超聲回彈綜合法檢測堆石混凝土強(qiáng)度的試驗研究

楊 坤，唐曉玲，李友彬，朱伯文

(1.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550028；2.貴州省水利科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550000)

1 概述

堆石混凝土(Rock Filled Concrete，簡稱RFC)是由清華大學(xué)提出的一種新型大體積混凝土施工技術(shù)，該技術(shù)具有施工速度快、高強(qiáng)、耐久、造價低、水化熱溫升較低，溫控相對容易等優(yōu)點，因此得到了廣泛應(yīng)用[1- 3]。但由于堆石混凝土粒徑過大，不同于常規(guī)混凝土，對其抗壓強(qiáng)度很難用常規(guī)的力學(xué)性能試驗檢測[4]。超聲回彈綜合法是一種無損檢測方法[5- 6]，該方法是建立在超聲波傳播速度和回彈值與混凝土抗壓強(qiáng)度之間相關(guān)關(guān)系的基礎(chǔ)上，分別利用回彈儀和超聲波檢測儀在結(jié)構(gòu)混凝土同一被測區(qū)分別測量聲速值及回彈值，利用已建立起來的強(qiáng)度測試公式推算混凝土強(qiáng)度的一種方法，該方法具有快捷、方便、精確等優(yōu)點，因此在混凝土的無損檢測中得到了廣泛應(yīng)用[7- 10]。

目前超聲綜合回彈法應(yīng)用于RFC的研究中，李友彬[11]采用超聲回彈綜合法對某水庫RFC進(jìn)行檢測，獲得了RFC的勻質(zhì)性、密實度等性能規(guī)律。俞長隆[12]結(jié)合理論基礎(chǔ)與試驗應(yīng)用分析了超聲回彈綜合法在RFC強(qiáng)度檢測方面的回彈試驗數(shù)據(jù)，分析其技術(shù)應(yīng)用。以上兩位學(xué)者把超聲回彈綜合法應(yīng)用于RFC的檢測，并得到了RFC相關(guān)的性能指標(biāo)。但目前對于超聲綜合回彈法應(yīng)用于RFC強(qiáng)度檢測的可行性和全國測強(qiáng)曲線是否適用于堆石混凝土強(qiáng)度推算的研究甚少?；诖耍疚膶δ硨嶋H工程試驗倉切割的RFC試件進(jìn)行了超聲綜合回彈和抗壓強(qiáng)度試驗；得出全國測強(qiáng)曲線因誤差不滿足要求不適用推定RFC的強(qiáng)度，用Matlap軟件對RFC的回彈值、聲速值和抗壓強(qiáng)度實測值擬合出了更適用RFC的專用測強(qiáng)曲線，且其精度遠(yuǎn)高于全國統(tǒng)一測強(qiáng)曲線。

2 試驗概況

本次試驗試塊來自于貴州某實際工程澆筑的RFC試驗倉，采用與壩體相同的原材料、相同的施工方法、相同的養(yǎng)護(hù)條件進(jìn)行澆筑的RFC試驗倉，采用繩鋸切割機(jī)對其進(jìn)行切割，然后加工成邊長為300mm和450mm的立方塊試件。對試塊先用超聲波檢測儀和回彈儀進(jìn)行超聲回彈試驗，然后采用的10000kN微機(jī)控制電液伺服壓力試驗機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗。

2.1 試塊原材料

RFC試驗倉采用C9015W6F50等級的自密實混凝土進(jìn)行澆筑，壩體及試驗倉原材料及C15等級的自密實混凝土配合比生產(chǎn)配合比分別見表1—2。

表1 RFC試件原材料

表2 自密實性能混凝土配合比 單位：kg/m3

2.2 試件的制備

采用繩式切割機(jī)切割試驗倉，切割邊長300mm和450mm兩種規(guī)格的立方體試塊各9塊，RFC試驗倉和切割后的試塊如圖1—2所示。

圖1 RCF試驗倉

圖2 切割后的RFC試塊

2.3 試驗儀器與步驟

超聲回彈試驗采用多功能混凝土超聲波檢測儀和一體式數(shù)顯回彈儀，抗壓強(qiáng)度試驗在10000kN微機(jī)控制電液伺服壓力試驗機(jī)進(jìn)行，試驗儀器如圖3所示。

圖3 試驗儀器

實驗步驟如下：

(1)選擇預(yù)測面。預(yù)測面應(yīng)盡可能的避免出現(xiàn)裂紋，裂縫、缺口等問題，選擇規(guī)則、平整、清潔的兩個對立面作為預(yù)測面。

(2)劃分測區(qū)。每塊試塊的2個對立的預(yù)測面為1個測區(qū)，在每個測區(qū)有16個回彈測點，且測點應(yīng)該分布于20cm×20cm范圍，1個測區(qū)2個對立面平均分配8個回彈測點。每2個對立預(yù)測面上沿對角線布置3個超聲測點。測點布置如圖4所示。

圖4 試驗測點布置

(3)超聲回彈檢測。進(jìn)行檢測前，對儀器進(jìn)行檢查與校對；先進(jìn)行回彈檢測，采用水平彈擊，并保證回彈儀軸線垂直于試件測試面，緩慢測試，回彈測讀精確度到1；超聲檢測采用對測法，檢測前先在儀器上設(shè)置好測距，在換能器上需要涂抹耦合劑，聲時測量精確至0.1us，聲速值精確至0.1km/s，測量誤差保證不超過±1%。

(4)抗壓強(qiáng)度測試。超聲回彈試驗完成后，依照SL/T 352—2020《水工混凝土試驗規(guī)程》[13]在壓力試驗機(jī)上進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗。

2.4 試驗數(shù)據(jù)處理

2.4.1回彈代表值與聲速值

對于同一測區(qū)16個回彈值中，去掉最大和最小的3個回彈值，取剩余10個數(shù)據(jù)的平均值作為回彈值最終結(jié)果。計算公式為：

(1)

超聲波聲速的代表值v計算公式為：

v=3L/(t1+t2+t3)

(2)

式中，R—測區(qū)回彈代表值，精確至0.1MPa；Ri—第i個測點的回彈值；L—超聲測距值，mm；v—測區(qū)聲速值，km/s；t1、t2、t3—3個測試點位的聲時值，μs。

2.4.2抗壓強(qiáng)度值

對試件的抗壓強(qiáng)度按照公式來計算，公式為：

(3)

式中,fcu—試件的抗壓強(qiáng)度，MPa；P—破壞荷載，kN；A—受力面積，mm。

2.4.3強(qiáng)度推定值

算出測區(qū)回彈代表值R和測區(qū)聲速值v后，根據(jù)規(guī)范可以算出試件的強(qiáng)度推定值；根據(jù)T/CECS 02—2020《超聲回彈綜合法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》[14](以下簡稱《規(guī)程》)，當(dāng)粗骨料為碎石時，全國統(tǒng)一測區(qū)混凝土抗壓強(qiáng)度換算公式為：

(4)

由公式(4)可計算出每個試塊的強(qiáng)度推定値。但根據(jù)全國統(tǒng)一測強(qiáng)曲線換算測區(qū)混凝土強(qiáng)度時，其相對誤差er應(yīng)該滿足er≤15%，若相對誤差er>15%，則需要另外建立專用或地區(qū)測強(qiáng)曲線。其相對誤差er計算公式為

(5)

3 試驗結(jié)果分析

3.1 試驗測試結(jié)果與推定強(qiáng)度分析

聲速值、回彈值、抗壓強(qiáng)度實測值和全國測強(qiáng)曲線推定強(qiáng)度見表3，RFC試件的實測抗壓強(qiáng)度與回彈值代表值和聲速代表值的關(guān)系分別如圖5—6所示。由圖5—6可知，300mm RFC和450mm RFC立方體試件的聲速代表值和回彈代表值均與試件的實測抗壓強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，回彈值代表值與試件實測抗壓強(qiáng)度相關(guān)性更加明顯，回彈代表值相對于聲速代表值也更集中。由表3可知，2種不同尺寸的試件的強(qiáng)度推定値均與實測強(qiáng)度值存在較大誤差，且強(qiáng)度推定値大于實測值占全部試件的77.8%。由式(4)可算出300mm和450mmRFC立方體試件強(qiáng)度推定値的相對誤差分別為28%和24%，均er>15%，不滿足《規(guī)程》中全國統(tǒng)一測強(qiáng)曲線換算測區(qū)混凝土強(qiáng)度的誤差要求，故需要專用測強(qiáng)曲線再推算RFC試件強(qiáng)度。

3.2 建立專用測強(qiáng)曲線

(6)

利用擬合出來的RFC專用測強(qiáng)曲進(jìn)行強(qiáng)度推定，推定值與實測值對比及推定値的相對誤差見表4，表4得出300mm立方體試件強(qiáng)度推定値的相對誤差為10.1%，450mm立方體試件強(qiáng)度推定値的相對誤差為5.8%，相對誤差均er<12%，其精度遠(yuǎn)高于全國統(tǒng)一測強(qiáng)曲線且滿足《規(guī)程》要求，因此建立RFC專用測強(qiáng)曲線推算試件的強(qiáng)度值是可行的。

表3 聲速代表值、回彈值、強(qiáng)度實測值、全國測強(qiáng)曲線推定値數(shù)據(jù)

圖5 回彈代表值與實測抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖6 聲速代表值與實測抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

表4 強(qiáng)度實測值與專用測強(qiáng)曲線推定値

3.3 全國測強(qiáng)曲線及RFC專用測強(qiáng)曲線與實測值對比分析

300mm和450mmRFC試件的全國測強(qiáng)曲線、RFC專用測強(qiáng)曲線和實測強(qiáng)度對比如圖7所示。由圖7可知，2種不同尺寸RFC試件的全國測強(qiáng)曲線與試件強(qiáng)度實測值相比均存在較大誤差，而建立的RFC專用測強(qiáng)曲線顯然與實測值更接近，且RFC的專用測強(qiáng)曲線精度遠(yuǎn)高于全國測強(qiáng)曲線，故在用超聲綜合回彈法檢測RFC強(qiáng)度時，建立專用測強(qiáng)曲線進(jìn)行強(qiáng)度推算會著更好的預(yù)測。

圖7 實測強(qiáng)度、全國測強(qiáng)曲線、RFC專用測強(qiáng)曲線對比圖

4 結(jié)論

通過對本批次RFC試件進(jìn)行超聲回彈檢測和抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：

(1)RFC的聲速代表值和回彈代表值與抗壓強(qiáng)度存在正相關(guān)關(guān)系，相對于聲速代表值，回彈代表值與抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性更加明顯，且回彈代表值比聲速代表值更集中。

(2)超聲綜合回彈法中利用全國測強(qiáng)曲線推定RCF的強(qiáng)度誤差大于15%，不滿足《規(guī)程》要求，故全國測強(qiáng)曲線不適用于RFC的強(qiáng)度推算，需建立專用測強(qiáng)曲線對RFC進(jìn)行強(qiáng)度推算。

(3)超聲綜合回彈法仍適用于堆石混凝土的強(qiáng)度檢測，但是在進(jìn)行強(qiáng)度的推定時，需用RFC的