无损检测技术在预制混凝土U型槽构件中的应用分析

李 刚

(于都县水利局，江西 赣州 342300)

近年来江西省在农田水利设施上加大投入，逐渐形成多主体、多形式、多渠道的农田水利工程建设新形势[1- 3]。预制混凝土构件具有环保节材、经济高效、性能稳定等优点，随着农田水利设施规模的不断扩大，对于预制混凝土构件的需求也在逐渐增加。据统计，一个农田水利重点县每年对于U型槽构件的投资规模可达2000万元，研究农田水利U型槽预制混凝土构件的检测方法不仅对保证农田水利工程质量有利，而且对目前试验检测行业的最新发展前景具有十分重要的意义[4- 10]。

回弹法[11]和超声波法[12- 14]是检测混凝土强度最为普及的方法，已在大体积混凝土质量检测过程中得到较为成熟的应用和发展，但是，对于农田水利设施U型槽这种薄壁构件的检测，目前还没有形成一套完整成熟的体系，这主要是因为很多U型槽构件的厚度不足5cm如图1所示，很难做到测试结果的准确性，而常规的强度检测方法又会对构件造成损伤，对于构件本身的整体性和完整性不利。因此，通过回弹法和超声波法检测获得的数据与常规压损试验结果进行对比分析，找到两者之间的测强曲线关系，才能满足相关质量检测要求。

文章对江西地区常用的卵石干硬性混凝土以及碎石混凝土构件进行回弹和超声波检测，结合外压破坏试验结果，对U型槽预制混凝土构件的质量检测方法进行探讨，获得各自测强曲线，以期能为U型槽预制混凝土构件的进一步推广使用提供借鉴。

图1 混凝土U型槽构件示意

1 试验概况

1.1 试验配比

本次试验针对卵石干硬性混凝土以及碎石干硬性混凝土进行测试。卵石干硬性混凝土共设计7组试验组，采用海螺水泥P.C32.5，粗骨料为天然卵石，单级配为细度模数为2.18-2.32的天然河砂，自来水pH值=7；碎石干硬性混凝土共设计6组试验配比，水泥仍采用海螺水泥P.C32.5，粗骨料为碎石，单级配，细骨料为人工砂，细度模数为2.5-3.0，自来水pH=1，具体的配合比情况见表1—2。每组配合比成型2组，1组进行超声回弹试验，另外一组做钻芯抗压试验，将成型好的试件放置标准养护箱中进行养护28d后进行测量试验[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 试验测量

(1)回弹测量。采用ZC36- A 型回弹仪，其主要指标参数为：标称动能2.207J、弹击锤冲击长度 75±0.3mm、指针滑块的摩擦力0.65±0.15N、弹击拉簧工作长度61.5±0.3mm、弹击杆端部球面半径25±1mm、钢砧率定值80±2。

(2)超声波测量。采用ZBL- U520型非金属超声检测仪，其主要指标参数为：声时精度0.05μs、声时测度范围0～629000μs、接受灵敏度≤30μv、采样间隔(周期)0.05μs～400μs、放大器增益80dB、放大器带宽10kHz～250kHz、幅度分辨率0.39%、发射脉宽20μs～20ms。

(3)单轴抗压强度测量。采用TYA- 2000E型微机进行应力加载试验，最大加载应力2000kN，加载速率为0.5MPa/s。

2 试验结果分析

2.1 回弹法测强结果

回弹法测强结果如图2所示。从图中可以看到：卵石回弹强度值和碎石回弹强度值随水胶比的增大均呈先增后减的变化特征，卵石回弹强度最大值为水胶比0.35时的试验组，碎石回弹强度最大值为水胶比0.55时的试验组；相同水胶比情况下，碎石组的回弹强度值明显小于卵石组的回弹强度值，减小幅度约为30%～40%；U型槽混凝土构件的强度不仅与水胶比有关，也受骨料成分的影响，卵石干硬性混凝土可提高混凝土的流动性和和易性，从而具有更高的抗压强度，但是碎石混凝土中碎石与水泥的胶结包裹能力更强，但大体积混凝土中具有更高强度，同时也具有更高的抗折强度，在实际运用中应根据具体情况进行材质的选择。

图2 回弹法测强结果

2.2 超声波测强结果

超声波测强结果如图3所示。超声波测试得到的构件混凝土的波速值变化情况较为复杂，这主要混凝土内部结构和测试时受到的外部因素影响有关；超声波波速值越大，表明混凝土内部结构越致密，密度越高，强度也越高，但是，在测试过程中由于受到外部环境，如测试面耦合不佳、选择的测试点离散性、外部噪音及振动干扰等均会对测试波速产生影响，从而也形成了回弹强度与超声波波速不对应的现象，这在无损检测中是无法避免的。

图3 超声波测试结果

2.3 取芯单轴抗压强度

单轴抗压试验得到的强度特征如图4所示。从图中可以看到：采用破损法得到的U型槽混凝土预制构件的强度值与回弹法得到的强度值有所区别，总体而言，破损法试验得到的单轴抗压强度值略小于回弹法得到的强度值，卵石干硬性混凝土两者强度值最大相差13.5%，平均相差9.3%，碎石干硬性混凝土两者强度值最大相差24%，平均相差18.2%；这可能是因为回弹仪测试时，弹击重锤弹击到的大多是卵石或者骨料，而混凝土抗压试验更多是体现骨料与胶凝材料的胶结力，因此，造成回弹强度大于单轴抗压强度的现象。

2.4 测强曲线

从上述分析可以得知，无损检测虽然具有检测方便、经济性强、效率高等特点，但是由于无损检测通常是通过电子信号进行的一种测试方法，很容易受到外部环境的干扰，造成强度失真，因此，必须建立起无损检测的测强曲线，对测强结果进行修正。

分别考虑回弹强度、超声波速与单轴抗压强度的相关曲线，如图5所示。从图中可以看到：卵石干硬性混凝土的回弹强度与抗压强度之间具有良好的对应性，两者的线性相关系数达到R^2>0.95，而碎石干硬性混凝土的回弹强度与抗压强度之间的相关性较差，R^2仅为0.44；卵石和碎石混凝土的超声波速与抗压强度之间的相关性均较差，均没有达到0.8，但碎石时的相关性明显大于卵石时的相关性；可见，仅从回弹强度来判断U型槽预制构件时，受混凝土骨料材质的影响，有时并不适用，而仅从超声波来判断薄壁U型槽混凝土预制构件时，在准确性上有待提高。

图5 无损检测数据与抗压强度关系

综上分析，单独采用回弹超声波法对U型槽混凝土预制构件进行质量检测，受材质和外部环境的影响，其准确性并不高，因此，本文从试验结果出发，试图建立起超声回弹综合法测强曲线。假设预制混凝土抗压强度与回弹强度和超声波速呈如下关系：

(1)

将上文分析所测数据代入公式(1)，并采用matlab非线性拟合手段，对数据进行拟合，分别得到a=0.52，b=1.01，c=0.34，拟合相关度R^2为0.9559，故(1)式为：

(2)

式(2)即为超声回弹综合法测强曲线公式，可通过式(2)再将回弹和超声波数值代入进行反演分析，最终得到超声回弹综合法测强曲线法换算强度，如图6所示。从图中可以看到：超声回弹综合测强法得到的强度值与实际抗压强度值十分接近，其中，卵石干硬性混凝土的综合测强法强度值与实际抗压值之间的最大偏差为4.4%，平均相差2.0%；碎石干硬性混凝土的综合测强法强度值与实际抗压值之间的最大偏差为9.0%，平均相差仅为5.0，均较回弹法测得的强度准确性大为提高，表明本文提出的超声回弹综合法测强曲线公式合理可靠。

图6 超声波测试结果

3 结论

无损检测技术具有便捷、高效和经济等特点，是现代工程质量检测发展的新方向，未来的应用前景十分广扩，但相对于传统的破损抗压试验，无损检测技术受U型槽混凝土预制构件的材质以及外部环境等干扰，造成监测数据离散性较大，在试验数据基础上，提出超声回弹综合法测强曲线公式，经非线性反演分析，获得了较高的强度换算精度，可为无损检测技术在农田水利U型槽预制混凝土构件中的推广应用提供借鉴。