祝小靚，高江林，戴國(guó)強(qiáng)，湯紅英

(江西省水利科學(xué)研究院，南昌 330029)

0 引 言

近年來(lái)，為加快扭轉(zhuǎn)我國(guó)農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)嚴(yán)重滯后的局面，國(guó)家不斷加大農(nóng)田水利建設(shè)投入。在推進(jìn)農(nóng)田水利建設(shè)的過(guò)程中，渠槽薄壁預(yù)制構(gòu)件的使用量呈突發(fā)式增長(zhǎng)。目前對(duì)于薄壁預(yù)制構(gòu)件，通常采用內(nèi)、外壓強(qiáng)度作為其質(zhì)量控制的主要指標(biāo)，但內(nèi)、外壓強(qiáng)度的測(cè)試對(duì)薄壁預(yù)制構(gòu)件具有破壞性，且測(cè)試過(guò)程較為繁瑣。目前，還沒(méi)有直接針對(duì)薄壁預(yù)制構(gòu)件混凝土實(shí)體強(qiáng)度的檢測(cè)方法和標(biāo)準(zhǔn)，因此缺乏有效的檢測(cè)和評(píng)判依據(jù)。

常用的混凝土實(shí)體強(qiáng)度檢測(cè)方法包括鉆芯法、回彈法及綜合法等。鉆芯法的檢測(cè)結(jié)果較為直觀，但采用鉆芯法勢(shì)必對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定損傷。而且《鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(CECS03:2007)[1]對(duì)芯樣直徑做了相應(yīng)的規(guī)定：可采用小直徑芯樣試件，但直徑不應(yīng)小于70 mm且不得小于骨料最大粒徑的2倍。相關(guān)研究表明[2]，為盡量減小試驗(yàn)結(jié)果的誤差，試件的高徑比宜在0.85～1.20范圍內(nèi)。顯然，對(duì)于U型槽、T型槽及預(yù)制板塊等小型薄壁預(yù)制構(gòu)件(干硬性混凝土，厚度35～50 mm，最大骨料粒徑在20～25 mm)，鉆芯法檢測(cè)時(shí)不能滿足上述芯樣尺寸的要求。

綜合法主要包括超聲-回彈綜合法、超聲鉆芯綜合法、聲速衰減綜合法等，應(yīng)用最多的是超聲-回彈綜合法。1966年，羅馬尼亞的弗格瓦洛[3]首次提出用聲速值和回彈值共同推算混凝土強(qiáng)度。超聲-回彈綜合法是指采用超聲儀和回彈儀，在構(gòu)件混凝土同一測(cè)區(qū)分別測(cè)量聲速和回彈值，然后利用現(xiàn)有超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線推算混凝土抗壓強(qiáng)度的一種方法。

回彈值可以反映混凝土結(jié)構(gòu)表面強(qiáng)度，其測(cè)試的深度在3 cm左右；聲速值反映混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部狀況，能夠反映內(nèi)部缺陷和損傷，二者互為補(bǔ)充，因此超聲-回彈綜合法較單一的超聲或回彈無(wú)損檢測(cè)方法具有精度高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用[4-6]。

在吸收國(guó)內(nèi)外超聲檢測(cè)的最新成果和超聲檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)工程建設(shè)中混凝土質(zhì)量檢測(cè)的實(shí)際需要，修訂實(shí)施了《超聲回彈綜合法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(CECS 02：2005)[7]，該規(guī)程在計(jì)算混凝土強(qiáng)度時(shí)采用的是全國(guó)統(tǒng)一超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線。但是，由于我國(guó)幅員遼闊，混凝土品種繁多、材料分散、生產(chǎn)工藝差異大，所建立的全國(guó)統(tǒng)一超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線難以適用全國(guó)各地的情況。據(jù)有關(guān)資料顯示，CECS 02：2005推薦的全國(guó)統(tǒng)一超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線采用的是全國(guó)12個(gè)省、市、區(qū)共2 000余組基本數(shù)據(jù)，但只有一半的數(shù)據(jù)誤差在40%以內(nèi)。因此，要提高混凝土無(wú)損測(cè)強(qiáng)的精度，必須建立適應(yīng)本地區(qū)的混凝土超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線。目前我國(guó)部分省、地區(qū)已建立地區(qū)超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線[8,9]，在混凝土強(qiáng)度檢測(cè)計(jì)算中，若不分地區(qū)采用同一超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線，顯然是不太合適的。

為適應(yīng)農(nóng)田水利工程建設(shè)的發(fā)展需求，促進(jìn)薄壁預(yù)制構(gòu)件產(chǎn)品及其質(zhì)量的規(guī)范和提升，針對(duì)當(dāng)前存在的制約薄壁預(yù)制構(gòu)件發(fā)展的問(wèn)題，有必要開(kāi)展薄壁預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量檢測(cè)相關(guān)技術(shù)研究。在本次研究中，將超聲-回彈綜合法應(yīng)用于薄壁預(yù)制構(gòu)件干硬性混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件，對(duì)CECS 02：2005推薦的全國(guó)統(tǒng)一超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線在江西地區(qū)的薄壁構(gòu)件混凝土的適用性進(jìn)行了調(diào)查研究，建立適用于江西省的超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線。

1 超聲-回彈綜合法簡(jiǎn)述

1.1 超聲法測(cè)強(qiáng)原理

超聲波檢測(cè)法的測(cè)試原理為：超聲波在混凝土中傳播遇到缺陷時(shí)，發(fā)生反射、折射、繞射和衰減等現(xiàn)象，其正常傳播的某些聲學(xué)參數(shù)如聲時(shí)、波形、能量和頻譜等將發(fā)生變化，根據(jù)這些改變，判斷混凝土內(nèi)部的密實(shí)度、彈性性能及結(jié)構(gòu)狀況等，具體見(jiàn)圖1。

圖1 超聲波測(cè)試原理Fig.1 Testing principle of ultrasonic

超聲波傳播速度與混凝土的彈性性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系構(gòu)成了超聲波檢測(cè)混凝土強(qiáng)度的基本依據(jù)。這種相關(guān)關(guān)系可用下式表示：

(1)

式中：v為聲速值，km/s；E為楊氏彈性模量，N/m；μ為泊松比；ρ為質(zhì)量密度，g/cm3。

在具體檢測(cè)過(guò)程中，根據(jù)混凝土彈性模量與強(qiáng)度的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，通過(guò)建立的聲速值與混凝土抗壓強(qiáng)度之間相應(yīng)關(guān)系并以此得出推定的混凝土強(qiáng)度。存有缺陷的混凝土的聲速值比其他正常部位要低，混凝土內(nèi)部的蜂窩、孔洞明顯對(duì)聲速值產(chǎn)生較大影響。超聲波在通過(guò)裂縫處的混凝土?xí)r會(huì)繞行或在空氣中傳播一段時(shí)間，測(cè)得的聲時(shí)偏大，因此聲速值相對(duì)減小。

超聲法測(cè)強(qiáng)也有自身的局限性，其準(zhǔn)確度依賴于聲速值隨強(qiáng)度的變化規(guī)律。事實(shí)上，當(dāng)混凝土的強(qiáng)度達(dá)到一定等級(jí)時(shí)，測(cè)得的聲速值隨強(qiáng)度變化的幅度較小，這種微小變化會(huì)因系統(tǒng)誤差而表現(xiàn)不出來(lái)。因此，對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)C35以上的混凝土，利用超聲法檢測(cè)的誤差相對(duì)較大。但是，大部分U型槽等薄壁構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級(jí)低于C35，因此，可以利用該方法對(duì)其進(jìn)行研究。

1.2 超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線方程的選擇

現(xiàn)行常用的測(cè)強(qiáng)公式是CECS 02:2005規(guī)程推薦的冪函數(shù)方程。具體的全國(guó)統(tǒng)一超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線方程見(jiàn)表1。

表1 超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線方程Tab.1 The formula of ultrasonic rebound for strength test

上述方程均為基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算而得，故具有較高的可靠性，但由于試驗(yàn)混凝土所用的原材料、配合比以及施工條件不可能與R-v-C基準(zhǔn)曲線方程的制定條件完全一致，因此，在應(yīng)用上述方程時(shí)，需要先進(jìn)行驗(yàn)證，以免誤差太大。

各省市超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線與CECS 02：2005推薦的全國(guó)統(tǒng)一超聲-回彈曲線的比較(聲速值為4.5 mm/μs)見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，相同回彈值和聲速值下，全國(guó)統(tǒng)一超聲-回彈曲線位于最下沿，佛山地區(qū)超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線高。除北京地區(qū)的超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線與全國(guó)統(tǒng)一超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線接近外，其余各省市超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線與全國(guó)統(tǒng)一超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線存在較大的差別。全國(guó)統(tǒng)一超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線在建立時(shí)是偏保守的，在應(yīng)用于其他地區(qū)時(shí)存在一定的誤差，這樣的誤差勢(shì)必會(huì)增加水泥等原材料的用量，從而導(dǎo)致不必要的工程浪費(fèi)。

圖2 各省市超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線與全國(guó)統(tǒng)一超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線的比較Fig.2 Comparison of ultrasonic rebound strength curve for different provinces and national

1.3 超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線方程擬合結(jié)果的判據(jù)

判斷超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線回歸擬合的好壞，需計(jì)算回歸曲線的平均相對(duì)誤差，平均相對(duì)誤差的值大，表明建立的超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相差很大；平均相對(duì)誤差的值小，說(shuō)明建立的超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值差距較小。CECS 02：2005超聲-回彈綜合法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程對(duì)地區(qū)超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線要求相對(duì)誤差不應(yīng)大于±14%。

另外，在曲線回歸擬合中，相關(guān)系數(shù)r可用于分析強(qiáng)度預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)程度，判斷方程擬合的優(yōu)劣程度，其值范圍在0～1之間，越接近1則相關(guān)性越好。

相對(duì)誤差計(jì)算公式：

(2)

式中：er為相對(duì)誤差，專用測(cè)強(qiáng)曲線≤12%，地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線≤14%；fcu,i為混凝土強(qiáng)度實(shí)測(cè)值，MPa；fccu,i為混凝土強(qiáng)度計(jì)算值，MPa；n為試驗(yàn)數(shù)量。

回歸相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式：

(3)

2 原材料及配合比設(shè)計(jì)

2.1 原材料

試驗(yàn)采用海螺P·C 32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，物理力學(xué)性能見(jiàn)表2。景德鎮(zhèn)發(fā)電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰，物理性能見(jiàn)表3。細(xì)骨料為河砂，細(xì)度模數(shù)2.3；粗骨料為粒徑5～20 mm的天然卵石。

表2 水泥物理力學(xué)性能Tab.2 Physical and mechanical properties of cements

表3 粉煤灰物理性能Tab.3 Physical properties of fly ash

2.2 配合比

江西地區(qū)薄壁構(gòu)件干硬性混凝土主要配合比如表4所示，考慮到膠凝材料用量、水膠比以及粉煤灰摻量的影響，分為A、B、C 3個(gè)系列。其中B1設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，B2、B3為C25，A1、C1為C20，其余為C15。

表4 混凝土試驗(yàn)配合比Tab.4 Mix of concrete

混凝土試件在江西省萬(wàn)年通科技有限公司等六家農(nóng)田水利薄壁預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)廠家成型。干硬性混凝土的拌制過(guò)程如圖3所示，先潤(rùn)濕攪拌鍋，按石、膠凝材料、砂、水的先后順序依次加入攪拌鍋內(nèi)，開(kāi)動(dòng)攪拌機(jī)攪拌3min后，將混凝土拌和物卸在已潤(rùn)濕的鐵板上，人工翻拌2～3次使之均勻。試件的成型采用碾壓混凝土試件的成型方式，即以配重塊加壓振動(dòng)方式成型干硬性混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試件(150mm×150mm×150mm)，如圖4所示?；炷猎嚰扇÷短熳匀火B(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期28d。

圖3 干硬性混凝土攪拌Fig.3 Mixing dry concrete

圖4 干硬性混凝土試件成型Fig.4 Forming dry concrete specimen

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)所采用的非金屬超聲檢測(cè)儀是由北京智博聯(lián)科技有限公司生產(chǎn)，超聲-回彈試驗(yàn)方法按CECS02:2005嚴(yán)格執(zhí)行。試驗(yàn)組數(shù)根據(jù)預(yù)制構(gòu)件廠家的規(guī)模而定，每組試驗(yàn)測(cè)試3個(gè)試件。超聲-回彈測(cè)試完畢后，卸荷將回彈測(cè)試面放置在壓力機(jī)承壓板正中，以0.3～0.5MPa/s的速度連續(xù)均勻加壓，直至試件破壞為止，得到試件的抗壓強(qiáng)度,試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行三參數(shù)冪函數(shù)回歸，回歸結(jié)果見(jiàn)表6和表7。通過(guò)最小二乘法進(jìn)行回歸計(jì)算時(shí)，需對(duì)函數(shù)進(jìn)行對(duì)數(shù)處理。但該處理會(huì)引起不同混凝土強(qiáng)度的樣本權(quán)重不等現(xiàn)象，即低強(qiáng)度混凝土樣本在優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中的權(quán)重較大，而高強(qiáng)度的混凝土樣本權(quán)重較小，使得到的回歸公式相對(duì)誤差較大，從而對(duì)不同混凝土強(qiáng)度區(qū)域的預(yù)測(cè)能力不一致。實(shí)際檢測(cè)結(jié)果表明，對(duì)于抗壓強(qiáng)度40 MPa以上的非渠槽預(yù)制構(gòu)件混凝土，使用該函數(shù)得到的測(cè)區(qū)混凝土推定強(qiáng)度會(huì)低于其實(shí)際強(qiáng)度，而低于該強(qiáng)度的試件檢測(cè)結(jié)果的符合性則較好[10]。目前的渠槽預(yù)制構(gòu)件混凝土的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度一般在20～40 MPa之間，在該函數(shù)可推定范圍內(nèi)。

表5 超聲-回彈測(cè)試結(jié)果Tab.5 The test results of ultrasonic rebound

續(xù)表5 超聲-回彈測(cè)試結(jié)果

表6 卵石混凝土超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線擬合結(jié)果Tab.6 Fitting result of strength curve by ultrasonic rebound method of gravel concrete

表7 碎石混凝土超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線擬合結(jié)果Tab.7 Fitting result of strength curve by ultrasonic rebound method of crushed stone concrete

從表6和表7可看出，CECS 02：2005推薦的全國(guó)統(tǒng)一超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線用于江西地區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果的誤差較大，卵石和碎石混凝土強(qiáng)度的擬合結(jié)果相對(duì)誤差分別為24.16%、91.30%，大于自擬超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線的誤差，且大于規(guī)程的要求，因此全國(guó)統(tǒng)一超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線并不適于江西地區(qū)混凝土強(qiáng)度的無(wú)損檢測(cè)。而自擬超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線卵石和碎石混凝土強(qiáng)度的擬合結(jié)果相對(duì)誤差分別為11.88%、13.12%，滿足CES02:2005《超聲回彈綜合法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》對(duì)地區(qū)超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線要求的相對(duì)誤差≤14%的要求。

分別將通過(guò)自擬超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線、全國(guó)統(tǒng)一超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度繪于圖中，見(jiàn)圖5。

圖5 碎石和卵石混凝土在不同測(cè)強(qiáng)曲線下的計(jì)算結(jié)果Fig.5 The calculation results of different strength curve for crushed stone and gravel concrete

從圖5可以看出，自擬超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線計(jì)算得到的強(qiáng)度結(jié)果與實(shí)際抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性比全國(guó)統(tǒng)一超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線的計(jì)算結(jié)果要高。綜上所述，最終選擇本文提出的自擬超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線作為江西省薄壁構(gòu)件超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)目前農(nóng)田水利薄壁構(gòu)件存在的實(shí)體強(qiáng)度檢測(cè)問(wèn)題，通過(guò)超聲-回彈綜合測(cè)試方法，在江西省地區(qū)不同農(nóng)田水利薄壁構(gòu)件廠家，測(cè)試獲得了不同強(qiáng)度等級(jí)的薄壁預(yù)制構(gòu)件混凝土超聲-回彈-抗壓強(qiáng)度值，提出了薄壁構(gòu)件卵石和碎石自擬超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線，其擬合結(jié)果的相對(duì)誤差小于規(guī)范的要求，可將其作為江西省地區(qū)薄壁構(gòu)件的超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線。超聲-回彈綜合法在農(nóng)田水利薄壁構(gòu)件混凝土中的使用，拓寬了渠槽構(gòu)件實(shí)體質(zhì)量的檢測(cè)手段，為實(shí)際工程提供了一種更加快捷、方便的檢測(cè)方法。

□

[1] CECS 03:2007，鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程[S].

[2] 崔士起, 孫旭文. 小高徑比芯樣混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J]. 建筑科學(xué), 2015, 31(1):55-58.

[3] 季光澤, 錢(qián)普殷. 混凝土非破損試驗(yàn)法[M]. 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 1982.

[4] 潘偉行. 超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)度及影響因素的研究[J]. 混凝土, 2002,(8):24-25.

[5] 董 林, 楊 昊. 超聲回彈綜合法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度影響因素研究[J]. 工程質(zhì)量, 2012,9(30):52-54.

[6] 于 玲, 孟繁嵩, 包龍生, 等. 超聲回彈法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度的影響因素分析[J]. 北方交通, 2010,(9):50-51.

[7] CECS 02:2005，超聲回彈綜合法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程[S].

[8] 高 航. 合肥地區(qū)超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線的建立與驗(yàn)證[D]. 合肥:安徽建筑工業(yè)學(xué)院, 2012.

[9] 黃中偉, 邢 鋒, 曹清華, 等. 深圳地區(qū)超聲回彈綜合法混凝土測(cè)強(qiáng)曲線研究[J]. 混凝土, 2004,(3):54-55,65.

[10] 李云龍, 張亦飛, 羅海亮, 等. 超聲回彈綜合法組合測(cè)強(qiáng)曲線[J]. 建筑材料學(xué)報(bào), 2009,12(1):52-56.