大粒徑堆石混凝土超聲回彈綜合測強曲線的試驗研究

楊 林，唐曉玲，李友彬，吳弦謙，包瑞恩

(貴州大學土木工程學院，貴州 貴陽 550025)

0 引 言

堆石混凝土(Rock Filled Concrete，簡稱RFC)技術是由清華大學金峰教授發(fā)明并獲得國家授權專利的新型混凝土施工技術。該技術是建立在自密實混凝土技術基礎上，主要利用自密實混凝土的高流動性、高穩(wěn)定性與抗分離性能好的特點，在大粒徑骨料(最大骨料粒徑可在300 mm以上)內(nèi)隨機充填自密實混凝土而形成混凝土堆石體的一種新型混凝土技術[1]。RFC具有施工工藝簡單、施工效率高、水化熱溫升低等優(yōu)點[2- 4]。RFC發(fā)展至今，已有大量研究與應用[5- 6]。RFC堆石粒徑大，無法采用常規(guī)力學試驗檢測其抗壓強度，現(xiàn)階段尚無相應規(guī)范規(guī)定其抗壓強度測定方法。超聲回彈綜合法屬于一種無損檢測手段，其將混凝土表明強度和內(nèi)部密實度結(jié)合起來評判，有無損、迅速、準確等優(yōu)點[7]。其采用超聲波檢測儀和混凝土回彈儀，在結(jié)構混凝土同一被測區(qū)分別測量聲速值及回彈值，利用已建立起來的測強公式推算混凝土強度的一種方法，該方法既能反映混凝土的彈性性能，又能反映混凝土的塑性性能[8]。RFC不同于常規(guī)級配混凝土，堆石與自密實混凝土之間存在接觸面，會對聲速產(chǎn)生影響。試驗試塊大，進行超聲對測時測距越大，聲速值會減小[9]。另外，堆石的分布形態(tài)和堆石與自密實混凝土的粘接強度亦對RFC抗壓強度值有重要影響[10]。超聲回彈綜合法在土木工程中已有大量應用[11-13]。除用于常規(guī)混凝土材料的檢測外，石建軍等[14]通過研究表明用回彈法檢測自密實堆石混凝土的抗壓強度，其結(jié)果準確性高、安全可靠；劉倩等[15]使用超聲回彈綜合法對再生磚骨料混凝土無損檢測適用，且精準度較高；林維正等[16]用超聲回彈綜合法檢測混凝土空心砌塊、實心黏土磚等墻體材料，檢測精度在±10%左右。各位學者的研究表明超聲回彈綜合法不僅可用于相對均質(zhì)的混凝土材料，也能用于非常規(guī)的混凝土或其他非均質(zhì)材料。基于此，本試驗通過對強度等級為C15，齡期為90 d的RFC大試塊進行超聲檢測、回彈檢測以及力學試驗，采用Origin軟件分析RFC實測抗壓強度、超聲聲速值以及回彈值三者之間的關聯(lián)，為RFC強度的無損檢測或建立RFC專用測強曲線提供參考。

1 堆石混凝土試塊的制定

1.1 試塊原材料

試塊來源于貴州某RFC壩，采用與壩體相同的原材料、相同的施工方法、相同的養(yǎng)護條件進行RFC試驗倉澆筑，試驗倉規(guī)格為2 200 mm×2 200 mm×2 200 mm。壩體及試驗倉原材料及生產(chǎn)配合比分別如表1、2所示。

表1 RFC生產(chǎn)原材料

表2 C9015W6F50高自密實性能混凝土生產(chǎn)配合比 kg/m3

1.2 試塊制作

待試驗倉到達90 d齡期后，采用切割設備切割試驗倉，切割20塊邊長為450 mm×450 mm×450 mm的大試塊進行超聲回彈檢測及立方體抗壓強度試驗，如圖1和圖2所示。

圖1 RFC試驗倉與切割后的大試塊

圖2 堆石混凝土大試塊典型內(nèi)部結(jié)構

2 超聲法檢測RFC抗壓強度

2.1 使用的設備及檢測步驟

儀器選用北京海創(chuàng)高科生產(chǎn)的HC-U81混凝土超聲波檢測儀、HT-225Y/T一體回彈儀，長春科新測試儀器有限公司生產(chǎn)的10 000 kN微機控制電液伺服壓力試驗機。根據(jù)相關規(guī)范，檢測步驟如下：

(1)儀器檢查與校對。

(2)試塊齡期90 d，保持干燥狀態(tài)，選擇規(guī)則、外觀無明顯缺陷、平整的試塊，清理試塊預測表面，使試塊表面干凈平整。

(3)劃分測區(qū)。每塊試塊每一組對立面為1個測區(qū)，每個測區(qū)分布16個回彈測點；對試塊的一個隨機對立面布置3組超聲回彈測點。測點分布如圖3所示。

圖3 RFC試塊檢測布點示意

(4)超聲回彈檢測。對每塊試塊以先回彈后超聲的順序進行檢測。回彈檢測時，采用水平彈擊，并保證回彈儀軸線垂直于混凝土測試面，回彈測讀精確度到1；超聲檢測使用對測方式，檢測時，需在測點上涂上耦合劑，將換能器壓緊在測點上，聲時測量精確至0.1 us，測距精確至1.0 mm，測量誤差保證不超過±1%，聲速精確至0.01 km/s。

(5)力學試驗。使用1 000 t壓力機進行抗壓強度試驗，試驗嚴格依照SL/T 352—2020《水工混凝土試驗規(guī)程》[17]中的規(guī)定進行。

2.2 超聲回彈數(shù)據(jù)處理

測區(qū)混凝土中聲速代表值根據(jù)該測區(qū)中3個測點的混凝土中聲速值，計算公式為

(1)

式中，v為測區(qū)混凝土中聲速代表值，km/s；li為第i個測點的超聲測距，mm；ti為第i個測點的聲時讀數(shù)，us；t0為聲時初讀數(shù)。

測區(qū)回彈代表值從該測區(qū)的16個回彈值中去掉3個較大值和3個較小值，根據(jù)剩余的10個有效回彈值計算公式為

(2)

式中，R為測區(qū)回彈代表值，精確至0.1 MPa；Ri為第i個測點的有效回彈值。

根據(jù)T/CECS 02—2020《超聲回彈綜合法檢測混凝土抗壓強度技術規(guī)程》[18]中的規(guī)定，在強度推定時，采用全國統(tǒng)一測區(qū)混凝土抗壓強度換算公式計算，當粗骨料為碎石時，全國統(tǒng)一測區(qū)混凝土抗壓強度換算公式為

(3)

(4)

如果所得相對誤差er≤15%，則可以使用該全國統(tǒng)一測強曲線；如果所得相對誤差er≥15%，則應另行建立專用或地區(qū)測強曲線。

本批次RFC抗壓強度推定值fcu.e按下列公式計算：

(5)

(6)

(7)

2.3 試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果如表3所示，RFC立方體大試件抗壓強度與超聲值、回彈值的對應關系如圖4所示，超聲及回彈值分區(qū)占比情況如圖5所示。由圖4可知，超聲及回彈值與RFC大試件立方體抗壓強度值均呈正相關的關系，回彈值較為集中，相關關系明顯，相對于對測聲速值，回彈值對實測抗壓強度的解釋程度較高。考慮尺寸效應對實測抗壓強度的影響，將2種不同邊長的試件試驗數(shù)據(jù)分別使用全國統(tǒng)一測強曲線計算對應的RFC強度推定值，然后計算其相對誤差，計算結(jié)果如表4所示。由計算結(jié)果可知，邊長為270 mm的RFC推定值的相對誤差為23%，邊長為450 mm的堆石混凝土相對誤差為36%，均不滿足規(guī)程規(guī)定使用全國統(tǒng)一測強曲線對相對誤差er≤15%的要求，故需另行建立相應測強曲線。

圖4 聲速值、回彈值與實測抗壓強度關系

圖5 對測聲速值、回彈值分區(qū)占比示意

表3 立方體大試件超聲回彈試驗結(jié)果

表4 全國統(tǒng)一測強曲線推定強度值

2.4 建立回歸曲線

表5 RFC超聲回彈綜合法—抗壓強度回歸方程

表6 專用測強曲線推定強度值與實測值對比

圖6 RFC專用測強曲線抗壓強度推定結(jié)果

表7 本批次RFC立方體抗壓強度推定結(jié)果

3 結(jié) 論

通過對RFC試塊進行超聲回彈試驗結(jié)果分析研究，得出以下結(jié)論：

(1)RFC抗壓強度與超聲聲速值、回彈值存在相關關系，隨著抗壓強度值的增長，聲速值和回彈值也相應增長。相對而言，回彈值對實測抗壓強度的解釋程度較高。

(2)應用普通混凝土全國統(tǒng)一測強曲線進行推定RFC抗壓強度誤差達不到相應規(guī)定要求，不適用于檢測RFC抗壓強度。

(3)RFC抗壓強度可用超聲回彈綜合法進行檢測，試驗表明檢測結(jié)果安全可靠，操作簡便。但由于試驗樣本較少，繼續(xù)研究通用于RFC的專用測強曲線需要更多的樣本試驗數(shù)據(jù)。

(4)RFC中堆石骨料粒徑比較大，堆石位置狀態(tài)的隨機性可能會對RFC的強度有影響，需進一步研究驗證。