公路橋梁施工階段混凝土強度實時監(jiān)測技術(shù)研究

摘 要：公路橋梁是城鄉(xiāng)交通和物流運輸?shù)闹匾d體，其穩(wěn)固性、耐久性在保障道路安全、暢通各領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)鏈等方面起到關(guān)鍵作用，其中混凝土強度直接關(guān)系到工程質(zhì)量、施工安全性和后續(xù)施工行為，在施工過程中開展強度實時監(jiān)測具有必要性。文章面向傳統(tǒng)公路橋梁施工階段混凝土強度檢測技術(shù)弊端，開展混凝土強度實時監(jiān)測技術(shù)研究，并在實時性、持續(xù)性、抗壓性、精準(zhǔn)性四類技術(shù)要點基礎(chǔ)上，提出基于傳感器的混凝土強度實時監(jiān)測技術(shù)，以期為公路橋梁施工提供有益啟示。

關(guān)鍵詞：公路橋梁施工 混凝土 強度監(jiān)測 實時監(jiān)測技術(shù)

公路橋梁工程是為滿足特殊地理位置需求或特殊交通線路需求而開展的工程活動，例如為了保護景觀或降低工程規(guī)模，在山體旁修建高架橋；為了避免公路與公路、公路與鐵路平面交叉修建立體交叉橋等。公路橋梁的穩(wěn)固性、耐久性是保障城鄉(xiāng)交通和物流運輸暢通的前提[1]，其中混凝土強度直接關(guān)系到公路橋梁結(jié)構(gòu)的承載力，確保混凝土強度適宜是降低結(jié)構(gòu)變形等安全風(fēng)險、延長公路橋梁使用壽命的關(guān)鍵之要。然而，傳統(tǒng)混凝土強度檢測技術(shù)的時效性、精準(zhǔn)性、持續(xù)性有限，已難以滿足當(dāng)前公路橋梁施工要求，探索混凝土強度實時監(jiān)測技術(shù)，對于實現(xiàn)公路橋梁工程高質(zhì)量發(fā)展、推動行業(yè)健康發(fā)展具有現(xiàn)實意義。

1 混凝土強度與實時監(jiān)測技術(shù)概述

混凝土，簡稱砼，是指將集料膠結(jié)成整體的工程復(fù)合材料的統(tǒng)稱。由于混凝土具備成本低、強度高、原材料多樣化等顯著特征，在土木工程中得到廣泛應(yīng)用[2]。混凝土強度，即混凝土抵抗壓、拉、彎、剪等應(yīng)力的能力，是衡量其性能的重要指標(biāo)。其中，抗壓能力是混凝土性能評價中最重要的指標(biāo)之一，也是混凝土質(zhì)量與公路橋梁安全質(zhì)量的重要指標(biāo)。混凝土強度不達標(biāo)易引發(fā)工程安全問題，造成生命危險和財產(chǎn)損失。例如2018年天津市天房樾梅江項目應(yīng)使用規(guī)范要求的C25混凝土，但在樓體澆筑過程卻使用了C15混凝土，最終由于強度不達標(biāo)造成已完工的18棟住宅樓全部拆除，面臨巨大的經(jīng)濟損失。

通常來說，混凝土強度分為十四個等級，受原材料質(zhì)量、混凝土配合比、混凝土生產(chǎn)及運輸、施工方式、養(yǎng)護條件、骨料特性等多重復(fù)雜要素影響[3]，呈現(xiàn)出難以控制和難以預(yù)估的特征，也凸顯出混凝土強度實時監(jiān)測的重要性。實時監(jiān)測，即通過現(xiàn)代技術(shù)手段對某一物質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)的持續(xù)采集，以達到對某一指標(biāo)或多個指標(biāo)進行連續(xù)不斷監(jiān)測的目的，從而及時反饋和處理監(jiān)測結(jié)果的過程。利用實時監(jiān)測技術(shù)對混凝土強度，尤其是早期的強度進行監(jiān)測尤為重要，是滿足公路橋梁工程要求，并保障施工速度與安全的重要手段[4]。

2 公路橋梁施工階段混凝土強度實時監(jiān)測的必要性

2.1 確保公路橋梁質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)

在施工階段對混凝土強度實時監(jiān)測，是確保公路橋梁質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)，并承受施加荷載，抵抗自然因素破壞的必要手段。第一，對混凝土強度實時監(jiān)測能夠及時發(fā)現(xiàn)工程存在的隱蔽缺陷，不僅能排除施工階段導(dǎo)致混凝土強度不達標(biāo)的質(zhì)量隱患，還能為工程質(zhì)量問題追溯提供依據(jù)；第二，混凝土強度受多重復(fù)雜因素影響，實時監(jiān)測能及時找到問題源頭，例如監(jiān)測初期混凝土強度不達標(biāo)則考慮混凝土配比問題，終凝后混凝土強度不達標(biāo)則考慮養(yǎng)護問題；第三，通過及時排除隱患、找準(zhǔn)問題源頭，能夠支持工程及時整改，避免施工階段結(jié)束后才發(fā)現(xiàn)混凝土強度不夠造成的成本損失。

2.2 提升公路橋梁施工安全性

施工技術(shù)、工藝存在缺陷是公路橋梁施工過程引發(fā)安全問題的主要因素[5]，工程結(jié)構(gòu)實體混凝土強度評定是確保工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量與安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[6]。公路橋梁工程澆筑模板支撐系統(tǒng)具有受力復(fù)雜、荷載大等特點，容易局部失穩(wěn)或變形，發(fā)生倒塌事故，威脅施工人員生命安全。公路橋梁施工階段混凝土強度實時監(jiān)測作為挖掘施工技術(shù)和工藝缺陷，以及評定混凝土強度的新興技術(shù)，能夠?qū)崟r監(jiān)測并傳回數(shù)據(jù)，讓施工人員明確混凝土當(dāng)下強度情況，對其施工工作形成預(yù)警，對于提升公路橋梁施工安全性具有不可忽視的作用。

2.3 為施工階段提供參考依據(jù)

公路橋梁施工階段環(huán)環(huán)相扣，是相互影響、動態(tài)作用的階段。混凝土強度是否達標(biāo)，不僅會對原材料質(zhì)量、混凝土配比、澆筑方式、養(yǎng)護方法形成驗證，還關(guān)系到后續(xù)施工能否按照計劃進行、何時進行等問題。因此，在公路橋梁施工階段應(yīng)用混凝土強度實時監(jiān)測技術(shù)，能夠為施工階段提供參考依據(jù)，促進工程良好開展。例如通過混凝土強度實時監(jiān)測，為更精準(zhǔn)地確定拆模時間提供參考，不僅在保障混凝土結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的同時提高模板利用率，還能在一定程度上加快施工進度，節(jié)省工程時間和成本[7]。以1973年美國弗吉尼亞州發(fā)生的，由于過早拆除天際線廣場公寓下方支撐模板造成大樓坍塌和14人死亡、34人受傷的事故為例，若通過混凝土強度檢測確定模板拆除時間，則可在很大程度上避免生命財產(chǎn)損失。

3 傳統(tǒng)公路橋梁施工階段混凝土強度檢測技術(shù)弊端

依據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T50081-2019）》，混凝土抗壓強度檢測首先要將拌合物裝入邊長150 mm或者100 mm的試模中振搗，其次等成型拆模后放置在溫度20±2℃、相對濕度95％以上的養(yǎng)護室進行養(yǎng)護，最后至固定齡期節(jié)點用壓力試驗機所測得具有95%保證率的抗壓強度值。這種檢測方法雖然經(jīng)濟簡潔，但公路橋梁施工現(xiàn)場的環(huán)境不可控，很難基于養(yǎng)護標(biāo)準(zhǔn)進行檢測，易造成結(jié)果偏差。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，城市化進程不斷加快，混凝土澆筑基本普及，強度檢測技術(shù)也基本成熟，且多樣化發(fā)展，但仍然存在著一些弊端。

已有強度檢測技術(shù)大致可被劃分為有損檢測和無損檢測兩類。有損檢測技術(shù)包括鉆芯法、射釘法、剪壓法等，其中鉆芯法，即對鉆芯機在公路橋梁內(nèi)部采集的樣本進行強度檢測。這種方法雖然直觀、快捷，而且還能同時檢測出混凝土抗凍性、抗?jié)B性等其他性能，但強度結(jié)果受樣本質(zhì)量支配，取樣過程不合理、樣本質(zhì)量不過關(guān)都可能造成強度檢測結(jié)果失真，并且操作相對復(fù)雜，強度結(jié)果出具時間較長；射釘法，即以標(biāo)準(zhǔn)能量將射釘射入混凝土，若射釘未發(fā)生形變，則可根據(jù)射釘外露的長度評估混凝土的強度情況，長度越長，強度越高。這種方法由于強制管控很難推廣和普及，并且對射釘火藥質(zhì)量難以統(tǒng)一，也會對檢測結(jié)果造成影響；剪壓法，即根據(jù)剪壓儀所施壓力對混凝土局部剪切破壞情況推測其強度。這種方法方便快捷，無需供電，且儀器體積小、重量輕，但使用對象有局限，僅適用于有直角邊、能夠施加剪壓力的混凝土構(gòu)件，并且檢測精度不高。

無損檢測包括回彈法、超聲法、射線法等，其中回彈法，即根據(jù)重物撞擊表面形成的反彈高度測算混凝土強度。這種方法雖然效率高，也不會損壞混凝土結(jié)構(gòu)[8]，但結(jié)構(gòu)表面的強度并不能全面代表混凝土強度，所得結(jié)果僅能作為強度參考依據(jù)；超聲法，即利用超聲波傳播原理，通過計算傳播速度、時間、振幅等數(shù)據(jù)檢測混凝土強度。這種方法也能達到無損檢測目的，但檢測點不同數(shù)據(jù)結(jié)果也會存在差異，并且受外界溫度、濕度和混凝土密度、形狀等影響，穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性相對較低；射線法，即通過射線掃描成像測得，但此方法儀器成本較高，并且射線對測試人員具有一定危害。

除以上提到的弊端之外，檢測不具備持續(xù)性是傳統(tǒng)公路橋梁施工階段混凝土強度檢測技術(shù)的普遍弊端，并且有些檢測技術(shù)人力耗費較大，特別是山體湖泊之間的公路橋梁工程地勢險峻，增加了檢測工作難度。

4 公路橋梁施工階段混凝土強度實時監(jiān)測技術(shù)要點與實踐

4.1 技術(shù)要點

4.1.1 實時性

實時性，即得到強度結(jié)果和實施強度監(jiān)測之間的時間趨于同步。這一技術(shù)要點是公路橋梁施工階段混凝土強度監(jiān)測最基本的原則，也是彌補傳統(tǒng)檢測方法在強度監(jiān)測結(jié)果出具時間與強度監(jiān)測實際時間不一致問題的關(guān)鍵。

4.1.2 持續(xù)性

傳統(tǒng)混凝土強度檢測和混凝土強度監(jiān)測的本質(zhì)區(qū)別在于，檢測往往是單獨一次的行為，而監(jiān)測是持續(xù)重復(fù)的行為。因此，公路橋梁施工階段混凝土強度實時監(jiān)測技術(shù)應(yīng)做到持續(xù)采集、傳輸、反饋相關(guān)強度數(shù)據(jù)，并做好數(shù)據(jù)存儲工作，為相關(guān)人員掌握公路橋梁施工階段混凝土強度變化、安排后續(xù)工作提供依據(jù)。

4.1.3 抗壓性

公路橋梁混凝土結(jié)構(gòu)高大，且施工環(huán)境復(fù)雜，為保障公路橋梁施工階段混凝土強度監(jiān)測的能夠持續(xù)開展，技術(shù)應(yīng)用過程中所涉及的電子元件應(yīng)具備良好抗壓性，避免壓力過大造成監(jiān)測結(jié)果失真、監(jiān)測工作中斷等問題。

4.1.4 精準(zhǔn)度

若公路橋梁施工階段混凝土強度實時監(jiān)測技術(shù)的精準(zhǔn)度不足，則監(jiān)測工作就失去了意義。因此，在設(shè)計混凝土強度實時監(jiān)測系統(tǒng)時，應(yīng)將精準(zhǔn)度放在第一位，通過材料選擇、強度監(jiān)測原理把控、反復(fù)驗證等保障監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確。

4.2 技術(shù)選擇

4.2.1 傳感器技術(shù)在混凝土強度實時監(jiān)測中的優(yōu)勢

傳感器作為一種監(jiān)測裝置，不僅能夠通過“感受”外界數(shù)據(jù)，讓無生命物體擁有感官，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號傳播信息，滿足實時監(jiān)測要求，例如將測得數(shù)據(jù)實時上傳至服務(wù)器，再通過云計算等數(shù)據(jù)處理技術(shù)獲得即時混凝土強度，為混凝土是否達到拆模強度、受凍臨界強度等提供依據(jù)，還具有成本低、響應(yīng)快等優(yōu)點，能普遍適用于各類實時監(jiān)測工作。在此基礎(chǔ)上，按照混凝土強度特點、監(jiān)測技術(shù)要點，以及公路橋梁差異化施工要求改進裝置，便可實現(xiàn)對公路橋梁施工階段混凝土強度的實時監(jiān)測。

4.2.2 基于傳感器的混凝土強度實時監(jiān)測技術(shù)實踐

基于公路橋梁施工階段混凝土強度實時監(jiān)測技術(shù)要點，首先技術(shù)要能保障混凝土強度監(jiān)測的實時性和精準(zhǔn)度。壓電陶瓷（PZT）是通過正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)實現(xiàn)機械能與電能相互轉(zhuǎn)換的特殊電介質(zhì)材料[9]，可作為傳感元件持續(xù)反映出公路橋梁施工階段混凝土的實時強度變化[10]。此外，材料響應(yīng)速度是形狀記憶合金的一萬倍，電信號容易測量和控制等特征，能提高強度監(jiān)測的精準(zhǔn)度；其次，技術(shù)要具備抗壓性，并實現(xiàn)對混凝土強度的持續(xù)監(jiān)測。壓電陶瓷（PZT）可塑性極強，若將其加工至極薄并嵌入柔性結(jié)構(gòu)，則能使裝置具備抗磨損、抗壓等特點，從而持續(xù)傳播電信號，提供混凝土強度數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

公路橋梁施工階段大型設(shè)備操作較多、工藝流程復(fù)雜，且施工條件動態(tài)變化，影響混凝土強度的因素眾多。實時監(jiān)測混凝土強度，對于保障工程質(zhì)量、提高施工安全性，獲得施工參考依據(jù)至關(guān)重要。文章通過研究指出實時性、持續(xù)性、抗壓性、準(zhǔn)確度是公路橋梁施工階段混凝土強度實時監(jiān)測的技術(shù)要點，并以傳感器技術(shù)優(yōu)勢和在公路橋梁施工階段混凝土強度實時監(jiān)測中的適用性、可行性，提出嵌入式壓電傳感器技術(shù)，以期公路橋梁施工科學(xué)化和智能化發(fā)展。

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