高寒地區(qū)混凝土超聲回彈綜合法測強曲線*

梁凱軒，王 睿，鄧祥輝，毛寶地

(1.西安工業(yè)大學 建筑工程學院，西安 710021；2.中國水電建設(shè)集團十五工程局有限公司，西安 710065)

我國幅員遼闊，氣候差異很大，高寒地區(qū)分布廣泛，包括西藏自治區(qū)全部和青海省、新疆維吾爾族自治區(qū)、甘肅省、四川省、云南省的部分，這些地區(qū)海拔高，氣壓低、常年低溫，晝夜溫差大，降水量少。由于其特殊的地理位置以及氣候條件，導(dǎo)致新拌混凝土和易性變差、混凝土強度及耐久性降低，對混凝土工作性能產(chǎn)生較大且復(fù)雜的影響[1-2]。因此建立高寒地區(qū)混凝土超聲回彈綜合法測強曲線，對高寒地區(qū)混凝土相關(guān)工作具有重大的工程價值。

文獻[3]使用不同檢測方法對混凝土強度進行檢測，結(jié)果表明超聲-回彈綜合法檢測精度較高。文獻[4]通過試驗，建立了信陽地區(qū)超聲回彈測強曲線，相比全國統(tǒng)一測強曲線精度更高。文獻[5]通過制備試塊，制定福州地區(qū)超聲回彈測強曲線，結(jié)果表明福州地區(qū)超聲回彈測強曲線的抗壓強度預(yù)測值較規(guī)范，誤差較小。

現(xiàn)行規(guī)范《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程》(CECS 02:2005)[6]中的混凝土全國測強曲線是由我國大部分地區(qū)提供的多組數(shù)據(jù)經(jīng)回歸分析得到的，具有廣泛的適用性。但對于高寒地區(qū)，由于復(fù)雜的氣候環(huán)境對混凝土性能的影響，現(xiàn)有的測強曲線預(yù)測結(jié)果誤差較大，精度不夠，不能較好的適用于高寒地區(qū)。針對高寒地區(qū)環(huán)境特征對混凝土性能的影響，文中通過摻入外加劑優(yōu)化高寒地區(qū)混凝土配合比，以保證混凝土的強度和耐久性，通過測試高寒地區(qū)混凝土基本物理力學指標，建立高寒地區(qū)混凝土超聲回彈綜合法地區(qū)測強曲線，并對其進行驗證，為高寒地區(qū)混凝土強度預(yù)測提供參考。

1 高寒混凝土試驗

1.1 高寒混凝土配合比設(shè)計

本試驗地點為甘肅省甘南藏族自治州夏河縣，海拔約2 800 m，氣候為寒冷濕潤類型，年平均氣溫2.6 ℃，年均降水量516 mm，年均無霜期56 d，屬高海拔寒冷地區(qū)。試驗擬配制C50混凝土，水泥選用祁連山牌P·O 52.5硅酸鹽水泥；粗骨料采用礦山碎石，粒徑為5～20 mm，級配良好；細骨料采用河砂，為中粗砂。根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ 55-2011)[7]得到C50高寒普通混凝土配合比(代號P)，見表1。

表1 高寒地區(qū)混凝土配合比

1.2 試驗結(jié)果

制備試塊進行力學試驗和凍融循環(huán)試驗，制備過程中混凝土黏聚性、流動性較差；28 d強度僅為30.4 MPa，未達到設(shè)計要求；75次凍融循環(huán)后混凝土開裂破壞，不能滿足抗凍耐久性要求。結(jié)合高寒地區(qū)混凝土配合比優(yōu)化的現(xiàn)有研究成果[8]，通過加入外加劑并反復(fù)試驗，得到高寒減水混凝土(代號J)和高寒引氣減水混凝土(代號YJ)，具體配合比見表1。

表2 高寒混凝土試驗結(jié)果統(tǒng)計

2 高寒混凝土強度預(yù)測

超聲回彈綜合法是一種成熟可靠的混凝土無損檢測方法，可充分發(fā)揮回彈法以及聲波法兩者各自的優(yōu)勢，有效提高混凝土強度檢測精度，在混凝土強度檢測應(yīng)用比較廣泛[10-12]。故在高寒混凝土強度預(yù)測中仍采用超聲回彈綜合法。

2.1 現(xiàn)行規(guī)范下高寒混凝土強度預(yù)測

粗骨料為碎石時，現(xiàn)行規(guī)范《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程》(CECS 02:2005)中給出的混凝土抗壓強度預(yù)測公式為

(1)

相對誤差為

(2)

將表1中2種混凝土試塊的聲波波速和回彈值代入預(yù)測公式，得到基于現(xiàn)行規(guī)范的高寒地區(qū)混凝土強度預(yù)測值。規(guī)范預(yù)測強度值與實測強度值進行對比，并計算相對誤差，可得高寒減水混凝土強度預(yù)測的相對誤差平均值為36.6%；高寒引氣減水混凝土強度預(yù)測的相對誤差平均值為33.9%。

根據(jù)《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程》(CECS 02:2005)可知，當相對誤差>15%時，國家測強曲線不適用于該地區(qū)混凝土的強度預(yù)測。因此，提出一個可用來準確預(yù)測高寒混凝土抗壓強度的新模型是非常有必要的。

2.2 高寒混凝土超聲回彈綜合法測強曲線的建立與分析

《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 23-2011)[13]中推薦的5種回歸函數(shù)關(guān)系式見表3。

表3 回歸函數(shù)關(guān)系式

根據(jù)表1中2種高寒混凝土的回彈值、聲速值和混凝土的單軸抗壓強度，運用SPSS軟件進行回歸分析，擬合出適用于高寒地區(qū)混凝土強度預(yù)測的5種聲波-回彈-強度函數(shù)關(guān)系，并分別計算相關(guān)性系數(shù)和相對誤差平均值，具體結(jié)果見表4～5。

由表4～5可知，高寒減水混凝土和高寒引氣減水混凝土的5種預(yù)測模型相對誤差均≤15%，且相關(guān)性系數(shù)均大于0.75，擬合度較高，且滿足規(guī)范《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程》(CECS 02:2005)中的相關(guān)要求，擬合方程可信。

高寒減水混凝土和高寒引氣減水混凝土的5種預(yù)測模型較現(xiàn)行規(guī)范推薦的式(1)能更好的用于高寒地區(qū)混凝土強度的預(yù)測。綜合考慮相關(guān)性系數(shù)和相對誤差，結(jié)合規(guī)范推薦的測強曲線推薦方程，提出高寒減水混凝土和高寒引氣減水混凝土強度預(yù)測模型均為冪函數(shù)方程，分別為

(3)

(4)

表5 高寒引氣減水混凝土強度預(yù)測函數(shù)擬合結(jié)果

3 高寒混凝土超聲回彈測強曲線驗證

將表6～7中的試塊抗壓強度預(yù)測值與抗壓強度實測值進行比較分析,結(jié)果表明：高寒減水混凝土抗壓強度預(yù)測值的平均相對誤差為3.13%；高寒引氣減水混凝土抗壓強度預(yù)測值的平均相對誤差為2.78%，均遠小于《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程》(CECS 02：2005)中的要求，說明所建立的高寒混凝土超聲回彈綜合法測強曲線具有較高的可靠性。

表6 高寒減水混凝土強度預(yù)測驗證分析

表7 高寒引氣減水混凝土強度預(yù)測驗證分析

4 結(jié) 論

為了建立高寒地區(qū)混凝土超聲回彈綜合法測強曲線，制作了2種配合比的立方體試塊，進行相應(yīng)的試驗及數(shù)據(jù)擬合，得出以下結(jié)論：

1) 根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計了高寒普通混凝土配合比，并根據(jù)高海拔寒冷地區(qū)的環(huán)境特征通過引入外加劑、調(diào)整水灰比可保障混凝土的強度及耐久性，可得到高寒減水混凝土和高寒引氣減水混凝土的配合比。

2) 針對高寒地區(qū)氣候環(huán)境特征，通過測試高寒減水混凝土和高寒引氣減水混凝土的基本物理力學指標，提出了高寒減水混凝土和高寒引氣減水混凝土超聲回彈綜合法強度預(yù)測模型，并對其可靠性進行了驗證，為高寒地區(qū)混凝土抗壓強度預(yù)測提供可靠的依據(jù)。