劉國良

（中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 511455）

眾所周知，混凝土結(jié)構(gòu)工程是保障國家經(jīng)濟(jì)增長和人民生命財(cái)產(chǎn)安全的生命線工程。2017 年，我國預(yù)拌混凝土年使用量已超 17 億立方米。大量的混凝土用于工業(yè)以及民用建筑。因此加強(qiáng)和完善對這些混凝土構(gòu)建物的檢測是保障混凝土構(gòu)建物結(jié)構(gòu)安全的重要手段。檢測混凝土構(gòu)建物質(zhì)量的方法有很多，比如有損檢測和無損檢測，其中由于有損檢測會(huì)破壞混凝土結(jié)構(gòu)，因此一般利用無損的方法檢測混凝土構(gòu)建物的質(zhì)量[1-3]?；貜椃ㄓ捎诰哂袃x器攜帶方便、操作方法簡單、成本較低、不破壞混凝土構(gòu)建物結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)成為混凝土質(zhì)量檢測常用的方法[4-6]。另一方面，在生產(chǎn)水泥過程中會(huì)產(chǎn)生二氧化碳，大量水泥的生產(chǎn)及使用導(dǎo)致了大量二氧化碳的排放，造成了全球的溫室效應(yīng)。粉煤灰由于具有微集料效應(yīng)和活性效應(yīng)，用粉煤灰代替等質(zhì)量水泥，不但能夠減少水泥用量，間接減少二氧化碳的排放，而且能夠有效利用粉煤灰，避免資源的浪費(fèi)。目前混凝土結(jié)構(gòu)工程中一般都摻加大量的粉煤灰，然而，摻加粉煤灰后混凝土的結(jié)構(gòu)組成等發(fā)生了改變，原有的國家回彈測強(qiáng)曲線已不適用于粉煤灰混凝土的質(zhì)量檢測，因此建立粉煤灰混凝土的回彈測強(qiáng)曲線對準(zhǔn)確評(píng)價(jià)粉煤灰混凝土質(zhì)量安全、防范工程事故具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)過程

1.1 原材料

水泥采用海螺 P·Ⅱ52.5 級(jí)水泥；粗骨料采用石灰?guī)r碎石，粒徑范圍 10～20mm；細(xì)骨料采用普通河砂，細(xì)度模數(shù)為 2.70。水泥及粉煤灰的化學(xué)成分見表 1，混凝土的配比見表 2。

按照配合比成型混凝土，成型尺寸為 150mm×150mm×150mm（用于抗壓強(qiáng)度及回彈值測量試驗(yàn)）和 100mm×100mm×300mm（用于測量混凝土碳化深度試驗(yàn)），試樣脫模成型后先在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù) 28d，之后將混凝土試塊放在室外擺成品字形進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)。

表 1 水泥熟料的化學(xué)組成

表 2 混凝土配合比 kg/m3

1.2 方法

1.2.1 回彈測試與計(jì)算

根據(jù) JGJ/T 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》測試混凝土在 28d、60d、120d 及 180d 的回彈值。

1.2.2 抗壓強(qiáng)度

按照 GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試混凝土在 28d、60d、120d 及 180d 的抗壓強(qiáng)度。

1.2.3 碳化深度測定

測量 100mm×100mm×300mm 的試塊在 28d、60d、120d 及 180d 時(shí)的碳化深度。首先將混凝土切開一個(gè)橫截面，然后用事先配置好的酚酞酒精溶液噴灑在混凝土橫截面上，到一定的時(shí)間后在混凝土紅色與非紅色交界處用碳化深度測量儀測量，精確到 0.5mm。

2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果見表 3。

2.1 水灰比的影響

圖 1 不同水灰比對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖 1 表示不同水灰比對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。從圖中能夠看到隨著水灰比的減小，混凝土的抗壓強(qiáng)度增大。從圖中還能看出同一水灰比下隨著齡期的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度增大。圖 2 表示不同水灰比對混凝土回彈值的影響。從圖中能夠看到隨著水灰比的減小，混凝土的回彈值增大。究其原因，由回彈儀的原理可知，測試時(shí)，當(dāng)回彈儀的彈擊錘彈擊混凝土表面時(shí)，有一部分能量會(huì)被混凝土吸收，另外一部分能量會(huì)反彈回彈擊錘，反彈回彈擊錘的能量越大，混凝土的回彈值就越大。當(dāng)混凝土的水灰比增加時(shí)，混凝土的水化產(chǎn)物減小，導(dǎo)致混凝土的孔隙率增大、密實(shí)度減小，從而當(dāng)彈擊錘彈擊混凝土表面時(shí)被混凝土吸收的能量增加，反彈回彈擊錘的能量減小，故混凝土的回彈值減小。圖 3～5 表示混凝土的抗壓強(qiáng)度與回彈值在不同齡期下的比較。從圖中均能看到同一齡期下混凝土的抗壓強(qiáng)度大于混凝土的回彈值。

圖 2 不同水灰比對混凝土回彈值的影響

表 3 混凝土試驗(yàn)結(jié)果

圖 3 0.60 水灰比下混凝土抗壓強(qiáng)度與回彈值比較

圖 4 0.50 水灰比下混凝土抗壓強(qiáng)度與回彈值比較

圖 5 0.40 水灰比下混凝土抗壓強(qiáng)度與回彈值比較

2.2 粉煤灰摻量的影響

圖 6 表示粉煤灰不同摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。從圖中能夠看出在養(yǎng)護(hù) 28d 時(shí)，不摻加粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度最大，且隨著粉煤灰摻量的增加混凝土的抗壓強(qiáng)度減??；隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，摻加 15% 粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度最大，不摻加粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度次之，摻加 45% 粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度最小。究其原因，一方面由于粉煤灰具有微集料效應(yīng)和活性效應(yīng)，其可以填充在混凝土的孔隙中又可以與混凝土中的水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)生成更多的水化產(chǎn)物填充在混凝土的孔隙中，這會(huì)導(dǎo)致混凝土的密實(shí)度增加，從而會(huì)導(dǎo)致混凝土的抗壓強(qiáng)度增大，這體現(xiàn)為粉煤灰對混凝土的“正效應(yīng)”；另一方面，由于粉煤灰取代了等質(zhì)量的水泥，導(dǎo)致水泥水化生成的水化產(chǎn)物減小，從而增大了混凝土的孔隙，降低了混凝土的密實(shí)度，這體現(xiàn)為粉煤灰對混凝土的“負(fù)效應(yīng)”。粉煤灰對混凝土的實(shí)際影響由以上“正負(fù)效應(yīng)”共同決定，當(dāng)粉煤灰摻量為 15%時(shí)，粉煤灰對混凝土的影響是“正效應(yīng)”大于“負(fù)效應(yīng)”；當(dāng)粉煤灰摻量為 30% 及大于 30% 時(shí)，粉煤灰對混凝土的影響是“負(fù)效應(yīng)”大于“正效應(yīng)”。

圖7表示粉煤灰不同摻量對混凝土回彈值的影響。從圖中能看出當(dāng)粉煤灰摻量為 15% 時(shí)，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期大于 60d 時(shí)混凝土的回彈值最大，不摻加粉煤灰混凝土的回彈值略小。從圖中還能看出，當(dāng)粉煤灰摻量大于 30%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的回彈值降低。這是因?yàn)橐环矫娣勖夯业拿芏纫∮谒嗟拿芏龋诨炷脸尚蜁r(shí)，粉煤灰會(huì)富集在混凝土的表面，導(dǎo)致混凝土表面的粉煤灰含量相對較高，導(dǎo)致回彈值降低；另一方面，由于摻加大量的粉煤灰導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙增大，從而反彈回彈擊錘的能力減小，導(dǎo)致混凝土的回彈值減小。另外，從表 3 可以看出，任一齡期下粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度均大于其回彈值。

圖 6 粉煤灰不同摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

圖 7 粉煤灰不同摻量對混凝土回彈值的影響

2.3 對碳化深度的影響

圖 8 表示不同水灰比對混凝土碳化深度的影響，從圖中能夠看出 0.60 水灰比下混凝土的碳化深度最大，在養(yǎng)護(hù) 180d 后碳化深度已達(dá) 2.0mm，而此齡期下的0.50、0.40 水灰比下的混凝土的碳化深度分別為 1.5mm和 1.0mm。這是因?yàn)殡S著水灰比的減小，混凝土的孔隙率減小，密實(shí)度增大，導(dǎo)致二氧化碳進(jìn)入混凝土內(nèi)部的傳輸速率減慢，從而碳化深度減小。

圖 8 不同水灰比對混凝土碳化深度的影響

圖 9 表示粉煤灰不同摻量對混凝土碳化深度的影響。從圖中能夠看出摻加 15% 粉煤灰混凝土的碳化深度最小，不摻加粉煤灰混凝土的碳化深度次之，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的碳化深度增大。當(dāng)摻加 45%粉煤灰時(shí)，混凝土在 180d 的碳化深度為 5.0mm。這表明摻加 15% 粉煤灰混凝土的抗碳化能力最強(qiáng)，且隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗碳化能力減弱。

圖 9 粉煤灰不同摻量對混凝土碳化深度的影響

2.4 回彈測強(qiáng)曲線的建立

通過測量粉煤灰不同摻量混凝土在不同養(yǎng)護(hù)齡期下的抗壓強(qiáng)度、回彈值以及碳化深度，建立了大摻量粉煤灰混凝土的回彈測強(qiáng)方程[7-8]。

其中：f——混凝土抗壓強(qiáng)度換算值，精確到0.01MPa；

Rm——測區(qū)平均回彈值，精確到 0.1MPa；

Dm——測區(qū)平均碳化深度值，mm；

《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》規(guī)定地區(qū)測強(qiáng)曲線的平均相對誤差不應(yīng)大于±14%，相對標(biāo)準(zhǔn)差不應(yīng)大于 17%。因此采取通過計(jì)算曲線的平均相對誤差和相對標(biāo)準(zhǔn)差來評(píng)判擬合曲線的精度。其中平均相對誤差和平均標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算規(guī)定如下：

其中：

fcu,i——測得的第 i 個(gè)試件的抗壓強(qiáng)度值，MPa；

n——試件個(gè)數(shù)。

根據(jù)公式 (2) 和 (3) 計(jì)算大摻量粉煤灰混凝土回彈曲線的平均相對誤差和平均標(biāo)準(zhǔn)差，δ=±7.8%＜±14%，σ=9.7%＜17%，r=0.876，(r 為相關(guān)性系數(shù)),這兩個(gè)指標(biāo)明顯低于地區(qū)測強(qiáng)曲線的誤差要求，可知該曲線擬合效果較好。

3 結(jié)論

（1）摻加 15% 粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度和回彈值最大，隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度和回彈值減小。

（2）建立了粉煤灰混凝土回彈測強(qiáng)曲線：f=0.0748R.689310-0.0263Dm。平均相對誤差和相對標(biāo)準(zhǔn)差均滿足 JGJ/T 23—2001《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》的要求。