農(nóng)田水利工程薄壁構(gòu)件的超聲回彈法強(qiáng)度檢測(cè)分析

孫金標(biāo)

(盤錦市大洼區(qū)水利服務(wù)中心，遼寧 盤錦 124200)

0 引 言

近年來(lái)，為緩解區(qū)域干旱程度、增大農(nóng)田供水保證率、優(yōu)化農(nóng)林牧業(yè)比例和土地利用結(jié)構(gòu)，中國(guó)持續(xù)加大了對(duì)農(nóng)田水利的建設(shè)投資。其中，渠槽薄壁預(yù)制構(gòu)件的使用量在農(nóng)田水利建設(shè)過(guò)程中呈顯著增長(zhǎng)之勢(shì)。目前，內(nèi)、外強(qiáng)度通常為控制薄壁預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量的主要參數(shù)，而薄壁預(yù)制構(gòu)件的內(nèi)、外強(qiáng)度測(cè)試過(guò)程較為繁瑣，且對(duì)構(gòu)件造成一定的破壞[1-3]。因此，現(xiàn)階段尚未形成能夠有效判別和檢測(cè)薄壁預(yù)制構(gòu)件混凝土實(shí)體強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)、方法和依據(jù)。

工程中，綜合法、回彈法及鉆芯法等為混凝土實(shí)體強(qiáng)度較為常用的方法。鉆芯法可直觀的反映檢測(cè)結(jié)果，但使用過(guò)程中會(huì)在一定程度上損傷結(jié)構(gòu)；此外，對(duì)于芯樣直徑相關(guān)技術(shù)規(guī)程做了明確規(guī)定：小芯樣試件的直徑不得超過(guò)低于骨料粒徑的2倍，并且≥70mm。

研究表明，試件的高徑比取0.85-1.20時(shí)能夠使試驗(yàn)結(jié)果誤差達(dá)到最?。伙@然，對(duì)于最大骨料粒徑20-25mm、厚度35-50mm的預(yù)制板塊和T型或U型槽等小型薄壁預(yù)制構(gòu)件，應(yīng)用鉆芯法無(wú)法達(dá)到相關(guān)要求。根據(jù)不同的組合類型，可將綜合法分為聲速-衰減、超聲-鉆芯、超聲-回彈等類型，超聲-回彈綜合法的應(yīng)用最多。1966年，在推算混凝土強(qiáng)度時(shí)弗格瓦洛最早提出了聯(lián)合應(yīng)用回彈值與聲速值的方法。超聲-回彈綜合法是對(duì)混凝土構(gòu)件統(tǒng)一測(cè)區(qū)利用超聲儀、回彈儀測(cè)量聲速與回彈值，并對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度應(yīng)用現(xiàn)有超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線推算的方法。聲速值、回彈值能夠反映混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部狀況以及表面強(qiáng)度，二者互為補(bǔ)充能夠反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷和缺陷，因此較單一的回彈無(wú)損檢測(cè)或超聲法超聲-回彈綜合法具有適用范圍廣、精度高的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域[4-5]。

借鑒國(guó)內(nèi)外最新的超聲檢測(cè)技術(shù)及相關(guān)成果，并考慮混凝土質(zhì)量檢測(cè)實(shí)際需求修訂實(shí)施超聲回彈綜合法檢測(cè)技術(shù)規(guī)程，該規(guī)程以全國(guó)統(tǒng)一超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線計(jì)算混凝土強(qiáng)度。然而，由于不同地區(qū)的混凝土生產(chǎn)工藝存在較大差異，加之受材料分散、品種繁多等條件限制，使得該技術(shù)規(guī)程所選用的測(cè)強(qiáng)曲線無(wú)法適用于所有地區(qū)。資料顯示，以全國(guó)12個(gè)省市區(qū)共2000多組基本數(shù)據(jù)擬合的全國(guó)統(tǒng)一超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線，其誤差低于40%的數(shù)據(jù)僅有占一半。因此，考慮各地區(qū)實(shí)際情況建立適用的超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線為提高混凝土無(wú)損測(cè)強(qiáng)精度的根本途徑?，F(xiàn)階段，已有部分地區(qū)建立了適用于本地的測(cè)強(qiáng)曲線，若各地區(qū)都用統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線來(lái)計(jì)算混凝土強(qiáng)度，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一定的誤差[6-8]。

為提高薄壁預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量、規(guī)范強(qiáng)度檢測(cè)辦法以及適應(yīng)農(nóng)田水利建設(shè)發(fā)展需求，有必要對(duì)制約薄壁預(yù)制構(gòu)件發(fā)展的問(wèn)題實(shí)施質(zhì)量檢測(cè)相關(guān)技術(shù)研究[9]。文章調(diào)查了遼寧地區(qū)薄壁構(gòu)件混凝土強(qiáng)度檢測(cè)中全國(guó)統(tǒng)一超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線的適用性，將薄壁預(yù)制構(gòu)件干硬性標(biāo)準(zhǔn)試件利用超聲-回彈綜合法進(jìn)行檢測(cè)，并構(gòu)建了適用于該地區(qū)的測(cè)強(qiáng)曲線。

1 超聲-回彈綜合法

1.1 超聲法測(cè)強(qiáng)原理

超聲波傳播過(guò)程中，若遇混凝土內(nèi)部缺陷將發(fā)生衰減、繞射、折射和反射等現(xiàn)象，正常傳播時(shí)的頻譜、能量、波形、聲時(shí)等聲學(xué)參數(shù)將發(fā)生變化，并依據(jù)此變化判斷混凝土的結(jié)構(gòu)狀況、彈性性能及其密實(shí)度等。超聲測(cè)強(qiáng)原理，見圖1。

圖1 超聲測(cè)強(qiáng)原理

混凝土的彈性性質(zhì)和超聲波傳播速度之間的相關(guān)關(guān)系為超聲波檢測(cè)強(qiáng)度的理論基礎(chǔ)，其表達(dá)式為：

(1)

式中：v為聲速值，km/s；ρ為混凝土質(zhì)量密度，g/cm3；μ為泊松比；E為彈性模量，N/m。

根據(jù)強(qiáng)度和彈性模量間的內(nèi)在聯(lián)系建立混凝土抗壓強(qiáng)度與聲速值之間的關(guān)系，并利用此關(guān)系式推定強(qiáng)度。較其他正常部位的混凝土聲速值存在缺陷處的要低，聲速值受混凝土內(nèi)部空洞、蜂窩等因素的影響較大。通過(guò)混凝土裂縫時(shí)超聲波會(huì)在空氣中傳播或繞行，此時(shí)測(cè)定的聲速值相對(duì)較小而聲時(shí)偏大。

聲速值隨強(qiáng)度的變化規(guī)律在很大程度上決定了超聲法測(cè)強(qiáng)的精確度，實(shí)際應(yīng)用時(shí)也存在一定的局限性。實(shí)踐表明，對(duì)于超過(guò)某一強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，隨強(qiáng)度變化測(cè)得的聲速值變幅較小，因系統(tǒng)誤差難以顯現(xiàn)出這種微小的變化。所以，采用超聲法檢測(cè)強(qiáng)度等級(jí)超過(guò)C35的混凝土?xí)r具有相對(duì)較大的誤差。然而，農(nóng)田水利薄壁構(gòu)件(如U型槽等)的強(qiáng)度等級(jí)一般不超過(guò)C35，所以可以利用超聲法檢測(cè)薄壁構(gòu)件強(qiáng)度。

1.2 超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線方程

現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程推薦的冪函數(shù)方程為工程中較常用的公式，不同使用范圍的測(cè)強(qiáng)曲線，超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線，見表1。

表1 超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線

根據(jù)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)推求的上述方程具有較高的可靠度，但由于R-v-C基準(zhǔn)曲線方程的制定條件不可能與試驗(yàn)混凝土的施工條件、所用配合比及原材料完全一致，為防止出現(xiàn)較大的誤差，上述方程應(yīng)用時(shí)必須先驗(yàn)證。

1.3 超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線擬合

通過(guò)對(duì)回歸曲線平均相對(duì)誤差的計(jì)算判斷超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線的回歸擬合程度，其平均相對(duì)誤差越大則實(shí)測(cè)值與測(cè)強(qiáng)曲線預(yù)測(cè)值之間的誤差越大；反之，則實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的差距越小。對(duì)于地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線相對(duì)誤差，綜合法測(cè)強(qiáng)技術(shù)規(guī)程要求≤±14%。此外，對(duì)強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值之間的相關(guān)程度可以利用相關(guān)系數(shù)r來(lái)衡量，從而反映曲線回歸擬合的優(yōu)劣水平，相關(guān)系數(shù)r取0-1，其值越大則相關(guān)性越好。采用以下公式計(jì)算相對(duì)誤差：

(2)

式中：er相對(duì)誤差，地區(qū)和專用測(cè)強(qiáng)曲線er不超過(guò)14%、12%；fcu,ie、fcu,i代表混凝土強(qiáng)度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，MPa；n為試驗(yàn)數(shù)量。然后利用以下公式求解回歸相關(guān)系數(shù)R，即：

(3)

2 原材料及配合比設(shè)計(jì)

2.1 原材料

試驗(yàn)選用渤海牌P.O32.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥，粉煤灰為綏中電廠優(yōu)質(zhì)Ⅱ級(jí)灰，利用天然粗細(xì)骨料，粗骨料粒徑為5-20mm，河砂細(xì)度模數(shù)為2.4。水泥試驗(yàn)結(jié)果，見表2；粉煤灰試驗(yàn)結(jié)果，見表3；粗骨料試驗(yàn)結(jié)果，見表4。試驗(yàn)表明，水泥、粉煤灰等各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求；骨料質(zhì)地堅(jiān)硬、清潔、級(jí)配良好，經(jīng)水洗篩分后，取樣檢測(cè)各物理及化學(xué)指標(biāo)均滿足要求。

表2 水泥試驗(yàn)結(jié)果

表3 粉煤灰試驗(yàn)結(jié)果

表4 粗骨料試驗(yàn)結(jié)果

2.2 試驗(yàn)配合比

考慮到薄壁構(gòu)件干硬性混凝土強(qiáng)度受粉煤灰摻量、水膠比及膠凝材料用量的影響，設(shè)計(jì)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)系列配合比，其中Ⅰ-1、Ⅱ-1、Ⅲ-1代表設(shè)計(jì)C20、C20和C30強(qiáng)度等級(jí)，Ⅱ-2、Ⅱ-3代表設(shè)計(jì)C25強(qiáng)度等級(jí)，其他均為C15等級(jí)，混凝土試驗(yàn)配合比，見表5。

干硬性混凝土拌制前應(yīng)先濕潤(rùn)攪拌鍋，并向攪拌鍋內(nèi)按先后順序依次加入石、膠凝材料、砂、水，開機(jī)攪拌180s后將拌合物卸至鐵板上，卸之前鐵板應(yīng)保持濕潤(rùn)，隨后翻拌2-3次使得混凝土拌合物均勻。干硬性混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試件利用碾壓混凝土(即配重塊加壓振動(dòng))的成型方式，成型尺寸為150mm×150mm×150mm。

表5 混凝土試驗(yàn)配合比

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

文章利用非金屬超聲檢測(cè)儀按CECS 02:2005推薦的方法進(jìn)行試驗(yàn)，并考慮預(yù)制構(gòu)件的廠家規(guī)模合理確定試驗(yàn)組數(shù)，每組測(cè)3個(gè)試件。采用超聲檢測(cè)儀完成測(cè)試后卸荷，在壓力機(jī)承壓板中間放置回彈測(cè)試面，設(shè)定加載速度為0.3-0.5MPa，均勻連續(xù)加壓直至試件破壞，超聲-回彈測(cè)試結(jié)果，見表6。

表6 超聲-回彈測(cè)試結(jié)果

采用三參數(shù)冪函數(shù)和最小二乘法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，卵石測(cè)強(qiáng)曲線擬合結(jié)果，見表7；碎石測(cè)強(qiáng)曲線擬合結(jié)果，見表8。為了實(shí)現(xiàn)以上回歸計(jì)算，通常要先開展對(duì)數(shù)處理，然而該處理會(huì)導(dǎo)致樣本權(quán)重出現(xiàn)較大偏差，即在優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中低強(qiáng)度和高強(qiáng)度的混凝土樣本權(quán)重偏大、偏小，從而使得回歸公式存在較大相對(duì)誤差，在預(yù)測(cè)不同區(qū)域混凝土強(qiáng)度時(shí)具有較大差異。結(jié)合實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)，在非渠槽預(yù)制構(gòu)件抗壓強(qiáng)度超過(guò)40MPa的條件下，混凝土實(shí)際強(qiáng)度>利用該函數(shù)推定的強(qiáng)度，而試件檢測(cè)結(jié)果<40MPa的情況下具有較好的符合性。試驗(yàn)中渠槽預(yù)制構(gòu)件的實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度處于20-40MPa，在該范圍內(nèi)此函數(shù)具有較好適用性。

表7 卵石測(cè)強(qiáng)曲線擬合結(jié)果

表8 碎石測(cè)強(qiáng)曲線擬合結(jié)果

結(jié)合表7、8可知，在遼寧地區(qū)農(nóng)田水利薄壁構(gòu)件強(qiáng)度檢測(cè)中利用規(guī)程推薦的全國(guó)統(tǒng)一超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線存在較大的試驗(yàn)誤差，采用規(guī)程推薦的測(cè)強(qiáng)曲線計(jì)算的碎石、卵石混凝土強(qiáng)度擬合誤差達(dá)到90.26%和24.18%，該誤差超過(guò)規(guī)程的要求和自擬的測(cè)強(qiáng)曲線誤差。因此，對(duì)于遼寧地區(qū)混凝土強(qiáng)度的無(wú)損檢測(cè)全國(guó)統(tǒng)一超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線并不適用。將碎石、卵石混凝土強(qiáng)度利用自擬超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線進(jìn)行擬合，其相對(duì)誤差為12.17%和10.65%，均能達(dá)到要求的相對(duì)誤差不超過(guò)14%的標(biāo)準(zhǔn)。

將實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度、全國(guó)統(tǒng)一和自擬超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線計(jì)算結(jié)果繪制成圖，以更好的對(duì)比分析，不同測(cè)強(qiáng)曲線下卵石與碎石混凝土計(jì)算結(jié)果，見圖2。由圖2可知，較全國(guó)統(tǒng)一超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線實(shí)際抗壓強(qiáng)度與自擬測(cè)強(qiáng)曲線具有更高的相關(guān)性，自擬測(cè)強(qiáng)曲線的精度更高。綜上分析，遼寧地區(qū)農(nóng)田水利薄壁構(gòu)件強(qiáng)度檢測(cè)中更加適用文中所提出的自擬超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線。

(a)卵石混凝土自擬測(cè)強(qiáng)曲線

(a)碎石混凝土自擬測(cè)強(qiáng)曲線

(c)卵石混凝土全國(guó)統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線

(d)碎石混凝土全國(guó)統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線

3 結(jié) 論

根據(jù)現(xiàn)階段薄壁構(gòu)件強(qiáng)度檢測(cè)存在的有關(guān)問(wèn)題，以遼寧地區(qū)為例，利用超聲-回彈綜合測(cè)試法檢測(cè)農(nóng)田水利薄壁預(yù)制構(gòu)件的抗壓、回彈、超聲強(qiáng)度值，并建立碎石、卵石薄壁構(gòu)件混凝土強(qiáng)度自擬超聲-回彈測(cè)強(qiáng)曲線，較技術(shù)規(guī)程推薦的測(cè)強(qiáng)曲線其具有更小的相對(duì)誤差，可為遼寧地區(qū)薄壁構(gòu)件強(qiáng)度檢測(cè)提供有力支撐。在農(nóng)田水利薄壁構(gòu)件中利用超聲-回彈綜合法，為檢測(cè)渠槽構(gòu)件實(shí)體質(zhì)量提供一種更加方便、快捷、適用的方法。