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混凝土抗压强度的检测方法分析

2021-01-29苏州市建设工程质量检测中心有限公司江苏苏州215000

安徽建筑 2021年1期
关键词:综合法检测法微观

(苏州市建设工程质量检测中心有限公司,江苏 苏州 215000)

1 引言

混凝土的抗压强度是结构工程设计中最重要的参数之一。由于混凝土是一种多相多缺陷的非均质材料,其主要缺陷(空隙和裂纹)对抗压强度具有重大影响。在混凝土的制备中,水泥强度、水灰比、外加剂以及粗骨料尺寸变形等等因素也会影响到混凝土的抗压强度。其中,水灰比(w/b)是决定混凝土材料性能的主要因素,因此,对于一种坚固耐用的混凝土,设计合适的水灰比是必要的。

对于混凝土抗压强度的现场检测主要使用无损检测法,包括回弹法、超声波法和超声回弹综合法等等。对于实验室检测,除了常用的实验室压力试验机检测法之外,还可以使用更加精确的仪器来检测混凝土的微观结构,从而表征其抗压强度,比如扫描电镜(SEM)、傅里叶红外光谱分析仪(FTIR)和核磁共振(NMR)技术等等。除此之外,还可以通过各种模型来预测混凝土的抗压强度。

2 混凝土抗压强度的无损检测方法

对于混凝土抗压强度的现场检测,为了保证混凝土的结构和强度不被破坏,无损检测法成为了首选。由于其设备便携、操作简单,工程上大多使用无损检测法来分析混凝土的主体结构,从而推定混凝土的抗压强度值。目前应用较多的无损检测法有回弹法、超声波法和超声回弹综合法。

2.1 回弹法和超声波法

回弹法是通过测定混凝土的表面硬度来推算其抗压强度,是混凝土抗压强度现场检测中常用的方法之一。现行检测标准为《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ-T23-2011)。

回弹法属于一种表面硬度法,其工作原理较为简单:将回弹仪垂直于混凝土的被测表面放置,用弹簧驱动重锤,通过弹力杆弹击混凝土表面,读取回弹高度,如图2-1所示。因为混凝土的表面硬度与它的抗压强度之间存在联系,同时混凝土的表面硬度与回弹高度也有比例关系,所以当我们得到混凝土的回弹高度之后,便可以得到其表面硬度,从而推定出它的抗压强度。

图1 回弹仪

然而,回弹法的缺点也很明显。首先,它精度低,且影响回弹仪准确性的因素很多:比如操作方法、仪器性能、气候条件等,甚至不同的人使用也可能导致结果有偏差。其次,根据回弹仪的工作原理也可以看出,该方法不适用于表层与内部质量有明显差异或者内部存在缺陷的混凝土抗压强度检测。一般来说,对于内部存在缺陷的混凝土,通常使用超声波法来检测其强度。

在混凝土抗压强度的无损检测中,超声波法是唯一与材料的力学特性直接相关的测试方法,使用超声波法检测混凝土强度已有多年的历史。1949年,加拿大学者Leslide、Cheesman以及英国学者R.Jones、Gatfield首先将超声脉冲技术运用在结构混凝土的检测上。超声波法的检测原理:随着混凝土强度的不同,超声波在混凝土内部的传播速度也不相同,因此可以测试出超声波的传播速度,进而推导出混凝土的抗压强度。超声波法现行的使用标准是《超声法检测混凝土缺陷技术规程》(CECS 21:2000)。

由于混凝土组成复杂,并且超声波在不同物质中的传播速度不同,所以超声波试验结果与混凝土强度之间不是简单的线性关系。目前对于超声波法测得的试验数据,很多学者选择使用Matlab软件对其进行回归分析,初步建立混凝土抗压强度的超声波法测强曲线。

2.2 超声回弹综合法

鉴于回弹法和超声波法各自的缺点,超声回弹综合法将两者相结合,同时利用了混凝土表面硬度和超声波在混凝土中的传播速度两个物理量来表征混凝土的抗压强度,提高了参数的准确性。该方法现行使用的标准是《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》(CECS 02:2005)。

标准 CECS 02:2005和 CECS 21:2000中指出,超声波在混凝土中的衰减大小与混凝土质量、发射的超声波主频等有关,但是没有提出温度对检测结果的影响。我们知道,声速在空气中的传播速度受环境温度的影响,因此,超声波在混凝土中的传播速度也会受到混凝土内温度的影响。赵弘等测试了三种强度的混凝土(C50、C40和C30)在不同温度(-10℃~30℃,每隔5℃一个点)下的声速和波速,利用公式计算出超声波在不同温度下、不同强度混凝土中的传播速度,进而计算出超声波传播速度在同强度混凝土中相对于温度为20℃时的修正系数。

综上所述,目前常用的无损检测法(回弹法、超声波法和超声回弹综合法)虽然精度较低、影响因素多,但是由于其便携、操作简单,在尽量控制环境因素和人为因素的条件下,仍然能满足工程要求,适合广泛推广使用。

3 混凝土抗压强度的微观检测方法

混凝土的强度指标与其微观结构密不可分,研究混凝土微观结构可使用的技术包括傅里叶红外光谱技术(FTIR)、扫描电镜技术(SEM)和核磁共振技术(NMR)等等,如图2。FTIR技术可研究混凝土的化学官能团,分析混凝土中化学键的分布情况;SEM技术可以观察混凝土内部各界面以及水化产物的微观结构,定性地表征混凝土的抗压强度;NMR技术最早运用于石油勘测,后来在各个领域内飞速发展,可根据其弛豫时间和弛豫锋来判定混凝土内部的孔结构,从而判定混凝土的抗压强度。

图2 (a)FTIR 图;(b)NMR 图;(c)SEM 图

上述提到的微观技术通常被研究者们结合使用。比如,Yugen Li等在研究风沙混凝土的可加工性和力学性能时,同时使用了SEM、NMR和FTIR三种技术,再结合了压力测试仪来测试抗压强度,更加全面且准确地表征了风沙混凝土的力学性能。

我国地大物博,南北地区温度差异大,因此研究低温下混凝土的抗压强度也是一项重要的工作。Xiaoxiao Wang等通过使用低温SEM,研究了-20℃~0℃的低温条件下混凝土抗压强度和孔结构的微观变化,建立了该实验条件下温度与混凝土抗压强度的关系模型。实验发现,随着温度的降低,混凝土抗压强度反而增大。从SEM结果看来,这是因为温度越低,完整而致密的冰降低了混凝土的孔隙率。

综上,使用微观检测技术检测混凝土的抗压强度准确性高,并且可以结合多种技术得到多种参数,从多方面更加全面地表征混凝土的抗压强度。

4 混凝土抗压强度的模型预测方法

使用各种仪器对混凝土抗压强度的检测需要对不同龄期的混凝土进行多组平行试验来确定参数值,不但费时费力,而且试验过程和试验结果均会受到很多因素的影响。所以,关于模拟预测混凝土抗压强度的研究越来越多。近年来,研究者们致力于发现预测准确性更高、分析能力更强的模型。

由于混凝土的复杂性,其抗压强度的检测也具有较多不确定性。Uchenna Anyaoha等基于混凝土的成分和配比,采用了一种新的集成计算技术━Boosting Smooth Transition(BooST),并将其与其他方法进行比较,预测混凝土28天的抗压强度。Uchenna Anyaoha发现,与其他方法相比,BooST在预测准确性上占优势,误差最小,并且更符合实验室的试验结果。

然而,在制备混凝土的过程中抗压强度对不同参数的依赖性使得预测技术具有挑战性。因此,Mahdi Shariati等使用了machine learning(ML)技术来预测试验结果,他们将极端学习机(extreme learning machine,ELM)与一种被称为灰狼优化器(grey wolf optimizer,GWO)的元启发式算法相结合,提出一种新的混合模型ELM-GWO来预测混凝土的抗压强度。然后,他们使用了多个著名的模型来评估ELM-GWO的性能,结果表明,混合模型ELM-GWO可以有效地提高模型的性能,并能够达到更好的性能指标。

大多数模型将混凝土视为一种均质材料,而它是由骨料、水泥浆体和空隙组成的非均质复合材料。而且,现有的异构模型仅限于一种骨料类型。Mahmood Khormani等选用了两种不同类型的骨料进行混凝土配合比设计,并分别将它们定义为有限元模型中的不同相,然后使用医用CT扫描样品的图像,通过网络图像处理技术,将图像转换为可管理的中尺度六面体元素,建立有限元模型。然后使用Abaqus软件的显式动力学求解器,得到样品的抗压强度,该模拟结果与实验室结果的偏差为8%~10%。研究结果表明,X射线的CT图像可以用来评估混凝土的极限强度,有利于工程的监督管理。

除了以上介绍的三种预测模型之外,基于混凝土不同方面的预测其抗压强度的模型还有很多种。例如利用基因表达式程序设计算法(gene expression programming,GEP),提出简化实用的数学方程来预测基于高炉矿渣的聚合物混凝土砂浆的抗压强度,可以促进高炉矿渣在聚合物混凝土开发中的重复使用,从而带来环境和经济优势。另外,还可以通过建立考虑混凝土非均匀性的三维中尺度模拟方法,探索玻璃纤维增强塑料(GFRP)约束混凝土在压缩下的尺寸效应等等。

可见,使用模型预测混凝土的抗压强度是相当灵活且复杂的,研究者针对不同影响因素可以选择不同的模型。同时,该方法还具有良好的经济效益和环保效益。但是其涉及的知识面较广,包括学科的交叉,需要具备较强相关专业的知识与能力。

5 结论

本文对混凝土抗压强度的几种检测方法进行了综述,它们包括:无损检测法(回弹法、超声波法、超声回弹综合法)、微观检测法和模型预测法,得出以下结论:

①回弹法、超声波法和超声回弹综合法虽然精度低、影响因素多,但是它们在工程上使用最广泛,微观检测法和模型预测法目前大多处于实验室研究阶段,不适合广泛应用于实际工程;

②混凝土抗压强度微观检测法可使用的技术很多,包括扫描电镜法(SEM)、核磁共振法(NMR)和傅里叶红外光谱法(FTIR)等等,根据不同的需求,各种方法可以单独使用也可以结合使用,准确且全面;

③模型预测法不受环境和人为因素影响,准确性高、分析能力强,具有良好的经济效益和环保效益,且比较灵活,根据不同的参数可以使用不同的模型相结合来预测混凝土的抗压强度。但是该方法目前处于研发初期,不适用于工程上大量推广使用。

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