混凝土质量评价检测技术在某水利工程的综合应用

吴育学，吴建东

(1.甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省水利科学研究院，甘肃 兰州 730000)

水利工程利国利民，其建设也符合使用清洁能源的号召，但是水利工程的安全性要求非常高，这是由其巨大的建设资金、人力投入与失事后果造成的。水利工程的安全主要取决于混凝土的质量。水利工程一旦出现质量问题，其修复或者缺陷处理需要巨大资金且效果不佳，所以符合设计强度要求的混凝土的一次性成型浇筑对工程安全运行至关重要。为加强对混凝土施工的监管，提高工程的整体安全性，开发了各种科技检测技术来检测混凝土质量。科学检测技术的使用可以从施工阶段就能发现质量问题，从而改进施工技术，提高混凝土浇筑质量，大幅节约建设资金。

1 工程概况

该水利工程地处高寒高海拔地区，大坝为1级建筑物，溢洪洞、泄洪洞等主要建筑物为2级建筑物。运行期间发现该工程1#、2#溢洪洞洞身衬砌混凝土存在不同程度的冻融破坏及局部洞身段渗水量较大等问题，同时工程在建设期间为加快施工进度，实现提前发电的目的，未按设计要求完成洞身混凝土衬砌。1#溢洪洞进口引渠长度为23.8m，渠底宽为12m；0+028.00～0+750.00m为隧洞，洞宽9m，高13.7m，采用C30钢筋混凝土衬砌。2#溢洪洞引渠段长度为48m，0+028.00～0+805.25.00m段为隧洞段，其结构及布置设计与 1#溢洪洞基本相同。

2 混凝土抗压强度检测技术

2.1 混凝土回弹检测

回弹检测法是通过回弹仪的弹簧对重锤加力，当弹簧释放时，冲击杆以恒定的力量撞击测试面，当重锤受冲击弹回时，弹簧回弹至最高处，同时标尺测试出重锤被反弹回来的距离，以回弹值(反弹距离与弹簧初始长度之比)作为与强度相关的指标，来推定混凝土强度的一种检测方法[1-3]。

溢洪道侧墙衬砌混凝土设计强度为30 MPa，测量结果显示，1#和2#溢洪道侧墙混凝土强度远低于设计值，其强度不符合设计要求，混凝土强度不合格。混凝土回弹法检测抗压强度结果见表1。

表1 溢洪洞混凝土回弹法检测抗压强度统计表 单位：MPa

2.2 混凝土超声波检测

超声波检测是检测混凝土内部缺陷与均质性方法之一[4]，超声波在混凝土中传播速度与强度大小有关，两者之间可以建立某种相关关系，可以利用这种相关关系来描述超声波波速与混凝土强度的关系，进而推断其强度大小。一旦混凝土结构中存在不密实、裂缝、脱空等质量缺陷问题，超声波经过时便会产生部分损耗，导致波速、波幅、频率等超声波参数的降低，并且信号接收器显示的超声波波形出现明显畸变。采用波速来判断混凝土结构的强度，一般认为波速越低，混凝土结构质量越差；强度越低，在同一标段的波速变化幅度越不均匀，说明混凝土浇筑得不均匀。溢洪洞混凝土超声波检测结果见表2。

表2 溢洪洞混凝土超声波检测结果

由上表可见，两个溢洪道左右侧墙各检测部位超声波波速偏差较大，最小波速为1460 m/s，最大波速为4185 m/s，波速部分不均。一般认为波速分布越均匀，混凝土浇筑越均匀；波速越高且均匀，混凝土越密实，强度越高。因此，超声波检测结果表明该水利工程溢洪道衬砌混凝土浇筑得不密实、不均匀。

2.3 混凝土钻芯法强度检测

钻芯法，简而言之就是在要检测部位钻芯取样，将样品按照编号包装带回试验室，放在压力机上做抗压强度检测，混凝土试块破坏时的抗压强度便是其最大抗压强度[5-8]。这是检测混凝土抗压强度最直接有效的方式。其检测结果数值直观且更准确，是工程检测中最常用的强度检测技术之一。溢洪洞混凝土钻芯法强度检测结果见表3。

表3 溢洪洞混凝土钻芯法强度检测结果 单位：MPa

由上表可见，该水利工程1#、2#溢洪道底板及左右侧墙混凝土钻芯抗压强度均不满足设计强度要求的30MPa。

3 混凝土保护层厚度与碳化深度检测

根据测量部位的实测混凝土保护层厚度值与设计值的大小来判断混凝土保护层厚度对建筑中的钢筋耐久性能的影响，其值越大，说明保护层厚度耐久性越好；值越小，耐久性越差。使用某混凝土钢筋检测仪对钢筋保护层厚度进行测定。结果表明1#溢洪洞左侧墙平均保护层厚度为69mm，0+068至0+088段平均厚度为35mm，0+140至0+160段平均厚度为25mm；右侧墙为93mm，0+428至0+708段仅为28.35mm。2#溢洪洞左侧墙平均保护层厚度为94.8mm，右侧墙为91.2mm。综合比较，1#溢洪洞左右侧墙混凝保护层多段位出现厚度不均，且数值偏差较大。

混凝土碳化是不可避免的，可是一旦混凝土浇注不够密实，出现孔隙、空洞等质量缺陷，混凝土中的氢氧化物与空气中的二氧化碳和水汽结合，在混凝土表层会出现一层碳化层。混凝土若没有孔隙空洞，碳化层会阻止混凝土的进一步碳化。氢氧化物为碱性物质，但是碳化层不溶于水，所以使用酚酞溶液来检测混凝土碳化状态[7，9-10]。测量碳化深度值时，先用手工凿或电动冲击钻在回弹值的测区内，凿钻一个直径为20mm、深70mm的孔洞，将孔洞内的混凝土粉末清除干净，然后用1.0%～2.0%酚酞乙醇溶液滴在孔洞内壁边缘并观察孔洞的颜色变化。混凝土未碳化则为红色，已碳化不变色。再用碳化深度测定仪测量不变色的深度L(混凝土碳化深度值)，读数精度到0.5mm。结果见表4。

表4 混凝土碳化程度分级标准

结果表明，该水利枢纽工程1#溢洪洞左侧墙0+000至0+200段混凝土碳化严重，其中在0+100至0+150段有严重碳化，碳化深度超过保护层厚度，右侧墙0+450至0+600同样碳化严重。2#溢洪洞右侧墙混凝土碳化属于正常碳化，碳化深度没有超过保护层的平均厚度。由此可见，左右侧墙混凝土浇筑不均匀，质量差异大。

4 混凝土冻融破坏检测

探地雷达检测是利用高频电磁波以宽频带短脉冲形式由地面通过发射天线送入介质内部[11]，经检测物体后再反射到其表面。在地质雷达法勘探中，电磁波通常被近似为均匀平面波。电磁波在物体内部的传播主要由物体的电学性质及物体的几何形态决定，一旦物体的几何形态变化不均，出现间断或者空隙等现象，电磁波的波形、波幅等参数便会出现明显的变化。电磁波的传输与接收原理如图1所示。

图1 地质雷达检测示意图

根据反射波原理，可知主机所显示的接收时间为双程旅时，通过检测混凝土的厚度可以计算得到电磁波在混凝土中的传播速度。混凝土中电磁波波速取决相对介电常数，即

(1)

式中，εr—物体的相对介电常数；C—电磁波在物体中的传播速度，m/ns；V—波速。

电磁波在遇到不同物体界面时的反射系数公式为

(2)

式中，ε1和ε2—介电常数。

由公式(2)可知，电磁波的反射系数取决于物质的相对介电常数差异，差异越大，反射系数也越大。

采用雷达图像剖面图来反映混凝土的内部结构，雷达图像剖面图以脉冲反射波的波形形式记录。人工控制移动天线，对隧道衬砌结构及围岩进行连续透视扫描，边采集数据边实时显示监控，根据雷达剖面图像，来判断反射界面或目的体。本次探测主要采用1200 MHz频率的天线，地质雷达检测成果见图2。

图2 地质雷达检测成果表

检测结果表明在两个溢洪道左右侧墙混凝土均出现多段脱空、不密实部位，这表明混凝土在该部位浇筑不合格，后期出现了冻融循环破坏。图中框出的部位便是缺陷部位。

5 混凝土钢筋锈蚀状态评定

如果在浇筑前不对混凝土中的钢筋进行防锈处理，时间一久，钢筋就会发生锈蚀。尤其在碳化严重的部位，钢筋锈蚀尤其严重。还有可能就是混凝土浇筑不够密时，出现空洞，露筋等质量缺陷也会导致水分进入混凝土造成钢筋锈蚀。混凝土中钢筋的锈蚀检测一般采用半电池电位法，由于检测设备是一个稳定系统，其电位显示是稳定的，连接混凝土后设备便和锈蚀钢筋形成一个全电池系统，若混凝土中存在钢筋锈蚀，则电位会有变化。还可以通过检测得到的混凝土保护层厚度与碳化深度数值来判断钢筋是否锈蚀，这种方法相对比较简单，省时省力。文章采用后者来评定钢筋锈蚀状态。一旦混凝土碳化深度超过其保护层厚度，便认为这段混凝土内部钢筋已经锈蚀。绘制混凝土保护层厚度与碳化深度的关系曲线图，并将碳化占比与保护层厚度进行线性拟合，拟合结果如图3所示。

图3 碳化深度与保护层厚度关系曲线图

由上图可知，碳化深度是随着混凝土保护层厚度的减小而增大的。碳化深度占比符合直线关系，其相关系数为0.87。因此，保护层厚度直接影响混凝土碳化。而钢筋的锈蚀与混凝土碳化密切相关[9-10]，一旦碳化深度接近甚至超过保护层厚度，钢筋必定受到锈蚀。碳化层易脱落，此后空气中的水汽和氧气在钢筋表面便会发生电化学氧化反应，氧化产物Fe3O4体积是原来铁体积的多倍，混凝土逐渐受到氧化物的膨胀作用，时间一长，随着氧化加剧，钢筋便会从混凝土结构脱落，失去作用。同时该工程区冬季严寒，冻融作用对钢筋锈蚀也具有重大影响，钢筋锈蚀程度随冻融次数增加而加剧[12-13]。结合混凝土碳化深度与保护层检测结果，认为碳化严重部位钢筋受到锈蚀破坏。

6 检测结果评价

工程混凝土质量评价主要基于混凝土强度与钢筋锈蚀状态[14-15]、探地雷达检测的混凝土冻融破坏结果。混凝土碳化深度与保护层厚度的结果主要用来判断钢筋锈蚀程度。由检测结果可知，1#、2#溢洪道侧墙衬砌混凝土抗压强度远低于设计值30MPa，且左右侧墙混凝土保护层厚度不均匀，1#溢洪道最为严重，导致侧墙多段位混凝土碳化严重。由探地雷达检测结果可知，混凝土内部出现多处脱空不密实等质量问题，钢筋已被锈蚀。最后评定混凝土质量为Ⅲ类缺陷。

7 结语

使用多种混凝土质量检测技术来检测评价该工程溢洪道衬砌混凝土的质量，结果表明混凝土质量不达标。混凝土的质量关乎工程的寿命与效益，合理运用检测技术有助于提高工程质量，对混凝土施工的各个环节进行专业监管是不可忽视的。为确保工程安全及减少资源浪费，在施工阶段能控制好混凝土质量是最佳的。该工程作为一个质量缺陷案例希望可以起到警示作用。同时，这些检测技术也能为其他工程质量监管提供借鉴。