兰州地铁混凝土抗压强度与超声声速的关系研究

乔宏霞，高　升，朱彬荣，路承功

(1.兰州理工大学 a.甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室;

b.西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心，甘肃 兰州　730050;

2.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安　710043)



兰州地铁混凝土抗压强度与超声声速的关系研究

乔宏霞1a,1b，高升2，朱彬荣1a，路承功1a

(1.兰州理工大学 a.甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室;

b.西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心，甘肃 兰州730050;

2.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安710043)

摘要：针对兰州地铁结构混凝土强度质量控制问题，将不同配合比兰州地铁混凝土试件标准养护至一定龄期，并根据检测出的混凝土抗压强度和超声声速的实验结果，建立混凝土抗压强度与超声声速之间的相关关系.结合国外规范及国内学者的研究成果，将该相关函数关系与其它关系式作对比分析，可为无损检测混凝土强度及兰州地铁工程的耐久性评估提供理论依据.

关键词：混凝土；地铁；无损检测；抗压强度；超声声速

以上的研究表明，对混凝土的强度检测还是以在实验室中对混凝土试件进行破损检测为主，显然借鉴这些成果用于兰州地铁现场混凝土强度检测是远远不够的.对结构混凝土强度进行非破损检测和局部破损检测的方法目前主要有回弹法、超声法、超声回弹综合法、钻芯法以及嵌注试件法等.回弹法在工程实际应用中有其局限性，而针对遭受氯盐和硫酸盐腐蚀的兰州地铁混凝土的强度无损检测问题，在混凝土抗压强度和超声声速相关性研究方面还没有进行深入研究，故而将不同配合比兰州地铁混凝土试件标准养护至一定龄期，并根据对混凝土抗压强度和超声声速的检测结果，建立了混凝土抗压强度与超声声速之间的相关关系；另外，结合国外规范及国内学者的研究成果，把本文的相关函数关系与其它研究成果作对比分析，以求为无损检测混凝土强度及兰州地铁工程的耐久性评估提供理论依据.

1试验原理

混凝土动弹性模量是反映材料弹性特性的一个重要参数.它和混凝土内部的密实性相关，当混凝土的内部结构不同时，相应的动弹性模量也会不同.同时抗压强度又是混凝土性能的综合指标，混凝土动弹性模量是连系混凝土抗压强度和超声声速的桥梁.罗骐先[6]对混凝土动弹性模量与超声波波速之间相关性进行了研究，提出了采用常规纵波超声换能器，以表面平测法测定混凝土表面波速来确定其动弹性模量的方法，其中材料的动弹性模量与其超声声速之间的理论关系为.

(1)

式中：Ed为混凝土材料的动弹性模量，ρ为混凝土材料的密度，υ为混凝土材料的泊松比，V为所测混凝土材料的超声波声速.由于混凝土材料的密度和泊松比对于兰州地区的原材料来说变化幅度不大，所以本试验材料的密度和泊松比根据兰州地区实际分别取定值.

在混凝土的动弹性模量和抗压强度之间的相关性方面，英国结构混凝土实用规范[7]中给出了混凝土动弹性模量与抗压强度的关系式，即

(2)

式中：fcu为混凝土28 d抗压强度，MPa；Ed为混凝土动弹模量，GPa.

孙丛涛等[8]也测试了非兰州地区混凝土的动弹性模量和抗压强度数据，并建立了混凝土动弹性模量与抗压强度之间的关系式，即

(3)

通过动弹性模量和超声声速之间的关系以及动弹性模量和抗压强度之间的关系，可以联立求解得出混凝土抗压强度和超声声速之间的相关关系，即

联立(1)和(2)式，解得

(4)

联立(1)和(3)式，解得

(5)

2材料与试验

2.1原材料与配合比

本试验制作的混凝土试件需用到的材料有普通硅酸盐水泥、砂子、石子、粉煤灰、添加剂、水等.水泥选用甘肃祁连山水泥公司的42.5普通硅酸盐水泥，普通硅酸盐水泥的性能试验结果见表1；混凝土所用粗骨料为兰州地区的碎石，表观密度为2660 kg/m3，含泥量为0.5%；细骨料为兰州安宁河砂，细度模数为3.18，属于中砂，表观密度为2581 kg/m3；粉煤灰采用兰州二热厂生产的性能良好的Ⅱ级粉煤灰；抗硫阻锈剂采用LST-6系列抗硫阻锈剂；减水剂采用兰州华陇商砼公司提供的聚羟酸高效减水剂，减水率为18%左右，所用掺量为胶凝材料的2.1%(质量分数)；拌合水采用普通自来水，符合国家标准.

表1　普通硅酸盐水泥的各项性能指标

为了更加准确地研究混凝土无损检测的精确性，对比无损检测和传统的抗压强度测试之间的差异，根据混凝土强度等级及耐久性选取了施工现场三种不同配合比的共计81块混凝土试件进行相关测试.所用混凝土的配合比见表2.

表2　混凝土配合比

图1　兰州地铁结构混凝土试件

2.2试验方案

在兰州一号地铁施工现场取所用商品混凝土，制成100 mm×100 mm×100 mm的立方体混凝土试件，现场养护24 h后拆模，然后置于标准养护室养护28 d.混凝土试件在28 d后短期内强度发展不大，所以对混凝土试件进行28 d龄期的数据采集.兰州地铁结构混凝土试件如图1所示.采用NM-4A非金属超声检测分析仪测定混凝土试件的超声声速，仪器精度为0.1 μs.超声声速检测时，采用对测的形式将2个换能器至于试件端面，用黄油作耦合剂，计算声速的原理,即

(6)

式中：V为超声声速，km/s；l为超声测距，即试件长度，mm；t为超声声波在试件内部传播的声时，μs.

对试件进行超声检测之后，用YA-3000电液式压力试验机对试件进行抗压强度的破坏性试验，得到混凝土试件的抗压强度.

3结果与分析

本实验对不同配合比、抗硫阻锈剂掺量及减水剂掺量的混凝土测试数据统一进行非线性函数回归分析，并把得出的兰州地铁混凝土抗压强度与超声声速之间的相关函数关系式与式(4)和式(5)作比较分析，以期得出国外规范在国内试验过程中的适用性以及国内研究者对其他地区混凝土研究得出的关系式与本试验得出的关系式的比较结果.

经过实测一定样本容量的混凝土抗压强度和超声声速数据，应用MATLAB R2014b软件对采集的数据进行非线性拟合处理，得到混凝土抗压强度与超声声速之间的关系曲线，如图2所示.拟合函数关系式为

fcu=0.062 54(1+V)3.60.

(7)

混凝土抗压强度与超声声速之间的关系曲线与其它两种推导关系曲线的对比如图3所示.从图中可以明显看出根据英国规范推导曲线与本文拟合曲线及国内学者曲线有着较大的偏差.应用英国规范推导出的曲线在某一超声声速定值左右的混凝土抗压强度与实际值有较大偏差，在声速值左边强度偏小，在声速值右边偏大，究其原因为试验方法及相关物理量的定义不同等因素.所以，不能简单地把国外规范应用于国内混凝土强度相关试验中.本文拟合曲线与国内学者曲线相比，虽然也有如上所述的偏差，但两者的偏差较小基本在合理的偏差值之内，所以本文拟合的曲线与国内学者曲线还是比较贴合的.从这一点可以看出，针对不同地区的混凝土材料得出的混凝土抗压强度和超声声速之间的关系曲线是比较贴近的，重点是对各地区的混凝土材料的密度及泊松比的取值.所以，用超声检测无损检测手段来检测混凝土抗压强度的局限性是比较小的，其适用性比较广泛.

图2　混凝土抗压强度与超声声速关系

图3　关系曲线对比

4结论

1)对不同配合比兰州地铁混凝土进行了混凝土抗压强度和超声声速的检测，并根据检测结果建立了混凝土抗压强度与超声声速之间的相关关系，即相关关系函数式为fcu=0.062 54(1+V)3.60.该关系式在实际现场工作中便于应用.

2)国外规范不能简单照搬，本文建立的混凝土强度与超声声速相关关系曲线与国内学者的相差不大.

3)用超声声速无损检测方法可以简单有效地对兰州地铁混凝土强度进行检测，从而达到强度控制的目的，并且可以推广到兰州地区其他需要进行混凝土质量控制的基础工程建设中.

参考文献：

[1] 郝恩海,刘杰,王忠海,等.混凝土超声声速与强度和弹性模量的关系研究[J].天津大学学报,2002(3):380-383.

[2] 姜作杰.地铁项目混凝土结构现场检测[J].呼伦贝尔学院学报,2011,19(2):106-109.

[3] 陈艳荣,温欣,刘磊.钢筋混凝土强度无损检测数据处理方法研究[J].山西建筑,2008,34(35):74-75.

[4] 刘志强,赵铁军,王鹏刚,等.高温后水泥基材料超声检测试验研究[J].混凝土,2012(9):6-8.

[5] 胡在良,张佰战,董承全,等.铁路高性能混凝土基桩检测波速与强度关系的研究[J].铁道建筑,2011(7):94-98.

[6] 罗骐先.用纵波超声换能器测量混凝土表面波速和动弹性模量[J].水利水运科学研究,1996,21(3):264-269.

[7] 中国工程院土木水利与建筑学部工程结构安全性与耐久性研究咨询项目组.混凝土结构耐久性设计与施工指南[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[8] 孙丛涛,牛荻涛,元成方,等.混凝土动弹性模量与超声声速及抗压强度的关系研究[J].混凝土,2010(4):14-16.

(编辑徐永铭)

On the Relationship between Compressive Strength and

Ultrasonic Velocity of Concrete in Lanzhou Subway

QIAO Hongxia1a,1b, GAO Sheng2, ZHU Binrong1a, LU Chenggong1a

(1.Lanzhou University of Technology a.Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation in

Civil Engineering of Gansu Province;b.Western Center of Disaster Mitigation in Civil Engineering of Ministry

of Education, Lanzhou 730050, China;

2.China Railway First Survey and Design Institute Group, Xi'an 710043, China)

Abstract:Aiming at the problem of concrete strength control in Lanzhou subway,concrete specimens with different mixture ratio were tested after standard curing condition.According to the test result,the relationship between compressive strength for concrete and ultrasonic velocity were established.In addition,combined with foreign standards and domestic scholars' research results, a comparative analysis of the functional relationship between this paper and the others was performed, which provides the theoretical basis for the durability evaluation and nondestructive test of concrete compressive strength in Lanzhou subway.

Key words:concrete;subway;nondestructive test;compressive strength;velocity of ultrasonic sound

中图分类号：TU503

文献标志码：A

文章编号：1674-358X(2015)04-0014-04

作者简介：乔宏霞(1977-)，女，山西应县人，教授，博士，博士生导师，主要从事混凝土结构耐久性及寿命预测研究.

基金项目：国家自然科学 (51168031，51468039)

收稿日期：2015-11-08