干硬性混凝土預(yù)制塊強(qiáng)度檢測(cè)方法及超聲波無損檢測(cè)方法的應(yīng)用

彥 湘

（湖北華夏水利水電股份有限公司，湖北 荊州 434000）

0 引言

在水利工程項(xiàng)目施工過程中，針對(duì)干硬性混凝土預(yù)制塊進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)，是保障水力工程項(xiàng)目施工質(zhì)量與施工安全的重要技術(shù)手段。特別是近些年來，隨著全國各地水利工程項(xiàng)目的蓬勃發(fā)展以及對(duì)于干硬性預(yù)制混凝土塊的大量應(yīng)用，使得各地水利工程就各類干硬性預(yù)制混凝土塊強(qiáng)度檢測(cè)的要求和標(biāo)準(zhǔn)也越來越高。本文對(duì)干硬性混凝土預(yù)制塊強(qiáng)度檢測(cè)方法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，重點(diǎn)介紹超聲波無損檢測(cè)方法，并結(jié)合水利工程的具體應(yīng)用介紹其應(yīng)用方法和效果。

1 干硬性混凝土預(yù)制塊強(qiáng)度檢測(cè)方法研究現(xiàn)狀

由于齡期對(duì)于干硬性預(yù)制混凝土塊的強(qiáng)度具有明顯影響，幾乎所有的干硬性預(yù)制混凝土塊強(qiáng)度均會(huì)隨著齡期的變化而變化，因此國內(nèi)外有不少同行業(yè)者或科研人員針對(duì)干硬性預(yù)制混凝土塊在不同齡期的強(qiáng)度檢測(cè)開展了研究。

在國外，Rahmani等[1]首先提出基于回彈法測(cè)定干硬性預(yù)制混凝土塊不同齡期的回彈模量，而后根據(jù)實(shí)際測(cè)得回彈模量計(jì)算驗(yàn)證其抗壓強(qiáng)度和抗剪切強(qiáng)度；Levieth等[2]將彈性波反射法應(yīng)用于干硬性預(yù)制混凝土塊的無損檢測(cè)領(lǐng)域，利用彈性波在干硬性預(yù)制混凝土塊中的傳遞情況來判斷干硬性預(yù)制混凝土塊是否存在裂縫等質(zhì)量缺陷；Korde等[3]采用雷達(dá)掃描技術(shù)和紅外線熱普技術(shù)相結(jié)合的方式，使得干硬性預(yù)制混凝土塊的強(qiáng)度檢測(cè)邁入了信息化數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、分析、對(duì)比的新領(lǐng)域，大幅增強(qiáng)了對(duì)于大數(shù)量干硬性預(yù)制混凝土塊強(qiáng)度檢測(cè)的效率。

在國內(nèi)，沈家文等[4]基于超聲波傳播速度受到傳播介質(zhì)密實(shí)度影響的原理，對(duì)使用超聲波檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)干硬性預(yù)制混凝土塊強(qiáng)度的實(shí)用性和精確度等進(jìn)行了探究，這為超聲波開展干硬性預(yù)制混凝土塊強(qiáng)度檢測(cè)研究提供了經(jīng)典范例；晏露超等[5]利用超聲波平測(cè)法對(duì)水利工程干硬性預(yù)制混凝土塊內(nèi)部的鋼筋排布方式、鋼筋抗拉、鋼筋抗折、混凝土塊抗斜裂等進(jìn)行了試驗(yàn)探究，這對(duì)于無損檢測(cè)鋼筋的保護(hù)層厚度、鋼筋的力學(xué)效能而言是非常大的科研突破；

吳玉厚等[6]在深度調(diào)研水利工程項(xiàng)目干硬性預(yù)制混凝土塊安裝施工特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出依托于改進(jìn)引導(dǎo)濾波的水利工程項(xiàng)目干硬性預(yù)制混凝土塊具體安裝點(diǎn)位強(qiáng)度檢測(cè)法，這便為水利工程干硬性預(yù)制混凝土塊在對(duì)應(yīng)安裝點(diǎn)位的強(qiáng)度是否滿足質(zhì)量需求提供了較為有效的檢測(cè)路徑。

2 傳統(tǒng)檢測(cè)方法分析

目前在全國各地，檢測(cè)成本較低、適用于水利工程施工現(xiàn)場(chǎng)開展干硬性預(yù)制混凝土塊強(qiáng)度檢測(cè)的傳統(tǒng)方法，主要有回彈法、拉脫法和鉆芯法。

2.1 回彈法

所謂回彈法，就是利用回彈儀，對(duì)于不同齡期的干硬性預(yù)制混凝土塊開展回彈儀夯擊測(cè)試，而后根據(jù)回彈儀的夯擊讀數(shù)測(cè)算干硬性預(yù)制混凝土塊是否達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。回彈儀主要由彈擊桿、彈擊拉簧、彈擊錘、刻度尺等組成，使用回彈儀是最傳統(tǒng)、最普遍的干硬性預(yù)制混凝土塊強(qiáng)度檢測(cè)方法[7]。

在具體使用回彈儀的過程中，一般是將回彈儀的彈擊桿對(duì)準(zhǔn)干硬性預(yù)制混凝土塊的某個(gè)部位，而后借助彈擊拉簧的彈性向檢測(cè)部位進(jìn)行按壓，繼而釋放彈擊拉簧，這樣在回彈儀的刻度尺上就會(huì)顯示出干硬性預(yù)制混凝土塊檢測(cè)點(diǎn)的混凝土強(qiáng)度?；貜椃ǖ膬?yōu)點(diǎn)是成本低、操作方面、推廣普及面廣，其缺點(diǎn)在于回彈儀會(huì)對(duì)干硬性預(yù)制混凝土塊的檢測(cè)部位形成一定的彈擊傷害，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)破壞干硬性預(yù)制混凝土塊的情況[8]。

2.2 拉脫法

拉脫法是利用拉脫儀拉拔干硬性預(yù)制混凝土塊芯樣的一種方法。拉脫儀一般由三瓣夾頭、力矩桿、加緊拉脫裝置、反力桿、減速箱、加力轉(zhuǎn)換裝置、數(shù)據(jù)采集裝置等構(gòu)成[9]。拉脫法的檢測(cè)實(shí)施步驟，一般是在干硬性預(yù)制混凝土塊的檢測(cè)面上，通過切割鉆取的方式，鉆取一個(gè)直徑均值為40mm、深度均值為40mm的圓形芯樣，在不取出、不折斷芯樣的基礎(chǔ)上，將拉脫儀的三瓣夾頭對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)芯樣并緊緊“咬住”芯樣，而后通過持續(xù)調(diào)整加力轉(zhuǎn)換裝置，借助反力桿、力矩桿持續(xù)增加三瓣夾頭對(duì)于檢測(cè)芯樣的拉拔力，當(dāng)檢測(cè)芯樣出現(xiàn)臨界強(qiáng)度極限（即出現(xiàn)拉拔損壞時(shí)），讀取拉拔儀數(shù)據(jù)采集裝置上的數(shù)據(jù)，以此判斷檢測(cè)芯樣的臨界破壞強(qiáng)度是否達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值[10]。

2.3 鉆芯法

鉆芯法，顧名思義就是利用專業(yè)的干硬性預(yù)制混凝土塊鉆芯儀器或金剛石鉆頭，在干硬性預(yù)制混凝土塊的某一位置、某一深度處鉆取一定尺寸的芯樣[11]。而后再將芯樣放置在抗壓測(cè)試儀器或剪切測(cè)試儀器上開展抗壓實(shí)驗(yàn)和抗剪切實(shí)驗(yàn)，最終得到芯樣處于臨界破壞狀態(tài)時(shí)的抗壓強(qiáng)度與抗剪切強(qiáng)度。通常情況下，鉆芯法為了降低芯樣在抗壓、抗剪切測(cè)試中的試驗(yàn)誤差，會(huì)在同一干硬性預(yù)制混凝土塊上鉆取3至6個(gè)芯樣進(jìn)行抗壓、抗剪切試驗(yàn)檢測(cè)，因此鉆芯法是對(duì)干硬性預(yù)制混凝土塊破壞傷害最大的檢測(cè)方法之一。

3 超聲波無損檢測(cè)方法及其應(yīng)用

由于回彈法、拉脫法、鉆芯法等既會(huì)對(duì)干硬性預(yù)制混凝土塊造成一定的破壞，又無法對(duì)干硬性預(yù)制混凝土塊開展大批量的全覆蓋檢測(cè)。因此針對(duì)干硬性預(yù)制混凝土塊的強(qiáng)度檢測(cè)開展無損檢測(cè)應(yīng)用探究，具有十分重要的理論和實(shí)踐價(jià)值。

3.1 基本原理

對(duì)于水利工程中干硬性預(yù)制混凝土塊而言，隨著齡期的增加，其密度和強(qiáng)度也會(huì)逐漸增強(qiáng)。當(dāng)超聲波在不同齡期的干硬性預(yù)制混凝土塊中傳遞時(shí)，干硬性預(yù)制混凝土塊的強(qiáng)度越大，那么超聲波的傳播聲速也就越高。基于超聲波的傳播聲速，可以判斷相應(yīng)聲速對(duì)應(yīng)的干硬性預(yù)制混凝土塊強(qiáng)度是否達(dá)到了要求[12]。

3.2 檢測(cè)方法

根據(jù)有關(guān)研究可知，基于超聲波對(duì)水利工程干硬性預(yù)制混凝土塊強(qiáng)度開展無損檢測(cè)應(yīng)用的理論函數(shù)式如式（1）和式（2）所示。

式中，

v——經(jīng)過水利工程干硬性預(yù)制混凝土塊的超聲波傳播波速，km∕s；

E——水利工程干硬性預(yù)制混凝土塊的壓縮模量，MPa；

Μ——水利工程干硬性預(yù)制混凝土塊的泊松比；

Ρ——水利工程干硬性預(yù)制混凝土塊的密度量，kg∕m3。

一般情況下，預(yù)制構(gòu)件混凝土的壓縮模量、泊松比和密度，均可以采用與預(yù)制構(gòu)件同原料的混凝土制作標(biāo)準(zhǔn)試塊經(jīng)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)測(cè)得[13]。

式中，

R——不同齡期時(shí)干硬性預(yù)制混凝土塊的抗壓強(qiáng)度，MPa；

E——干硬性預(yù)制混凝土塊的壓縮模量，MPa；

V——經(jīng)過干硬性預(yù)制混凝土塊的超聲波傳播波速，m∕s；

Λ——干硬性預(yù)制混凝土塊的拉曼系數(shù)；

G——干硬性預(yù)制混凝土塊的抗壓切變模量，MPa。

一般情況下，預(yù)制構(gòu)件混凝土的壓縮模量、拉曼系數(shù)和抗壓切變模量，均可以采用與干硬性預(yù)制混凝土塊同原料的混凝土制作標(biāo)準(zhǔn)試塊經(jīng)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)測(cè)得[14]。

利用超聲波檢測(cè)儀，借助超聲波在被檢測(cè)干硬性預(yù)制混凝土塊中的傳播波速以及式（1）和式（2），計(jì)算驗(yàn)證干硬性預(yù)制混凝土塊在不同齡期的抗壓強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)于水利工程干硬性預(yù)制混凝土塊的大批量無損檢測(cè)。

3.3 應(yīng)用實(shí)例

位于我國湖北省內(nèi)的某水利工程項(xiàng)目，需要制備安裝4塊干硬性預(yù)制混凝土塊（干硬性預(yù)制混凝土塊尺寸為10m×8m×6m），制備期間干硬性預(yù)制混凝土塊的抗壓強(qiáng)度需要進(jìn)行檢測(cè)確認(rèn)。經(jīng)查閱干硬性預(yù)制混凝土塊的設(shè)計(jì)文件發(fā)現(xiàn)，案例項(xiàng)目中4塊干硬性預(yù)制混凝土塊的施工配合比如下：水泥230kg∕m3、粉煤灰85kg∕m3、礦渣110kg∕m3、細(xì)骨料砂730kg∕m3、粗骨料石1050kg∕m3、拌合水160kg∕m3、SPI型減水劑12.0kg∕m3、膨脹劑30.0kg∕m3。

質(zhì)量檢測(cè)人員按照上述配合比制作干硬性預(yù)制混凝土標(biāo)準(zhǔn)試塊，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)確定待檢測(cè)的干硬性預(yù)制混凝土塊，其壓縮模量E=3.3×104MPa，泊松比μ=0.26，密度ρ=2407kg∕m3，拉曼系數(shù)λ=4.82，抗壓切變模量G=1.15×104MPa。質(zhì)量檢測(cè)人員利用超聲波檢測(cè)儀，對(duì)4塊干硬性預(yù)制混凝土試塊進(jìn)行不同齡期的波速檢測(cè)。

（1）1號(hào)干硬性預(yù)制混凝土試塊在第7天齡期時(shí)測(cè)得超聲波傳遞波速為308m∕s，在第14天齡期時(shí)測(cè)得超聲波傳遞波速為312m∕s，在第28天齡期時(shí)測(cè)得超聲波傳遞波速為335m∕s；

（2）2號(hào)干硬性預(yù)制混凝土試塊在第7天齡期時(shí)測(cè)得超聲波傳遞波速為271m∕s，在第14天齡期時(shí)測(cè)得超聲波傳遞波速為295m∕s，在第28天齡期時(shí)測(cè)得超聲波傳遞波速為312m∕s；

（3）3號(hào)干硬性預(yù)制混凝土試塊在第7天齡期時(shí)測(cè)得超聲波傳遞波速為322m∕s，在第14天齡期時(shí)測(cè)得超聲波傳遞波速為341m∕s，在第28天齡期時(shí)測(cè)得超聲波傳遞波速為362m∕s；

（4）4號(hào)干硬性預(yù)制混凝土試塊在第7天齡期時(shí)測(cè)得超聲波傳遞波速為278m∕s，在第14天齡期時(shí)測(cè)得超聲波傳遞波速為289m∕s，在第28天齡期時(shí)測(cè)得超聲波傳遞波速為309m∕s。

基于上述超聲波傳播速度檢測(cè)數(shù)據(jù)，利用前文中試驗(yàn)測(cè)得的干硬性預(yù)制混凝土試塊壓縮模量、泊松比、密度、拉曼系數(shù)、抗壓切變模量以及式（1）和式（2）進(jìn)行案例項(xiàng)目干硬性預(yù)制混凝土試塊抗壓強(qiáng)度計(jì)算，得到的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 案例項(xiàng)目4塊預(yù)制隔板構(gòu)件混凝土不同齡期的抗壓強(qiáng)度（單位：MPa）

根據(jù)表1的檢測(cè)計(jì)算結(jié)果可以看出，4個(gè)干硬性預(yù)制混凝土試塊中，1號(hào)干硬性預(yù)制混凝土試塊、3號(hào)干硬性預(yù)制混凝土試塊分別在齡期第7天、第14天、第28天時(shí)的實(shí)際抗壓強(qiáng)度均大于設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度，符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求；2號(hào)干硬性預(yù)制混凝土試塊、4號(hào)干硬性預(yù)制混凝土試塊分別在齡期第7天、第14天、第28天時(shí)的實(shí)際抗壓強(qiáng)度均小于設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度，不符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)束語

本文以國內(nèi)外關(guān)于水利工程干硬性預(yù)制混凝土塊強(qiáng)度檢測(cè)的相關(guān)研究作為基礎(chǔ)，在梳理總結(jié)傳統(tǒng)檢測(cè)方法優(yōu)缺點(diǎn)的同時(shí)，指出超聲波無損檢測(cè)方法既不會(huì)損傷混凝土塊，還可以開展大范圍的檢測(cè)，具有良好的應(yīng)用效果；并將超聲波無損檢測(cè)方法用在我國湖北省某水利工程項(xiàng)目4塊干硬性預(yù)制混凝土塊不同齡期抗壓強(qiáng)度的檢測(cè)中，驗(yàn)證了超聲波無損檢測(cè)方法的使用效果和效率。