混凝土質量評價檢測技術在某水利工程的綜合應用

吳育學，吳建東

(1.甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省水利科學研究院，甘肅 蘭州 730000)

水利工程利國利民，其建設也符合使用清潔能源的號召，但是水利工程的安全性要求非常高，這是由其巨大的建設資金、人力投入與失事后果造成的。水利工程的安全主要取決于混凝土的質量。水利工程一旦出現質量問題，其修復或者缺陷處理需要巨大資金且效果不佳，所以符合設計強度要求的混凝土的一次性成型澆筑對工程安全運行至關重要。為加強對混凝土施工的監管，提高工程的整體安全性，開發了各種科技檢測技術來檢測混凝土質量。科學檢測技術的使用可以從施工階段就能發現質量問題，從而改進施工技術，提高混凝土澆筑質量，大幅節約建設資金。

1 工程概況

該水利工程地處高寒高海拔地區，大壩為1級建筑物，溢洪洞、泄洪洞等主要建筑物為2級建筑物。運行期間發現該工程1#、2#溢洪洞洞身襯砌混凝土存在不同程度的凍融破壞及局部洞身段滲水量較大等問題，同時工程在建設期間為加快施工進度，實現提前發電的目的，未按設計要求完成洞身混凝土襯砌。1#溢洪洞進口引渠長度為23.8m，渠底寬為12m；0+028.00～0+750.00m為隧洞，洞寬9m，高13.7m，采用C30鋼筋混凝土襯砌。2#溢洪洞引渠段長度為48m，0+028.00～0+805.25.00m段為隧洞段，其結構及布置設計與 1#溢洪洞基本相同。

2 混凝土抗壓強度檢測技術

2.1 混凝土回彈檢測

回彈檢測法是通過回彈儀的彈簧對重錘加力，當彈簧釋放時，沖擊桿以恒定的力量撞擊測試面，當重錘受沖擊彈回時，彈簧回彈至最高處，同時標尺測試出重錘被反彈回來的距離，以回彈值(反彈距離與彈簧初始長度之比)作為與強度相關的指標，來推定混凝土強度的一種檢測方法[1-3]。

溢洪道側墻襯砌混凝土設計強度為30 MPa，測量結果顯示，1#和2#溢洪道側墻混凝土強度遠低于設計值，其強度不符合設計要求，混凝土強度不合格。混凝土回彈法檢測抗壓強度結果見表1。

表1 溢洪洞混凝土回彈法檢測抗壓強度統計表 單位：MPa

2.2 混凝土超聲波檢測

超聲波檢測是檢測混凝土內部缺陷與均質性方法之一[4]，超聲波在混凝土中傳播速度與強度大小有關，兩者之間可以建立某種相關關系，可以利用這種相關關系來描述超聲波波速與混凝土強度的關系，進而推斷其強度大小。一旦混凝土結構中存在不密實、裂縫、脫空等質量缺陷問題，超聲波經過時便會產生部分損耗，導致波速、波幅、頻率等超聲波參數的降低，并且信號接收器顯示的超聲波波形出現明顯畸變。采用波速來判斷混凝土結構的強度，一般認為波速越低，混凝土結構質量越差；強度越低，在同一標段的波速變化幅度越不均勻，說明混凝土澆筑得不均勻。溢洪洞混凝土超聲波檢測結果見表2。

表2 溢洪洞混凝土超聲波檢測結果

由上表可見，兩個溢洪道左右側墻各檢測部位超聲波波速偏差較大，最小波速為1460 m/s，最大波速為4185 m/s，波速部分不均。一般認為波速分布越均勻，混凝土澆筑越均勻；波速越高且均勻，混凝土越密實，強度越高。因此，超聲波檢測結果表明該水利工程溢洪道襯砌混凝土澆筑得不密實、不均勻。

2.3 混凝土鉆芯法強度檢測

鉆芯法，簡而言之就是在要檢測部位鉆芯取樣，將樣品按照編號包裝帶回試驗室，放在壓力機上做抗壓強度檢測，混凝土試塊破壞時的抗壓強度便是其最大抗壓強度[5-8]。這是檢測混凝土抗壓強度最直接有效的方式。其檢測結果數值直觀且更準確，是工程檢測中最常用的強度檢測技術之一。溢洪洞混凝土鉆芯法強度檢測結果見表3。

表3 溢洪洞混凝土鉆芯法強度檢測結果 單位：MPa

由上表可見，該水利工程1#、2#溢洪道底板及左右側墻混凝土鉆芯抗壓強度均不滿足設計強度要求的30MPa。

3 混凝土保護層厚度與碳化深度檢測

根據測量部位的實測混凝土保護層厚度值與設計值的大小來判斷混凝土保護層厚度對建筑中的鋼筋耐久性能的影響，其值越大，說明保護層厚度耐久性越好；值越小，耐久性越差。使用某混凝土鋼筋檢測儀對鋼筋保護層厚度進行測定。結果表明1#溢洪洞左側墻平均保護層厚度為69mm，0+068至0+088段平均厚度為35mm，0+140至0+160段平均厚度為25mm；右側墻為93mm，0+428至0+708段僅為28.35mm。2#溢洪洞左側墻平均保護層厚度為94.8mm，右側墻為91.2mm。綜合比較，1#溢洪洞左右側墻混凝保護層多段位出現厚度不均，且數值偏差較大。

混凝土碳化是不可避免的，可是一旦混凝土澆注不夠密實，出現孔隙、空洞等質量缺陷，混凝土中的氫氧化物與空氣中的二氧化碳和水汽結合，在混凝土表層會出現一層碳化層。混凝土若沒有孔隙空洞，碳化層會阻止混凝土的進一步碳化。氫氧化物為堿性物質，但是碳化層不溶于水，所以使用酚酞溶液來檢測混凝土碳化狀態[7，9-10]。測量碳化深度值時，先用手工鑿或電動沖擊鉆在回彈值的測區內，鑿鉆一個直徑為20mm、深70mm的孔洞，將孔洞內的混凝土粉末清除干凈，然后用1.0%～2.0%酚酞乙醇溶液滴在孔洞內壁邊緣并觀察孔洞的顏色變化。混凝土未碳化則為紅色，已碳化不變色。再用碳化深度測定儀測量不變色的深度L(混凝土碳化深度值)，讀數精度到0.5mm。結果見表4。

表4 混凝土碳化程度分級標準

結果表明，該水利樞紐工程1#溢洪洞左側墻0+000至0+200段混凝土碳化嚴重，其中在0+100至0+150段有嚴重碳化，碳化深度超過保護層厚度，右側墻0+450至0+600同樣碳化嚴重。2#溢洪洞右側墻混凝土碳化屬于正常碳化，碳化深度沒有超過保護層的平均厚度。由此可見，左右側墻混凝土澆筑不均勻，質量差異大。

4 混凝土凍融破壞檢測

探地雷達檢測是利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式由地面通過發射天線送入介質內部[11]，經檢測物體后再反射到其表面。在地質雷達法勘探中，電磁波通常被近似為均勻平面波。電磁波在物體內部的傳播主要由物體的電學性質及物體的幾何形態決定，一旦物體的幾何形態變化不均，出現間斷或者空隙等現象，電磁波的波形、波幅等參數便會出現明顯的變化。電磁波的傳輸與接收原理如圖1所示。

圖1 地質雷達檢測示意圖

根據反射波原理，可知主機所顯示的接收時間為雙程旅時，通過檢測混凝土的厚度可以計算得到電磁波在混凝土中的傳播速度。混凝土中電磁波波速取決相對介電常數，即

(1)

式中，εr—物體的相對介電常數；C—電磁波在物體中的傳播速度，m/ns；V—波速。

電磁波在遇到不同物體界面時的反射系數公式為

(2)

式中，ε1和ε2—介電常數。

由公式(2)可知，電磁波的反射系數取決于物質的相對介電常數差異，差異越大，反射系數也越大。

采用雷達圖像剖面圖來反映混凝土的內部結構，雷達圖像剖面圖以脈沖反射波的波形形式記錄。人工控制移動天線，對隧道襯砌結構及圍巖進行連續透視掃描，邊采集數據邊實時顯示監控，根據雷達剖面圖像，來判斷反射界面或目的體。本次探測主要采用1200 MHz頻率的天線，地質雷達檢測成果見圖2。

圖2 地質雷達檢測成果表

檢測結果表明在兩個溢洪道左右側墻混凝土均出現多段脫空、不密實部位，這表明混凝土在該部位澆筑不合格，后期出現了凍融循環破壞。圖中框出的部位便是缺陷部位。

5 混凝土鋼筋銹蝕狀態評定

如果在澆筑前不對混凝土中的鋼筋進行防銹處理，時間一久，鋼筋就會發生銹蝕。尤其在碳化嚴重的部位，鋼筋銹蝕尤其嚴重。還有可能就是混凝土澆筑不夠密時，出現空洞，露筋等質量缺陷也會導致水分進入混凝土造成鋼筋銹蝕。混凝土中鋼筋的銹蝕檢測一般采用半電池電位法，由于檢測設備是一個穩定系統，其電位顯示是穩定的，連接混凝土后設備便和銹蝕鋼筋形成一個全電池系統，若混凝土中存在鋼筋銹蝕，則電位會有變化。還可以通過檢測得到的混凝土保護層厚度與碳化深度數值來判斷鋼筋是否銹蝕，這種方法相對比較簡單，省時省力。文章采用后者來評定鋼筋銹蝕狀態。一旦混凝土碳化深度超過其保護層厚度，便認為這段混凝土內部鋼筋已經銹蝕。繪制混凝土保護層厚度與碳化深度的關系曲線圖，并將碳化占比與保護層厚度進行線性擬合，擬合結果如圖3所示。

圖3 碳化深度與保護層厚度關系曲線圖

由上圖可知，碳化深度是隨著混凝土保護層厚度的減小而增大的。碳化深度占比符合直線關系，其相關系數為0.87。因此，保護層厚度直接影響混凝土碳化。而鋼筋的銹蝕與混凝土碳化密切相關[9-10]，一旦碳化深度接近甚至超過保護層厚度，鋼筋必定受到銹蝕。碳化層易脫落，此后空氣中的水汽和氧氣在鋼筋表面便會發生電化學氧化反應，氧化產物Fe3O4體積是原來鐵體積的多倍，混凝土逐漸受到氧化物的膨脹作用，時間一長，隨著氧化加劇，鋼筋便會從混凝土結構脫落，失去作用。同時該工程區冬季嚴寒，凍融作用對鋼筋銹蝕也具有重大影響，鋼筋銹蝕程度隨凍融次數增加而加劇[12-13]。結合混凝土碳化深度與保護層檢測結果，認為碳化嚴重部位鋼筋受到銹蝕破壞。

6 檢測結果評價

工程混凝土質量評價主要基于混凝土強度與鋼筋銹蝕狀態[14-15]、探地雷達檢測的混凝土凍融破壞結果。混凝土碳化深度與保護層厚度的結果主要用來判斷鋼筋銹蝕程度。由檢測結果可知，1#、2#溢洪道側墻襯砌混凝土抗壓強度遠低于設計值30MPa，且左右側墻混凝土保護層厚度不均勻，1#溢洪道最為嚴重，導致側墻多段位混凝土碳化嚴重。由探地雷達檢測結果可知，混凝土內部出現多處脫空不密實等質量問題，鋼筋已被銹蝕。最后評定混凝土質量為Ⅲ類缺陷。

7 結語

使用多種混凝土質量檢測技術來檢測評價該工程溢洪道襯砌混凝土的質量，結果表明混凝土質量不達標。混凝土的質量關乎工程的壽命與效益，合理運用檢測技術有助于提高工程質量，對混凝土施工的各個環節進行專業監管是不可忽視的。為確保工程安全及減少資源浪費，在施工階段能控制好混凝土質量是最佳的。該工程作為一個質量缺陷案例希望可以起到警示作用。同時，這些檢測技術也能為其他工程質量監管提供借鑒。