無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在預(yù)制混凝土U型槽構(gòu)件中的應(yīng)用分析

李 剛

(于都縣水利局，江西 贛州 342300)

近年來(lái)江西省在農(nóng)田水利設(shè)施上加大投入，逐漸形成多主體、多形式、多渠道的農(nóng)田水利工程建設(shè)新形勢(shì)[1- 3]。預(yù)制混凝土構(gòu)件具有環(huán)保節(jié)材、經(jīng)濟(jì)高效、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，隨著農(nóng)田水利設(shè)施規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)于預(yù)制混凝土構(gòu)件的需求也在逐漸增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一個(gè)農(nóng)田水利重點(diǎn)縣每年對(duì)于U型槽構(gòu)件的投資規(guī)模可達(dá)2000萬(wàn)元，研究農(nóng)田水利U型槽預(yù)制混凝土構(gòu)件的檢測(cè)方法不僅對(duì)保證農(nóng)田水利工程質(zhì)量有利，而且對(duì)目前試驗(yàn)檢測(cè)行業(yè)的最新發(fā)展前景具有十分重要的意義[4- 10]。

回彈法[11]和超聲波法[12- 14]是檢測(cè)混凝土強(qiáng)度最為普及的方法，已在大體積混凝土質(zhì)量檢測(cè)過(guò)程中得到較為成熟的應(yīng)用和發(fā)展，但是，對(duì)于農(nóng)田水利設(shè)施U型槽這種薄壁構(gòu)件的檢測(cè)，目前還沒(méi)有形成一套完整成熟的體系，這主要是因?yàn)楹芏郩型槽構(gòu)件的厚度不足5cm如圖1所示，很難做到測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，而常規(guī)的強(qiáng)度檢測(cè)方法又會(huì)對(duì)構(gòu)件造成損傷，對(duì)于構(gòu)件本身的整體性和完整性不利。因此，通過(guò)回彈法和超聲波法檢測(cè)獲得的數(shù)據(jù)與常規(guī)壓損試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，找到兩者之間的測(cè)強(qiáng)曲線關(guān)系，才能滿足相關(guān)質(zhì)量檢測(cè)要求。

文章對(duì)江西地區(qū)常用的卵石干硬性混凝土以及碎石混凝土構(gòu)件進(jìn)行回彈和超聲波檢測(cè)，結(jié)合外壓破壞試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)U型槽預(yù)制混凝土構(gòu)件的質(zhì)量檢測(cè)方法進(jìn)行探討，獲得各自測(cè)強(qiáng)曲線，以期能為U型槽預(yù)制混凝土構(gòu)件的進(jìn)一步推廣使用提供借鑒。

圖1 混凝土U型槽構(gòu)件示意

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)配比

本次試驗(yàn)針對(duì)卵石干硬性混凝土以及碎石干硬性混凝土進(jìn)行測(cè)試。卵石干硬性混凝土共設(shè)計(jì)7組試驗(yàn)組，采用海螺水泥P.C32.5，粗骨料為天然卵石，單級(jí)配為細(xì)度模數(shù)為2.18-2.32的天然河砂，自來(lái)水pH值=7；碎石干硬性混凝土共設(shè)計(jì)6組試驗(yàn)配比，水泥仍采用海螺水泥P.C32.5，粗骨料為碎石，單級(jí)配，細(xì)骨料為人工砂，細(xì)度模數(shù)為2.5-3.0，自來(lái)水pH=1，具體的配合比情況見(jiàn)表1—2。每組配合比成型2組，1組進(jìn)行超聲回彈試驗(yàn)，另外一組做鉆芯抗壓試驗(yàn)，將成型好的試件放置標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn)[15]。

表1 卵石干硬性混凝土配合比

表2 碎石干硬性混凝土配合比

1.2 試驗(yàn)測(cè)量

(1)回彈測(cè)量。采用ZC36- A 型回彈儀，其主要指標(biāo)參數(shù)為：標(biāo)稱動(dòng)能2.207J、彈擊錘沖擊長(zhǎng)度 75±0.3mm、指針滑塊的摩擦力0.65±0.15N、彈擊拉簧工作長(zhǎng)度61.5±0.3mm、彈擊桿端部球面半徑25±1mm、鋼砧率定值80±2。

(2)超聲波測(cè)量。采用ZBL- U520型非金屬超聲檢測(cè)儀，其主要指標(biāo)參數(shù)為：聲時(shí)精度0.05μs、聲時(shí)測(cè)度范圍0～629000μs、接受靈敏度≤30μv、采樣間隔(周期)0.05μs～400μs、放大器增益80dB、放大器帶寬10kHz～250kHz、幅度分辨率0.39%、發(fā)射脈寬20μs～20ms。

(3)單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)量。采用TYA- 2000E型微機(jī)進(jìn)行應(yīng)力加載試驗(yàn)，最大加載應(yīng)力2000kN，加載速率為0.5MPa/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 回彈法測(cè)強(qiáng)結(jié)果

回彈法測(cè)強(qiáng)結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看到：卵石回彈強(qiáng)度值和碎石回彈強(qiáng)度值隨水膠比的增大均呈先增后減的變化特征，卵石回彈強(qiáng)度最大值為水膠比0.35時(shí)的試驗(yàn)組，碎石回彈強(qiáng)度最大值為水膠比0.55時(shí)的試驗(yàn)組；相同水膠比情況下，碎石組的回彈強(qiáng)度值明顯小于卵石組的回彈強(qiáng)度值，減小幅度約為30%～40%；U型槽混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度不僅與水膠比有關(guān)，也受骨料成分的影響，卵石干硬性混凝土可提高混凝土的流動(dòng)性和和易性，從而具有更高的抗壓強(qiáng)度，但是碎石混凝土中碎石與水泥的膠結(jié)包裹能力更強(qiáng)，但大體積混凝土中具有更高強(qiáng)度，同時(shí)也具有更高的抗折強(qiáng)度，在實(shí)際運(yùn)用中應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行材質(zhì)的選擇。

圖2 回彈法測(cè)強(qiáng)結(jié)果

2.2 超聲波測(cè)強(qiáng)結(jié)果

超聲波測(cè)強(qiáng)結(jié)果如圖3所示。超聲波測(cè)試得到的構(gòu)件混凝土的波速值變化情況較為復(fù)雜，這主要混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)和測(cè)試時(shí)受到的外部因素影響有關(guān)；超聲波波速值越大，表明混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)越致密，密度越高，強(qiáng)度也越高，但是，在測(cè)試過(guò)程中由于受到外部環(huán)境，如測(cè)試面耦合不佳、選擇的測(cè)試點(diǎn)離散性、外部噪音及振動(dòng)干擾等均會(huì)對(duì)測(cè)試波速產(chǎn)生影響，從而也形成了回彈強(qiáng)度與超聲波波速不對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象，這在無(wú)損檢測(cè)中是無(wú)法避免的。

圖3 超聲波測(cè)試結(jié)果

2.3 取芯單軸抗壓強(qiáng)度

單軸抗壓試驗(yàn)得到的強(qiáng)度特征如圖4所示。從圖中可以看到：采用破損法得到的U型槽混凝土預(yù)制構(gòu)件的強(qiáng)度值與回彈法得到的強(qiáng)度值有所區(qū)別，總體而言，破損法試驗(yàn)得到的單軸抗壓強(qiáng)度值略小于回彈法得到的強(qiáng)度值，卵石干硬性混凝土兩者強(qiáng)度值最大相差13.5%，平均相差9.3%，碎石干硬性混凝土兩者強(qiáng)度值最大相差24%，平均相差18.2%；這可能是因?yàn)榛貜梼x測(cè)試時(shí)，彈擊重錘彈擊到的大多是卵石或者骨料，而混凝土抗壓試驗(yàn)更多是體現(xiàn)骨料與膠凝材料的膠結(jié)力，因此，造成回彈強(qiáng)度大于單軸抗壓強(qiáng)度的現(xiàn)象。

2.4 測(cè)強(qiáng)曲線

從上述分析可以得知，無(wú)損檢測(cè)雖然具有檢測(cè)方便、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、效率高等特點(diǎn)，但是由于無(wú)損檢測(cè)通常是通過(guò)電子信號(hào)進(jìn)行的一種測(cè)試方法，很容易受到外部環(huán)境的干擾，造成強(qiáng)度失真，因此，必須建立起無(wú)損檢測(cè)的測(cè)強(qiáng)曲線，對(duì)測(cè)強(qiáng)結(jié)果進(jìn)行修正。

分別考慮回彈強(qiáng)度、超聲波速與單軸抗壓強(qiáng)度的相關(guān)曲線，如圖5所示。從圖中可以看到：卵石干硬性混凝土的回彈強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之間具有良好的對(duì)應(yīng)性，兩者的線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到R^2>0.95，而碎石干硬性混凝土的回彈強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)性較差，R^2僅為0.44；卵石和碎石混凝土的超聲波速與抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)性均較差，均沒(méi)有達(dá)到0.8，但碎石時(shí)的相關(guān)性明顯大于卵石時(shí)的相關(guān)性；可見(jiàn)，僅從回彈強(qiáng)度來(lái)判斷U型槽預(yù)制構(gòu)件時(shí)，受混凝土骨料材質(zhì)的影響，有時(shí)并不適用，而僅從超聲波來(lái)判斷薄壁U型槽混凝土預(yù)制構(gòu)件時(shí)，在準(zhǔn)確性上有待提高。

圖5 無(wú)損檢測(cè)數(shù)據(jù)與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

綜上分析，單獨(dú)采用回彈超聲波法對(duì)U型槽混凝土預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，受材質(zhì)和外部環(huán)境的影響，其準(zhǔn)確性并不高，因此，本文從試驗(yàn)結(jié)果出發(fā)，試圖建立起超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)曲線。假設(shè)預(yù)制混凝土抗壓強(qiáng)度與回彈強(qiáng)度和超聲波速呈如下關(guān)系：

(1)

將上文分析所測(cè)數(shù)據(jù)代入公式(1)，并采用matlab非線性擬合手段，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，分別得到a=0.52，b=1.01，c=0.34，擬合相關(guān)度R^2為0.9559，故(1)式為：

(2)

式(2)即為超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)曲線公式，可通過(guò)式(2)再將回彈和超聲波數(shù)值代入進(jìn)行反演分析，最終得到超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)曲線法換算強(qiáng)度，如圖6所示。從圖中可以看到：超聲回彈綜合測(cè)強(qiáng)法得到的強(qiáng)度值與實(shí)際抗壓強(qiáng)度值十分接近，其中，卵石干硬性混凝土的綜合測(cè)強(qiáng)法強(qiáng)度值與實(shí)際抗壓值之間的最大偏差為4.4%，平均相差2.0%；碎石干硬性混凝土的綜合測(cè)強(qiáng)法強(qiáng)度值與實(shí)際抗壓值之間的最大偏差為9.0%，平均相差僅為5.0，均較回彈法測(cè)得的強(qiáng)度準(zhǔn)確性大為提高，表明本文提出的超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)曲線公式合理可靠。

圖6 超聲波測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有便捷、高效和經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，是現(xiàn)代工程質(zhì)量檢測(cè)發(fā)展的新方向，未來(lái)的應(yīng)用前景十分廣擴(kuò)，但相對(duì)于傳統(tǒng)的破損抗壓試驗(yàn)，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)受U型槽混凝土預(yù)制構(gòu)件的材質(zhì)以及外部環(huán)境等干擾，造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)離散性較大，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，提出超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)曲線公式，經(jīng)非線性反演分析，獲得了較高的強(qiáng)度換算精度，可為無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在農(nóng)田水利U型槽預(yù)制混凝土構(gòu)件中的推廣應(yīng)用提供借鑒。