超聲回彈綜合法檢測(cè)再生混凝土強(qiáng)度

劉 倩，劉京紅，劉 婷，張仕樺

（1. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北 保定 071001；2. 天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384； 3. 中冀石化工程設(shè)計(jì)有限公司，河北 保定 071001；4. 保定廣成建筑設(shè)計(jì)有限公司, 河北 保定 071000）

面對(duì)建筑行業(yè)快速發(fā)展帶來資源嚴(yán)重浪費(fèi)以及環(huán)境惡化這一系列問題，再生骨料混凝土的應(yīng)用可有效減少對(duì)天然砂石的開采，節(jié)約枯竭的資源，使環(huán)境污染得到改善［1-5］。眾多學(xué)者在再生混凝土的取代率、配合比、力學(xué)性能等方面進(jìn)行了許多針對(duì)性研究［6-8］。大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明混凝土的抗壓強(qiáng)度值與其超聲聲速值、回彈值均具有緊密聯(lián)系，超聲回彈綜合法可有效檢測(cè)再生混凝土的實(shí)際抗壓強(qiáng)度［9-11］。

有關(guān)專家對(duì)再生混凝土力學(xué)性能以及針對(duì)超聲回彈綜合法檢測(cè)普通混凝土的研究均較全面，并得出再生混凝土粗骨料較佳取代率是50%［12］，但是針對(duì)再生混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)方面的研究很少，基于此，試驗(yàn)選取取代率是50%的再生骨料混凝土進(jìn)行無損檢測(cè)試驗(yàn)，并應(yīng)用回彈法和超聲回彈綜合法這2 種方法建立滿足要求的測(cè)強(qiáng)回歸曲線。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

顎式破碎機(jī)、DBS-300 型頂擊標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)、混凝土試驗(yàn)用攪拌機(jī)、混凝土振動(dòng)臺(tái)、YAW-2000D 型微型控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)、ZC3-A 型混凝土回彈儀和非金屬超聲檢測(cè)儀等。

1.2 試驗(yàn)材料

粗骨料：試驗(yàn)所用再生混凝土骨料來自破碎路面所得廢棄混凝土塊，經(jīng)過2 次破碎和篩分得到的級(jí)配良好的再生骨料，試驗(yàn)選天然碎石作為天然骨料，均取粒徑5～20 mm，級(jí)配良好，具體性能見下表1～表3。

表1 粗骨料的性能指標(biāo)Table 1 Performance indicators of coarse aggregate

細(xì)骨料：選用天然河沙（中砂），其細(xì)度模數(shù)2.51，粒徑＜5 mm，級(jí)配良好，具體見表2。

表2 細(xì)骨料級(jí)配Table 2 Fine aggregate gradation

水泥：試驗(yàn)選用金隅牌普通硅酸鹽水泥P.O 42.5R 進(jìn)行試驗(yàn)，力學(xué)性能見表3。

表3 水泥的力學(xué)性能Table 3 The mechanical properties of cement

水：試驗(yàn)室自來水。

減水劑：試驗(yàn)選用聚羧酸高性能減水劑，其減水率為25%，經(jīng)多次試配后確定摻量為0.29%。

1.3 試驗(yàn)配合比

經(jīng)計(jì)算以及試配調(diào)整后，確定試驗(yàn)實(shí)際用配合比見表4，其中A、B 類為C40、C45 強(qiáng)度等級(jí)再生混凝土。

表4 再生骨料混凝土的配合比Table 4 The mix proportion of recycled aggregate concrete

1.4 試驗(yàn)試件

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了2 個(gè)強(qiáng)度等級(jí)：再生骨料混凝土C40、C45；每個(gè)強(qiáng)度等級(jí)分別對(duì)應(yīng)3 個(gè)齡期，25 組（3塊/組）標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊（尺寸：150 mm×150 mm ×150 mm）?；炷恋臄嚢璨捎没炷翑嚢铏C(jī)攪拌，制做標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊（如圖1），拆模后先將其放于養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行7 d 的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，而后將其置于室外陰涼處開始自然養(yǎng)護(hù)，并按“品”字形放置（如圖2）。

圖1 試塊的制作Fig.1 Preparation of test specimens

圖2 試塊的養(yǎng)護(hù)Fig.2 Test specimens curing

1.5 測(cè)試過程

根據(jù)規(guī)程［11］中相關(guān)規(guī)定，試塊分別于7、14和28 d 時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，針對(duì)每一塊試塊的測(cè)試順序?yàn)椋?/p>

（1）回彈值的確定：共記錄16 個(gè)回彈數(shù)據(jù)，后期去除3 個(gè)較大值、3 個(gè)較小值，最后選擇平均數(shù)作為每試塊于此齡期的回彈值，供后期數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)使用。

（2）超聲聲速的確定：每一試塊對(duì)應(yīng)3 個(gè)超聲聲速，取3 者平均作為該試塊此齡期的超聲聲速。

（3）抗壓強(qiáng)度的確定：當(dāng)以上2 者測(cè)試完以后，取回彈測(cè)試面進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，連續(xù)勻速的對(duì)試塊進(jìn)行加荷，直到試塊被壓壞，記錄破壞時(shí)峰值。詳細(xì)測(cè)點(diǎn)布置和測(cè)量方面見圖3、圖4、圖5。

圖3 超聲測(cè)點(diǎn)與回彈測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Ultrasonic point and rebound point layout diagram

圖4 試塊的位置Fig.4 Position of test block

圖 5 回彈值和超聲聲速的測(cè)量Fig.5 Rebounding and ultrasonic speed test

2 結(jié)果分析

2.1 回彈值與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

為了研究再生混凝土回彈值與抗壓強(qiáng)度兩者之間的密切關(guān)系，把在每個(gè)齡期所測(cè)得的關(guān)系數(shù)據(jù)繪制于圖6 中。

圖6 回彈值與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.6 Relationship between ultrasonic sound and compressive strength

觀察圖6（a）、（b）兩柱狀圖得到，抗壓強(qiáng)度值和回彈值均隨著齡期的增長(zhǎng)呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中C40 強(qiáng)度等級(jí)再生混凝土28 d 的實(shí)際抗壓強(qiáng)度相比7 d 約高出32%，回彈值約高出20%，C45 強(qiáng)度等級(jí)再生混凝土28 d 實(shí)際抗壓強(qiáng)度相比7 d 時(shí)約高出37%，回彈值約高出20%，由此可見，抗壓強(qiáng)度的隨齡期增長(zhǎng)的增幅大于回彈值隨齡期增長(zhǎng)的增幅。由散點(diǎn)圖（c）可以發(fā)現(xiàn)：抗壓強(qiáng)度與回彈值之間關(guān)系點(diǎn)近似處于條帶范圍內(nèi)，抗壓強(qiáng)度隨著回彈值的增長(zhǎng)呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，近似線性，二者存在緊密相關(guān)性。

2.2 超聲波與抗壓強(qiáng)度關(guān)系

為了研究再生混凝土的超聲聲速與實(shí)際抗壓強(qiáng)度兩者之間的相關(guān)性，現(xiàn)將測(cè)得的關(guān)系數(shù)據(jù)繪制于圖7。

圖7 超聲波與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.7 Ultrasonic speed between ultrasonic sound and compressive strength

圖7 柱狀圖（a）明顯可見：齡期增長(zhǎng)的同時(shí)，再生混凝土的超聲聲速呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中C40 強(qiáng)度等級(jí)的再生混凝土28 d 的超聲聲速值較7 d 約高出5%，C45 強(qiáng)度等級(jí)的再生混凝土28 d 超聲聲速值較7 d 約高出6%，超聲聲速增幅明顯低于同時(shí)期抗壓強(qiáng)度值的增幅和回彈值的增幅。由散點(diǎn)圖（b）中點(diǎn)的分布情況看：再生混凝土超聲聲速與其實(shí)際抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系點(diǎn)近似處于相同條帶范圍內(nèi)，并且實(shí)際測(cè)得抗壓強(qiáng)度隨著超聲聲速值的增長(zhǎng)也呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，二者存在緊密相關(guān)性。

2.3 應(yīng)用全國(guó)統(tǒng)一曲線結(jié)果

將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)處理后，代入公式（1）中，并進(jìn)行誤差分析，見表5。

表5 應(yīng)用全國(guó)統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線的誤差分析Table 5 The error analysis of the national unified measurement curve

全國(guó)統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)［20］：若所得相對(duì)誤差er＞15%，不能使用規(guī)程中的曲線。由表5 可知，再生混凝土的er＞＞15%，故不能直接使用普通混凝土（碎石）全國(guó)統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線來計(jì)算再生混凝土的實(shí)際抗壓強(qiáng)度，下文將采用2 種方法（回彈法和超聲回彈綜合法）分別建立適合試驗(yàn)中再生混凝土的回歸曲線。

2.4 回彈法擬合曲線

應(yīng)用回彈法擬合再生混凝土抗壓強(qiáng)度曲線，選取2種模型——冪函數(shù)模型與二次多項(xiàng)式函數(shù)模型，即=aRb和=aR2+bR+c，通過Oringe 對(duì)再生混凝土試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，計(jì)算回歸系數(shù)a、b、c，得出回歸曲線，下面將擬合回歸曲線繪于圖8。

圖8 再生骨料混凝土回彈法測(cè)強(qiáng)曲線 （再生混凝土骨料）Fig.8 Curve of concrete strength by rebound method of recycled aggregate concrete

擬合回歸公式分析見表6。

表6 再生混凝土回彈法測(cè)強(qiáng)回歸公式Table 6 Regression formula of concrete strength by rebound method of recycled concrete

對(duì)圖8 曲線評(píng)價(jià)：通過對(duì)回歸模型精度指標(biāo)的評(píng)價(jià)確定回歸曲線的準(zhǔn)確性，規(guī)程［22］中對(duì)專用測(cè)強(qiáng)曲線誤差（平均相對(duì)誤差δ 和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差er）有以下的規(guī)定為：δ＜12.0%，er＜14%。圖8 顯示，2種模型擬合曲線均貫穿于數(shù)據(jù)點(diǎn)中，由表6 數(shù)據(jù)分析，以上回歸曲線的平均誤差及其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差均滿足規(guī)范要求，由于相關(guān)性一般，故回彈法有一定的局限性。

2.5 超聲回彈綜合法檢測(cè)再生混凝土強(qiáng)度回歸曲線的建立與分析

將齡期7 ～28 d 期間所測(cè)得的回彈值、超聲聲速值和實(shí)際抗壓強(qiáng)度值的數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制在圖9 中，采用規(guī)范推薦使用的模型——冪函數(shù)fccu=aVbRc與多項(xiàng)式函數(shù)fccu=aV+bR+c 進(jìn)行綜合法測(cè)強(qiáng)回歸曲線的擬合，擬合曲面見圖9，回歸公式分析見表7。

圖9 再生骨料混凝土回歸曲面 Fig.9 The recycled aggregate concrete fitting results

擬合回歸公式見表7。

表7 再生混凝土超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)回歸公式Table 7 Ultrasonic-rebound strength curve of recycled concrete

圖9 顯示再生混凝土2 種回歸模型擬合的曲面穿插于數(shù)據(jù)點(diǎn)中，擬合效果較好，通過表7 數(shù)據(jù)分析，上表中回歸公式的相對(duì)誤差滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)系數(shù)較好，擬合精度較高，相比2 種回歸模型，采用冪函數(shù)擬合的公式相關(guān)性更高，計(jì)算得到的相對(duì)誤差較小，可靠性更高。對(duì)比回彈法回歸曲線可以發(fā)現(xiàn)，綜合法的誤差更小，相關(guān)系數(shù)更高，針對(duì)再生骨料混凝土強(qiáng)度檢測(cè)，綜合法的適用性更加強(qiáng)，此特性與普通混凝土相同，推薦使用。

3 結(jié)論

試驗(yàn)一共制作且測(cè)試了150 塊再生混凝土（再生混凝土骨料取代率是50%）立方體試塊進(jìn)行研究，對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，用于2 種回歸曲線的建立和誤差分析。得出結(jié)論如下：

（1）再生混凝土的回彈值、超聲聲速和抗壓強(qiáng)度值均隨著齡期（7 ～28 d）增長(zhǎng)呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，但增長(zhǎng)幅度不同。

（2）經(jīng)過計(jì)算和對(duì)比，得出應(yīng)用全國(guó)統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線誤差較大，不滿足規(guī)范要求，所以其不能用在工程中再生混凝土的強(qiáng)度推定。

（3）對(duì)比回彈法而言，超聲回彈綜合法更適合再生混凝土強(qiáng)度的預(yù)測(cè)且冪函數(shù)回歸模型結(jié)果較佳，測(cè)量精度高，推薦使用。