方式，具体检测技术的操作过程与现有技术相同。根据具体情况选取具体的检测方法。
结合本发明的有益效果说明以下实施例：
实施例一：本方法在本实施例中检测时采用的检测方式是冲击回波法，该检测方式是建立在纵波的传播和反射基础上的，在混凝土早期强度测试方面具有重要作用，示意图如附图1所示，对于c40混凝土，在标养条件下对混凝土试块在待测龄期进行了19小时的养护，采用型号为sce-mats-s的混凝土多功能无损检测仪进行纵波波速的测试，记为vp0，单位为km/s，得出标养条件下c40混凝土纵波波速-成熟度关系。现场混凝土工程1在标养条件下养护19h后放在-15℃的负温环境中养护20h，测试其纵波波速vp1，单位为km/s，得出相同成熟度下c40混凝土纵波波速-成熟度关系。图中标记6为纵波路径，显示了纵波的传递位置，纵波路径上的箭头显示了纵波的传递方向。
通过计算和试验可以得知，vp0代表混凝土在标养条件下成熟度为665℃·h时纵波速度为2.215km/s，vp1代表混凝土在相同成熟度为665℃·h受冻的情况下纵波速度为3.327km/s，
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