超声-回弹法检测农田水利薄壁构件强度研究

祝小靓，高江林，戴国强，汤红英

(江西省水利科学研究院，南昌 330029)

0 引 言

近年来，为加快扭转我国农田水利设施建设严重滞后的局面，国家不断加大农田水利建设投入。在推进农田水利建设的过程中，渠槽薄壁预制构件的使用量呈突发式增长。目前对于薄壁预制构件，通常采用内、外压强度作为其质量控制的主要指标，但内、外压强度的测试对薄壁预制构件具有破坏性，且测试过程较为繁琐。目前，还没有直接针对薄壁预制构件混凝土实体强度的检测方法和标准，因此缺乏有效的检测和评判依据。

常用的混凝土实体强度检测方法包括钻芯法、回弹法及综合法等。钻芯法的检测结果较为直观，但采用钻芯法势必对结构产生一定损伤。而且《钻芯法检测混凝土强度技术规程》(CECS03:2007)[1]对芯样直径做了相应的规定：可采用小直径芯样试件，但直径不应小于70 mm且不得小于骨料最大粒径的2倍。相关研究表明[2]，为尽量减小试验结果的误差，试件的高径比宜在0.85～1.20范围内。显然，对于U型槽、T型槽及预制板块等小型薄壁预制构件(干硬性混凝土，厚度35～50 mm，最大骨料粒径在20～25 mm)，钻芯法检测时不能满足上述芯样尺寸的要求。

综合法主要包括超声-回弹综合法、超声钻芯综合法、声速衰减综合法等，应用最多的是超声-回弹综合法。1966年，罗马尼亚的弗格瓦洛[3]首次提出用声速值和回弹值共同推算混凝土强度。超声-回弹综合法是指采用超声仪和回弹仪，在构件混凝土同一测区分别测量声速和回弹值，然后利用现有超声-回弹测强曲线推算混凝土抗压强度的一种方法。

回弹值可以反映混凝土结构表面强度，其测试的深度在3 cm左右；声速值反映混凝土结构的内部状况，能够反映内部缺陷和损伤，二者互为补充，因此超声-回弹综合法较单一的超声或回弹无损检测方法具有精度高、适用范围广等优点，在我国得到了广泛应用[4-6]。

在吸收国内外超声检测的最新成果和超声检测技术的基础上，结合我国工程建设中混凝土质量检测的实际需要，修订实施了《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》(CECS 02：2005)[7]，该规程在计算混凝土强度时采用的是全国统一超声-回弹测强曲线。但是，由于我国幅员辽阔，混凝土品种繁多、材料分散、生产工艺差异大，所建立的全国统一超声-回弹测强曲线难以适用全国各地的情况。据有关资料显示，CECS 02：2005推荐的全国统一超声-回弹测强曲线采用的是全国12个省、市、区共2 000余组基本数据，但只有一半的数据误差在40%以内。因此，要提高混凝土无损测强的精度，必须建立适应本地区的混凝土超声-回弹测强曲线。目前我国部分省、地区已建立地区超声-回弹测强曲线[8,9]，在混凝土强度检测计算中，若不分地区采用同一超声-回弹测强曲线，显然是不太合适的。

为适应农田水利工程建设的发展需求，促进薄壁预制构件产品及其质量的规范和提升，针对当前存在的制约薄壁预制构件发展的问题，有必要开展薄壁预制构件质量检测相关技术研究。在本次研究中，将超声-回弹综合法应用于薄壁预制构件干硬性混凝土标准试件，对CECS 02：2005推荐的全国统一超声-回弹测强曲线在江西地区的薄壁构件混凝土的适用性进行了调查研究，建立适用于江西省的超声-回弹测强曲线。

1 超声-回弹综合法简述

1.1 超声法测强原理

超声波检测法的测试原理为：超声波在混凝土中传播遇到缺陷时，发生反射、折射、绕射和衰减等现象，其正常传播的某些声学参数如声时、波形、能量和频谱等将发生变化，根据这些改变，判断混凝土内部的密实度、弹性性能及结构状况等，具体见图1。

图1 超声波测试原理Fig.1 Testing principle of ultrasonic

超声波传播速度与混凝土的弹性性质的相关关系构成了超声波检测混凝土强度的基本依据。这种相关关系可用下式表示：

(1)

式中：v为声速值，km/s；E为杨氏弹性模量，N/m；μ为泊松比；ρ为质量密度，g/cm3。

在具体检测过程中，根据混凝土弹性模量与强度的内在关联，通过建立的声速值与混凝土抗压强度之间相应关系并以此得出推定的混凝土强度。存有缺陷的混凝土的声速值比其他正常部位要低，混凝土内部的蜂窝、孔洞明显对声速值产生较大影响。超声波在通过裂缝处的混凝土时会绕行或在空气中传播一段时间，测得的声时偏大，因此声速值相对减小。

超声法测强也有自身的局限性，其准确度依赖于声速值随强度的变化规律。事实上，当混凝土的强度达到一定等级时，测得的声速值随强度变化的幅度较小，这种微小变化会因系统误差而表现不出来。因此，对于强度等级C35以上的混凝土，利用超声法检测的误差相对较大。但是，大部分U型槽等薄壁构件混凝土强度等级低于C35，因此，可以利用该方法对其进行研究。

1.2 超声-回弹测强曲线方程的选择

现行常用的测强公式是CECS 02:2005规程推荐的幂函数方程。具体的全国统一超声-回弹测强曲线方程见表1。

表1 超声-回弹测强曲线方程Tab.1 The formula of ultrasonic rebound for strength test

上述方程均为基于大量试验数据计算而得，故具有较高的可靠性，但由于试验混凝土所用的原材料、配合比以及施工条件不可能与R-v-C基准曲线方程的制定条件完全一致，因此，在应用上述方程时，需要先进行验证，以免误差太大。

各省市超声-回弹测强曲线与CECS 02：2005推荐的全国统一超声-回弹曲线的比较(声速值为4.5 mm/μs)见图2。从图2可以看出，相同回弹值和声速值下，全国统一超声-回弹曲线位于最下沿，佛山地区超声-回弹测强曲线高。除北京地区的超声-回弹测强曲线与全国统一超声-回弹测强曲线接近外，其余各省市超声-回弹测强曲线与全国统一超声-回弹测强曲线存在较大的差别。全国统一超声-回弹测强曲线在建立时是偏保守的，在应用于其他地区时存在一定的误差，这样的误差势必会增加水泥等原材料的用量，从而导致不必要的工程浪费。

图2 各省市超声-回弹测强曲线与全国统一超声-回弹测强曲线的比较Fig.2 Comparison of ultrasonic rebound strength curve for different provinces and national

1.3 超声-回弹测强曲线方程拟合结果的判据

判断超声-回弹测强曲线回归拟合的好坏，需计算回归曲线的平均相对误差，平均相对误差的值大，表明建立的超声-回弹测强曲线预测值与实测值相差很大；平均相对误差的值小，说明建立的超声-回弹测强曲线预测值与实测值差距较小。CECS 02：2005超声-回弹综合法检测混凝土强度技术规程对地区超声-回弹测强曲线要求相对误差不应大于±14%。

另外，在曲线回归拟合中，相关系数r可用于分析强度预测值与实测值的相关程度，判断方程拟合的优劣程度，其值范围在0～1之间，越接近1则相关性越好。

相对误差计算公式：

(2)

式中：er为相对误差，专用测强曲线≤12%，地区测强曲线≤14%；fcu,i为混凝土强度实测值，MPa；fccu,i为混凝土强度计算值，MPa；n为试验数量。

回归相关系数的计算公式：

(3)

2 原材料及配合比设计

2.1 原材料

试验采用海螺P·C 32.5复合硅酸盐水泥，物理力学性能见表2。景德镇发电厂Ⅱ级粉煤灰，物理性能见表3。细骨料为河砂，细度模数2.3；粗骨料为粒径5～20 mm的天然卵石。

表2 水泥物理力学性能Tab.2 Physical and mechanical properties of cements

表3 粉煤灰物理性能Tab.3 Physical properties of fly ash

2.2 配合比

江西地区薄壁构件干硬性混凝土主要配合比如表4所示，考虑到胶凝材料用量、水胶比以及粉煤灰掺量的影响，分为A、B、C 3个系列。其中B1设计强度等级为C30，B2、B3为C25，A1、C1为C20，其余为C15。

表4 混凝土试验配合比Tab.4 Mix of concrete

混凝土试件在江西省万年通科技有限公司等六家农田水利薄壁预制构件生产厂家成型。干硬性混凝土的拌制过程如图3所示，先润湿搅拌锅，按石、胶凝材料、砂、水的先后顺序依次加入搅拌锅内，开动搅拌机搅拌3min后，将混凝土拌和物卸在已润湿的铁板上，人工翻拌2～3次使之均匀。试件的成型采用碾压混凝土试件的成型方式，即以配重块加压振动方式成型干硬性混凝土标准立方体试件(150mm×150mm×150mm)，如图4所示。混凝土试件采取露天自然养护，养护龄期28d。

图3 干硬性混凝土搅拌Fig.3 Mixing dry concrete

图4 干硬性混凝土试件成型Fig.4 Forming dry concrete specimen

3 试验结果分析

本次试验所采用的非金属超声检测仪是由北京智博联科技有限公司生产，超声-回弹试验方法按CECS02:2005严格执行。试验组数根据预制构件厂家的规模而定，每组试验测试3个试件。超声-回弹测试完毕后，卸荷将回弹测试面放置在压力机承压板正中，以0.3～0.5MPa/s的速度连续均匀加压，直至试件破坏为止，得到试件的抗压强度,试验结果如表5所示。

对试验结果进行三参数幂函数回归，回归结果见表6和表7。通过最小二乘法进行回归计算时，需对函数进行对数处理。但该处理会引起不同混凝土强度的样本权重不等现象，即低强度混凝土样本在优化目标函数中的权重较大，而高强度的混凝土样本权重较小，使得到的回归公式相对误差较大，从而对不同混凝土强度区域的预测能力不一致。实际检测结果表明，对于抗压强度40 MPa以上的非渠槽预制构件混凝土，使用该函数得到的测区混凝土推定强度会低于其实际强度，而低于该强度的试件检测结果的符合性则较好[10]。目前的渠槽预制构件混凝土的标准立方体试件实测抗压强度一般在20～40 MPa之间，在该函数可推定范围内。

表5 超声-回弹测试结果Tab.5 The test results of ultrasonic rebound

续表5 超声-回弹测试结果

表6 卵石混凝土超声-回弹测强曲线拟合结果Tab.6 Fitting result of strength curve by ultrasonic rebound method of gravel concrete

表7 碎石混凝土超声-回弹测强曲线拟合结果Tab.7 Fitting result of strength curve by ultrasonic rebound method of crushed stone concrete

从表6和表7可看出，CECS 02：2005推荐的全国统一超声-回弹测强曲线用于江西地区的试验结果的误差较大，卵石和碎石混凝土强度的拟合结果相对误差分别为24.16%、91.30%，大于自拟超声-回弹测强曲线的误差，且大于规程的要求，因此全国统一超声-回弹测强曲线并不适于江西地区混凝土强度的无损检测。而自拟超声-回弹测强曲线卵石和碎石混凝土强度的拟合结果相对误差分别为11.88%、13.12%，满足CES02:2005《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》对地区超声-回弹测强曲线要求的相对误差≤14%的要求。

分别将通过自拟超声-回弹测强曲线、全国统一超声-回弹测强曲线计算得到的结果与实测抗压强度绘于图中，见图5。

图5 碎石和卵石混凝土在不同测强曲线下的计算结果Fig.5 The calculation results of different strength curve for crushed stone and gravel concrete

从图5可以看出，自拟超声-回弹测强曲线计算得到的强度结果与实际抗压强度的相关性比全国统一超声-回弹测强曲线的计算结果要高。综上所述，最终选择本文提出的自拟超声-回弹测强曲线作为江西省薄壁构件超声-回弹测强曲线。

4 结 语

针对目前农田水利薄壁构件存在的实体强度检测问题，通过超声-回弹综合测试方法，在江西省地区不同农田水利薄壁构件厂家，测试获得了不同强度等级的薄壁预制构件混凝土超声-回弹-抗压强度值，提出了薄壁构件卵石和碎石自拟超声-回弹测强曲线，其拟合结果的相对误差小于规范的要求，可将其作为江西省地区薄壁构件的超声-回弹测强曲线。超声-回弹综合法在农田水利薄壁构件混凝土中的使用，拓宽了渠槽构件实体质量的检测手段，为实际工程提供了一种更加快捷、方便的检测方法。

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[1] CECS 03:2007，钻芯法检测混凝土强度技术规程[S].

[2] 崔士起, 孙旭文. 小高径比芯样混凝土抗压强度试验研究[J]. 建筑科学, 2015, 31(1):55-58.

[3] 季光泽, 钱普殷. 混凝土非破损试验法[M]. 北京:中国建筑工业出版社, 1982.

[4] 潘伟行. 超声回弹综合法测强度及影响因素的研究[J]. 混凝土, 2002,(8):24-25.

[5] 董 林, 杨 昊. 超声回弹综合法检测混凝土强度影响因素研究[J]. 工程质量, 2012,9(30):52-54.

[6] 于 玲, 孟繁嵩, 包龙生, 等. 超声回弹法检测混凝土强度的影响因素分析[J]. 北方交通, 2010,(9):50-51.

[7] CECS 02:2005，超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程[S].

[8] 高 航. 合肥地区超声回弹测强曲线的建立与验证[D]. 合肥:安徽建筑工业学院, 2012.

[9] 黄中伟, 邢 锋, 曹清华, 等. 深圳地区超声回弹综合法混凝土测强曲线研究[J]. 混凝土, 2004,(3):54-55,65.

[10] 李云龙, 张亦飞, 罗海亮, 等. 超声回弹综合法组合测强曲线[J]. 建筑材料学报, 2009,12(1):52-56.