大粒径堆石混凝土超声回弹综合测强曲线的试验研究

2021-10-19唐晓玲李友彬吴弦谦包瑞恩

水力发电 2021年7期

杨林，唐晓玲，李友彬，吴弦谦，包瑞恩

(贵州大学土木工程学院，贵州贵阳 550025)

0 引言

堆石混凝土(Rock Filled Concrete，简称RFC)技术是由清华大学金峰教授发明并获得国家授权专利的新型混凝土施工技术。该技术是建立在自密实混凝土技术基础上，主要利用自密实混凝土的高流动性、高稳定性与抗分离性能好的特点，在大粒径骨料(最大骨料粒径可在300 mm以上)内随机充填自密实混凝土而形成混凝土堆石体的一种新型混凝土技术[1]。RFC具有施工工艺简单、施工效率高、水化热温升低等优点[2- 4]。RFC发展至今，已有大量研究与应用[5- 6]。RFC堆石粒径大，无法采用常规力学试验检测其抗压强度，现阶段尚无相应规范规定其抗压强度测定方法。超声回弹综合法属于一种无损检测手段，其将混凝土表明强度和内部密实度结合起来评判，有无损、迅速、准确等优点[7]。其采用超声波检测仪和混凝土回弹仪，在结构混凝土同一被测区分别测量声速值及回弹值，利用已建立起来的测强公式推算混凝土强度的一种方法，该方法既能反映混凝土的弹性性能，又能反映混凝土的塑性性能[8]。RFC不同于常规级配混凝土，堆石与自密实混凝土之间存在接触面，会对声速产生影响。试验试块大，进行超声对测时测距越大，声速值会减小[9]。另外，堆石的分布形态和堆石与自密实混凝土的粘接强度亦对RFC抗压强度值有重要影响[10]。超声回弹综合法在土木工程中已有大量应用[11-13]。除用于常规混凝土材料的检测外，石建军等[14]通过研究表明用回弹法检测自密实堆石混凝土的抗压强度，其结果准确性高、安全可靠；刘倩等[15]使用超声回弹综合法对再生砖骨料混凝土无损检测适用，且精准度较高；林维正等[16]用超声回弹综合法检测混凝土空心砌块、实心黏土砖等墙体材料，检测精度在±10%左右。各位学者的研究表明超声回弹综合法不仅可用于相对均质的混凝土材料，也能用于非常规的混凝土或其他非均质材料。基于此，本试验通过对强度等级为C15，龄期为90 d的RFC大试块进行超声检测、回弹检测以及力学试验，采用Origin软件分析RFC实测抗压强度、超声声速值以及回弹值三者之间的关联，为RFC强度的无损检测或建立RFC专用测强曲线提供参考。

1 堆石混凝土试块的制定

1.1 试块原材料

试块来源于贵州某RFC坝，采用与坝体相同的原材料、相同的施工方法、相同的养护条件进行RFC试验仓浇筑，试验仓规格为2 200 mm×2 200 mm×2 200 mm。坝体及试验仓原材料及生产配合比分别如表1、2所示。

表1 RFC生产原材料

表2 C9015W6F50高自密实性能混凝土生产配合比 kg/m3

1.2 试块制作

待试验仓到达90 d龄期后，采用切割设备切割试验仓，切割20块边长为450 mm×450 mm×450 mm的大试块进行超声回弹检测及立方体抗压强度试验，如图1和图2所示。

图1 RFC试验仓与切割后的大试块

图2 堆石混凝土大试块典型内部结构

2 超声法检测RFC抗压强度

2.1 使用的设备及检测步骤

仪器选用北京海创高科生产的HC-U81混凝土超声波检测仪、HT-225Y/T一体回弹仪，长春科新测试仪器有限公司生产的10 000 kN微机控制电液伺服压力试验机。根据相关规范，检测步骤如下：

(1)仪器检查与校对。

(2)试块龄期90 d，保持干燥状态，选择规则、外观无明显缺陷、平整的试块，清理试块预测表面，使试块表面干净平整。

(3)划分测区。每块试块每一组对立面为1个测区，每个测区分布16个回弹测点；对试块的一个随机对立面布置3组超声回弹测点。测点分布如图3所示。

图3 RFC试块检测布点示意

(4)超声回弹检测。对每块试块以先回弹后超声的顺序进行检测。回弹检测时，采用水平弹击，并保证回弹仪轴线垂直于混凝土测试面，回弹测读精确度到1；超声检测使用对测方式，检测时，需在测点上涂上耦合剂，将换能器压紧在测点上，声时测量精确至0.1 us，测距精确至1.0 mm，测量误差保证不超过±1%，声速精确至0.01 km/s。

(5)力学试验。使用1 000 t压力机进行抗压强度试验，试验严格依照SL/T 352—2020《水工混凝土试验规程》[17]中的规定进行。

2.2 超声回弹数据处理

测区混凝土中声速代表值根据该测区中3个测点的混凝土中声速值，计算公式为

(1)

式中，v为测区混凝土中声速代表值，km/s；li为第i个测点的超声测距，mm；ti为第i个测点的声时读数，us；t0为声时初读数。

测区回弹代表值从该测区的16个回弹值中去掉3个较大值和3个较小值，根据剩余的10个有效回弹值计算公式为

(2)

式中，R为测区回弹代表值，精确至0.1 MPa；Ri为第i个测点的有效回弹值。

根据T/CECS 02—2020《超声回弹综合法检测混凝土抗压强度技术规程》[18]中的规定，在强度推定时，采用全国统一测区混凝土抗压强度换算公式计算，当粗骨料为碎石时，全国统一测区混凝土抗压强度换算公式为

(3)

(4)

如果所得相对误差er≤15%，则可以使用该全国统一测强曲线；如果所得相对误差er≥15%，则应另行建立专用或地区测强曲线。

本批次RFC抗压强度推定值fcu.e按下列公式计算：

(5)

(6)

(7)

2.3 试验结果分析

试验结果如表3所示，RFC立方体大试件抗压强度与超声值、回弹值的对应关系如图4所示，超声及回弹值分区占比情况如图5所示。由图4可知，超声及回弹值与RFC大试件立方体抗压强度值均呈正相关的关系，回弹值较为集中，相关关系明显，相对于对测声速值，回弹值对实测抗压强度的解释程度较高。考虑尺寸效应对实测抗压强度的影响，将2种不同边长的试件试验数据分别使用全国统一测强曲线计算对应的RFC强度推定值，然后计算其相对误差，计算结果如表4所示。由计算结果可知，边长为270 mm的RFC推定值的相对误差为23%，边长为450 mm的堆石混凝土相对误差为36%，均不满足规程规定使用全国统一测强曲线对相对误差er≤15%的要求，故需另行建立相应测强曲线。