超声回弹综合法检测堆石混凝土强度的试验研究

杨 坤，唐晓玲，李友彬，朱伯文

(1.贵州大学土木工程学院，贵州 贵阳 550028；2.贵州省水利科学研究院，贵州 贵阳 550000)

1 概述

堆石混凝土(Rock Filled Concrete，简称RFC)是由清华大学提出的一种新型大体积混凝土施工技术，该技术具有施工速度快、高强、耐久、造价低、水化热温升较低，温控相对容易等优点，因此得到了广泛应用[1- 3]。但由于堆石混凝土粒径过大，不同于常规混凝土，对其抗压强度很难用常规的力学性能试验检测[4]。超声回弹综合法是一种无损检测方法[5- 6]，该方法是建立在超声波传播速度和回弹值与混凝土抗压强度之间相关关系的基础上，分别利用回弹仪和超声波检测仪在结构混凝土同一被测区分别测量声速值及回弹值，利用已建立起来的强度测试公式推算混凝土强度的一种方法，该方法具有快捷、方便、精确等优点，因此在混凝土的无损检测中得到了广泛应用[7- 10]。

目前超声综合回弹法应用于RFC的研究中，李友彬[11]采用超声回弹综合法对某水库RFC进行检测，获得了RFC的匀质性、密实度等性能规律。俞长隆[12]结合理论基础与试验应用分析了超声回弹综合法在RFC强度检测方面的回弹试验数据，分析其技术应用。以上两位学者把超声回弹综合法应用于RFC的检测，并得到了RFC相关的性能指标。但目前对于超声综合回弹法应用于RFC强度检测的可行性和全国测强曲线是否适用于堆石混凝土强度推算的研究甚少。基于此，本文对某实际工程试验仓切割的RFC试件进行了超声综合回弹和抗压强度试验；得出全国测强曲线因误差不满足要求不适用推定RFC的强度，用Matlap软件对RFC的回弹值、声速值和抗压强度实测值拟合出了更适用RFC的专用测强曲线，且其精度远高于全国统一测强曲线。

2 试验概况

本次试验试块来自于贵州某实际工程浇筑的RFC试验仓，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浇筑的RFC试验仓，采用绳锯切割机对其进行切割，然后加工成边长为300mm和450mm的立方块试件。对试块先用超声波检测仪和回弹仪进行超声回弹试验，然后采用的10000kN微机控制电液伺服压力试验机进行抗压强度试验。

2.1 试块原材料

RFC试验仓采用C9015W6F50等级的自密实混凝土进行浇筑，坝体及试验仓原材料及C15等级的自密实混凝土配合比生产配合比分别见表1—2。

表1 RFC试件原材料

表2 自密实性能混凝土配合比 单位：kg/m3

2.2 试件的制备

采用绳式切割机切割试验仓，切割边长300mm和450mm两种规格的立方体试块各9块，RFC试验仓和切割后的试块如图1—2所示。

图1 RCF试验仓

图2 切割后的RFC试块

2.3 试验仪器与步骤

超声回弹试验采用多功能混凝土超声波检测仪和一体式数显回弹仪，抗压强度试验在10000kN微机控制电液伺服压力试验机进行，试验仪器如图3所示。

图3 试验仪器

实验步骤如下：

(1)选择预测面。预测面应尽可能的避免出现裂纹，裂缝、缺口等问题，选择规则、平整、清洁的两个对立面作为预测面。

(2)划分测区。每块试块的2个对立的预测面为1个测区，在每个测区有16个回弹测点，且测点应该分布于20cm×20cm范围，1个测区2个对立面平均分配8个回弹测点。每2个对立预测面上沿对角线布置3个超声测点。测点布置如图4所示。

图4 试验测点布置

(3)超声回弹检测。进行检测前，对仪器进行检查与校对；先进行回弹检测，采用水平弹击，并保证回弹仪轴线垂直于试件测试面，缓慢测试，回弹测读精确度到1；超声检测采用对测法，检测前先在仪器上设置好测距，在换能器上需要涂抹耦合剂，声时测量精确至0.1us，声速值精确至0.1km/s，测量误差保证不超过±1%。

(4)抗压强度测试。超声回弹试验完成后，依照SL/T 352—2020《水工混凝土试验规程》[13]在压力试验机上进行抗压强度试验。

2.4 试验数据处理

2.4.1回弹代表值与声速值

对于同一测区16个回弹值中，去掉最大和最小的3个回弹值，取剩余10个数据的平均值作为回弹值最终结果。计算公式为：

(1)

超声波声速的代表值v计算公式为：

v=3L/(t1+t2+t3)

(2)

式中，R—测区回弹代表值，精确至0.1MPa；Ri—第i个测点的回弹值；L—超声测距值，mm；v—测区声速值，km/s；t1、t2、t3—3个测试点位的声时值，μs。

2.4.2抗压强度值

对试件的抗压强度按照公式来计算，公式为：

(3)

式中,fcu—试件的抗压强度，MPa；P—破坏荷载，kN；A—受力面积，mm。

2.4.3强度推定值

算出测区回弹代表值R和测区声速值v后，根据规范可以算出试件的强度推定值；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》[14](以下简称《规程》)，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：

(4)

由公式(4)可计算出每个试块的强度推定値。但根据全国统一测强曲线换算测区混凝土强度时，其相对误差er应该满足er≤15%，若相对误差er>15%，则需要另外建立专用或地区测强曲线。其相对误差er计算公式为

(5)

3 试验结果分析

3.1 试验测试结果与推定强度分析

声速值、回弹值、抗压强度实测值和全国测强曲线推定强度见表3，RFC试件的实测抗压强度与回弹值代表值和声速代表值的关系分别如图5—6所示。由图5—6可知，300mm RFC和450mm RFC立方体试件的声速代表值和回弹代表值均与试件的实测抗压强度呈正相关关系，回弹值代表值与试件实测抗压强度相关性更加明显，回弹代表值相对于声速代表值也更集中。由表3可知，2种不同尺寸的试件的强度推定値均与实测强度值存在较大误差，且强度推定値大于实测值占全部试件的77.8%。由式(4)可算出300mm和450mmRFC立方体试件强度推定値的相对误差分别为28%和24%，均er>15%，不满足《规程》中全国统一测强曲线换算测区混凝土强度的误差要求，故需要专用测强曲线再推算RFC试件强度。

3.2 建立专用测强曲线

(6)

利用拟合出来的RFC专用测强曲进行强度推定，推定值与实测值对比及推定値的相对误差见表4，表4得出300mm立方体试件强度推定値的相对误差为10.1%，450mm立方体试件强度推定値的相对误差为5.8%，相对误差均er<12%，其精度远高于全国统一测强曲线且满足《规程》要求，因此建立RFC专用测强曲线推算试件的强度值是可行的。

表3 声速代表值、回弹值、强度实测值、全国测强曲线推定値数据

图5 回弹代表值与实测抗压强度的关系

图6 声速代表值与实测抗压强度的关系

表4 强度实测值与专用测强曲线推定値

3.3 全国测强曲线及RFC专用测强曲线与实测值对比分析

300mm和450mmRFC试件的全国测强曲线、RFC专用测强曲线和实测强度对比如图7所示。由图7可知，2种不同尺寸RFC试件的全国测强曲线与试件强度实测值相比均存在较大误差，而建立的RFC专用测强曲线显然与实测值更接近，且RFC的专用测强曲线精度远高于全国测强曲线，故在用超声综合回弹法检测RFC强度时，建立专用测强曲线进行强度推算会着更好的预测。

图7 实测强度、全国测强曲线、RFC专用测强曲线对比图

4 结论

通过对本批次RFC试件进行超声回弹检测和抗压强度试验结果分析，得出以下结论：

(1)RFC的声速代表值和回弹代表值与抗压强度存在正相关关系，相对于声速代表值，回弹代表值与抗压强度的相关性更加明显，且回弹代表值比声速代表值更集中。

(2)超声综合回弹法中利用全国测强曲线推定RCF的强度误差大于15%，不满足《规程》要求，故全国测强曲线不适用于RFC的强度推算，需建立专用测强曲线对RFC进行强度推算。

(3)超声综合回弹法仍适用于堆石混凝土的强度检测，但是在进行强度的推定时，需用RFC的