（蘇州市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心有限公司，江蘇 蘇州 215000）

1 引言

混凝土的抗壓強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中最重要的參數(shù)之一。由于混凝土是一種多相多缺陷的非均質(zhì)材料，其主要缺陷（空隙和裂紋）對抗壓強(qiáng)度具有重大影響。在混凝土的制備中，水泥強(qiáng)度、水灰比、外加劑以及粗骨料尺寸變形等等因素也會影響到混凝土的抗壓強(qiáng)度。其中，水灰比(w/b)是決定混凝土材料性能的主要因素，因此，對于一種堅(jiān)固耐用的混凝土，設(shè)計(jì)合適的水灰比是必要的。

對于混凝土抗壓強(qiáng)度的現(xiàn)場檢測主要使用無損檢測法，包括回彈法、超聲波法和超聲回彈綜合法等等。對于實(shí)驗(yàn)室檢測，除了常用的實(shí)驗(yàn)室壓力試驗(yàn)機(jī)檢測法之外，還可以使用更加精確的儀器來檢測混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，從而表征其抗壓強(qiáng)度，比如掃描電鏡（SEM）、傅里葉紅外光譜分析儀（FTIR）和核磁共振（NMR）技術(shù)等等。除此之外，還可以通過各種模型來預(yù)測混凝土的抗壓強(qiáng)度。

2 混凝土抗壓強(qiáng)度的無損檢測方法

對于混凝土抗壓強(qiáng)度的現(xiàn)場檢測，為了保證混凝土的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度不被破壞，無損檢測法成為了首選。由于其設(shè)備便攜、操作簡單，工程上大多使用無損檢測法來分析混凝土的主體結(jié)構(gòu)，從而推定混凝土的抗壓強(qiáng)度值。目前應(yīng)用較多的無損檢測法有回彈法、超聲波法和超聲回彈綜合法。

2.1 回彈法和超聲波法

回彈法是通過測定混凝土的表面硬度來推算其抗壓強(qiáng)度，是混凝土抗壓強(qiáng)度現(xiàn)場檢測中常用的方法之一?，F(xiàn)行檢測標(biāo)準(zhǔn)為《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（JGJ-T23-2011）。

回彈法屬于一種表面硬度法，其工作原理較為簡單：將回彈儀垂直于混凝土的被測表面放置，用彈簧驅(qū)動重錘，通過彈力桿彈擊混凝土表面，讀取回彈高度，如圖2-1所示。因?yàn)榛炷恋谋砻嬗捕扰c它的抗壓強(qiáng)度之間存在聯(lián)系，同時混凝土的表面硬度與回彈高度也有比例關(guān)系，所以當(dāng)我們得到混凝土的回彈高度之后，便可以得到其表面硬度，從而推定出它的抗壓強(qiáng)度。

圖1 回彈儀

然而，回彈法的缺點(diǎn)也很明顯。首先，它精度低，且影響回彈儀準(zhǔn)確性的因素很多：比如操作方法、儀器性能、氣候條件等，甚至不同的人使用也可能導(dǎo)致結(jié)果有偏差。其次，根據(jù)回彈儀的工作原理也可以看出，該方法不適用于表層與內(nèi)部質(zhì)量有明顯差異或者內(nèi)部存在缺陷的混凝土抗壓強(qiáng)度檢測。一般來說，對于內(nèi)部存在缺陷的混凝土，通常使用超聲波法來檢測其強(qiáng)度。

在混凝土抗壓強(qiáng)度的無損檢測中，超聲波法是唯一與材料的力學(xué)特性直接相關(guān)的測試方法，使用超聲波法檢測混凝土強(qiáng)度已有多年的歷史。1949年，加拿大學(xué)者Leslide、Cheesman以及英國學(xué)者R.Jones、Gatfield首先將超聲脈沖技術(shù)運(yùn)用在結(jié)構(gòu)混凝土的檢測上。超聲波法的檢測原理：隨著混凝土強(qiáng)度的不同，超聲波在混凝土內(nèi)部的傳播速度也不相同，因此可以測試出超聲波的傳播速度，進(jìn)而推導(dǎo)出混凝土的抗壓強(qiáng)度。超聲波法現(xiàn)行的使用標(biāo)準(zhǔn)是《超聲法檢測混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》（CECS 21：2000）。

由于混凝土組成復(fù)雜，并且超聲波在不同物質(zhì)中的傳播速度不同，所以超聲波試驗(yàn)結(jié)果與混凝土強(qiáng)度之間不是簡單的線性關(guān)系。目前對于超聲波法測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，很多學(xué)者選擇使用Matlab軟件對其進(jìn)行回歸分析，初步建立混凝土抗壓強(qiáng)度的超聲波法測強(qiáng)曲線。

2.2 超聲回彈綜合法

鑒于回彈法和超聲波法各自的缺點(diǎn)，超聲回彈綜合法將兩者相結(jié)合，同時利用了混凝土表面硬度和超聲波在混凝土中的傳播速度兩個物理量來表征混凝土的抗壓強(qiáng)度，提高了參數(shù)的準(zhǔn)確性。該方法現(xiàn)行使用的標(biāo)準(zhǔn)是《超聲回彈綜合法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（CECS 02：2005）。

標(biāo)準(zhǔn) CECS 02：2005和 CECS 21：2000中指出，超聲波在混凝土中的衰減大小與混凝土質(zhì)量、發(fā)射的超聲波主頻等有關(guān)，但是沒有提出溫度對檢測結(jié)果的影響。我們知道，聲速在空氣中的傳播速度受環(huán)境溫度的影響，因此，超聲波在混凝土中的傳播速度也會受到混凝土內(nèi)溫度的影響。趙弘等測試了三種強(qiáng)度的混凝土（C50、C40和C30）在不同溫度（-10℃～30℃，每隔5℃一個點(diǎn)）下的聲速和波速，利用公式計(jì)算出超聲波在不同溫度下、不同強(qiáng)度混凝土中的傳播速度，進(jìn)而計(jì)算出超聲波傳播速度在同強(qiáng)度混凝土中相對于溫度為20℃時的修正系數(shù)。

綜上所述，目前常用的無損檢測法（回彈法、超聲波法和超聲回彈綜合法）雖然精度較低、影響因素多，但是由于其便攜、操作簡單，在盡量控制環(huán)境因素和人為因素的條件下，仍然能滿足工程要求，適合廣泛推廣使用。

3 混凝土抗壓強(qiáng)度的微觀檢測方法

混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)與其微觀結(jié)構(gòu)密不可分，研究混凝土微觀結(jié)構(gòu)可使用的技術(shù)包括傅里葉紅外光譜技術(shù)（FTIR）、掃描電鏡技術(shù)（SEM）和核磁共振技術(shù)（NMR）等等，如圖2。FTIR技術(shù)可研究混凝土的化學(xué)官能團(tuán)，分析混凝土中化學(xué)鍵的分布情況；SEM技術(shù)可以觀察混凝土內(nèi)部各界面以及水化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)，定性地表征混凝土的抗壓強(qiáng)度；NMR技術(shù)最早運(yùn)用于石油勘測，后來在各個領(lǐng)域內(nèi)飛速發(fā)展，可根據(jù)其弛豫時間和弛豫鋒來判定混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，從而判定混凝土的抗壓強(qiáng)度。

圖2 (a）FTIR 圖；(b）NMR 圖；(c）SEM 圖

上述提到的微觀技術(shù)通常被研究者們結(jié)合使用。比如，Yugen Li等在研究風(fēng)沙混凝土的可加工性和力學(xué)性能時，同時使用了SEM、NMR和FTIR三種技術(shù)，再結(jié)合了壓力測試儀來測試抗壓強(qiáng)度，更加全面且準(zhǔn)確地表征了風(fēng)沙混凝土的力學(xué)性能。

我國地大物博，南北地區(qū)溫度差異大，因此研究低溫下混凝土的抗壓強(qiáng)度也是一項(xiàng)重要的工作。Xiaoxiao Wang等通過使用低溫SEM，研究了-20℃～0℃的低溫條件下混凝土抗壓強(qiáng)度和孔結(jié)構(gòu)的微觀變化，建立了該實(shí)驗(yàn)條件下溫度與混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系模型。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的降低，混凝土抗壓強(qiáng)度反而增大。從SEM結(jié)果看來，這是因?yàn)闇囟仍降?，完整而致密的冰降低了混凝土的孔隙率?/p>

綜上，使用微觀檢測技術(shù)檢測混凝土的抗壓強(qiáng)度準(zhǔn)確性高，并且可以結(jié)合多種技術(shù)得到多種參數(shù)，從多方面更加全面地表征混凝土的抗壓強(qiáng)度。

4 混凝土抗壓強(qiáng)度的模型預(yù)測方法

使用各種儀器對混凝土抗壓強(qiáng)度的檢測需要對不同齡期的混凝土進(jìn)行多組平行試驗(yàn)來確定參數(shù)值，不但費(fèi)時費(fèi)力，而且試驗(yàn)過程和試驗(yàn)結(jié)果均會受到很多因素的影響。所以，關(guān)于模擬預(yù)測混凝土抗壓強(qiáng)度的研究越來越多。近年來，研究者們致力于發(fā)現(xiàn)預(yù)測準(zhǔn)確性更高、分析能力更強(qiáng)的模型。

由于混凝土的復(fù)雜性，其抗壓強(qiáng)度的檢測也具有較多不確定性。Uchenna Anyaoha等基于混凝土的成分和配比，采用了一種新的集成計(jì)算技術(shù)━Boosting Smooth Transition（BooST），并將其與其他方法進(jìn)行比較，預(yù)測混凝土28天的抗壓強(qiáng)度。Uchenna Anyaoha發(fā)現(xiàn)，與其他方法相比，BooST在預(yù)測準(zhǔn)確性上占優(yōu)勢，誤差最小，并且更符合實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)結(jié)果。

然而，在制備混凝土的過程中抗壓強(qiáng)度對不同參數(shù)的依賴性使得預(yù)測技術(shù)具有挑戰(zhàn)性。因此，Mahdi Shariati等使用了machine learning(ML)技術(shù)來預(yù)測試驗(yàn)結(jié)果，他們將極端學(xué)習(xí)機(jī)(extreme learning machine，ELM)與一種被稱為灰狼優(yōu)化器(grey wolf optimizer，GWO)的元啟發(fā)式算法相結(jié)合，提出一種新的混合模型ELM-GWO來預(yù)測混凝土的抗壓強(qiáng)度。然后，他們使用了多個著名的模型來評估ELM-GWO的性能，結(jié)果表明，混合模型ELM-GWO可以有效地提高模型的性能，并能夠達(dá)到更好的性能指標(biāo)。

大多數(shù)模型將混凝土視為一種均質(zhì)材料，而它是由骨料、水泥漿體和空隙組成的非均質(zhì)復(fù)合材料。而且，現(xiàn)有的異構(gòu)模型僅限于一種骨料類型。Mahmood Khormani等選用了兩種不同類型的骨料進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，并分別將它們定義為有限元模型中的不同相，然后使用醫(yī)用CT掃描樣品的圖像，通過網(wǎng)絡(luò)圖像處理技術(shù)，將圖像轉(zhuǎn)換為可管理的中尺度六面體元素，建立有限元模型。然后使用Abaqus軟件的顯式動力學(xué)求解器，得到樣品的抗壓強(qiáng)度，該模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室結(jié)果的偏差為8%～10%。研究結(jié)果表明，X射線的CT圖像可以用來評估混凝土的極限強(qiáng)度，有利于工程的監(jiān)督管理。

除了以上介紹的三種預(yù)測模型之外，基于混凝土不同方面的預(yù)測其抗壓強(qiáng)度的模型還有很多種。例如利用基因表達(dá)式程序設(shè)計(jì)算法（gene expression programming，GEP），提出簡化實(shí)用的數(shù)學(xué)方程來預(yù)測基于高爐礦渣的聚合物混凝土砂漿的抗壓強(qiáng)度，可以促進(jìn)高爐礦渣在聚合物混凝土開發(fā)中的重復(fù)使用，從而帶來環(huán)境和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。另外，還可以通過建立考慮混凝土非均勻性的三維中尺度模擬方法，探索玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）約束混凝土在壓縮下的尺寸效應(yīng)等等。

可見，使用模型預(yù)測混凝土的抗壓強(qiáng)度是相當(dāng)靈活且復(fù)雜的，研究者針對不同影響因素可以選擇不同的模型。同時，該方法還具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。但是其涉及的知識面較廣，包括學(xué)科的交叉，需要具備較強(qiáng)相關(guān)專業(yè)的知識與能力。

5 結(jié)論

本文對混凝土抗壓強(qiáng)度的幾種檢測方法進(jìn)行了綜述，它們包括：無損檢測法（回彈法、超聲波法、超聲回彈綜合法）、微觀檢測法和模型預(yù)測法，得出以下結(jié)論：

①回彈法、超聲波法和超聲回彈綜合法雖然精度低、影響因素多，但是它們在工程上使用最廣泛，微觀檢測法和模型預(yù)測法目前大多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，不適合廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程；

②混凝土抗壓強(qiáng)度微觀檢測法可使用的技術(shù)很多，包括掃描電鏡法（SEM）、核磁共振法（NMR）和傅里葉紅外光譜法（FTIR）等等，根據(jù)不同的需求，各種方法可以單獨(dú)使用也可以結(jié)合使用，準(zhǔn)確且全面；

③模型預(yù)測法不受環(huán)境和人為因素影響，準(zhǔn)確性高、分析能力強(qiáng)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，且比較靈活，根據(jù)不同的參數(shù)可以使用不同的模型相結(jié)合來預(yù)測混凝土的抗壓強(qiáng)度。但是該方法目前處于研發(fā)初期，不適用于工程上大量推廣使用。