吳育學(xué)，吳建東

(1.甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省水利科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730000)

水利工程利國(guó)利民，其建設(shè)也符合使用清潔能源的號(hào)召，但是水利工程的安全性要求非常高，這是由其巨大的建設(shè)資金、人力投入與失事后果造成的。水利工程的安全主要取決于混凝土的質(zhì)量。水利工程一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，其修復(fù)或者缺陷處理需要巨大資金且效果不佳，所以符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的混凝土的一次性成型澆筑對(duì)工程安全運(yùn)行至關(guān)重要。為加強(qiáng)對(duì)混凝土施工的監(jiān)管，提高工程的整體安全性，開發(fā)了各種科技檢測(cè)技術(shù)來檢測(cè)混凝土質(zhì)量?？茖W(xué)檢測(cè)技術(shù)的使用可以從施工階段就能發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，從而改進(jìn)施工技術(shù)，提高混凝土澆筑質(zhì)量，大幅節(jié)約建設(shè)資金。

1 工程概況

該水利工程地處高寒高海拔地區(qū)，大壩為1級(jí)建筑物，溢洪洞、泄洪洞等主要建筑物為2級(jí)建筑物。運(yùn)行期間發(fā)現(xiàn)該工程1#、2#溢洪洞洞身襯砌混凝土存在不同程度的凍融破壞及局部洞身段滲水量較大等問題，同時(shí)工程在建設(shè)期間為加快施工進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)提前發(fā)電的目的，未按設(shè)計(jì)要求完成洞身混凝土襯砌。1#溢洪洞進(jìn)口引渠長(zhǎng)度為23.8m，渠底寬為12m；0+028.00～0+750.00m為隧洞，洞寬9m，高13.7m，采用C30鋼筋混凝土襯砌。2#溢洪洞引渠段長(zhǎng)度為48m，0+028.00～0+805.25.00m段為隧洞段，其結(jié)構(gòu)及布置設(shè)計(jì)與 1#溢洪洞基本相同。

2 混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)技術(shù)

2.1 混凝土回彈檢測(cè)

回彈檢測(cè)法是通過回彈儀的彈簧對(duì)重錘加力，當(dāng)彈簧釋放時(shí)，沖擊桿以恒定的力量撞擊測(cè)試面，當(dāng)重錘受沖擊彈回時(shí)，彈簧回彈至最高處，同時(shí)標(biāo)尺測(cè)試出重錘被反彈回來的距離，以回彈值(反彈距離與彈簧初始長(zhǎng)度之比)作為與強(qiáng)度相關(guān)的指標(biāo)，來推定混凝土強(qiáng)度的一種檢測(cè)方法[1-3]。

溢洪道側(cè)墻襯砌混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為30 MPa，測(cè)量結(jié)果顯示，1#和2#溢洪道側(cè)墻混凝土強(qiáng)度遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，其強(qiáng)度不符合設(shè)計(jì)要求，混凝土強(qiáng)度不合格?；炷粱貜椃z測(cè)抗壓強(qiáng)度結(jié)果見表1。

表1 溢洪洞混凝土回彈法檢測(cè)抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表 單位：MPa

2.2 混凝土超聲波檢測(cè)

超聲波檢測(cè)是檢測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷與均質(zhì)性方法之一[4]，超聲波在混凝土中傳播速度與強(qiáng)度大小有關(guān)，兩者之間可以建立某種相關(guān)關(guān)系，可以利用這種相關(guān)關(guān)系來描述超聲波波速與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系，進(jìn)而推斷其強(qiáng)度大小。一旦混凝土結(jié)構(gòu)中存在不密實(shí)、裂縫、脫空等質(zhì)量缺陷問題，超聲波經(jīng)過時(shí)便會(huì)產(chǎn)生部分損耗，導(dǎo)致波速、波幅、頻率等超聲波參數(shù)的降低，并且信號(hào)接收器顯示的超聲波波形出現(xiàn)明顯畸變。采用波速來判斷混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，一般認(rèn)為波速越低，混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量越差；強(qiáng)度越低，在同一標(biāo)段的波速變化幅度越不均勻，說明混凝土澆筑得不均勻。溢洪洞混凝土超聲波檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 溢洪洞混凝土超聲波檢測(cè)結(jié)果

由上表可見，兩個(gè)溢洪道左右側(cè)墻各檢測(cè)部位超聲波波速偏差較大，最小波速為1460 m/s，最大波速為4185 m/s，波速部分不均。一般認(rèn)為波速分布越均勻，混凝土澆筑越均勻；波速越高且均勻，混凝土越密實(shí)，強(qiáng)度越高。因此，超聲波檢測(cè)結(jié)果表明該水利工程溢洪道襯砌混凝土澆筑得不密實(shí)、不均勻。

2.3 混凝土鉆芯法強(qiáng)度檢測(cè)

鉆芯法，簡(jiǎn)而言之就是在要檢測(cè)部位鉆芯取樣，將樣品按照編號(hào)包裝帶回試驗(yàn)室，放在壓力機(jī)上做抗壓強(qiáng)度檢測(cè)，混凝土試塊破壞時(shí)的抗壓強(qiáng)度便是其最大抗壓強(qiáng)度[5-8]。這是檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度最直接有效的方式。其檢測(cè)結(jié)果數(shù)值直觀且更準(zhǔn)確，是工程檢測(cè)中最常用的強(qiáng)度檢測(cè)技術(shù)之一。溢洪洞混凝土鉆芯法強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 溢洪洞混凝土鉆芯法強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果 單位：MPa

由上表可見，該水利工程1#、2#溢洪道底板及左右側(cè)墻混凝土鉆芯抗壓強(qiáng)度均不滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的30MPa。

3 混凝土保護(hù)層厚度與碳化深度檢測(cè)

根據(jù)測(cè)量部位的實(shí)測(cè)混凝土保護(hù)層厚度值與設(shè)計(jì)值的大小來判斷混凝土保護(hù)層厚度對(duì)建筑中的鋼筋耐久性能的影響，其值越大，說明保護(hù)層厚度耐久性越好；值越小，耐久性越差。使用某混凝土鋼筋檢測(cè)儀對(duì)鋼筋保護(hù)層厚度進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明1#溢洪洞左側(cè)墻平均保護(hù)層厚度為69mm，0+068至0+088段平均厚度為35mm，0+140至0+160段平均厚度為25mm；右側(cè)墻為93mm，0+428至0+708段僅為28.35mm。2#溢洪洞左側(cè)墻平均保護(hù)層厚度為94.8mm，右側(cè)墻為91.2mm。綜合比較，1#溢洪洞左右側(cè)墻混凝保護(hù)層多段位出現(xiàn)厚度不均，且數(shù)值偏差較大。

混凝土碳化是不可避免的，可是一旦混凝土澆注不夠密實(shí)，出現(xiàn)孔隙、空洞等質(zhì)量缺陷，混凝土中的氫氧化物與空氣中的二氧化碳和水汽結(jié)合，在混凝土表層會(huì)出現(xiàn)一層碳化層?；炷寥魶]有孔隙空洞，碳化層會(huì)阻止混凝土的進(jìn)一步碳化。氫氧化物為堿性物質(zhì)，但是碳化層不溶于水，所以使用酚酞溶液來檢測(cè)混凝土碳化狀態(tài)[7，9-10]。測(cè)量碳化深度值時(shí)，先用手工鑿或電動(dòng)沖擊鉆在回彈值的測(cè)區(qū)內(nèi)，鑿鉆一個(gè)直徑為20mm、深70mm的孔洞，將孔洞內(nèi)的混凝土粉末清除干凈，然后用1.0%～2.0%酚酞乙醇溶液滴在孔洞內(nèi)壁邊緣并觀察孔洞的顏色變化。混凝土未碳化則為紅色，已碳化不變色。再用碳化深度測(cè)定儀測(cè)量不變色的深度L(混凝土碳化深度值)，讀數(shù)精度到0.5mm。結(jié)果見表4。

表4 混凝土碳化程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)果表明，該水利樞紐工程1#溢洪洞左側(cè)墻0+000至0+200段混凝土碳化嚴(yán)重，其中在0+100至0+150段有嚴(yán)重碳化，碳化深度超過保護(hù)層厚度，右側(cè)墻0+450至0+600同樣碳化嚴(yán)重。2#溢洪洞右側(cè)墻混凝土碳化屬于正常碳化，碳化深度沒有超過保護(hù)層的平均厚度。由此可見，左右側(cè)墻混凝土澆筑不均勻，質(zhì)量差異大。

4 混凝土凍融破壞檢測(cè)

探地雷達(dá)檢測(cè)是利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式由地面通過發(fā)射天線送入介質(zhì)內(nèi)部[11]，經(jīng)檢測(cè)物體后再反射到其表面。在地質(zhì)雷達(dá)法勘探中，電磁波通常被近似為均勻平面波。電磁波在物體內(nèi)部的傳播主要由物體的電學(xué)性質(zhì)及物體的幾何形態(tài)決定，一旦物體的幾何形態(tài)變化不均，出現(xiàn)間斷或者空隙等現(xiàn)象，電磁波的波形、波幅等參數(shù)便會(huì)出現(xiàn)明顯的變化。電磁波的傳輸與接收原理如圖1所示。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)示意圖

根據(jù)反射波原理，可知主機(jī)所顯示的接收時(shí)間為雙程旅時(shí)，通過檢測(cè)混凝土的厚度可以計(jì)算得到電磁波在混凝土中的傳播速度?；炷林须姶挪úㄋ偃Q相對(duì)介電常數(shù)，即

(1)

式中，εr—物體的相對(duì)介電常數(shù)；C—電磁波在物體中的傳播速度，m/ns；V—波速。

電磁波在遇到不同物體界面時(shí)的反射系數(shù)公式為

(2)

式中，ε1和ε2—介電常數(shù)。

由公式(2)可知，電磁波的反射系數(shù)取決于物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)差異，差異越大，反射系數(shù)也越大。

采用雷達(dá)圖像剖面圖來反映混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，雷達(dá)圖像剖面圖以脈沖反射波的波形形式記錄。人工控制移動(dòng)天線，對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)及圍巖進(jìn)行連續(xù)透視掃描，邊采集數(shù)據(jù)邊實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控，根據(jù)雷達(dá)剖面圖像，來判斷反射界面或目的體。本次探測(cè)主要采用1200 MHz頻率的天線，地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)成果見圖2。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)成果表

檢測(cè)結(jié)果表明在兩個(gè)溢洪道左右側(cè)墻混凝土均出現(xiàn)多段脫空、不密實(shí)部位，這表明混凝土在該部位澆筑不合格，后期出現(xiàn)了凍融循環(huán)破壞。圖中框出的部位便是缺陷部位。

5 混凝土鋼筋銹蝕狀態(tài)評(píng)定

如果在澆筑前不對(duì)混凝土中的鋼筋進(jìn)行防銹處理，時(shí)間一久，鋼筋就會(huì)發(fā)生銹蝕。尤其在碳化嚴(yán)重的部位，鋼筋銹蝕尤其嚴(yán)重。還有可能就是混凝土澆筑不夠密時(shí)，出現(xiàn)空洞，露筋等質(zhì)量缺陷也會(huì)導(dǎo)致水分進(jìn)入混凝土造成鋼筋銹蝕?；炷林袖摻畹匿P蝕檢測(cè)一般采用半電池電位法，由于檢測(cè)設(shè)備是一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)，其電位顯示是穩(wěn)定的，連接混凝土后設(shè)備便和銹蝕鋼筋形成一個(gè)全電池系統(tǒng)，若混凝土中存在鋼筋銹蝕，則電位會(huì)有變化。還可以通過檢測(cè)得到的混凝土保護(hù)層厚度與碳化深度數(shù)值來判斷鋼筋是否銹蝕，這種方法相對(duì)比較簡(jiǎn)單，省時(shí)省力。文章采用后者來評(píng)定鋼筋銹蝕狀態(tài)。一旦混凝土碳化深度超過其保護(hù)層厚度，便認(rèn)為這段混凝土內(nèi)部鋼筋已經(jīng)銹蝕。繪制混凝土保護(hù)層厚度與碳化深度的關(guān)系曲線圖，并將碳化占比與保護(hù)層厚度進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如圖3所示。

圖3 碳化深度與保護(hù)層厚度關(guān)系曲線圖

由上圖可知，碳化深度是隨著混凝土保護(hù)層厚度的減小而增大的。碳化深度占比符合直線關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)為0.87。因此，保護(hù)層厚度直接影響混凝土碳化。而鋼筋的銹蝕與混凝土碳化密切相關(guān)[9-10]，一旦碳化深度接近甚至超過保護(hù)層厚度，鋼筋必定受到銹蝕。碳化層易脫落，此后空氣中的水汽和氧氣在鋼筋表面便會(huì)發(fā)生電化學(xué)氧化反應(yīng)，氧化產(chǎn)物Fe3O4體積是原來鐵體積的多倍，混凝土逐漸受到氧化物的膨脹作用，時(shí)間一長(zhǎng)，隨著氧化加劇，鋼筋便會(huì)從混凝土結(jié)構(gòu)脫落，失去作用。同時(shí)該工程區(qū)冬季嚴(yán)寒，凍融作用對(duì)鋼筋銹蝕也具有重大影響，鋼筋銹蝕程度隨凍融次數(shù)增加而加劇[12-13]。結(jié)合混凝土碳化深度與保護(hù)層檢測(cè)結(jié)果，認(rèn)為碳化嚴(yán)重部位鋼筋受到銹蝕破壞。

6 檢測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)

工程混凝土質(zhì)量評(píng)價(jià)主要基于混凝土強(qiáng)度與鋼筋銹蝕狀態(tài)[14-15]、探地雷達(dá)檢測(cè)的混凝土凍融破壞結(jié)果?；炷撂蓟疃扰c保護(hù)層厚度的結(jié)果主要用來判斷鋼筋銹蝕程度。由檢測(cè)結(jié)果可知，1#、2#溢洪道側(cè)墻襯砌混凝土抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值30MPa，且左右側(cè)墻混凝土保護(hù)層厚度不均勻，1#溢洪道最為嚴(yán)重，導(dǎo)致側(cè)墻多段位混凝土碳化嚴(yán)重。由探地雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果可知，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)多處脫空不密實(shí)等質(zhì)量問題，鋼筋已被銹蝕。最后評(píng)定混凝土質(zhì)量為Ⅲ類缺陷。

7 結(jié)語

使用多種混凝土質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)來檢測(cè)評(píng)價(jià)該工程溢洪道襯砌混凝土的質(zhì)量，結(jié)果表明混凝土質(zhì)量不達(dá)標(biāo)?；炷恋馁|(zhì)量關(guān)乎工程的壽命與效益，合理運(yùn)用檢測(cè)技術(shù)有助于提高工程質(zhì)量，對(duì)混凝土施工的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行專業(yè)監(jiān)管是不可忽視的。為確保工程安全及減少資源浪費(fèi)，在施工階段能控制好混凝土質(zhì)量是最佳的。該工程作為一個(gè)質(zhì)量缺陷案例希望可以起到警示作用。同時(shí)，這些檢測(cè)技術(shù)也能為其他工程質(zhì)量監(jiān)管提供借鑒。