高性能混凝土抗壓強度超聲檢測及質量提升研究

李鑫隆 敖清文 李勇

摘要 為了對高性能混凝土的抗壓強度進行檢測，文章研究搭建了超聲檢測試驗環境，并對抗壓強度超聲檢測結果進行了分析。為了對高性能混凝土的抗壓強度進行提升，研究對工業廢渣摻和料進行了選取，并對不同摻和料在抗壓強度上的作用進行了分析。結果顯示，測距為42 cm時是最合適的距離。當硅灰單摻的摻量為8%時，其對應的抗壓強度是最高的，數值為16.8 MPa。在混摻上，硅灰、礦粉和粉煤灰的摻量分別為6%、30%和20%時，效果更好，抗壓強度為18.25 MPa。

關鍵詞 高性能；超聲檢測；抗壓強度；測距；混凝土

中圖分類號 TU528文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）08-0052-04

0 引言

在建筑領域中，混凝土是十分常見的材料，且該材料的強度影響著建筑結構的性能[1]。因此，對混凝土的強度進行檢測和提升便顯得尤其重要。針對混凝土強度的檢測，目前最常用的方法是超聲波測試；針對混凝土強度的提升，目前的熱門方法是通過工業廢渣來改進混凝土的性能[2-3]。然而，這些方法都存在一定的不足，如超聲波測試中的超聲平測法本身還不夠完善，部分實際應用在科學依據上存在缺失[4]。通過工業廢渣來改進混凝土性能的方法不僅可以充分利用廢棄資源，而且還具有良好的填充作用，能對混凝土的力學性能進行良好的改進。然而，這種方法對多種摻和料混摻制備高性能混凝土還沒有更深入的研究[5-6]。因此，研究將基于超聲波測試的兩種方法來搭建高性能混凝土的強度檢測試驗環境，并對強度檢測結果進行分析。此外，為了提升高性能混凝土的抗壓強度，研究也對摻和料進行了選擇，并對不同摻和料在高性能混凝土抗壓及抗折強度上的影響進行了分析。

1 超聲檢測試驗環境搭建及高性能混凝土制備

為了對高性能混凝土抗壓強度進行超聲檢測，并對其進行質量提升，研究先對超聲檢測試驗環境進行了搭建，并對高性能混凝土的原材料進行了重新選擇，以期提升高性能混凝土的抗壓強度。隨后，基于搭建好的超聲檢測試驗環境，對不同測距下高性能混凝土的抗壓強度進行了分析，以期確定更具有優勢的檢測距離。最后，研究對重新選擇原材料的高性能混凝土的抗壓強度和抗折強度進行了分析，探討了不同摻料對高性能混凝土抗壓強度和抗折強度的影響。

超聲波測試主要分為兩種，分別為超聲對測法和超聲平測法[7]。為了對高性能混凝土的抗壓強度進行檢測，研究在超聲對測法和超聲平測法的基礎上對檢測試驗進行了搭建。首先，選取了10種高性能混凝土，該高性能混凝土包含了水泥、硅灰、自來水和萘系高效減水劑。其中，硅灰的摻量為12%。研究將選取到的高性能混凝土分為三組來進行對比試驗，分別命名為A組、B組和C組，其中，A組中有6個試件，B組和C組皆有2個試件，且三組試件皆從不同的面來進行檢測，如側面、底面。A組需要進行平測測距對比，B組和C組除了進行平測側面對比外，還需要分別進行底面對比和對測側面對比。測距過大會造成檢測結果的不穩定，而測距過小會導致誤差過大[8]。因此，為了找到合適的測距來對高性能混凝土的抗壓強度進行檢測，研究將基于選取的試件來進行試驗。

為了提升高性能混凝土的抗壓強度，研究對高性能混凝土的原材料進行了重新選擇。大部分的工業廢渣都具有火山灰性，能夠被摻入混凝土中，并能與混凝土發生二次水化反應，增強混凝土的力學性能[9-10]。研究選取的高性能混凝土制備材料有水泥、石灰巖碎石、萘系高效減水劑、粉煤灰、硅灰和礦渣。其中，水泥為硅酸鹽水泥，主要包含了堿、三氧化硫和氧化鎂。該水泥的初凝時間為108 min，終凝時間為158 min。此外，3 d試驗時間下該水泥的抗折強度和抗壓強度分別為6.9 MPa和35.7 MPa，而28 d試驗時間下的抗折強度和抗壓強度分別為10.3 MPa和68.5 MPa。萘系高效減水劑的減水率為22%，礦渣為S95等級微粉。

2 高性能混凝土抗壓強度超聲檢測結果分析

在搭建好實驗環境，并制備好重新選擇原材料的高性能混凝土后，研究將確定更具有優勢的測距。為了確定合適的平測及對測測距，并將其應用在高性能混凝土的抗壓強度檢測中，研究進行了不同測距下的高性能混凝土強度對比試驗。在試驗的過程中，研究發現當測距低于20 cm或高于50 cm時，測試的結果便會受到較大的影響。因此，研究在20～50 cm的范圍內對試驗測距進行選取，分別為20 cm、28 cm、36 cm、42 cm和50 cm。高性能混凝土超聲檢測結果如圖1所示。

通過圖1（a）可以看出，當測距為28 cm時，回歸測強曲線的乘冪為3.842 5。當測距為36 cm時，乘冪為4.619 7。當測距為42 cm和50 cm時，乘冪分別為4.971 3和5.293 6。抗壓強度的最大值皆為68.7 MPa，最小值皆為14.3 MPa。由此可知，當測距為50 cm時，能夠更方便地對高性能混凝土的抗壓強度進行檢測。然而，當測距為50 cm時，檢測出來的數據存在離散性較大的弊端。因此，測距為42 cm時便是最合適的距離。

在采用超聲檢測法時，超聲波會順著檢測面來進行傳播。因此，每一個檢測面都會有和其相對應的回歸測強曲線乘冪，且每一個檢測面對檢測的影響也是不一樣的。由圖1（b）可知，當測距皆為42 cm時，平測底面的乘冪為4.284 3，而平測側面的乘冪為4.729 2。可以看出，平測側面的乘冪是明顯地大于平測底面的，這也說明了通過平測側面來對高性能混凝土的抗壓強度進行檢測更具有優勢。

超聲對測法具有較為完整的混凝土測強公式，而平測法在實際應用中存在檢查面可選范圍大等優勢。通過圖1（c）可以得知，當平測測距為42 cm，對測測距為28 cm時，平測側面的乘冪為4.992 7，對測側面的乘冪為4.983 4。可以看出，此時平測側面的乘冪要略微大于對測側面的乘冪，這也說明了此時平測側面更具有優勢。

3 高性能混凝土的抗壓強度及抗折強度分析

為了提升高性能混凝土的質量，研究對其原材料進行了重新選取。針對該高性能混凝土的質量提升效果分析，研究主要從抗壓強度和抗折強度兩個方面來進行展開。為了對高性能混凝土的抗壓強度進行測試，研究采用高性能混凝土試件的大小為160 mm×160 mm×160 mm。為了驗證高性能混凝土的力學性能，研究分析了單摻和混摻在抗壓強度上的作用。在對混摻在抗壓強度上的作用進行分析之前，研究需要先設計正交實驗，對不同方案的目標孔隙率和硅灰、礦粉及粉煤的灰摻量進行設計。單摻在抗壓強度上的作用如圖2所示。

通過圖2（a）可以看出，當硅灰的摻量為0%、2%、4%、6%和8%時，其對應的高性能混凝土抗壓強度為8.5 MPa、15.2 MPa、16.3 MPa、16.5 MPa和16.8 MPa。隨著硅灰摻量的增加，高性能混凝土的抗壓強度也在增加，而增幅是先急劇上升，之后再緩慢增加。由圖2（b）可知，當礦渣的摻量為0%、10%、20%、30%和40%時，其對應的高性能混凝土抗壓強度為8.4 MPa、14.2 MPa、15.1 MPa、15.7 MPa和15.8 MPa。隨著礦渣摻量的增加，高性能混凝土的抗壓強度也在增加。此時抗壓強度的增長幅度是先達到最大，之后再急劇縮小，最后再慢慢變小。通過圖2（c）可以得知，當粉煤灰的摻量為0%、5%、10%和20%時，其對應的高性能混凝土抗壓強度為8.2 MPa、9.3 MPa、9.2 MPa和9.0 MPa。當粉煤灰的摻量為25%和30%時，其對應的抗壓強度分別為8.7 MPa和8.3 MPa。隨著粉煤灰摻量的增加，高性能混凝土的抗壓強度先是增加，之后便是逐漸減少。抗壓強度增加時的變動幅度最大，摻量為25%和30%時的減少幅度最大。由此可知，單摻硅灰在高性能混凝土抗壓強度提升上的效果更好，單摻礦渣其次，單摻粉煤灰的效果排在最末位。混摻在抗壓強度上的作用如圖3所示。

通過圖3可以看出，方案1的實際測孔隙率為29.5%，硅灰、礦粉和粉煤灰的摻量分別為2%、10%和10%，抗壓強度為13.83 MPa。方案2的實際測孔隙率為27.7%，硅灰、礦粉和粉煤灰的摻量分別為2%、20%和20%，抗壓強度為13.99 MPa。方案3的實際測孔隙率為28.1%，硅灰、礦粉和粉煤灰的摻量分別為2%、30%和30%，抗壓強度為14.34 MPa。方案4的實際測孔隙率為29.2%，硅灰、礦粉和粉煤灰的摻量分別為4%、10%和20%，抗壓強度為14.66 MPa。方案5的實際測孔隙率為28.3%，硅灰、礦粉和粉煤灰的摻量分別為4%、20%和30%，抗壓強度為15.44 MPa。方案6的實際測孔隙率為29.4%，硅灰、礦粉和粉煤灰的摻量分別為4%、30%和10%，抗壓強度為15.89 MPa。方案7的實際測孔隙率為27.4%，硅灰、礦粉和粉煤灰的摻量分別為6%、10%和30%，抗壓強度為16.96 MPa。方案8的實際測孔隙率為28.5%，硅灰、礦粉和粉煤灰的摻量分別為6%、20%和10%，抗壓強度為17.89 MPa。方案9的實際測孔隙率為29.8%，硅灰、礦粉和粉煤灰的摻量分別為6%、30%和20%，抗壓強度為18.25 MPa。由此可知，方案9的抗壓強度更大，效果更好，可以對混凝土的力學性能進行較好地改善。為了對高性能混凝土的抗折強度進行測試，研究采用的高性能混凝土的試件大小為110 mm×110 mm×410 mm。單摻礦物摻和料在抗折強度上的作用如表1所示。

通過表1可以看出，當硅灰摻量為0%、2%、4%、6%和8%時，抗折強度分別為1.26MP、2.49 MPa、2.67 MPa、2.88 MPa和2.79 MPa。當礦粉摻量為0%時，抗折強度為1.23 MPa。當礦粉摻量為10%、20%、30%和40%時，抗折強度分別為2.53 MPa、2.53 MPa、2.82 MPa和2.75 MPa。當粉煤灰摻量為0%時，抗折強度為1.44 MPa。

當粉煤灰摻量為5%、10%、20%、25%和30%時，抗折強度分別為1.45 MPa、1.47 MPa、1.56 MPa、1.54 MPa和1.51 MPa。由此可知，單摻硅灰、礦粉和粉煤灰都能在一定程度上提升抗折強度，且單摻硅灰的效果更佳。

4 結論

為了對高性能混凝土的抗壓強度進行檢測，研究搭建了超聲檢測試驗環境，并對抗壓強度超聲檢測結果進行了分析，以期確定更具有優勢的測距。為了對高性能混凝土的質量進行提升，研究對其原材料進行了重新選擇，并對不同摻和料在抗壓強度上的作用進行了分析。結果顯示，測距為42 cm時是最合適的距離，且此時平測側面優于平測底面。當平測測距為42 cm，對測測距為28 cm時，平測側面更具有優勢。在單摻上，硅灰的效果更好，且當硅灰的摻量為8%時，其對應的抗壓強度是最高的，數值為16.8 MPa。礦渣的效果其次，且當礦渣的摻量為40%時，其對應的抗壓強度是最高的，數值為15.8 MPa。粉煤灰的效果最佳，且當粉煤灰的摻量為5%時，其對應的抗壓強度是最高的，數值為9.3 MPa。在混摻上，硅灰、礦粉和粉煤灰的摻量分別為6%、30%和20%時，效果更好，抗壓強度為18.25 MPa。在抗折強度上，單摻硅灰的效果更好，其次是單摻礦粉和單摻粉煤灰，且三者對應的最大值分別為2.88 MPa、2.82 MPa和1.56 MPa。研究結果可以用于現實中高性能混凝土抗壓強度的檢測和提升。

參考文獻

[1]焦柯， 吳桂廣， 賴鴻立， 等. 基于相似度法的混凝土結構建筑群安全評估方法[J]. 建筑技術， 2022（1）： 111-115.

[2]Bourne D P， Mulholland A J， Sahu S， et al. An inverse problem for Voronoi diagrams： A simplified model of non-destructive testing with ultrasonic arrays[J]. Mathematical Methods in the Applied Sciences， 2020（5）： 3727-3745.

[3]程時濤， 何浩祥， 王崢， 等. 基于新型損傷變量的多尺度改性混凝土性能分析及評定[J]. 應用基礎與工程科學學報， 2023（3）： 752-766.

[4]Qin F， Wu Y， Guo H， et al. Laser ultrasonic nondestructive testing based on nonlinear ultrasonic coefficient[J]. Russian Journal of Nondestructive Testing， 2020（3）： 209-221.

[5]李整建. 纖維增強高性能混凝土力學性能的數值模擬研究[J]. 混凝土， 2023（6）： 109-114.

[6]程明， 余紅發， 張麗芳， 等. ASR抑制下高性能混凝土的長期抗鹵水腐蝕性[J]. 建筑材料學報， 2023（3）： 310-316.

[7]張昭宇， 胡一丹， 宋顏峰， 等. 電力設備機械振動-超聲波融合檢測傳感器研制及應用[J]. 中國電機工程學報， 2023（14）： 5713-5722.

[8]趙佰秋， 孟立新， 于笑楠， 等. 多通道超聲的雙向單程偽距測量研究[J]. 電子測量與儀器學報， 2020（9）： 174-180.

[9]黃福云， 周志明， 莊一舟， 等. 整體橋高性能混凝土樁-土相互作用試驗研究[J]. 巖土力學， 2022（3）： 591-601.

[10]何翔， 喬險濤， 喻鵬， 等. 工業固廢粉末對自密實高性能混凝土性能的影響[J]. 硅酸鹽通報， 2023（11）： 4017-4026.