基于水工混凝土多種檢測技術(shù)質(zhì)量評價(jià)分析

劉寶祥

(北票市長皋水利服務(wù)站，遼寧 朝陽 122109)

混凝土質(zhì)量在很大程度上決定了水利工程的安全運(yùn)行，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題必須及時(shí)有效的處理修復(fù)，該過程投入的資金巨大且往往難以取得較好的效果。因此，一次澆筑成型符合設(shè)計(jì)質(zhì)量要求的混凝土對工程安全運(yùn)行非常重要。為了保證工程建設(shè)質(zhì)量，加強(qiáng)對施工過程的監(jiān)管，對混凝土質(zhì)量利用多種技術(shù)檢測就顯得極為重要?？茖W(xué)合理的應(yīng)用各種檢測技術(shù)，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工中所存在的問題，通過改進(jìn)施工技術(shù)保證混凝土澆筑質(zhì)量，為工程預(yù)期目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供可靠保障。

1 工程概況

該水利工程的泄洪洞、溢洪道等屬2級建筑物，大壩為1級。運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)1#、2#泄洪洞局部洞身段滲水量較大且襯砌混凝土存在一定程度的凍融破壞，為加快施工進(jìn)度實(shí)現(xiàn)提前發(fā)電目標(biāo)，在工程建設(shè)期間洞身混凝土未按設(shè)計(jì)要求襯砌。另外，1#溢洪洞進(jìn)口引渠底寬12m，長度為24.0m；隧洞位于0+750m-0+025m處，洞高13.8m，寬9.0m，襯砌混凝土等級為C30。2#溢洪洞布置及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與1#基本相同，隧洞段位于0+810m-0+025m，引渠段長48m。

2 水工混凝土多種檢測技術(shù)

2.1 混凝土抗壓強(qiáng)度檢測技術(shù)

2.1.1 回彈檢測技術(shù)

回彈檢測法是一種對重錘加力，在回彈儀彈簧釋放時(shí)沖擊桿以恒力撞擊檢測面，受沖擊后重錘彈至最高，將其被反彈的最大距離用標(biāo)尺測出，以彈簧初始長度與反彈距離的比值即回彈值，作為與強(qiáng)度相關(guān)的指標(biāo)推定混凝土強(qiáng)度的檢測方法[1-3]。

混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為30MPa，利用回彈法檢測1#、2#溢洪道襯砌混凝土強(qiáng)度結(jié)果見表1。結(jié)果顯示，強(qiáng)度測量值明顯低于設(shè)計(jì)值，混凝土強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

表1 回彈法抗壓強(qiáng)度檢測值

2.1.2 超聲波法

對于混凝土均質(zhì)性與內(nèi)部缺陷的檢測，超聲波法具有較好的適用性與可行性[4]。在混凝土中超聲波的強(qiáng)度大小與傳播速度密切相關(guān)，可以利用二者之間的相關(guān)特征描述混凝土強(qiáng)度與超聲波波速的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上確定其強(qiáng)度等級。超聲波經(jīng)過混凝土內(nèi)部脫空、裂縫、不密室等質(zhì)量缺陷時(shí)會導(dǎo)致部分損耗，明顯降低超聲波頻率、波幅、波速等參數(shù)，接收器顯示的信號也會發(fā)生改變?；炷两Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度利用波速來判斷時(shí)，一般認(rèn)為波速越低則結(jié)構(gòu)質(zhì)量越差；強(qiáng)度越低，同一標(biāo)段波速變化幅度越不均勻則說明混凝土澆筑越不均勻。采用超聲波法檢測的溢洪洞混凝土質(zhì)量，如表2所示。

表2 超聲波法檢測結(jié)果

由表2可知，超聲波波速在1#、2#溢洪道各檢測部位存在較大偏差，最大、最小值為4175m/s和1470m/s，左右側(cè)墻波速明顯不均。一般地，波速分布越均勻則混凝土澆筑的越均勻，波速越均勻且越高則混凝土越密室、強(qiáng)度也越高。因此，對該溢洪道襯砌混凝土利用超聲波法檢測，結(jié)果顯示存在澆筑不均勻、不密室的缺陷。

2.1.3 鉆芯取樣法

實(shí)質(zhì)上，鉆芯法就是在被檢測部位鉆芯取樣并按編號包裝帶回試驗(yàn)室，采用壓力試驗(yàn)機(jī)檢測混凝土試塊破壞時(shí)的強(qiáng)度，由此確定混凝土結(jié)構(gòu)最大抗壓強(qiáng)度的一種方法[5-7]。該方法能夠直接有效地檢測混凝土強(qiáng)度，其檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確直觀，在工程檢測中的應(yīng)用也最為廣泛。采用鉆芯法檢測溢洪洞混凝土強(qiáng)度，如表3所示。

表3 鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度

由表3可知，采用鉆芯法檢測的1#、2#溢洪洞左右側(cè)墻及底板混凝土強(qiáng)度均低于30MPa的設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

2.2 保護(hù)層厚度測量

工程結(jié)構(gòu)中鋼筋耐久性受混凝土保護(hù)層厚度的影響，可以通過比較保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)值與測量值的大小來判斷，其值越大則耐久性越好；反之，則耐久性越差。針對鋼筋保護(hù)層厚度利用鋼筋檢測儀測定，結(jié)果顯示1#溢洪洞左側(cè)墻0+065-0+085段、0+150-0+170段保護(hù)層厚度平均值為35mm和25mm，整段保護(hù)層厚度平均值為70mm；右側(cè)強(qiáng)的0+425-0+710段保護(hù)層平均值為28mm，整段平均值為91mm。2#溢洪洞左側(cè)墻、右側(cè)墻的保護(hù)層厚度平均值為95mm和91mm?？傮w而言，1#溢洪洞測墻混凝土保護(hù)層厚度偏差較大，多段厚度明顯不均。

2.3 碳化深度檢測

工程中，混凝土結(jié)構(gòu)不可避免的會產(chǎn)生碳化，一旦混凝土澆筑不夠密實(shí)出現(xiàn)空洞、孔隙等質(zhì)量缺陷，空氣中二氧化碳及水汽與混凝土中的氫氧化物相結(jié)合，在結(jié)構(gòu)表面形成碳化層。若結(jié)構(gòu)內(nèi)部沒有孔隙空洞碳化層可有效阻止進(jìn)一步碳化，碳化層不溶于水而氫氧化物屬堿性物質(zhì)，因此混凝土碳化狀態(tài)可以用酚酞溶液來檢測。碳化深度測量過程中，在回彈值測區(qū)內(nèi)應(yīng)先用電動沖擊鉆或手工鑿鑿鉆深70mm、直徑20mm的孔洞，然后清理干凈孔洞內(nèi)的粉末，在孔洞內(nèi)壁邊緣滴1.0%-2.0%的酚酞乙醇溶液，并觀察孔洞的顏色變化。若混凝土已碳化則不變色，若已碳化則顯示為紅色，對不變色的深度L(碳化深度值)利用精度為0.5mm的碳化深度測定儀測量，如表4所示。

表4 碳化程度分級標(biāo)準(zhǔn)

檢測結(jié)果顯示，1#溢洪洞左側(cè)墻0+080-0+140段、右側(cè)墻0+450-0+600段的碳化深度超過保護(hù)層厚度，混凝土達(dá)到嚴(yán)重碳化；2#溢洪洞右側(cè)墻的碳化深度未超過保護(hù)層平均厚度，混凝土屬于正常碳化。因此，溢洪洞左右側(cè)墻質(zhì)量差異大，混凝土澆筑存在不均勻現(xiàn)象。

2.4 凍融破壞檢測

探底雷達(dá)法是通過發(fā)射天線以短脈沖寬頻帶的形式利用高頻電磁波從地面送入介質(zhì)的內(nèi)部，經(jīng)檢查物反射至表面的一種檢測技術(shù)，其接受與傳輸原理如圖1所示。

圖1 電磁波傳輸與接受原理

勘探過程中，地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波被近似為均勻平面波，物體的幾何形態(tài)及其電學(xué)性質(zhì)決定了電磁波的傳播特征，一旦物體出現(xiàn)空隙、間斷或者幾何形態(tài)變化不均等情況，將明顯改變電磁波的波幅、波形等參數(shù)[8]。根據(jù)反射波原理確定主機(jī)接受的雙程旅時(shí)間，然后利用混凝土中電磁波的傳播速度可以計(jì)算出混凝土的厚度。相對介電常數(shù)決定了電磁波的波速，其計(jì)算式為：

(1)

式中：V為波速，m/s；C、εr為物體的相對介電常數(shù)和物體中電磁波的傳播速度，m/s。采用下式確定經(jīng)不同物體界面時(shí)電磁波的反射系數(shù)，即：

(2)

式中：ε1、ε2為介電常數(shù)。根據(jù)公式(2)可知，物體的相對介電常數(shù)差異決定了電磁波的反射系數(shù)，差異越大則反射系數(shù)越大。

混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以利用雷達(dá)圖像剖面圖來描述，剖面圖的紀(jì)錄形式主要是脈沖反射波的波形。對該水利工程溢洪洞襯砌結(jié)構(gòu)及圍巖，采用人工控制移動天線的方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)透視掃描，在實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控的同時(shí)采集數(shù)據(jù)，結(jié)合雷達(dá)剖面圖像判斷目標(biāo)體或者反射界面。本次利用頻率為1200MHz的天線進(jìn)行探測，結(jié)果如圖2所示。

(a)脫空

(b)不密實(shí)

由圖2可知，該水利工程1#、2#溢洪洞都存在多段不密室、脫空等質(zhì)量缺陷，這表明混凝土澆筑不合格導(dǎo)致后期存在凍融循環(huán)破壞。

2.5 鋼筋銹蝕狀態(tài)評定

混凝土澆筑前，若未對鋼筋實(shí)施防銹處理，時(shí)間一久就會產(chǎn)生銹蝕，特別是嚴(yán)重碳化的部位鋼筋銹蝕更為嚴(yán)重[9-10]。此外，由于混凝土存在露筋、空洞或澆筑不密室等質(zhì)量缺陷，水分會進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部引起鋼筋的銹蝕。實(shí)際工程中多利用半電池電位法檢測混凝土中鋼筋的銹蝕情況，檢測設(shè)備顯示的電壓穩(wěn)定，設(shè)備連接混凝土后與鋼筋組成全電池系統(tǒng)，若鋼筋銹蝕將引起電位的變化。此外，也可以利用檢測的碳化深度值與混凝土保護(hù)層厚度判斷鋼筋的銹蝕狀態(tài)，該方法省時(shí)省力且操作比較簡單。文章利用碳化深度值與混凝土保護(hù)層厚度評定鋼筋的銹蝕狀況，一旦碳化深度超過保護(hù)層厚度就認(rèn)為混凝土內(nèi)部的鋼筋發(fā)生銹蝕。根據(jù)混凝土碳化深度與保護(hù)層厚度的關(guān)系曲線，線性擬合兩者間的關(guān)系見圖3。

(a)保護(hù)層厚度與碳化深度關(guān)系 (b)碳化深度占保護(hù)層厚度比例

由圖3可看出，隨保護(hù)層厚度的減小混凝土碳化深度逐漸增大，碳化深度占保護(hù)層厚度比例符合線性關(guān)系，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.86，可見混凝土碳化取決于保護(hù)層厚度。而混凝土碳化與鋼筋的銹蝕存在密切聯(lián)系，保護(hù)層厚度小于或接近碳化深度時(shí)鋼筋必定受到銹蝕。碳化層脫落后空氣中的氧氣和水汽，在鋼筋表面發(fā)生電化學(xué)反映生成氧化產(chǎn)物Fe3O4，其體積是鐵的多倍，受氧化物膨脹作用混凝土產(chǎn)生裂縫，隨著氧化的加劇和時(shí)間的延長鋼筋就會從結(jié)構(gòu)中脫落，逐漸失去其功能作用。此外，冬季嚴(yán)寒的凍融作用，對水工混凝土中鋼筋的影響也較大，隨凍融次數(shù)的增加鋼筋銹蝕程度不斷加劇。根據(jù)檢測的混凝土保護(hù)層和碳化深度數(shù)值，可以判定嚴(yán)重碳化部位的鋼筋已經(jīng)發(fā)生銹蝕。

3 質(zhì)量檢測評價(jià)

根據(jù)探地雷達(dá)檢測的凍融破壞結(jié)果、鋼筋銹蝕的狀態(tài)和混凝土強(qiáng)度評價(jià)水工混凝土質(zhì)量狀況，鋼筋銹蝕程度主要依據(jù)保護(hù)層厚度與碳化深度檢測結(jié)果來判斷。根據(jù)檢測結(jié)果，1#、2#溢洪洞側(cè)墻混凝土保護(hù)層厚度不均勻且抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值30MPa，且1#溢洪洞側(cè)墻多段位發(fā)生碳化。結(jié)合探地雷達(dá)檢測結(jié)果，混凝土存在不密實(shí)、多出脫空等質(zhì)量缺陷，鋼筋發(fā)生銹蝕，混凝土質(zhì)量最終可評定為Ⅲ類缺陷。

4 結(jié) 論

文章對水利工程溢洪道襯砌混凝土質(zhì)量利用多種檢測技術(shù)進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示其質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，最終評定為Ⅲ類缺陷?；炷临|(zhì)量在很大程度上決定了工程的正常運(yùn)行和效益的發(fā)揮，各種檢測技術(shù)的合理利用能夠?yàn)楣こ藤|(zhì)量提供可靠保障，全過程監(jiān)管混凝土各施工環(huán)節(jié)非常必要的?？刂坪檬┕るA段的混凝土質(zhì)量，能夠有效避免資源的浪費(fèi)，保證工程安全穩(wěn)定長效運(yùn)行，通過工程實(shí)例分析可以發(fā)揮一定的警示作用，為提升工程質(zhì)量檢測水平提供一定指導(dǎo)。