New technology for non-destructive testing of concrete strength in railway tunnels

　　主要针对铁路隧道衬砌及大体积混凝土结构，进行快速、准确的强度无损检测。产品以弹性波为介质，可检测结构内部强度情况，拥有超声检测仪、回弹仪无可比拟的优势。

　　一、弹性模量与强度的基本原理

　　采用冲击弹性波作为检测媒介，通过检测弹性波的波速，计算材料的动弹性模量，根据动弹性模量与抗压强度的相关关系推算混凝土的抗压强度，其核心在于精确地检测混凝土材料的动弹性模量。

　　混凝土的动弹性模量不仅影响到结构的变形，而且也是反映混凝土质量、耐久性的重要指标：

　　1. 可以反映材料的刚性特性，在结构的变形计算中是重要的参数。特别是对于高强度混凝土，简单地采用抗压强度反推弹模的方法往往具有较大的误差;

　　2. 混凝土材料的老化往往先从弹模的降低开始，而新建结构的施工不良也会在弹模方面有所显现。

　　弹模的检测主要是通过对波速的检测。

　　对于1维均质弹性体，其动弹性模Ed与弹性波P波波速Vp1的关系可以表示为：

　　其中，ρ为材料的密度，对于混凝土，ρ一般为2400kg/m3左右。当检测对象为2维或3维时，P波速度有一定的变化。

　　2维：

　　3维：

　　而对于表面波(瑞利波)，其关系可以表示为：

　　瑞利波：

　　一般来说，混凝土的动泊松比为0.2～0.25，其不同波速间的比较如下：

　　根据标定数据建立动弹性模量与强度的对应关系，算出混凝土强度值。

　　二、模量～强度曲线的简易标定方法

　　对于大多数结构混凝土，其抗压强度在20～60MPa。在此区间，不同的形状决定系数对回归曲线的影响并不大(如下图)。因此，将设定为一个常数，如5.5，对拟合曲线的精度并不会产生明显的影响。

　　由此，需要回归的参数仅一个ΕΑ，再根据最小二乘法，可以很容易对ΕΑ进行回归拟合：

　　三、标定-弹性模量与强度关系建立

　　强度检测需要现场同配比(尤其是骨料)的150mm×150mm×150mm混凝土标准试块3组，先测试每个试块的混凝土的动弹性模量，再将试块做抗压试验，获取每个试块的强度，用以标定，建立弹性模量与抗压强度的对应关系，拟合回归曲线，推导计算公式。

　　利用重复反射法测试每个试块的混凝土P波波速，具体过程如下：

　　试块厚度Η为已知，在结构表面激发冲击弹性波，通过测试弹性波其在结构底部反射的时间Τ，计算得到冲击弹性波波速Vp。

　　四、面波法(R波法)

　　在混凝土厚度较大时，将两个传感器按一定间距成直线布置，在利用激振装置在距离第一个传感器一定距离的位置激振，产生表面波，利用两传感器分别接收面波的时间差来测得面波波速，从而计算出混凝土的弹性模量，进而能够推算混凝土的强度指标。

　　面波法影响深度范围为1.5倍激振波长范围，可以综合反应测试位置整个衬砌厚度范围内的混凝土强度。

　　五、检测现场及结果比对

　　测试现场图▲

　　测试现场图▲

　　在实际大量的铁路隧道检测中，配合无损检测和钻芯取样，对本技术的精度、适用性等进行了验证。结果表明，该方法能够较好地推定混凝土强度(表层及内部)，而且对裂缝等损伤敏感，其推定精度远优于回弹仪。

　　如图，回弹仪的测试强度完全无法反应真实的混凝土强度。

　　本技术测试强度与钻芯压载强度比较▲

　　本技术测试强度与钻芯压载强度比较▲

　　回弹仪测试强度与钻芯压载强度比较▲

　　混凝土强度沿深度分布曲线▲