超聲-回彈法檢測農田水利薄壁構件強度研究

祝小靚，高江林，戴國強，湯紅英

(江西省水利科學研究院，南昌 330029)

0 引 言

近年來，為加快扭轉我國農田水利設施建設嚴重滯后的局面，國家不斷加大農田水利建設投入。在推進農田水利建設的過程中，渠槽薄壁預制構件的使用量呈突發式增長。目前對于薄壁預制構件，通常采用內、外壓強度作為其質量控制的主要指標，但內、外壓強度的測試對薄壁預制構件具有破壞性，且測試過程較為繁瑣。目前，還沒有直接針對薄壁預制構件混凝土實體強度的檢測方法和標準，因此缺乏有效的檢測和評判依據。

常用的混凝土實體強度檢測方法包括鉆芯法、回彈法及綜合法等。鉆芯法的檢測結果較為直觀，但采用鉆芯法勢必對結構產生一定損傷。而且《鉆芯法檢測混凝土強度技術規程》(CECS03:2007)[1]對芯樣直徑做了相應的規定：可采用小直徑芯樣試件，但直徑不應小于70 mm且不得小于骨料最大粒徑的2倍。相關研究表明[2]，為盡量減小試驗結果的誤差，試件的高徑比宜在0.85～1.20范圍內。顯然，對于U型槽、T型槽及預制板塊等小型薄壁預制構件(干硬性混凝土，厚度35～50 mm，最大骨料粒徑在20～25 mm)，鉆芯法檢測時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度。超聲-回彈綜合法是指采用超聲儀和回彈儀，在構件混凝土同一測區分別測量聲速和回彈值，然后利用現有超聲-回彈測強曲線推算混凝土抗壓強度的一種方法。

回彈值可以反映混凝土結構表面強度，其測試的深度在3 cm左右；聲速值反映混凝土結構的內部狀況，能夠反映內部缺陷和損傷，二者互為補充，因此超聲-回彈綜合法較單一的超聲或回彈無損檢測方法具有精度高、適用范圍廣等優點，在我國得到了廣泛應用[4-6]。

在吸收國內外超聲檢測的最新成果和超聲檢測技術的基礎上，結合我國工程建設中混凝土質量檢測的實際需要，修訂實施了《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術規程》(CECS 02：2005)[7]，該規程在計算混凝土強度時采用的是全國統一超聲-回彈測強曲線。但是，由于我國幅員遼闊，混凝土品種繁多、材料分散、生產工藝差異大，所建立的全國統一超聲-回彈測強曲線難以適用全國各地的情況。據有關資料顯示，CECS 02：2005推薦的全國統一超聲-回彈測強曲線采用的是全國12個省、市、區共2 000余組基本數據，但只有一半的數據誤差在40%以內。因此，要提高混凝土無損測強的精度，必須建立適應本地區的混凝土超聲-回彈測強曲線。目前我國部分省、地區已建立地區超聲-回彈測強曲線[8,9]，在混凝土強度檢測計算中，若不分地區采用同一超聲-回彈測強曲線，顯然是不太合適的。

為適應農田水利工程建設的發展需求，促進薄壁預制構件產品及其質量的規范和提升，針對當前存在的制約薄壁預制構件發展的問題，有必要開展薄壁預制構件質量檢測相關技術研究。在本次研究中，將超聲-回彈綜合法應用于薄壁預制構件干硬性混凝土標準試件，對CECS 02：2005推薦的全國統一超聲-回彈測強曲線在江西地區的薄壁構件混凝土的適用性進行了調查研究，建立適用于江西省的超聲-回彈測強曲線。

1 超聲-回彈綜合法簡述

1.1 超聲法測強原理

超聲波檢測法的測試原理為：超聲波在混凝土中傳播遇到缺陷時，發生反射、折射、繞射和衰減等現象，其正常傳播的某些聲學參數如聲時、波形、能量和頻譜等將發生變化，根據這些改變，判斷混凝土內部的密實度、彈性性能及結構狀況等，具體見圖1。

圖1 超聲波測試原理Fig.1 Testing principle of ultrasonic

超聲波傳播速度與混凝土的彈性性質的相關關系構成了超聲波檢測混凝土強度的基本依據。這種相關關系可用下式表示：

(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為質量密度，g/cm3。

在具體檢測過程中，根據混凝土彈性模量與強度的內在關聯，通過建立的聲速值與混凝土抗壓強度之間相應關系并以此得出推定的混凝土強度。存有缺陷的混凝土的聲速值比其他正常部位要低，混凝土內部的蜂窩、孔洞明顯對聲速值產生較大影響。超聲波在通過裂縫處的混凝土時會繞行或在空氣中傳播一段時間，測得的聲時偏大，因此聲速值相對減小。

超聲法測強也有自身的局限性，其準確度依賴于聲速值隨強度的變化規律。事實上，當混凝土的強度達到一定等級時，測得的聲速值隨強度變化的幅度較小，這種微小變化會因系統誤差而表現不出來。因此，對于強度等級C35以上的混凝土，利用超聲法檢測的誤差相對較大。但是，大部分U型槽等薄壁構件混凝土強度等級低于C35，因此，可以利用該方法對其進行研究。

1.2 超聲-回彈測強曲線方程的選擇

現行常用的測強公式是CECS 02:2005規程推薦的冪函數方程。具體的全國統一超聲-回彈測強曲線方程見表1。

表1 超聲-回彈測強曲線方程Tab.1 The formula of ultrasonic rebound for strength test

上述方程均為基于大量試驗數據計算而得，故具有較高的可靠性，但由于試驗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基準曲線方程的制定條件完全一致，因此，在應用上述方程時，需要先進行驗證，以免誤差太大。

各省市超聲-回彈測強曲線與CECS 02：2005推薦的全國統一超聲-回彈曲線的比較(聲速值為4.5 mm/μs)見圖2。從圖2可以看出，相同回彈值和聲速值下，全國統一超聲-回彈曲線位于最下沿，佛山地區超聲-回彈測強曲線高。除北京地區的超聲-回彈測強曲線與全國統一超聲-回彈測強曲線接近外，其余各省市超聲-回彈測強曲線與全國統一超聲-回彈測強曲線存在較大的差別。全國統一超聲-回彈測強曲線在建立時是偏保守的，在應用于其他地區時存在一定的誤差，這樣的誤差勢必會增加水泥等原材料的用量，從而導致不必要的工程浪費。

圖2 各省市超聲-回彈測強曲線與全國統一超聲-回彈測強曲線的比較Fig.2 Comparison of ultrasonic rebound strength curve for different provinces and national

1.3 超聲-回彈測強曲線方程擬合結果的判據

判斷超聲-回彈測強曲線回歸擬合的好壞，需計算回歸曲線的平均相對誤差，平均相對誤差的值大，表明建立的超聲-回彈測強曲線預測值與實測值相差很大；平均相對誤差的值小，說明建立的超聲-回彈測強曲線預測值與實測值差距較小。CECS 02：2005超聲-回彈綜合法檢測混凝土強度技術規程對地區超聲-回彈測強曲線要求相對誤差不應大于±14%。

另外，在曲線回歸擬合中，相關系數r可用于分析強度預測值與實測值的相關程度，判斷方程擬合的優劣程度，其值范圍在0～1之間，越接近1則相關性越好。

相對誤差計算公式：

(2)

式中：er為相對誤差，專用測強曲線≤12%，地區測強曲線≤14%；fcu,i為混凝土強度實測值，MPa；fccu,i為混凝土強度計算值，MPa；n為試驗數量。

回歸相關系數的計算公式：

(3)

2 原材料及配合比設計

2.1 原材料

試驗采用海螺P·C 32.5復合硅酸鹽水泥，物理力學性能見表2。景德鎮發電廠Ⅱ級粉煤灰，物理性能見表3。細骨料為河砂，細度模數2.3；粗骨料為粒徑5～20 mm的天然卵石。

表2 水泥物理力學性能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

江西地區薄壁構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個系列。其中B1設計強度等級為C30，B2、B3為C25，A1、C1為C20，其余為C15。

表4 混凝土試驗配合比Tab.4 Mix of concrete

混凝土試件在江西省萬年通科技有限公司等六家農田水利薄壁預制構件生產廠家成型。干硬性混凝土的拌制過程如圖3所示，先潤濕攪拌鍋，按石、膠凝材料、砂、水的先后順序依次加入攪拌鍋內，開動攪拌機攪拌3min后，將混凝土拌和物卸在已潤濕的鐵板上，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方式成型干硬性混凝土標準立方體試件(150mm×150mm×150mm)，如圖4所示?；炷猎嚰扇÷短熳匀火B護，養護齡期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 試驗結果分析

本次試驗所采用的非金屬超聲檢測儀是由北京智博聯科技有限公司生產，超聲-回彈試驗方法按CECS02:2005嚴格執行。試驗組數根據預制構件廠家的規模而定，每組試驗測試3個試件。超聲-回彈測試完畢后，卸荷將回彈測試面放置在壓力機承壓板正中，以0.3～0.5MPa/s的速度連續均勻加壓，直至試件破壞為止，得到試件的抗壓強度,試驗結果如表5所示。

對試驗結果進行三參數冪函數回歸，回歸結果見表6和表7。通過最小二乘法進行回歸計算時，需對函數進行對數處理。但該處理會引起不同混凝土強度的樣本權重不等現象，即低強度混凝土樣本在優化目標函數中的權重較大，而高強度的混凝土樣本權重較小，使得到的回歸公式相對誤差較大，從而對不同混凝土強度區域的預測能力不一致。實際檢測結果表明，對于抗壓強度40 MPa以上的非渠槽預制構件混凝土，使用該函數得到的測區混凝土推定強度會低于其實際強度，而低于該強度的試件檢測結果的符合性則較好[10]。目前的渠槽預制構件混凝土的標準立方體試件實測抗壓強度一般在20～40 MPa之間，在該函數可推定范圍內。

表5 超聲-回彈測試結果Tab.5 The test results of ultrasonic rebound

續表5 超聲-回彈測試結果

表6 卵石混凝土超聲-回彈測強曲線擬合結果Tab.6 Fitting result of strength curve by ultrasonic rebound method of gravel concrete

表7 碎石混凝土超聲-回彈測強曲線擬合結果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推薦的全國統一超聲-回彈測強曲線用于江西地區的試驗結果的誤差較大，卵石和碎石混凝土強度的擬合結果相對誤差分別為24.16%、91.30%，大于自擬超聲-回彈測強曲線的誤差，且大于規程的要求，因此全國統一超聲-回彈測強曲線并不適于江西地區混凝土強度的無損檢測。而自擬超聲-回彈測強曲線卵石和碎石混凝土強度的擬合結果相對誤差分別為11.88%、13.12%，滿足CES02:2005《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術規程》對地區超聲-回彈測強曲線要求的相對誤差≤14%的要求。

分別將通過自擬超聲-回彈測強曲線、全國統一超聲-回彈測強曲線計算得到的結果與實測抗壓強度繪于圖中，見圖5。

圖5 碎石和卵石混凝土在不同測強曲線下的計算結果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-回彈測強曲線計算得到的強度結果與實際抗壓強度的相關性比全國統一超聲-回彈測強曲線的計算結果要高。綜上所述，最終選擇本文提出的自擬超聲-回彈測強曲線作為江西省薄壁構件超聲-回彈測強曲線。

4 結 語

針對目前農田水利薄壁構件存在的實體強度檢測問題，通過超聲-回彈綜合測試方法，在江西省地區不同農田水利薄壁構件廠家，測試獲得了不同強度等級的薄壁預制構件混凝土超聲-回彈-抗壓強度值，提出了薄壁構件卵石和碎石自擬超聲-回彈測強曲線，其擬合結果的相對誤差小于規范的要求，可將其作為江西省地區薄壁構件的超聲-回彈測強曲線。超聲-回彈綜合法在農田水利薄壁構件混凝土中的使用，拓寬了渠槽構件實體質量的檢測手段，為實際工程提供了一種更加快捷、方便的檢測方法。

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