干硬性混凝土预制块强度检测方法及超声波无损检测方法的应用

彦 湘

（湖北华夏水利水电股份有限公司，湖北 荆州 434000）

0 引言

在水利工程项目施工过程中，针对干硬性混凝土预制块进行强度检测，是保障水力工程项目施工质量与施工安全的重要技术手段。特别是近些年来，随着全国各地水利工程项目的蓬勃发展以及对于干硬性预制混凝土块的大量应用，使得各地水利工程就各类干硬性预制混凝土块强度检测的要求和标准也越来越高。本文对干硬性混凝土预制块强度检测方法进行简要介绍，重点介绍超声波无损检测方法，并结合水利工程的具体应用介绍其应用方法和效果。

1 干硬性混凝土预制块强度检测方法研究现状

由于龄期对于干硬性预制混凝土块的强度具有明显影响，几乎所有的干硬性预制混凝土块强度均会随着龄期的变化而变化，因此国内外有不少同行业者或科研人员针对干硬性预制混凝土块在不同龄期的强度检测开展了研究。

在国外，Rahmani等[1]首先提出基于回弹法测定干硬性预制混凝土块不同龄期的回弹模量，而后根据实际测得回弹模量计算验证其抗压强度和抗剪切强度；Levieth等[2]将弹性波反射法应用于干硬性预制混凝土块的无损检测领域，利用弹性波在干硬性预制混凝土块中的传递情况来判断干硬性预制混凝土块是否存在裂缝等质量缺陷；Korde等[3]采用雷达扫描技术和红外线热普技术相结合的方式，使得干硬性预制混凝土块的强度检测迈入了信息化数据采集、计算、分析、对比的新领域，大幅增强了对于大数量干硬性预制混凝土块强度检测的效率。

在国内，沈家文等[4]基于超声波传播速度受到传播介质密实度影响的原理，对使用超声波检测技术检测干硬性预制混凝土块强度的实用性和精确度等进行了探究，这为超声波开展干硬性预制混凝土块强度检测研究提供了经典范例；晏露超等[5]利用超声波平测法对水利工程干硬性预制混凝土块内部的钢筋排布方式、钢筋抗拉、钢筋抗折、混凝土块抗斜裂等进行了试验探究，这对于无损检测钢筋的保护层厚度、钢筋的力学效能而言是非常大的科研突破；

吴玉厚等[6]在深度调研水利工程项目干硬性预制混凝土块安装施工特点的基础上，提出依托于改进引导滤波的水利工程项目干硬性预制混凝土块具体安装点位强度检测法，这便为水利工程干硬性预制混凝土块在对应安装点位的强度是否满足质量需求提供了较为有效的检测路径。

2 传统检测方法分析

目前在全国各地，检测成本较低、适用于水利工程施工现场开展干硬性预制混凝土块强度检测的传统方法，主要有回弹法、拉脱法和钻芯法。

2.1 回弹法

所谓回弹法，就是利用回弹仪，对于不同龄期的干硬性预制混凝土块开展回弹仪夯击测试，而后根据回弹仪的夯击读数测算干硬性预制混凝土块是否达到设计强度。回弹仪主要由弹击杆、弹击拉簧、弹击锤、刻度尺等组成，使用回弹仪是最传统、最普遍的干硬性预制混凝土块强度检测方法[7]。

在具体使用回弹仪的过程中，一般是将回弹仪的弹击杆对准干硬性预制混凝土块的某个部位，而后借助弹击拉簧的弹性向检测部位进行按压，继而释放弹击拉簧，这样在回弹仪的刻度尺上就会显示出干硬性预制混凝土块检测点的混凝土强度。回弹法的优点是成本低、操作方面、推广普及面广，其缺点在于回弹仪会对干硬性预制混凝土块的检测部位形成一定的弹击伤害，有时甚至会出现破坏干硬性预制混凝土块的情况[8]。

2.2 拉脱法

拉脱法是利用拉脱仪拉拔干硬性预制混凝土块芯样的一种方法。拉脱仪一般由三瓣夹头、力矩杆、加紧拉脱装置、反力杆、减速箱、加力转换装置、数据采集装置等构成[9]。拉脱法的检测实施步骤，一般是在干硬性预制混凝土块的检测面上，通过切割钻取的方式，钻取一个直径均值为40mm、深度均值为40mm的圆形芯样，在不取出、不折断芯样的基础上，将拉脱仪的三瓣夹头对准检测芯样并紧紧“咬住”芯样，而后通过持续调整加力转换装置，借助反力杆、力矩杆持续增加三瓣夹头对于检测芯样的拉拔力，当检测芯样出现临界强度极限（即出现拉拔损坏时），读取拉拔仪数据采集装置上的数据，以此判断检测芯样的临界破坏强度是否达到设计强度的标准值[10]。

2.3 钻芯法

钻芯法，顾名思义就是利用专业的干硬性预制混凝土块钻芯仪器或金刚石钻头，在干硬性预制混凝土块的某一位置、某一深度处钻取一定尺寸的芯样[11]。而后再将芯样放置在抗压测试仪器或剪切测试仪器上开展抗压实验和抗剪切实验，最终得到芯样处于临界破坏状态时的抗压强度与抗剪切强度。通常情况下，钻芯法为了降低芯样在抗压、抗剪切测试中的试验误差，会在同一干硬性预制混凝土块上钻取3至6个芯样进行抗压、抗剪切试验检测，因此钻芯法是对干硬性预制混凝土块破坏伤害最大的检测方法之一。

3 超声波无损检测方法及其应用

由于回弹法、拉脱法、钻芯法等既会对干硬性预制混凝土块造成一定的破坏，又无法对干硬性预制混凝土块开展大批量的全覆盖检测。因此针对干硬性预制混凝土块的强度检测开展无损检测应用探究，具有十分重要的理论和实践价值。

3.1 基本原理

对于水利工程中干硬性预制混凝土块而言，随着龄期的增加，其密度和强度也会逐渐增强。当超声波在不同龄期的干硬性预制混凝土块中传递时，干硬性预制混凝土块的强度越大，那么超声波的传播声速也就越高。基于超声波的传播声速，可以判断相应声速对应的干硬性预制混凝土块强度是否达到了要求[12]。

3.2 检测方法

根据有关研究可知，基于超声波对水利工程干硬性预制混凝土块强度开展无损检测应用的理论函数式如式（1）和式（2）所示。

式中，

v——经过水利工程干硬性预制混凝土块的超声波传播波速，km∕s；

E——水利工程干硬性预制混凝土块的压缩模量，MPa；

Μ——水利工程干硬性预制混凝土块的泊松比；

Ρ——水利工程干硬性预制混凝土块的密度量，kg∕m3。

一般情况下，预制构件混凝土的压缩模量、泊松比和密度，均可以采用与预制构件同原料的混凝土制作标准试块经实验室试验测得[13]。

式中，

R——不同龄期时干硬性预制混凝土块的抗压强度，MPa；

E——干硬性预制混凝土块的压缩模量，MPa；

V——经过干硬性预制混凝土块的超声波传播波速，m∕s；

Λ——干硬性预制混凝土块的拉曼系数；

G——干硬性预制混凝土块的抗压切变模量，MPa。

一般情况下，预制构件混凝土的压缩模量、拉曼系数和抗压切变模量，均可以采用与干硬性预制混凝土块同原料的混凝土制作标准试块经实验室试验测得[14]。

利用超声波检测仪，借助超声波在被检测干硬性预制混凝土块中的传播波速以及式（1）和式（2），计算验证干硬性预制混凝土块在不同龄期的抗压强度是否满足设计要求，以此实现对于水利工程干硬性预制混凝土块的大批量无损检测。

3.3 应用实例

位于我国湖北省内的某水利工程项目，需要制备安装4块干硬性预制混凝土块（干硬性预制混凝土块尺寸为10m×8m×6m），制备期间干硬性预制混凝土块的抗压强度需要进行检测确认。经查阅干硬性预制混凝土块的设计文件发现，案例项目中4块干硬性预制混凝土块的施工配合比如下：水泥230kg∕m3、粉煤灰85kg∕m3、矿渣110kg∕m3、细骨料砂730kg∕m3、粗骨料石1050kg∕m3、拌合水160kg∕m3、SPI型减水剂12.0kg∕m3、膨胀剂30.0kg∕m3。

质量检测人员按照上述配合比制作干硬性预制混凝土标准试块，经实验室检测确定待检测的干硬性预制混凝土块，其压缩模量E=3.3×104MPa，泊松比μ=0.26，密度ρ=2407kg∕m3，拉曼系数λ=4.82，抗压切变模量G=1.15×104MPa。质量检测人员利用超声波检测仪，对4块干硬性预制混凝土试块进行不同龄期的波速检测。

（1）1号干硬性预制混凝土试块在第7天龄期时测得超声波传递波速为308m∕s，在第14天龄期时测得超声波传递波速为312m∕s，在第28天龄期时测得超声波传递波速为335m∕s；

（2）2号干硬性预制混凝土试块在第7天龄期时测得超声波传递波速为271m∕s，在第14天龄期时测得超声波传递波速为295m∕s，在第28天龄期时测得超声波传递波速为312m∕s；

（3）3号干硬性预制混凝土试块在第7天龄期时测得超声波传递波速为322m∕s，在第14天龄期时测得超声波传递波速为341m∕s，在第28天龄期时测得超声波传递波速为362m∕s；

（4）4号干硬性预制混凝土试块在第7天龄期时测得超声波传递波速为278m∕s，在第14天龄期时测得超声波传递波速为289m∕s，在第28天龄期时测得超声波传递波速为309m∕s。

基于上述超声波传播速度检测数据，利用前文中试验测得的干硬性预制混凝土试块压缩模量、泊松比、密度、拉曼系数、抗压切变模量以及式（1）和式（2）进行案例项目干硬性预制混凝土试块抗压强度计算，得到的计算结果如表1所示。

表1 案例项目4块预制隔板构件混凝土不同龄期的抗压强度（单位：MPa）

根据表1的检测计算结果可以看出，4个干硬性预制混凝土试块中，1号干硬性预制混凝土试块、3号干硬性预制混凝土试块分别在龄期第7天、第14天、第28天时的实际抗压强度均大于设计抗压强度，符合质量标准要求；2号干硬性预制混凝土试块、4号干硬性预制混凝土试块分别在龄期第7天、第14天、第28天时的实际抗压强度均小于设计抗压强度，不符合质量标准要求。

4 结束语

本文以国内外关于水利工程干硬性预制混凝土块强度检测的相关研究作为基础，在梳理总结传统检测方法优缺点的同时，指出超声波无损检测方法既不会损伤混凝土块，还可以开展大范围的检测，具有良好的应用效果；并将超声波无损检测方法用在我国湖北省某水利工程项目4块干硬性预制混凝土块不同龄期抗压强度的检测中，验证了超声波无损检测方法的使用效果和效率。