基于水工混凝土多种检测技术质量评价分析

刘宝祥

(北票市长皋水利服务站，辽宁 朝阳 122109)

混凝土质量在很大程度上决定了水利工程的安全运行，一旦出现质量问题必须及时有效的处理修复，该过程投入的资金巨大且往往难以取得较好的效果。因此，一次浇筑成型符合设计质量要求的混凝土对工程安全运行非常重要。为了保证工程建设质量，加强对施工过程的监管，对混凝土质量利用多种技术检测就显得极为重要。科学合理的应用各种检测技术，有利于及时发现施工中所存在的问题，通过改进施工技术保证混凝土浇筑质量，为工程预期目标的实现提供可靠保障。

1 工程概况

该水利工程的泄洪洞、溢洪道等属2级建筑物，大坝为1级。运行过程中，发现1#、2#泄洪洞局部洞身段渗水量较大且衬砌混凝土存在一定程度的冻融破坏，为加快施工进度实现提前发电目标，在工程建设期间洞身混凝土未按设计要求衬砌。另外，1#溢洪洞进口引渠底宽12m，长度为24.0m；隧洞位于0+750m-0+025m处，洞高13.8m，宽9.0m，衬砌混凝土等级为C30。2#溢洪洞布置及其结构设计与1#基本相同，隧洞段位于0+810m-0+025m，引渠段长48m。

2 水工混凝土多种检测技术

2.1 混凝土抗压强度检测技术

2.1.1 回弹检测技术

回弹检测法是一种对重锤加力，在回弹仪弹簧释放时冲击杆以恒力撞击检测面，受冲击后重锤弹至最高，将其被反弹的最大距离用标尺测出，以弹簧初始长度与反弹距离的比值即回弹值，作为与强度相关的指标推定混凝土强度的检测方法[1-3]。

混凝土设计强度为30MPa，利用回弹法检测1#、2#溢洪道衬砌混凝土强度结果见表1。结果显示，强度测量值明显低于设计值，混凝土强度达不到设计要求。

表1 回弹法抗压强度检测值

2.1.2 超声波法

对于混凝土均质性与内部缺陷的检测，超声波法具有较好的适用性与可行性[4]。在混凝土中超声波的强度大小与传播速度密切相关，可以利用二者之间的相关特征描述混凝土强度与超声波波速的关系，在此基础上确定其强度等级。超声波经过混凝土内部脱空、裂缝、不密室等质量缺陷时会导致部分损耗，明显降低超声波频率、波幅、波速等参数，接收器显示的信号也会发生改变。混凝土结构强度利用波速来判断时，一般认为波速越低则结构质量越差；强度越低，同一标段波速变化幅度越不均匀则说明混凝土浇筑越不均匀。采用超声波法检测的溢洪洞混凝土质量，如表2所示。

表2 超声波法检测结果

由表2可知，超声波波速在1#、2#溢洪道各检测部位存在较大偏差，最大、最小值为4175m/s和1470m/s，左右侧墙波速明显不均。一般地，波速分布越均匀则混凝土浇筑的越均匀，波速越均匀且越高则混凝土越密室、强度也越高。因此，对该溢洪道衬砌混凝土利用超声波法检测，结果显示存在浇筑不均匀、不密室的缺陷。

2.1.3 钻芯取样法

实质上，钻芯法就是在被检测部位钻芯取样并按编号包装带回试验室，采用压力试验机检测混凝土试块破坏时的强度，由此确定混凝土结构最大抗压强度的一种方法[5-7]。该方法能够直接有效地检测混凝土强度，其检测结果更加准确直观，在工程检测中的应用也最为广泛。采用钻芯法检测溢洪洞混凝土强度，如表3所示。

表3 钻芯法检测混凝土强度

由表3可知，采用钻芯法检测的1#、2#溢洪洞左右侧墙及底板混凝土强度均低于30MPa的设计强度要求。

2.2 保护层厚度测量

工程结构中钢筋耐久性受混凝土保护层厚度的影响，可以通过比较保护层厚度设计值与测量值的大小来判断，其值越大则耐久性越好；反之，则耐久性越差。针对钢筋保护层厚度利用钢筋检测仪测定，结果显示1#溢洪洞左侧墙0+065-0+085段、0+150-0+170段保护层厚度平均值为35mm和25mm，整段保护层厚度平均值为70mm；右侧强的0+425-0+710段保护层平均值为28mm，整段平均值为91mm。2#溢洪洞左侧墙、右侧墙的保护层厚度平均值为95mm和91mm。总体而言，1#溢洪洞测墙混凝土保护层厚度偏差较大，多段厚度明显不均。

2.3 碳化深度检测

工程中，混凝土结构不可避免的会产生碳化，一旦混凝土浇筑不够密实出现空洞、孔隙等质量缺陷，空气中二氧化碳及水汽与混凝土中的氢氧化物相结合，在结构表面形成碳化层。若结构内部没有孔隙空洞碳化层可有效阻止进一步碳化，碳化层不溶于水而氢氧化物属碱性物质，因此混凝土碳化状态可以用酚酞溶液来检测。碳化深度测量过程中，在回弹值测区内应先用电动冲击钻或手工凿凿钻深70mm、直径20mm的孔洞，然后清理干净孔洞内的粉末，在孔洞内壁边缘滴1.0%-2.0%的酚酞乙醇溶液，并观察孔洞的颜色变化。若混凝土已碳化则不变色，若已碳化则显示为红色，对不变色的深度L(碳化深度值)利用精度为0.5mm的碳化深度测定仪测量，如表4所示。

表4 碳化程度分级标准

检测结果显示，1#溢洪洞左侧墙0+080-0+140段、右侧墙0+450-0+600段的碳化深度超过保护层厚度，混凝土达到严重碳化；2#溢洪洞右侧墙的碳化深度未超过保护层平均厚度，混凝土属于正常碳化。因此，溢洪洞左右侧墙质量差异大，混凝土浇筑存在不均匀现象。

2.4 冻融破坏检测

探底雷达法是通过发射天线以短脉冲宽频带的形式利用高频电磁波从地面送入介质的内部，经检查物反射至表面的一种检测技术，其接受与传输原理如图1所示。

图1 电磁波传输与接受原理

勘探过程中，地质雷达发射的电磁波被近似为均匀平面波，物体的几何形态及其电学性质决定了电磁波的传播特征，一旦物体出现空隙、间断或者几何形态变化不均等情况，将明显改变电磁波的波幅、波形等参数[8]。根据反射波原理确定主机接受的双程旅时间，然后利用混凝土中电磁波的传播速度可以计算出混凝土的厚度。相对介电常数决定了电磁波的波速，其计算式为：

(1)

式中：V为波速，m/s；C、εr为物体的相对介电常数和物体中电磁波的传播速度，m/s。采用下式确定经不同物体界面时电磁波的反射系数，即：

(2)

式中：ε1、ε2为介电常数。根据公式(2)可知，物体的相对介电常数差异决定了电磁波的反射系数，差异越大则反射系数越大。

混凝土内部结构可以利用雷达图像剖面图来描述，剖面图的纪录形式主要是脉冲反射波的波形。对该水利工程溢洪洞衬砌结构及围岩，采用人工控制移动天线的方式实现连续透视扫描，在实时显示监控的同时采集数据，结合雷达剖面图像判断目标体或者反射界面。本次利用频率为1200MHz的天线进行探测，结果如图2所示。

(a)脱空

(b)不密实

由图2可知，该水利工程1#、2#溢洪洞都存在多段不密室、脱空等质量缺陷，这表明混凝土浇筑不合格导致后期存在冻融循环破坏。

2.5 钢筋锈蚀状态评定

混凝土浇筑前，若未对钢筋实施防锈处理，时间一久就会产生锈蚀，特别是严重碳化的部位钢筋锈蚀更为严重[9-10]。此外，由于混凝土存在露筋、空洞或浇筑不密室等质量缺陷，水分会进入结构内部引起钢筋的锈蚀。实际工程中多利用半电池电位法检测混凝土中钢筋的锈蚀情况，检测设备显示的电压稳定，设备连接混凝土后与钢筋组成全电池系统，若钢筋锈蚀将引起电位的变化。此外，也可以利用检测的碳化深度值与混凝土保护层厚度判断钢筋的锈蚀状态，该方法省时省力且操作比较简单。文章利用碳化深度值与混凝土保护层厚度评定钢筋的锈蚀状况，一旦碳化深度超过保护层厚度就认为混凝土内部的钢筋发生锈蚀。根据混凝土碳化深度与保护层厚度的关系曲线，线性拟合两者间的关系见图3。

(a)保护层厚度与碳化深度关系 (b)碳化深度占保护层厚度比例

由图3可看出，随保护层厚度的减小混凝土碳化深度逐渐增大，碳化深度占保护层厚度比例符合线性关系，两者的相关系数为0.86，可见混凝土碳化取决于保护层厚度。而混凝土碳化与钢筋的锈蚀存在密切联系，保护层厚度小于或接近碳化深度时钢筋必定受到锈蚀。碳化层脱落后空气中的氧气和水汽，在钢筋表面发生电化学反映生成氧化产物Fe3O4，其体积是铁的多倍，受氧化物膨胀作用混凝土产生裂缝，随着氧化的加剧和时间的延长钢筋就会从结构中脱落，逐渐失去其功能作用。此外，冬季严寒的冻融作用，对水工混凝土中钢筋的影响也较大，随冻融次数的增加钢筋锈蚀程度不断加剧。根据检测的混凝土保护层和碳化深度数值，可以判定严重碳化部位的钢筋已经发生锈蚀。

3 质量检测评价

根据探地雷达检测的冻融破坏结果、钢筋锈蚀的状态和混凝土强度评价水工混凝土质量状况，钢筋锈蚀程度主要依据保护层厚度与碳化深度检测结果来判断。根据检测结果，1#、2#溢洪洞侧墙混凝土保护层厚度不均匀且抗压强度远低于设计值30MPa，且1#溢洪洞侧墙多段位发生碳化。结合探地雷达检测结果，混凝土存在不密实、多出脱空等质量缺陷，钢筋发生锈蚀，混凝土质量最终可评定为Ⅲ类缺陷。

4 结 论

文章对水利工程溢洪道衬砌混凝土质量利用多种检测技术进行检测，结果显示其质量不达标，最终评定为Ⅲ类缺陷。混凝土质量在很大程度上决定了工程的正常运行和效益的发挥，各种检测技术的合理利用能够为工程质量提供可靠保障，全过程监管混凝土各施工环节非常必要的。控制好施工阶段的混凝土质量，能够有效避免资源的浪费，保证工程安全稳定长效运行，通过工程实例分析可以发挥一定的警示作用，为提升工程质量检测水平提供一定指导。