無損檢測技術(shù)在預(yù)制混凝土U型槽構(gòu)件中的應(yīng)用分析

李 剛

(于都縣水利局，江西 贛州 342300)

近年來江西省在農(nóng)田水利設(shè)施上加大投入，逐漸形成多主體、多形式、多渠道的農(nóng)田水利工程建設(shè)新形勢[1- 3]。預(yù)制混凝土構(gòu)件具有環(huán)保節(jié)材、經(jīng)濟高效、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，隨著農(nóng)田水利設(shè)施規(guī)模的不斷擴大，對于預(yù)制混凝土構(gòu)件的需求也在逐漸增加。據(jù)統(tǒng)計，一個農(nóng)田水利重點縣每年對于U型槽構(gòu)件的投資規(guī)?？蛇_2000萬元，研究農(nóng)田水利U型槽預(yù)制混凝土構(gòu)件的檢測方法不僅對保證農(nóng)田水利工程質(zhì)量有利，而且對目前試驗檢測行業(yè)的最新發(fā)展前景具有十分重要的意義[4- 10]。

回彈法[11]和超聲波法[12- 14]是檢測混凝土強度最為普及的方法，已在大體積混凝土質(zhì)量檢測過程中得到較為成熟的應(yīng)用和發(fā)展，但是，對于農(nóng)田水利設(shè)施U型槽這種薄壁構(gòu)件的檢測，目前還沒有形成一套完整成熟的體系，這主要是因為很多U型槽構(gòu)件的厚度不足5cm如圖1所示，很難做到測試結(jié)果的準確性，而常規(guī)的強度檢測方法又會對構(gòu)件造成損傷，對于構(gòu)件本身的整體性和完整性不利。因此，通過回彈法和超聲波法檢測獲得的數(shù)據(jù)與常規(guī)壓損試驗結(jié)果進行對比分析，找到兩者之間的測強曲線關(guān)系，才能滿足相關(guān)質(zhì)量檢測要求。

文章對江西地區(qū)常用的卵石干硬性混凝土以及碎石混凝土構(gòu)件進行回彈和超聲波檢測，結(jié)合外壓破壞試驗結(jié)果，對U型槽預(yù)制混凝土構(gòu)件的質(zhì)量檢測方法進行探討，獲得各自測強曲線，以期能為U型槽預(yù)制混凝土構(gòu)件的進一步推廣使用提供借鑒。

圖1 混凝土U型槽構(gòu)件示意

1 試驗概況

1.1 試驗配比

本次試驗針對卵石干硬性混凝土以及碎石干硬性混凝土進行測試。卵石干硬性混凝土共設(shè)計7組試驗組，采用海螺水泥P.C32.5，粗骨料為天然卵石，單級配為細度模數(shù)為2.18-2.32的天然河砂，自來水pH值=7；碎石干硬性混凝土共設(shè)計6組試驗配比，水泥仍采用海螺水泥P.C32.5，粗骨料為碎石，單級配，細骨料為人工砂，細度模數(shù)為2.5-3.0，自來水pH=1，具體的配合比情況見表1—2。每組配合比成型2組，1組進行超聲回彈試驗，另外一組做鉆芯抗壓試驗，將成型好的試件放置標準養(yǎng)護箱中進行養(yǎng)護28d后進行測量試驗[15]。

表1 卵石干硬性混凝土配合比

表2 碎石干硬性混凝土配合比

1.2 試驗測量

(1)回彈測量。采用ZC36- A 型回彈儀，其主要指標參數(shù)為：標稱動能2.207J、彈擊錘沖擊長度 75±0.3mm、指針滑塊的摩擦力0.65±0.15N、彈擊拉簧工作長度61.5±0.3mm、彈擊桿端部球面半徑25±1mm、鋼砧率定值80±2。

(2)超聲波測量。采用ZBL- U520型非金屬超聲檢測儀，其主要指標參數(shù)為：聲時精度0.05μs、聲時測度范圍0～629000μs、接受靈敏度≤30μv、采樣間隔(周期)0.05μs～400μs、放大器增益80dB、放大器帶寬10kHz～250kHz、幅度分辨率0.39%、發(fā)射脈寬20μs～20ms。

(3)單軸抗壓強度測量。采用TYA- 2000E型微機進行應(yīng)力加載試驗，最大加載應(yīng)力2000kN，加載速率為0.5MPa/s。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 回彈法測強結(jié)果

回彈法測強結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看到：卵石回彈強度值和碎石回彈強度值隨水膠比的增大均呈先增后減的變化特征，卵石回彈強度最大值為水膠比0.35時的試驗組，碎石回彈強度最大值為水膠比0.55時的試驗組；相同水膠比情況下，碎石組的回彈強度值明顯小于卵石組的回彈強度值，減小幅度約為30%～40%；U型槽混凝土構(gòu)件的強度不僅與水膠比有關(guān)，也受骨料成分的影響，卵石干硬性混凝土可提高混凝土的流動性和和易性，從而具有更高的抗壓強度，但是碎石混凝土中碎石與水泥的膠結(jié)包裹能力更強，但大體積混凝土中具有更高強度，同時也具有更高的抗折強度，在實際運用中應(yīng)根據(jù)具體情況進行材質(zhì)的選擇。

圖2 回彈法測強結(jié)果

2.2 超聲波測強結(jié)果

超聲波測強結(jié)果如圖3所示。超聲波測試得到的構(gòu)件混凝土的波速值變化情況較為復(fù)雜，這主要混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)和測試時受到的外部因素影響有關(guān)；超聲波波速值越大，表明混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)越致密，密度越高，強度也越高，但是，在測試過程中由于受到外部環(huán)境，如測試面耦合不佳、選擇的測試點離散性、外部噪音及振動干擾等均會對測試波速產(chǎn)生影響，從而也形成了回彈強度與超聲波波速不對應(yīng)的現(xiàn)象，這在無損檢測中是無法避免的。

圖3 超聲波測試結(jié)果

2.3 取芯單軸抗壓強度

單軸抗壓試驗得到的強度特征如圖4所示。從圖中可以看到：采用破損法得到的U型槽混凝土預(yù)制構(gòu)件的強度值與回彈法得到的強度值有所區(qū)別，總體而言，破損法試驗得到的單軸抗壓強度值略小于回彈法得到的強度值，卵石干硬性混凝土兩者強度值最大相差13.5%，平均相差9.3%，碎石干硬性混凝土兩者強度值最大相差24%，平均相差18.2%；這可能是因為回彈儀測試時，彈擊重錘彈擊到的大多是卵石或者骨料，而混凝土抗壓試驗更多是體現(xiàn)骨料與膠凝材料的膠結(jié)力，因此，造成回彈強度大于單軸抗壓強度的現(xiàn)象。

2.4 測強曲線

從上述分析可以得知，無損檢測雖然具有檢測方便、經(jīng)濟性強、效率高等特點，但是由于無損檢測通常是通過電子信號進行的一種測試方法，很容易受到外部環(huán)境的干擾，造成強度失真，因此，必須建立起無損檢測的測強曲線，對測強結(jié)果進行修正。

分別考慮回彈強度、超聲波速與單軸抗壓強度的相關(guān)曲線，如圖5所示。從圖中可以看到：卵石干硬性混凝土的回彈強度與抗壓強度之間具有良好的對應(yīng)性，兩者的線性相關(guān)系數(shù)達到R^2>0.95，而碎石干硬性混凝土的回彈強度與抗壓強度之間的相關(guān)性較差，R^2僅為0.44；卵石和碎石混凝土的超聲波速與抗壓強度之間的相關(guān)性均較差，均沒有達到0.8，但碎石時的相關(guān)性明顯大于卵石時的相關(guān)性；可見，僅從回彈強度來判斷U型槽預(yù)制構(gòu)件時，受混凝土骨料材質(zhì)的影響，有時并不適用，而僅從超聲波來判斷薄壁U型槽混凝土預(yù)制構(gòu)件時，在準確性上有待提高。

圖5 無損檢測數(shù)據(jù)與抗壓強度關(guān)系

綜上分析，單獨采用回彈超聲波法對U型槽混凝土預(yù)制構(gòu)件進行質(zhì)量檢測，受材質(zhì)和外部環(huán)境的影響，其準確性并不高，因此，本文從試驗結(jié)果出發(fā)，試圖建立起超聲回彈綜合法測強曲線。假設(shè)預(yù)制混凝土抗壓強度與回彈強度和超聲波速呈如下關(guān)系：

(1)

將上文分析所測數(shù)據(jù)代入公式(1)，并采用matlab非線性擬合手段，對數(shù)據(jù)進行擬合，分別得到a=0.52，b=1.01，c=0.34，擬合相關(guān)度R^2為0.9559，故(1)式為：

(2)

式(2)即為超聲回彈綜合法測強曲線公式，可通過式(2)再將回彈和超聲波數(shù)值代入進行反演分析，最終得到超聲回彈綜合法測強曲線法換算強度，如圖6所示。從圖中可以看到：超聲回彈綜合測強法得到的強度值與實際抗壓強度值十分接近，其中，卵石干硬性混凝土的綜合測強法強度值與實際抗壓值之間的最大偏差為4.4%，平均相差2.0%；碎石干硬性混凝土的綜合測強法強度值與實際抗壓值之間的最大偏差為9.0%，平均相差僅為5.0，均較回彈法測得的強度準確性大為提高，表明本文提出的超聲回彈綜合法測強曲線公式合理可靠。

圖6 超聲波測試結(jié)果

3 結(jié)論

無損檢測技術(shù)具有便捷、高效和經(jīng)濟等特點，是現(xiàn)代工程質(zhì)量檢測發(fā)展的新方向，未來的應(yīng)用前景十分廣擴，但相對于傳統(tǒng)的破損抗壓試驗，無損檢測技術(shù)受U型槽混凝土預(yù)制構(gòu)件的材質(zhì)以及外部環(huán)境等干擾，造成監(jiān)測數(shù)據(jù)離散性較大，在試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，提出超聲回彈綜合法測強曲線公式，經(jīng)非線性反演分析，獲得了較高的強度換算精度，可為無損檢測技術(shù)在農(nóng)田水利U型槽預(yù)制混凝土構(gòu)件中的推廣應(yīng)用提供借鑒。