Table 1. 水泥的主要物理性能指標
| 密度/（g · cm−3） | 比表面積/（m2 · kg−1） | 凝結時間/min | 抗折強度/MPa | 抗壓強度/MPa | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 初凝 | 終凝 | 3 d齡期 | 7 d齡期 | 3 d齡期 | 7 d齡期 | ||
| 265 | 309 | 100 | 240 | 5.3 | 7.8 | 27.8 | 46.5 |
分享：火山石混凝土強度的超聲回彈綜合法檢測
火山石是一種多孔、輕質的玻璃質火山噴出巖[1]。云南騰沖地區(qū)火山石資源非常豐富。盡管騰沖當地使用火山石制備混凝土的歷史由來已久，但在2013年，云南省頒布的《云南省建筑工程結構實體檢測技術規(guī)程》中要求建筑工程實體驗收時須用超聲回彈綜合法進行評價[2]，但在實際工程驗收中發(fā)現(xiàn)，無論使用行業(yè)標準還是云南地方標準中的超聲回彈綜合法測強曲線來推定騰沖火山石混凝土抗壓強度，均存在較大的誤差，限制了火山石在混凝土中的應用。
超聲回彈綜合法是利用已建立的測強曲線方程推定混凝土強度的一種無損檢測方法，該方法因充分利用并且結合了回彈法和超聲波法的優(yōu)點[3-4]，在推定均質性好的混凝土抗壓強度時具有很高的檢測精度[5-7]，故在工程上被大量推廣。但對于采用騰沖火山石等多孔骨料成型的混凝土，依據已建立的超聲回彈綜合法測強曲線，無法準確地推定混凝土的抗壓強度。由于采用超聲回彈綜合法對輕質多孔骨料成型的混凝土強度進行無損檢測研究的文獻較少[8-9]，并且火山石因產地不同，性能也存在較大的差異[10]，故目前對騰沖火山石多孔骨料混凝土超聲回彈綜合法的研究無可直接借鑒的經驗。
為此，文章對比了火山石混凝土與石灰石混凝土回彈值和聲速的差異，確定超聲回彈綜合法應用于火山石混凝土的可行性，建立適用于騰沖火山石混凝土的測強曲線并進行了驗證。相關結果對使用騰沖火山石混凝土的建筑工程實體驗收具有一定的指導意義，也能為多孔骨料無損檢測標準的建立提供參考。
1. 原材料與試驗方法
1.1 原材料
水泥為海螺P·O 42.5型普通硅酸鹽水泥，其主要物理性能如表1所示。礦物摻合料為火山灰，比表面積為310 m2·kg−1，28 d活性指數為78%。粗集料為火山石，5~25 mm連續(xù)級配，其基本性能指標如表2所示。細集料為機制砂，細度模數為3.1，其基本性能指標如表3所示。外加劑為聚羧酸高性能減水劑，固含量為10.7%，（質量百分比，下同）減水率為32.9%。水采用城市自來水。
Table 2. 火山石基本性能指標
| 松散堆積密度/(kg · m−3) | 緊密堆積密度/(kg · m−3) | 表觀密度/(kg · m−3) | 粒徑/mm | 24h吸水率/% | 壓碎值/% |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 270 | 1 340 | 2 570 | 5~25 | 2.5 | 15 |
Table 3. 砂基本性能指標
| 松散堆積密度/(kg · m−3) | 緊密堆積密度/(kg · m−3) | 表觀密度/(kg · m−3) | 飽和面干吸水率/% | 壓碎值/% | 石粉含量/% |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 470 | 1 690 | 2 610 | 1.2 | 23 | 3.9 |
1.2 火山石混凝土配合比
試驗依據標準JGJ55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》設計了C15，C20，C30，C40，C50，C60共6種強度等級的火山石混凝土，通過對騰沖市周邊預拌混凝土攪拌站的調研與試配，得到坍落度控制在200±20 mm的騰沖地區(qū)常用的火山石混凝土配合比（見表4）。
Table 4. 火山石混凝土配合比
| 強度等級 | 水泥 | 礦物摻合料 | 水 | 機制砂 | 火山石 | 外加劑 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| C15 | 185 | 123 | 185 | 831 | 976 | 4.0 |
| C20 | 229 | 79 | 185 | 831 | 976 | 4.2 |
| C30 | 287 | 49 | 185 | 818 | 961 | 4.6 |
| C40 | 349 | 61 | 185 | 784 | 920 | 6.3 |
| C50 | 393 | 70 | 185 | 710 | 942 | 7.5 |
| C60 | 530 | 0 | 185 | 666 | 920 | 7.5 |
1.3 混凝土試件制備與測試
依據標準T/CECS 02—2020《超聲回彈綜合法檢測混凝土抗壓強度技術規(guī)程》（以下簡稱T/CECS 02）中建立地方測強曲線的方法，基于表4所示的配合比，對應14，28，60，90，180，365 d每個齡期成型30塊火山石混凝土標準立方體試件，按照T/CECS 02要求對混凝土試件進行養(yǎng)護與測試，測試內容包括：回彈值、聲速和抗壓強度。其中，回彈值測試采用朗睿HT-225型數顯回彈儀，聲速測試采用智博聯(lián)的ZBL-U520型非金屬聲波檢測儀，碳化深度測試采用山東省樂陵市回彈儀廠生產的混凝土碳化深度檢測儀，測點分布示意如圖1所示。最后立方體抗壓強度試驗采用DYE-2000A型液壓微機控制壓力機。
圖 1 測點分布示意
2. 試驗數據分析與結果討論
2.1 現(xiàn)有測強曲線檢測火山石混凝土抗壓強度的精度分析
通常采用平均相對誤差（δ）、相對標準差（er）來評價測強曲線的精度[11]，即
| (1) |
| (2) |
相關系數（γ）是反映變量之間相關關系密切程度的指標，即
| (3) |
式中：δ與er均精確至0.1%；γ為回歸方程式的相關系數；fic為第i個火山石混凝土試件的回彈值、碳化深度、聲速按照測強曲線回歸方程計算出的強度推定值，精確至0.1 MPa；fi0為第i個火山石混凝土試件的實測抗壓強度，精確至0.1 MPa；fm為火山石混凝土C15~C60實測抗壓強度平均值，精確至0.1 MPa；n為制定回歸方程式的試件數。
目前，騰沖火山石混凝土抗壓強度無損檢測主要是依據T/CECS 02和云南地方標準DBJ 53T-53—2021《超聲回彈綜合法檢測混凝土抗壓強度技術規(guī)程》（以下簡稱DBJ 53T-53）兩部標準，基于文章測得的試驗數據，這兩部標準對應的測強曲線的δ和er計算結果如表5所示，其中，R為回彈值，v為聲速，f為強度推定值。
Table 5. 不同標準評價火山石混凝土強度的精度對比
| 方法 | 標準號 | 測強曲線 | δ/% | er/% |
|---|---|---|---|---|
| 超聲回彈綜合法 | T/CECS 02—2020 |
 |
24.7 | 26.8 |
| DBJ 53T-53—2021 |
 |
17.5 | 19.7 |
由表5可知，當使用超聲回彈綜合法無損檢測火山石混凝土時，T/CECS 02和DBJ 53T-53中推薦的測強曲線，其平均相對誤差和相對標準差均超出規(guī)范對于地方測強曲線平均相對誤差應小于11%，相對標準差應小于14%的要求。這是因為T/CECS 02和DBJ 53T-53規(guī)范的測強曲線均是基于石灰石等密實骨料混凝土數據建立的，而火山石表面及內部具有較多的孔洞，火山石內部閉合的孔洞會降低超聲波的傳播速度，所以相同的強度等級，火山石混凝土的聲速相對更低，故依據T/CECS 02和DBJ 53T-53中推薦的測強曲線推定的強度會產生較大的誤差[12-13]，無法滿足工程檢測要求的精度。
2.2 火山石混凝土的回彈值與聲速
為了進一步研究超聲回彈綜合法應用于火山石混凝土的可行性，分別選取60塊抗壓強度相近，尺寸為150 mm×150 mm×150 mm（長×寬×高）的火山石混凝土和石灰石混凝土的立方體試件，對回彈值（無量綱）和聲速進行統(tǒng)計分析，結果如圖2，3所示。石灰石混凝土僅用石灰石等體積替換火山石，配合比其他組分與火山石混凝土相同且石灰石混凝土的養(yǎng)護和試驗方法與火山石混凝土相同。
圖 2 石灰石與火山石混凝土的回彈值比較
圖 3 石灰石與火山石混凝土中的超聲波速比較
從圖2可知，在實際抗壓強度相近的情況下，火山石混凝土與石灰石混凝土的回彈值均隨著抗壓強度的增加而增加，且回彈值數據分布范圍和規(guī)律基本相同。這是因為回彈法是一種表面硬度法，受火山石骨料孔洞的影響較小[7]。由圖3可知，聲速的數據出現(xiàn)明顯的分層，相同強度等級條件下，火山石混凝土的聲速比石灰石混凝土的平均低約1 km·s-1，這是因為火山石相較于石灰石，表面及內部存在較多的孔洞，超聲波在固體中的傳播速度大于在空氣中傳播的速度[6]。
雖然火山石混凝土中聲速在數值上低于石灰石混凝土的，但是二者均隨著抗壓強度的增加，有著相同的變化趨勢，且與抗壓強度有著良好的相關性，意味著超聲回彈綜合法仍適用于火山石混凝土[14]，但需建立基于火山石混凝土數據的測強曲線，才能使超聲回彈綜合法推定火山石混凝土抗壓強度的精度滿足要求。
2.3 火山石混凝土超聲回彈綜合法測強曲線的建立
環(huán)境因素、人員操作的熟練程度以及錯誤觀測測量值等都可能導致異常值的出現(xiàn)，在回歸分析中，異常值通常會對分析結果產生較大的負面影響[15]。為此，在建立測強曲線之前，需要識別并處理異常值。采用Nair法檢驗[16]，共發(fā)現(xiàn)并剔除異常數據56個，剔除后可用數據1 024個?；貜椫怠⒙曀佼惓Ｖ堤蕹蟮纳Ⅻc圖如圖4所示，可見回彈值、聲速隨著抗壓強度的增大而增大，表現(xiàn)出良好的相關性。
圖 4 回彈值，聲速異常值剔除后的散點圖
基于最小二乘法，選擇線性函數、二次函數、冪函數、指數函數和對數函數5種數學模型，對在火山石混凝土試件不同強度等級、不同齡期情況下測得的聲速、回彈值和抗壓強度數據進行回歸分析，并依據式（1）、（2）和（3）計算出δ、er和γ[17]，結果如表6所示。
Table 6. 火山石混凝土超聲回彈綜合法回歸方程及精度分析
| 函數 | 回歸方程 | δ/% | er/% | γ |
|---|---|---|---|---|
| 線性函數 |
 |
8.86 | 11.75 | 0.95 |
| 二次函數 |
 |
11.24 | 14.92 | 0.93 |
| 冪函數 |
 |
8.40 | 10.74 | 0.96 |
| 指數函數 |
 |
9.26 | 11.84 | 0.95 |
| 對數函數 |
 |
9.74 | 13.96 | 0.95 |
由表6可知，5種函數模型中，僅二次函數模型擬合得到的δ為11.24%、er為14.92%，超出了T/CECS 02規(guī)定的地區(qū)測強曲線的要求（δ小于11%，er小于14%）。其余4種函數模型擬合的回歸方程的δ和er均滿足規(guī)定的限值。
綜合考慮δ、er和γ，發(fā)現(xiàn)冪函數模型擬合的回歸方程的δ和er分別為8.40%，10.74%，均小于另外4種函數模型回歸方程的δ和er；且γ為0.96，均高于另外4種函數模型回歸方程的γ，故選擇超聲回彈綜合法中冪函數模型回歸方程，作為超聲回彈綜合法無損檢測火山石混凝土強度的地區(qū)測強曲線。對表5，6的測強曲線，文章建立的冪函數測強曲線檢測精度比行業(yè)標準的精度提高約2.5倍，比云南地方標準的精度提高約2倍。
行業(yè)標準、云南地方標準和文章建立的測強曲線與實測數據關系如圖5所示，由圖5（a）可知，實測點基本上在行業(yè)標準與云南地方標準推薦的測強曲線對應的曲面上方，說明根據行業(yè)標準與云南地方標準中的測強曲線推定的抗壓強度往往要小于實測強度，但相較于行業(yè)標準，云南地方標準稍微更精確。圖5（c）中實測點均勻分布在文章建立的測強曲線周圍，說明該曲線更符合實測點的變化規(guī)律，可以更準確地推定火山石混凝土抗壓強度。
圖 5 火山石混凝土超聲回彈測強曲線與實測數據
2.4 火山石混凝土超聲回彈綜合法測強曲線的驗證
為了驗證文章建立的騰沖火山石混凝土超聲回彈測強曲線的適用性和真實度，在實際工程中鉆芯驗證，并與現(xiàn)行標準進行對比，其結果如表7所示。表中fC、fD和fH分別為行業(yè)標準、云南地方標準和文章建立的測強曲線推定的火山石混凝土抗壓強度。表中eC、eD和eH分別為fC、fD和fH的誤差。
Table 7. 火山石混凝土超聲回彈強度與鉆芯強度對比
| 序號 | 回彈值 | 超聲波速/(km · s−1) | 芯樣強度/MPa | fC/MPa | fD/MPa | fH/MPa | eC/% | eD/% | eH/% |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 34 | 3.55 | 23.3 | 21.1 | 28.8 | 22.8 | -9.2 | 23.8 | 2.0 |
| 2 | 31.8 | 3.47 | 21.8 | 18.7 | 26.0 | 19.6 | -14.2 | 19.7 | -9.9 |
| 3 | 37.9 | 3.63 | 29.8 | 25.0 | 33.3 | 27.6 | -15.9 | 11.8 | -7.4 |
| 4 | 36.5 | 3.66 | 27.6 | 24.4 | 32.3 | 27.6 | -11.3 | 16.9 | 0.0 |
| 5 | 39.9 | 3.87 | 36.5 | 30.1 | 37.6 | 36.9 | -17.4 | 3.2 | 1.3 |
| 6 | 38 | 3.84 | 36.8 | 28.1 | 35.4 | 34.4 | -23.6 | -3.8 | -6.7 |
| 7 | 40.5 | 3.89 | 40.5 | 31.1 | 38.6 | 38.5 | -23.2 | -4.8 | -5.0 |
| 8 | 41.9 | 3.92 | 44.7 | 32.8 | 40.4 | 40.8 | -26.7 | -9.8 | -8.7 |
| 9 | 41 | 4.05 | 48.3 | 34.2 | 40.7 | 45.4 | -29.3 | -15.6 | -6.1 |
| 10 | 44.9 | 4.03 | 49.5 | 37.6 | 44.9 | 48.7 | -24.1 | -9.3 | -1.8 |
| 11 | 43.1 | 4.15 | 55.1 | 38.03 | 44.24 | 52.4 | -31.0 | -19.8 | -5.0 |
| 12 | 43.9 | 4.05 | 50.5 | 36.9 | 43.9 | 48.3 | -27.0 | -13.0 | -4.5 |
由表7可知，在12個芯樣中，行業(yè)標準推薦的測強曲線推定的抗壓強度，最大誤差為-31.0%，最小誤差也達 -9.2%，云南地方標準推薦的測強曲線推定的抗壓強度，最大誤差為23.8%，最小誤差為3.2%，文章建立的測強曲線推定的抗壓強度，最大誤差僅為 -9.9%，最小誤差為0.0%，因此文章建立的測強曲線更適用于騰沖火山石混凝土。
3. 結論
（1）在無損檢測火山石混凝土時，現(xiàn)行標準中推薦的超聲回彈綜合法測強曲線，其平均相對誤差和相對標準差均超出了地方測強曲線規(guī)定的限值要求，檢測火山石混凝土時存在較大的誤差，不適用于騰沖火山石混凝土的無損檢測。
（2）火山石相較于石灰石，表面及內部存在較多的孔洞，而超聲波在固體中的傳播速度大于在空氣中的傳播速度，導致火山石混凝土中的聲速小于石灰石混凝土中的聲速，相同強度等級條件下，火山石混凝土中的聲速比石灰石混凝土中的平均低約1 km·s−1。
（3）建立的火山石混凝土超聲回彈綜合法的地區(qū)測強曲線的平均相對誤差、相對標準差分別為8.40%，10.74%，檢測精度比行業(yè)標準的精度提高約2.5倍，比云南地方標準的精度提高約2倍，能夠更加準確地推定騰沖火山石混凝土的抗壓強度。
文章來源——材料與測試網
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