考慮碳化因素修正的福建地區(qū)混凝土超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線研究

盛海洋

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院道路工程系， 福建 福州 350007)

考慮碳化因素修正的福建地區(qū)混凝土超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線研究

盛海洋

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院道路工程系， 福建 福州 350007)

經(jīng)過前期大量標(biāo)準(zhǔn)試塊的試驗(yàn)研究得到福建地區(qū)混凝土超聲回彈綜合法的測(cè)強(qiáng)曲線， 但其中并未考慮碳化的影響. 而實(shí)際工程中混凝土難免會(huì)受到不同程度的碳化影響， 碳化也將使得超聲和回彈測(cè)量值發(fā)生變化而影響預(yù)測(cè)精度. 為此， 本文對(duì)若干實(shí)際工程進(jìn)行超聲回彈測(cè)試并測(cè)定碳化值， 最后對(duì)混凝土構(gòu)件取芯并測(cè)得芯樣混凝土強(qiáng)度， 在考慮碳化影響下給出了修正后的福建地區(qū)混凝土超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)曲線. 研究表明， 修正后的曲線與實(shí)測(cè)值吻合較好， 預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差也滿足了規(guī)范誤差限值要求.

混凝土； 超聲回彈綜合法； 測(cè)強(qiáng)曲線； 碳化深度； 信賴域優(yōu)化算法

0 引言

目前， 福建地區(qū)的主要無損檢測(cè)方法為回彈法和超聲回彈綜合法， 回彈法憑借其靈活、 方便快捷等優(yōu)勢(shì)在實(shí)際工程當(dāng)中得到了廣泛的應(yīng)用， 相關(guān)的規(guī)定和研究也比較成熟[1]. 現(xiàn)行的《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》[2](以下簡(jiǎn)稱《回彈規(guī)程》)對(duì)回彈法測(cè)量精度的影響因素作了規(guī)定， 這些因素包括儀器本身的穩(wěn)定性、 檢測(cè)方法、 外界環(huán)境因素以及碳化深度等[3-5]. 其中， 碳化深度是保證回彈儀精度的最重要的因素之一， 相關(guān)研究表明， 適量的碳化會(huì)增大回彈值， 而過量碳化則會(huì)造成混凝土強(qiáng)度的急劇下降[6-7]. 《回彈規(guī)程》從碳化深度值的測(cè)量以及對(duì)混凝土回彈測(cè)強(qiáng)曲線的修正這兩個(gè)方面著手， 考慮碳化深度對(duì)預(yù)測(cè)強(qiáng)度的影響， 而在利用超聲回彈法進(jìn)行強(qiáng)度預(yù)測(cè)時(shí)， 碳化深度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響并沒有相關(guān)規(guī)范. 雖然有部分城市針對(duì)各自的情況制定相應(yīng)的地方性標(biāo)準(zhǔn)， 但是從中也可以看出， 碳化深度等因素對(duì)測(cè)強(qiáng)曲線精度的影響隨不同地區(qū)有著較大差異， 因此并不能將其直接用于預(yù)測(cè)福建地區(qū)的混凝土強(qiáng)度[8-10]. 此外， 對(duì)于碳化深度大于6 mm的老舊工程和長(zhǎng)齡期的混凝土結(jié)構(gòu)， 《回彈規(guī)程》中沒有進(jìn)一步區(qū)分碳化深度的影響， 是否在超聲回彈法中有類似的規(guī)律也有待驗(yàn)證.

基于前期研究中所建立的福建地區(qū)超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)曲線， 對(duì)某實(shí)際工程中的梁、 柱構(gòu)件進(jìn)行鉆芯取樣， 同時(shí)進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè). 通過對(duì)比福建地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線所推算抗壓強(qiáng)度和實(shí)際芯樣的抗壓強(qiáng)度， 分析了過量碳化深度對(duì)福建地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線的影響， 并對(duì)其進(jìn)行了修正.

1 地區(qū)超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線

作者在前期研究中依據(jù)福建地區(qū)常用的混凝土配合比， 并且選用地區(qū)常用的原材料制作不同齡期混凝土試塊， 并由此建立考慮福建地區(qū)的超聲測(cè)強(qiáng)曲線并進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證. 參考《回彈規(guī)程》的規(guī)定， 根據(jù)福建地區(qū)常用的配合比澆筑不同齡期的C15、 C20、 C25、 C30、 C35、 C40共6個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的立方體混凝土試塊， 按照《回彈規(guī)程》的相關(guān)養(yǎng)護(hù)規(guī)定進(jìn)行養(yǎng)護(hù). 依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果， 首先利用《回彈規(guī)程》中的測(cè)強(qiáng)曲線進(jìn)行強(qiáng)度預(yù)測(cè)， 發(fā)現(xiàn)全國(guó)測(cè)強(qiáng)曲線所得到的結(jié)果的相對(duì)誤差er=24.04%, 遠(yuǎn)大于《回彈規(guī)程》的限值15%， 因此有必要為福建地區(qū)建立地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線.

圖1 測(cè)強(qiáng)曲線強(qiáng)度預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較Fig.1 Strength curve of strength prediction results compared with the measured results

將試驗(yàn)測(cè)得的大量數(shù)據(jù)利用基于信賴域的優(yōu)化方法對(duì)曲線進(jìn)行進(jìn)一步擬合， 得到地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線如下式：

將所測(cè)得的數(shù)據(jù)代入， 齡期為28 d， 部分?jǐn)?shù)據(jù)及預(yù)測(cè)強(qiáng)度與實(shí)際強(qiáng)度的比較如表1和圖1所示， 從結(jié)果中可以明顯看出， 福建地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線的精度相比全國(guó)測(cè)強(qiáng)曲線有了明顯的提高. 進(jìn)一步計(jì)算得到的地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線的相對(duì)誤差值er=12.02%， 小于《回彈規(guī)程》所規(guī)定的14%的地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線限值.

表1 部分測(cè)試結(jié)果及試塊預(yù)測(cè)強(qiáng)度(地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線)

2 基于實(shí)測(cè)結(jié)果的碳化修正研究

由于以上地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線的建立過程是在材料實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行， 無法考慮混凝土碳化深度的影響， 因此在這一部分研究中將利用實(shí)際工程的檢測(cè)結(jié)果， 對(duì)建立的測(cè)強(qiáng)曲線進(jìn)行修正.

2.1 試驗(yàn)概況

圖2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及取芯Fig.2 Field test and coring

實(shí)測(cè)中采用的儀器是由北京海創(chuàng)高科科技有限公司生產(chǎn)的HT-225T一體式數(shù)顯回彈儀和HC-U81系列超聲波混凝土檢測(cè)儀， 在進(jìn)行測(cè)試前按照《回彈規(guī)程》進(jìn)行了相應(yīng)標(biāo)定. 試驗(yàn)首先針對(duì)某外國(guó)語學(xué)校學(xué)生宿舍樓的部分梁、 柱表面進(jìn)行超聲回彈測(cè)試， 共抽取22個(gè)， 按照《鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(以下簡(jiǎn)稱《鉆芯規(guī)程》)， 對(duì)梁、 柱構(gòu)件進(jìn)行鉆芯取樣， 梁、 柱設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)范圍為C30～C45， 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及取芯如圖2所示. 每個(gè)芯樣試件都符合《鉆芯規(guī)程》的標(biāo)準(zhǔn)芯樣的規(guī)定， 每個(gè)構(gòu)件分2個(gè)測(cè)區(qū)， 部分測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示. 現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過超聲和回彈測(cè)試后對(duì)相應(yīng)構(gòu)件進(jìn)行取芯， 以芯樣強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果作為預(yù)測(cè)目標(biāo)值進(jìn)行相應(yīng)的曲線修正.

表2 部分構(gòu)件芯樣混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

2.2 碳化數(shù)據(jù)分析

本次試驗(yàn)按照《回彈規(guī)程》的規(guī)定， 在測(cè)區(qū)表面形成15 mm的孔洞， 清除孔洞內(nèi)的雜物后， 將濃度為1%～2%的酚酞酒精滴入孔洞內(nèi)壁， 待分界線清晰后， 測(cè)量3次取平均值作為最終結(jié)果， 碳化深度對(duì)相同設(shè)計(jì)強(qiáng)度混凝土的回彈值、 超聲值以及實(shí)測(cè)強(qiáng)度的影響見圖3. 從圖中可以看出， 總體上3個(gè)變量都隨碳化深度的增加而有所降低， 這充分說明碳化是造成構(gòu)件強(qiáng)度降低的主要影響因素之一.

需要指出的是， 本文中通過取芯測(cè)得的混凝土強(qiáng)度是依據(jù)《鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度規(guī)程(CECS03-2011)》[11]規(guī)范中的7.0.5條規(guī)定對(duì)混凝土強(qiáng)度fcu進(jìn)行計(jì)算后與預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較.

圖3 碳化深度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響Fig.3 Influence of carbonization depth of the test result

2.3 測(cè)強(qiáng)曲線對(duì)強(qiáng)度推測(cè)結(jié)果的精度分析

將所測(cè)得的44組數(shù)據(jù)代入式(1)， 所得的部分結(jié)果如圖4所示. 從圖中可以明顯看出， 未考慮碳化深度影響的福建地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線所預(yù)測(cè)的強(qiáng)度值明顯偏離實(shí)際芯樣強(qiáng)度值， 進(jìn)一步計(jì)算相對(duì)誤差er=32.96%， 不符合《回彈規(guī)程》的限制， 必須加以修正.

2.4 考慮碳化深度的福建地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線修正

在原有曲線中加入碳化深度這一變量， 以芯樣強(qiáng)度作為目標(biāo)值對(duì)式中的參數(shù)進(jìn)行回歸分析. 計(jì)算通過Matlab運(yùn)行， 為保證相關(guān)參數(shù)不發(fā)生過大的偏差， 采用基于信賴域優(yōu)化計(jì)算方法對(duì)每個(gè)計(jì)算參數(shù)的上下限進(jìn)行限制， 本文采用的信賴域方法可以對(duì)參數(shù)優(yōu)化過程的每個(gè)參數(shù)的取值范圍進(jìn)行分別設(shè)定， 在修正過程也可以有效避免優(yōu)化陷入局部最優(yōu)解而非全局最優(yōu)解的情況出現(xiàn)， 同時(shí)該方法也具有更快的收斂速度. 整個(gè)擬合過程在MATLAB程序中編程加以實(shí)現(xiàn)， 擬合后的公式如下:

將所測(cè)數(shù)據(jù)代入經(jīng)過碳化深度修正的測(cè)強(qiáng)曲線， 繪制預(yù)測(cè)誤差柱狀圖， 進(jìn)一步將不同測(cè)強(qiáng)曲線的預(yù)測(cè)結(jié)果繪制在同一個(gè)坐標(biāo)系上加以比較， 如圖5及圖6所示. 由圖中可見， 修正后的福建地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線與芯樣強(qiáng)度的擬合度較好， 所得數(shù)據(jù)的平均相對(duì)誤差er=11.81%， 不僅遠(yuǎn)小于未修正的測(cè)強(qiáng)曲線， 并且符合《回彈規(guī)程》規(guī)定的14%的限值.

圖4 強(qiáng)度預(yù)測(cè)值與芯樣實(shí)測(cè)值比較Fig.4 Strength of the predicted values and the measured values for core samples

圖5 考慮碳化修正前后福建地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線誤差比較Fig.5 Consider carbide Fujian area measurement curves before and after correction error comparison

圖6 修正后的預(yù)測(cè)值與實(shí)際芯樣強(qiáng)度的比較Fig.6 The revised comparison of the predicted values and the actual strength of core samples

2.5 修正后福建地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證修正后福建地區(qū)曲線的準(zhǔn)確性， 進(jìn)一步選取另外兩個(gè)檢測(cè)工程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)， 包括某教學(xué)樓的6組芯樣數(shù)據(jù)， 以及某樓盤53#樓的17組芯樣數(shù)據(jù). 將2個(gè)地區(qū)共23組芯樣數(shù)據(jù)代入式(2)， 所得到的兩種曲線的精度結(jié)果如圖7、 圖8所示， 表3進(jìn)一步比較了考慮碳化影響修正前后測(cè)強(qiáng)曲線的誤差分布規(guī)律. 從這些結(jié)果也可以看出， 修正后的曲線的強(qiáng)度明顯優(yōu)于未修正曲線的強(qiáng)度， 其平均相對(duì)誤差為11.27%， 符合《回彈規(guī)程》的標(biāo)準(zhǔn)， 而且正負(fù)誤差的個(gè)數(shù)均衡， 有著較高的可靠度.

圖7 考慮碳化修正前后的福建地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線誤差比較Fig.7 Consider carbide Fujian region before and after correction curves measurement error

圖8 修正后的預(yù)測(cè)值與實(shí)際芯樣強(qiáng)度的比較Fig.8 The revised comparison of the predicted values and the actual strength of core samples

表3 擬合數(shù)據(jù)誤差分析

3 結(jié)語

1) 對(duì)于長(zhǎng)齡期的混凝土而言， 碳化深度對(duì)混凝土強(qiáng)度有著不可忽略的影響， 因此在應(yīng)用超聲回彈綜合法預(yù)測(cè)混凝土強(qiáng)度時(shí)有必要考慮其對(duì)預(yù)測(cè)精度的影響.

2) 在前期建立的福建地區(qū)超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮碳化深度的影響對(duì)曲線進(jìn)行了修正， 經(jīng)過在實(shí)際工程中的測(cè)量結(jié)果與取芯強(qiáng)度的比較， 證明修正后的測(cè)強(qiáng)曲線能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度， 其值相對(duì)較小, 符合《回彈規(guī)程》的要求.

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(責(zé)任編輯： 蔣培玉)

Modifiedregionalpredictioncurvesofconcretestrengthconsideringcarbonationdepththroughultrasonic-reboundcombinedmethod

SHENG Haiyang

(Department of Road Engineering， Fujian Chuanzheng Communications College， Fuzhou， Fujian 350007， China)

In the previous study, a regional prediction curve to predict the strength of concrete in Fujian province has been provided based on the experimental results. However, the carbonation effect was neglected. For a particular concrete component, the carbonation effect is considered to be an inevitable factor which has a great influence on the strength, as well as the measured rebound and ultrasonic values. Therefore, the ultrasonic-rebound combined method is applied to some real projects, and the carbonation depth and the core strength of the components are measured. A modified regional prediction curve is proposed by taking into account different levels of carbonation depth. The comparison results show that the modified curve has great agreement with the measured core strength. Limit error is found in the proposed modified curve and the maximum error meet the specification requirements for maximum error on the current code.

concrete; ultrasonic-rebound combined method; prediction curve; carbonation depth； trust-region method

TU502. 4

A

10.7631/issn.1000-2243.2017.04.0572

1000-2243(2017)04-0572-05

2016-06-09

盛海洋(1963-)， 教授、 理學(xué)博士， 主要從事交通土建工程質(zhì)量檢測(cè)的研究， 2437509522@qq.com

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51578159)； 福建省交通運(yùn)輸廳交通運(yùn)輸科技發(fā)展重點(diǎn)項(xiàng)目(201209); 福建船政交通職業(yè)學(xué)院科技服務(wù)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(閩交院科2016-2)