混凝土抗壓強(qiáng)度的檢測(cè)方法分析

（蘇州市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)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(duì)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(huì)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(duì)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(duì)于混凝土抗壓強(qiáng)度的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)主要使用無(wú)損檢測(cè)法，包括回彈法、超聲波法和超聲回彈綜合法等等。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，除了常用的實(shí)驗(yàn)室壓力試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)法之外，還可以使用更加精確的儀器來(lái)檢測(cè)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(guò)各種模型來(lái)預(yù)測(cè)混凝土的抗壓強(qiáng)度。

2 混凝土抗壓強(qiáng)度的無(wú)損檢測(cè)方法

對(duì)于混凝土抗壓強(qiáng)度的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，為了保證混凝土的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度不被破壞，無(wú)損檢測(cè)法成為了首選。由于其設(shè)備便攜、操作簡(jiǎn)單，工程上大多使用無(wú)損檢測(cè)法來(lái)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(wú)損檢測(cè)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(guò)測(cè)定混凝土的表面硬度來(lái)推算其抗壓強(qiáng)度，是混凝土抗壓強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中常用的方法之一。現(xiàn)行檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為《回彈法檢測(cè)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(jiǎn)單：將回彈儀垂直于混凝土的被測(cè)表面放置，用彈簧驅(qū)動(dòng)重錘，通過(guò)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(shí)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(cè)。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于內(nèi)部存在缺陷的混凝土，通常使用超聲波法來(lái)檢測(cè)其強(qiáng)度。

在混凝土抗壓強(qiáng)度的無(wú)損檢測(cè)中，超聲波法是唯一與材料的力學(xué)特性直接相關(guān)的測(cè)試方法，使用超聲波法檢測(cè)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(guó)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(cè)上。超聲波法的檢測(cè)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(cè)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(cè)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(jiǎn)單的線性關(guān)系。目前對(duì)于超聲波法測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，很多學(xué)者選擇使用Matlab軟件對(duì)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(cè)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(shí)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(gè)物理量來(lái)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(cè)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(duì)檢測(cè)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(huì)受到混凝土內(nèi)溫度的影響。趙弘等測(cè)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(gè)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(duì)于溫度為20℃時(shí)的修正系數(shù)。

綜上所述，目前常用的無(wú)損檢測(cè)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(jiǎn)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(cè)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(cè)，后來(lái)在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)飛速發(fā)展，可根據(jù)其弛豫時(shí)間和弛豫鋒來(lái)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(shí)，同時(shí)使用了SEM、NMR和FTIR三種技術(shù)，再結(jié)合了壓力測(cè)試儀來(lái)測(cè)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(guó)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(guò)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(lái)，這是因?yàn)闇囟仍降停暾旅艿谋档土嘶炷恋目紫堵省?/p>

綜上，使用微觀檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)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(cè)方法

使用各種儀器對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的檢測(cè)需要對(duì)不同齡期的混凝土進(jìn)行多組平行試驗(yàn)來(lái)確定參數(shù)值，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且試驗(yàn)過(guò)程和試驗(yàn)結(jié)果均會(huì)受到很多因素的影響。所以，關(guān)于模擬預(yù)測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度的研究越來(lái)越多。近年來(lái)，研究者們致力于發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)準(zhǔn)確性上占優(yōu)勢(shì)，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(guò)程中抗壓強(qiáng)度對(duì)不同參數(shù)的依賴性使得預(yù)測(cè)技術(shù)具有挑戰(zhàn)性。因此，Mahdi Shariati等使用了machine learning(ML)技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)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(lái)預(yù)測(cè)混凝土的抗壓強(qiáng)度。然后，他們使用了多個(gè)著名的模型來(lái)評(píng)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(guò)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(dòng)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(lái)評(píng)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(cè)模型之外，基于混凝土不同方面的預(yù)測(cè)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(jiǎn)化實(shí)用的數(shù)學(xué)方程來(lái)預(yù)測(cè)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(lái)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。另外，還可以通過(guò)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(cè)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(duì)不同影響因素可以選擇不同的模型。同時(shí)，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(shí)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(shí)與能力。

5 結(jié)論

本文對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的幾種檢測(cè)方法進(jìn)行了綜述，它們包括：無(wú)損檢測(cè)法（回彈法、超聲波法、超聲回彈綜合法）、微觀檢測(cè)法和模型預(yù)測(cè)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?cè)诠こ躺鲜褂米顝V泛，微觀檢測(cè)法和模型預(yù)測(cè)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(cè)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(cè)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(lái)預(yù)測(cè)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。