公路橋梁施工階段混凝土強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

摘 要：公路橋梁是城鄉(xiāng)交通和物流運(yùn)輸?shù)闹匾d體，其穩(wěn)固性、耐久性在保障道路安全、暢通各領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)鏈等方面起到關(guān)鍵作用，其中混凝土強(qiáng)度直接關(guān)系到工程質(zhì)量、施工安全性和后續(xù)施工行為，在施工過(guò)程中開(kāi)展強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有必要性。文章面向傳統(tǒng)公路橋梁施工階段混凝土強(qiáng)度檢測(cè)技術(shù)弊端，開(kāi)展混凝土強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，并在實(shí)時(shí)性、持續(xù)性、抗壓性、精準(zhǔn)性四類(lèi)技術(shù)要點(diǎn)基礎(chǔ)上，提出基于傳感器的混凝土強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，以期為公路橋梁施工提供有益啟示。

關(guān)鍵詞：公路橋梁施工 混凝土 強(qiáng)度監(jiān)測(cè) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)

公路橋梁工程是為滿(mǎn)足特殊地理位置需求或特殊交通線路需求而開(kāi)展的工程活動(dòng)，例如為了保護(hù)景觀或降低工程規(guī)模，在山體旁修建高架橋；為了避免公路與公路、公路與鐵路平面交叉修建立體交叉橋等。公路橋梁的穩(wěn)固性、耐久性是保障城鄉(xiāng)交通和物流運(yùn)輸暢通的前提[1]，其中混凝土強(qiáng)度直接關(guān)系到公路橋梁結(jié)構(gòu)的承載力，確?；炷翉?qiáng)度適宜是降低結(jié)構(gòu)變形等安全風(fēng)險(xiǎn)、延長(zhǎng)公路橋梁使用壽命的關(guān)鍵之要。然而，傳統(tǒng)混凝土強(qiáng)度檢測(cè)技術(shù)的時(shí)效性、精準(zhǔn)性、持續(xù)性有限，已難以滿(mǎn)足當(dāng)前公路橋梁施工要求，探索混凝土強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)公路橋梁工程高質(zhì)量發(fā)展、推動(dòng)行業(yè)健康發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 混凝土強(qiáng)度與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)概述

混凝土，簡(jiǎn)稱(chēng)砼，是指將集料膠結(jié)成整體的工程復(fù)合材料的統(tǒng)稱(chēng)。由于混凝土具備成本低、強(qiáng)度高、原材料多樣化等顯著特征，在土木工程中得到廣泛應(yīng)用[2]。混凝土強(qiáng)度，即混凝土抵抗壓、拉、彎、剪等應(yīng)力的能力，是衡量其性能的重要指標(biāo)。其中，抗壓能力是混凝土性能評(píng)價(jià)中最重要的指標(biāo)之一，也是混凝土質(zhì)量與公路橋梁安全質(zhì)量的重要指標(biāo)。混凝土強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)易引發(fā)工程安全問(wèn)題，造成生命危險(xiǎn)和財(cái)產(chǎn)損失。例如2018年天津市天房樾梅江項(xiàng)目應(yīng)使用規(guī)范要求的C25混凝土，但在樓體澆筑過(guò)程卻使用了C15混凝土，最終由于強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)造成已完工的18棟住宅樓全部拆除，面臨巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

通常來(lái)說(shuō)，混凝土強(qiáng)度分為十四個(gè)等級(jí)，受原材料質(zhì)量、混凝土配合比、混凝土生產(chǎn)及運(yùn)輸、施工方式、養(yǎng)護(hù)條件、骨料特性等多重復(fù)雜要素影響[3]，呈現(xiàn)出難以控制和難以預(yù)估的特征，也凸顯出混凝土強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的重要性。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，即通過(guò)現(xiàn)代技術(shù)手段對(duì)某一物質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)的持續(xù)采集，以達(dá)到對(duì)某一指標(biāo)或多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)不斷監(jiān)測(cè)的目的，從而及時(shí)反饋和處理監(jiān)測(cè)結(jié)果的過(guò)程。利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)混凝土強(qiáng)度，尤其是早期的強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)尤為重要，是滿(mǎn)足公路橋梁工程要求，并保障施工速度與安全的重要手段[4]。

2 公路橋梁施工階段混凝土強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的必要性

2.1 確保公路橋梁質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)

在施工階段對(duì)混凝土強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是確保公路橋梁質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)，并承受施加荷載，抵抗自然因素破壞的必要手段。第一，對(duì)混凝土強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程存在的隱蔽缺陷，不僅能排除施工階段導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)的質(zhì)量隱患，還能為工程質(zhì)量問(wèn)題追溯提供依據(jù)；第二，混凝土強(qiáng)度受多重復(fù)雜因素影響，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能及時(shí)找到問(wèn)題源頭，例如監(jiān)測(cè)初期混凝土強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)則考慮混凝土配比問(wèn)題，終凝后混凝土強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)則考慮養(yǎng)護(hù)問(wèn)題；第三，通過(guò)及時(shí)排除隱患、找準(zhǔn)問(wèn)題源頭，能夠支持工程及時(shí)整改，避免施工階段結(jié)束后才發(fā)現(xiàn)混凝土強(qiáng)度不夠造成的成本損失。

2.2 提升公路橋梁施工安全性

施工技術(shù)、工藝存在缺陷是公路橋梁施工過(guò)程引發(fā)安全問(wèn)題的主要因素[5]，工程結(jié)構(gòu)實(shí)體混凝土強(qiáng)度評(píng)定是確保工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量與安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[6]。公路橋梁工程澆筑模板支撐系統(tǒng)具有受力復(fù)雜、荷載大等特點(diǎn)，容易局部失穩(wěn)或變形，發(fā)生倒塌事故，威脅施工人員生命安全。公路橋梁施工階段混凝土強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作為挖掘施工技術(shù)和工藝缺陷，以及評(píng)定混凝土強(qiáng)度的新興技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)并傳回?cái)?shù)據(jù)，讓施工人員明確混凝土當(dāng)下強(qiáng)度情況，對(duì)其施工工作形成預(yù)警，對(duì)于提升公路橋梁施工安全性具有不可忽視的作用。

2.3 為施工階段提供參考依據(jù)

公路橋梁施工階段環(huán)環(huán)相扣，是相互影響、動(dòng)態(tài)作用的階段。混凝土強(qiáng)度是否達(dá)標(biāo)，不僅會(huì)對(duì)原材料質(zhì)量、混凝土配比、澆筑方式、養(yǎng)護(hù)方法形成驗(yàn)證，還關(guān)系到后續(xù)施工能否按照計(jì)劃進(jìn)行、何時(shí)進(jìn)行等問(wèn)題。因此，在公路橋梁施工階段應(yīng)用混凝土強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠?yàn)槭┕るA段提供參考依據(jù)，促進(jìn)工程良好開(kāi)展。例如通過(guò)混凝土強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為更精準(zhǔn)地確定拆模時(shí)間提供參考，不僅在保障混凝土結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的同時(shí)提高模板利用率，還能在一定程度上加快施工進(jìn)度，節(jié)省工程時(shí)間和成本[7]。以1973年美國(guó)弗吉尼亞州發(fā)生的，由于過(guò)早拆除天際線廣場(chǎng)公寓下方支撐模板造成大樓坍塌和14人死亡、34人受傷的事故為例，若通過(guò)混凝土強(qiáng)度檢測(cè)確定模板拆除時(shí)間，則可在很大程度上避免生命財(cái)產(chǎn)損失。

3 傳統(tǒng)公路橋梁施工階段混凝土強(qiáng)度檢測(cè)技術(shù)弊端

依據(jù)《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T50081-2019）》，混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)首先要將拌合物裝入邊長(zhǎng)150 mm或者100 mm的試模中振搗，其次等成型拆模后放置在溫度20±2℃、相對(duì)濕度95％以上的養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，最后至固定齡期節(jié)點(diǎn)用壓力試驗(yàn)機(jī)所測(cè)得具有95%保證率的抗壓強(qiáng)度值。這種檢測(cè)方法雖然經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)潔，但公路橋梁施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境不可控，很難基于養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)，易造成結(jié)果偏差。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加快，混凝土澆筑基本普及，強(qiáng)度檢測(cè)技術(shù)也基本成熟，且多樣化發(fā)展，但仍然存在著一些弊端。

已有強(qiáng)度檢測(cè)技術(shù)大致可被劃分為有損檢測(cè)和無(wú)損檢測(cè)兩類(lèi)。有損檢測(cè)技術(shù)包括鉆芯法、射釘法、剪壓法等，其中鉆芯法，即對(duì)鉆芯機(jī)在公路橋梁內(nèi)部采集的樣本進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)。這種方法雖然直觀、快捷，而且還能同時(shí)檢測(cè)出混凝土抗凍性、抗?jié)B性等其他性能，但強(qiáng)度結(jié)果受樣本質(zhì)量支配，取樣過(guò)程不合理、樣本質(zhì)量不過(guò)關(guān)都可能造成強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果失真，并且操作相對(duì)復(fù)雜，強(qiáng)度結(jié)果出具時(shí)間較長(zhǎng)；射釘法，即以標(biāo)準(zhǔn)能量將射釘射入混凝土，若射釘未發(fā)生形變，則可根據(jù)射釘外露的長(zhǎng)度評(píng)估混凝土的強(qiáng)度情況，長(zhǎng)度越長(zhǎng)，強(qiáng)度越高。這種方法由于強(qiáng)制管控很難推廣和普及，并且對(duì)射釘火藥質(zhì)量難以統(tǒng)一，也會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成影響；剪壓法，即根據(jù)剪壓儀所施壓力對(duì)混凝土局部剪切破壞情況推測(cè)其強(qiáng)度。這種方法方便快捷，無(wú)需供電，且儀器體積小、重量輕，但使用對(duì)象有局限，僅適用于有直角邊、能夠施加剪壓力的混凝土構(gòu)件，并且檢測(cè)精度不高。

無(wú)損檢測(cè)包括回彈法、超聲法、射線法等，其中回彈法，即根據(jù)重物撞擊表面形成的反彈高度測(cè)算混凝土強(qiáng)度。這種方法雖然效率高，也不會(huì)損壞混凝土結(jié)構(gòu)[8]，但結(jié)構(gòu)表面的強(qiáng)度并不能全面代表混凝土強(qiáng)度，所得結(jié)果僅能作為強(qiáng)度參考依據(jù)；超聲法，即利用超聲波傳播原理，通過(guò)計(jì)算傳播速度、時(shí)間、振幅等數(shù)據(jù)檢測(cè)混凝土強(qiáng)度。這種方法也能達(dá)到無(wú)損檢測(cè)目的，但檢測(cè)點(diǎn)不同數(shù)據(jù)結(jié)果也會(huì)存在差異，并且受外界溫度、濕度和混凝土密度、形狀等影響，穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性相對(duì)較低；射線法，即通過(guò)射線掃描成像測(cè)得，但此方法儀器成本較高，并且射線對(duì)測(cè)試人員具有一定危害。

除以上提到的弊端之外，檢測(cè)不具備持續(xù)性是傳統(tǒng)公路橋梁施工階段混凝土強(qiáng)度檢測(cè)技術(shù)的普遍弊端，并且有些檢測(cè)技術(shù)人力耗費(fèi)較大，特別是山體湖泊之間的公路橋梁工程地勢(shì)險(xiǎn)峻，增加了檢測(cè)工作難度。

4 公路橋梁施工階段混凝土強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)要點(diǎn)與實(shí)踐

4.1 技術(shù)要點(diǎn)

4.1.1 實(shí)時(shí)性

實(shí)時(shí)性，即得到強(qiáng)度結(jié)果和實(shí)施強(qiáng)度監(jiān)測(cè)之間的時(shí)間趨于同步。這一技術(shù)要點(diǎn)是公路橋梁施工階段混凝土強(qiáng)度監(jiān)測(cè)最基本的原則，也是彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測(cè)方法在強(qiáng)度監(jiān)測(cè)結(jié)果出具時(shí)間與強(qiáng)度監(jiān)測(cè)實(shí)際時(shí)間不一致問(wèn)題的關(guān)鍵。

4.1.2 持續(xù)性

傳統(tǒng)混凝土強(qiáng)度檢測(cè)和混凝土強(qiáng)度監(jiān)測(cè)的本質(zhì)區(qū)別在于，檢測(cè)往往是單獨(dú)一次的行為，而監(jiān)測(cè)是持續(xù)重復(fù)的行為。因此，公路橋梁施工階段混凝土強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)做到持續(xù)采集、傳輸、反饋相關(guān)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并做好數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作，為相關(guān)人員掌握公路橋梁施工階段混凝土強(qiáng)度變化、安排后續(xù)工作提供依據(jù)。

4.1.3 抗壓性

公路橋梁混凝土結(jié)構(gòu)高大，且施工環(huán)境復(fù)雜，為保障公路橋梁施工階段混凝土強(qiáng)度監(jiān)測(cè)的能夠持續(xù)開(kāi)展，技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中所涉及的電子元件應(yīng)具備良好抗壓性，避免壓力過(guò)大造成監(jiān)測(cè)結(jié)果失真、監(jiān)測(cè)工作中斷等問(wèn)題。

4.1.4 精準(zhǔn)度

若公路橋梁施工階段混凝土強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)的精準(zhǔn)度不足，則監(jiān)測(cè)工作就失去了意義。因此，在設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)將精準(zhǔn)度放在第一位，通過(guò)材料選擇、強(qiáng)度監(jiān)測(cè)原理把控、反復(fù)驗(yàn)證等保障監(jiān)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。

4.2 技術(shù)選擇

4.2.1 傳感器技術(shù)在混凝土強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)

傳感器作為一種監(jiān)測(cè)裝置，不僅能夠通過(guò)“感受”外界數(shù)據(jù)，讓無(wú)生命物體擁有感官，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳播信息，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)要求，例如將測(cè)得數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至服務(wù)器，再通過(guò)云計(jì)算等數(shù)據(jù)處理技術(shù)獲得即時(shí)混凝土強(qiáng)度，為混凝土是否達(dá)到拆模強(qiáng)度、受凍臨界強(qiáng)度等提供依據(jù)，還具有成本低、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，能普遍適用于各類(lèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作。在此基礎(chǔ)上，按照混凝土強(qiáng)度特點(diǎn)、監(jiān)測(cè)技術(shù)要點(diǎn)，以及公路橋梁差異化施工要求改進(jìn)裝置，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)公路橋梁施工階段混凝土強(qiáng)度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4.2.2 基于傳感器的混凝土強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)踐

基于公路橋梁施工階段混凝土強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)要點(diǎn)，首先技術(shù)要能保障混凝土強(qiáng)度監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和精準(zhǔn)度。壓電陶瓷（PZT）是通過(guò)正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的特殊電介質(zhì)材料[9]，可作為傳感元件持續(xù)反映出公路橋梁施工階段混凝土的實(shí)時(shí)強(qiáng)度變化[10]。此外，材料響應(yīng)速度是形狀記憶合金的一萬(wàn)倍，電信號(hào)容易測(cè)量和控制等特征，能提高強(qiáng)度監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)度；其次，技術(shù)要具備抗壓性，并實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土強(qiáng)度的持續(xù)監(jiān)測(cè)。壓電陶瓷（PZT）可塑性極強(qiáng)，若將其加工至極薄并嵌入柔性結(jié)構(gòu)，則能使裝置具備抗磨損、抗壓等特點(diǎn)，從而持續(xù)傳播電信號(hào)，提供混凝土強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

公路橋梁施工階段大型設(shè)備操作較多、工藝流程復(fù)雜，且施工條件動(dòng)態(tài)變化，影響混凝土強(qiáng)度的因素眾多。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土強(qiáng)度，對(duì)于保障工程質(zhì)量、提高施工安全性，獲得施工參考依據(jù)至關(guān)重要。文章通過(guò)研究指出實(shí)時(shí)性、持續(xù)性、抗壓性、準(zhǔn)確度是公路橋梁施工階段混凝土強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的技術(shù)要點(diǎn)，并以傳感器技術(shù)優(yōu)勢(shì)和在公路橋梁施工階段混凝土強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的適用性、可行性，提出嵌入式壓電傳感器技術(shù)，以期公路橋梁施工科學(xué)化和智能化發(fā)展。

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