干硬性混凝土預制塊強度檢測方法及超聲波無損檢測方法的應用

彥 湘

（湖北華夏水利水電股份有限公司，湖北 荊州 434000）

0 引言

在水利工程項目施工過程中，針對干硬性混凝土預制塊進行強度檢測，是保障水力工程項目施工質量與施工安全的重要技術手段。特別是近些年來，隨著全國各地水利工程項目的蓬勃發展以及對于干硬性預制混凝土塊的大量應用，使得各地水利工程就各類干硬性預制混凝土塊強度檢測的要求和標準也越來越高。本文對干硬性混凝土預制塊強度檢測方法進行簡要介紹，重點介紹超聲波無損檢測方法，并結合水利工程的具體應用介紹其應用方法和效果。

1 干硬性混凝土預制塊強度檢測方法研究現狀

由于齡期對于干硬性預制混凝土塊的強度具有明顯影響，幾乎所有的干硬性預制混凝土塊強度均會隨著齡期的變化而變化，因此國內外有不少同行業者或科研人員針對干硬性預制混凝土塊在不同齡期的強度檢測開展了研究。

在國外，Rahmani等[1]首先提出基于回彈法測定干硬性預制混凝土塊不同齡期的回彈模量，而后根據實際測得回彈模量計算驗證其抗壓強度和抗剪切強度；Levieth等[2]將彈性波反射法應用于干硬性預制混凝土塊的無損檢測領域，利用彈性波在干硬性預制混凝土塊中的傳遞情況來判斷干硬性預制混凝土塊是否存在裂縫等質量缺陷；Korde等[3]采用雷達掃描技術和紅外線熱普技術相結合的方式，使得干硬性預制混凝土塊的強度檢測邁入了信息化數據采集、計算、分析、對比的新領域，大幅增強了對于大數量干硬性預制混凝土塊強度檢測的效率。

在國內，沈家文等[4]基于超聲波傳播速度受到傳播介質密實度影響的原理，對使用超聲波檢測技術檢測干硬性預制混凝土塊強度的實用性和精確度等進行了探究，這為超聲波開展干硬性預制混凝土塊強度檢測研究提供了經典范例；晏露超等[5]利用超聲波平測法對水利工程干硬性預制混凝土塊內部的鋼筋排布方式、鋼筋抗拉、鋼筋抗折、混凝土塊抗斜裂等進行了試驗探究，這對于無損檢測鋼筋的保護層厚度、鋼筋的力學效能而言是非常大的科研突破；

吳玉厚等[6]在深度調研水利工程項目干硬性預制混凝土塊安裝施工特點的基礎上，提出依托于改進引導濾波的水利工程項目干硬性預制混凝土塊具體安裝點位強度檢測法，這便為水利工程干硬性預制混凝土塊在對應安裝點位的強度是否滿足質量需求提供了較為有效的檢測路徑。

2 傳統檢測方法分析

目前在全國各地，檢測成本較低、適用于水利工程施工現場開展干硬性預制混凝土塊強度檢測的傳統方法，主要有回彈法、拉脫法和鉆芯法。

2.1 回彈法

所謂回彈法，就是利用回彈儀，對于不同齡期的干硬性預制混凝土塊開展回彈儀夯擊測試，而后根據回彈儀的夯擊讀數測算干硬性預制混凝土塊是否達到設計強度。回彈儀主要由彈擊桿、彈擊拉簧、彈擊錘、刻度尺等組成，使用回彈儀是最傳統、最普遍的干硬性預制混凝土塊強度檢測方法[7]。

在具體使用回彈儀的過程中，一般是將回彈儀的彈擊桿對準干硬性預制混凝土塊的某個部位，而后借助彈擊拉簧的彈性向檢測部位進行按壓，繼而釋放彈擊拉簧，這樣在回彈儀的刻度尺上就會顯示出干硬性預制混凝土塊檢測點的混凝土強度。回彈法的優點是成本低、操作方面、推廣普及面廣，其缺點在于回彈儀會對干硬性預制混凝土塊的檢測部位形成一定的彈擊傷害，有時甚至會出現破壞干硬性預制混凝土塊的情況[8]。

2.2 拉脫法

拉脫法是利用拉脫儀拉拔干硬性預制混凝土塊芯樣的一種方法。拉脫儀一般由三瓣夾頭、力矩桿、加緊拉脫裝置、反力桿、減速箱、加力轉換裝置、數據采集裝置等構成[9]。拉脫法的檢測實施步驟，一般是在干硬性預制混凝土塊的檢測面上，通過切割鉆取的方式，鉆取一個直徑均值為40mm、深度均值為40mm的圓形芯樣，在不取出、不折斷芯樣的基礎上，將拉脫儀的三瓣夾頭對準檢測芯樣并緊緊“咬住”芯樣，而后通過持續調整加力轉換裝置，借助反力桿、力矩桿持續增加三瓣夾頭對于檢測芯樣的拉拔力，當檢測芯樣出現臨界強度極限（即出現拉拔損壞時），讀取拉拔儀數據采集裝置上的數據，以此判斷檢測芯樣的臨界破壞強度是否達到設計強度的標準值[10]。

2.3 鉆芯法

鉆芯法，顧名思義就是利用專業的干硬性預制混凝土塊鉆芯儀器或金剛石鉆頭，在干硬性預制混凝土塊的某一位置、某一深度處鉆取一定尺寸的芯樣[11]。而后再將芯樣放置在抗壓測試儀器或剪切測試儀器上開展抗壓實驗和抗剪切實驗，最終得到芯樣處于臨界破壞狀態時的抗壓強度與抗剪切強度。通常情況下，鉆芯法為了降低芯樣在抗壓、抗剪切測試中的試驗誤差，會在同一干硬性預制混凝土塊上鉆取3至6個芯樣進行抗壓、抗剪切試驗檢測，因此鉆芯法是對干硬性預制混凝土塊破壞傷害最大的檢測方法之一。

3 超聲波無損檢測方法及其應用

由于回彈法、拉脫法、鉆芯法等既會對干硬性預制混凝土塊造成一定的破壞，又無法對干硬性預制混凝土塊開展大批量的全覆蓋檢測。因此針對干硬性預制混凝土塊的強度檢測開展無損檢測應用探究，具有十分重要的理論和實踐價值。

3.1 基本原理

對于水利工程中干硬性預制混凝土塊而言，隨著齡期的增加，其密度和強度也會逐漸增強。當超聲波在不同齡期的干硬性預制混凝土塊中傳遞時，干硬性預制混凝土塊的強度越大，那么超聲波的傳播聲速也就越高。基于超聲波的傳播聲速，可以判斷相應聲速對應的干硬性預制混凝土塊強度是否達到了要求[12]。

3.2 檢測方法

根據有關研究可知，基于超聲波對水利工程干硬性預制混凝土塊強度開展無損檢測應用的理論函數式如式（1）和式（2）所示。

式中，

v——經過水利工程干硬性預制混凝土塊的超聲波傳播波速，km∕s；

E——水利工程干硬性預制混凝土塊的壓縮模量，MPa；

Μ——水利工程干硬性預制混凝土塊的泊松比；

Ρ——水利工程干硬性預制混凝土塊的密度量，kg∕m3。

一般情況下，預制構件混凝土的壓縮模量、泊松比和密度，均可以采用與預制構件同原料的混凝土制作標準試塊經實驗室試驗測得[13]。

式中，

R——不同齡期時干硬性預制混凝土塊的抗壓強度，MPa；

E——干硬性預制混凝土塊的壓縮模量，MPa；

V——經過干硬性預制混凝土塊的超聲波傳播波速，m∕s；

Λ——干硬性預制混凝土塊的拉曼系數；

G——干硬性預制混凝土塊的抗壓切變模量，MPa。

一般情況下，預制構件混凝土的壓縮模量、拉曼系數和抗壓切變模量，均可以采用與干硬性預制混凝土塊同原料的混凝土制作標準試塊經實驗室試驗測得[14]。

利用超聲波檢測儀，借助超聲波在被檢測干硬性預制混凝土塊中的傳播波速以及式（1）和式（2），計算驗證干硬性預制混凝土塊在不同齡期的抗壓強度是否滿足設計要求，以此實現對于水利工程干硬性預制混凝土塊的大批量無損檢測。

3.3 應用實例

位于我國湖北省內的某水利工程項目，需要制備安裝4塊干硬性預制混凝土塊（干硬性預制混凝土塊尺寸為10m×8m×6m），制備期間干硬性預制混凝土塊的抗壓強度需要進行檢測確認。經查閱干硬性預制混凝土塊的設計文件發現，案例項目中4塊干硬性預制混凝土塊的施工配合比如下：水泥230kg∕m3、粉煤灰85kg∕m3、礦渣110kg∕m3、細骨料砂730kg∕m3、粗骨料石1050kg∕m3、拌合水160kg∕m3、SPI型減水劑12.0kg∕m3、膨脹劑30.0kg∕m3。

質量檢測人員按照上述配合比制作干硬性預制混凝土標準試塊，經實驗室檢測確定待檢測的干硬性預制混凝土塊，其壓縮模量E=3.3×104MPa，泊松比μ=0.26，密度ρ=2407kg∕m3，拉曼系數λ=4.82，抗壓切變模量G=1.15×104MPa。質量檢測人員利用超聲波檢測儀，對4塊干硬性預制混凝土試塊進行不同齡期的波速檢測。

（1）1號干硬性預制混凝土試塊在第7天齡期時測得超聲波傳遞波速為308m∕s，在第14天齡期時測得超聲波傳遞波速為312m∕s，在第28天齡期時測得超聲波傳遞波速為335m∕s；

（2）2號干硬性預制混凝土試塊在第7天齡期時測得超聲波傳遞波速為271m∕s，在第14天齡期時測得超聲波傳遞波速為295m∕s，在第28天齡期時測得超聲波傳遞波速為312m∕s；

（3）3號干硬性預制混凝土試塊在第7天齡期時測得超聲波傳遞波速為322m∕s，在第14天齡期時測得超聲波傳遞波速為341m∕s，在第28天齡期時測得超聲波傳遞波速為362m∕s；

（4）4號干硬性預制混凝土試塊在第7天齡期時測得超聲波傳遞波速為278m∕s，在第14天齡期時測得超聲波傳遞波速為289m∕s，在第28天齡期時測得超聲波傳遞波速為309m∕s。

基于上述超聲波傳播速度檢測數據，利用前文中試驗測得的干硬性預制混凝土試塊壓縮模量、泊松比、密度、拉曼系數、抗壓切變模量以及式（1）和式（2）進行案例項目干硬性預制混凝土試塊抗壓強度計算，得到的計算結果如表1所示。

表1 案例項目4塊預制隔板構件混凝土不同齡期的抗壓強度（單位：MPa）

根據表1的檢測計算結果可以看出，4個干硬性預制混凝土試塊中，1號干硬性預制混凝土試塊、3號干硬性預制混凝土試塊分別在齡期第7天、第14天、第28天時的實際抗壓強度均大于設計抗壓強度，符合質量標準要求；2號干硬性預制混凝土試塊、4號干硬性預制混凝土試塊分別在齡期第7天、第14天、第28天時的實際抗壓強度均小于設計抗壓強度，不符合質量標準要求。

4 結束語

本文以國內外關于水利工程干硬性預制混凝土塊強度檢測的相關研究作為基礎，在梳理總結傳統檢測方法優缺點的同時，指出超聲波無損檢測方法既不會損傷混凝土塊，還可以開展大范圍的檢測，具有良好的應用效果；并將超聲波無損檢測方法用在我國湖北省某水利工程項目4塊干硬性預制混凝土塊不同齡期抗壓強度的檢測中，驗證了超聲波無損檢測方法的使用效果和效率。