Table 1. 水泥的主要物理性能指標(biāo)
| 密度/（g · cm−3） | 比表面積/（m2 · kg−1） | 凝結(jié)時(shí)間/min | 抗折強(qiáng)度/MPa | 抗壓強(qiáng)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(qiáng)度的超聲回彈綜合法檢測(cè)
火山石是一種多孔、輕質(zhì)的玻璃質(zhì)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(dāng)?shù)厥褂没鹕绞苽浠炷恋臍v史由來(lái)已久，但在2013年，云南省頒布的《云南省建筑工程結(jié)構(gòu)實(shí)體檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》中要求建筑工程實(shí)體驗(yàn)收時(shí)須用超聲回彈綜合法進(jìn)行評(píng)價(jià)[2]，但在實(shí)際工程驗(yàn)收中發(fā)現(xiàn)，無(wú)論使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還是云南地方標(biāo)準(zhǔn)中的超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)曲線來(lái)推定騰沖火山石混凝土抗壓強(qiáng)度，均存在較大的誤差，限制了火山石在混凝土中的應(yīng)用。
超聲回彈綜合法是利用已建立的測(cè)強(qiáng)曲線方程推定混凝土強(qiáng)度的一種無(wú)損檢測(cè)方法，該方法因充分利用并且結(jié)合了回彈法和超聲波法的優(yōu)點(diǎn)[3-4]，在推定均質(zhì)性好的混凝土抗壓強(qiáng)度時(shí)具有很高的檢測(cè)精度[5-7]，故在工程上被大量推廣。但對(duì)于采用騰沖火山石等多孔骨料成型的混凝土，依據(jù)已建立的超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)曲線，無(wú)法準(zhǔn)確地推定混凝土的抗壓強(qiáng)度。由于采用超聲回彈綜合法對(duì)輕質(zhì)多孔骨料成型的混凝土強(qiáng)度進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)研究的文獻(xiàn)較少[8-9]，并且火山石因產(chǎn)地不同，性能也存在較大的差異[10]，故目前對(duì)騰沖火山石多孔骨料混凝土超聲回彈綜合法的研究無(wú)可直接借鑒的經(jīng)驗(yàn)。
為此，文章對(duì)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(yīng)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(cè)強(qiáng)曲線并進(jìn)行了驗(yàn)證。相關(guān)結(jié)果對(duì)使用騰沖火山石混凝土的建筑工程實(shí)體驗(yàn)收具有一定的指導(dǎo)意義，也能為多孔骨料無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的建立提供參考。
1. 原材料與試驗(yàn)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(shù)為78%。粗集料為火山石，5~25 mm連續(xù)級(jí)配，其基本性能指標(biāo)如表2所示。細(xì)集料為機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)為3.1，其基本性能指標(biāo)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(zhì)量百分比，下同）減水率為32.9%。水采用城市自來(lái)水。
Table 2. 火山石基本性能指標(biāo)
| 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(biāo)
| 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(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》設(shè)計(jì)了C15，C20，C30，C40，C50，C60共6種強(qiáng)度等級(jí)的火山石混凝土，通過(guò)對(duì)騰沖市周邊預(yù)拌混凝土攪拌站的調(diào)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(qiáng)度等級(jí) | 水泥 | 礦物摻合料 | 水 | 機(jī)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(cè)試
依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)T/CECS 02—2020《超聲回彈綜合法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱T/CECS 02）中建立地方測(cè)強(qiáng)曲線的方法，基于表4所示的配合比，對(duì)應(yīng)14，28，60，90，180，365 d每個(gè)齡期成型30塊火山石混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，按照T/CECS 02要求對(duì)混凝土試件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)與測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包括：回彈值、聲速和抗壓強(qiáng)度。其中，回彈值測(cè)試采用朗睿HT-225型數(shù)顯回彈儀，聲速測(cè)試采用智博聯(lián)的ZBL-U520型非金屬聲波檢測(cè)儀，碳化深度測(cè)試采用山東省樂(lè)陵市回彈儀廠生產(chǎn)的混凝土碳化深度檢測(cè)儀，測(cè)點(diǎn)分布示意如圖1所示。最后立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用DYE-2000A型液壓微機(jī)控制壓力機(jī)。
圖 1 測(cè)點(diǎn)分布示意
2. 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與結(jié)果討論
2.1 現(xiàn)有測(cè)強(qiáng)曲線檢測(cè)火山石混凝土抗壓強(qiáng)度的精度分析
通常采用平均相對(duì)誤差（δ）、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差（er）來(lái)評(píng)價(jià)測(cè)強(qiáng)曲線的精度[11]，即
| (1) |
| (2) |
相關(guān)系數(shù)（γ）是反映變量之間相關(guān)關(guān)系密切程度的指標(biāo)，即
| (3) |
式中：δ與er均精確至0.1%；γ為回歸方程式的相關(guān)系數(shù)；fic為第i個(gè)火山石混凝土試件的回彈值、碳化深度、聲速按照測(cè)強(qiáng)曲線回歸方程計(jì)算出的強(qiáng)度推定值，精確至0.1 MPa；fi0為第i個(gè)火山石混凝土試件的實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度，精確至0.1 MPa；fm為火山石混凝土C15~C60實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度平均值，精確至0.1 MPa；n為制定回歸方程式的試件數(shù)。
目前，騰沖火山石混凝土抗壓強(qiáng)度無(wú)損檢測(cè)主要是依據(jù)T/CECS 02和云南地方標(biāo)準(zhǔn)DBJ 53T-53—2021《超聲回彈綜合法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱DBJ 53T-53）兩部標(biāo)準(zhǔn)，基于文章測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這兩部標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的測(cè)強(qiáng)曲線的δ和er計(jì)算結(jié)果如表5所示，其中，R為回彈值，v為聲速，f為強(qiáng)度推定值。
Table 5. 不同標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)火山石混凝土強(qiáng)度的精度對(duì)比
| 方法 | 標(biāo)準(zhǔn)號(hào) | 測(cè)強(qiáng)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(dāng)使用超聲回彈綜合法無(wú)損檢測(cè)火山石混凝土?xí)r，T/CECS 02和DBJ 53T-53中推薦的測(cè)強(qiáng)曲線，其平均相對(duì)誤差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差均超出規(guī)范對(duì)于地方測(cè)強(qiáng)曲線平均相對(duì)誤差應(yīng)小于11%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)小于14%的要求。這是因?yàn)門/CECS 02和DBJ 53T-53規(guī)范的測(cè)強(qiáng)曲線均是基于石灰石等密實(shí)骨料混凝土數(shù)據(jù)建立的，而火山石表面及內(nèi)部具有較多的孔洞，火山石內(nèi)部閉合的孔洞會(huì)降低超聲波的傳播速度，所以相同的強(qiáng)度等級(jí)，火山石混凝土的聲速相對(duì)更低，故依據(jù)T/CECS 02和DBJ 53T-53中推薦的測(cè)強(qiáng)曲線推定的強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生較大的誤差[12-13]，無(wú)法滿足工程檢測(cè)要求的精度。
2.2 火山石混凝土的回彈值與聲速
為了進(jìn)一步研究超聲回彈綜合法應(yīng)用于火山石混凝土的可行性，分別選取60塊抗壓強(qiáng)度相近，尺寸為150 mm×150 mm×150 mm（長(zhǎng)×寬×高）的火山石混凝土和石灰石混凝土的立方體試件，對(duì)回彈值（無(wú)量綱）和聲速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)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(hù)和試驗(yàn)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(shí)際抗壓強(qiáng)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(qiáng)度的增加而增加，且回彈值數(shù)據(jù)分布范圍和規(guī)律基本相同。這是因?yàn)榛貜椃ㄊ且环N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(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯的分層，相同強(qiáng)度等級(jí)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?yàn)榛鹕绞噍^于石灰石，表面及內(nèi)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(shù)值上低于石灰石混凝土的，但是二者均隨著抗壓強(qiáng)度的增加，有著相同的變化趨勢(shì)，且與抗壓強(qiáng)度有著良好的相關(guān)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(shù)據(jù)的測(cè)強(qiáng)曲線，才能使超聲回彈綜合法推定火山石混凝土抗壓強(qiáng)度的精度滿足要求。
2.3 火山石混凝土超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)曲線的建立
環(huán)境因素、人員操作的熟練程度以及錯(cuò)誤觀測(cè)測(cè)量值等都可能導(dǎo)致異常值的出現(xiàn)，在回歸分析中，異常值通常會(huì)對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生較大的負(fù)面影響[15]。為此，在建立測(cè)強(qiáng)曲線之前，需要識(shí)別并處理異常值。采用Nair法檢驗(yàn)[16]，共發(fā)現(xiàn)并剔除異常數(shù)據(jù)56個(gè)，剔除后可用數(shù)據(jù)1 024個(gè)。回彈值、聲速異常值剔除后的散點(diǎn)圖如圖4所示，可見回彈值、聲速隨著抗壓強(qiáng)度的增大而增大，表現(xiàn)出良好的相關(guān)性。
圖 4 回彈值，聲速異常值剔除后的散點(diǎn)圖
基于最小二乘法，選擇線性函數(shù)、二次函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和對(duì)數(shù)函數(shù)5種數(shù)學(xué)模型，對(duì)在火山石混凝土試件不同強(qiáng)度等級(jí)、不同齡期情況下測(cè)得的聲速、回彈值和抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，并依據(jù)式（1）、（2）和（3）計(jì)算出δ、er和γ[17]，結(jié)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(shù) | 回歸方程 | δ/% | er/% | γ |
|---|---|---|---|---|
| 線性函數(shù) |
 |
8.86 | 11.75 | 0.95 |
| 二次函數(shù) |
 |
11.24 | 14.92 | 0.93 |
| 冪函數(shù) |
 |
8.40 | 10.74 | 0.96 |
| 指數(shù)函數(shù) |
 |
9.26 | 11.84 | 0.95 |
| 對(duì)數(shù)函數(shù) |
 |
9.74 | 13.96 | 0.95 |
由表6可知，5種函數(shù)模型中，僅二次函數(shù)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(cè)強(qiáng)曲線的要求（δ小于11%，er小于14%）。其余4種函數(shù)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(shù)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(shù)模型回歸方程的δ和er；且γ為0.96，均高于另外4種函數(shù)模型回歸方程的γ，故選擇超聲回彈綜合法中冪函數(shù)模型回歸方程，作為超聲回彈綜合法無(wú)損檢測(cè)火山石混凝土強(qiáng)度的地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線。對(duì)表5，6的測(cè)強(qiáng)曲線，文章建立的冪函數(shù)測(cè)強(qiáng)曲線檢測(cè)精度比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的精度提高約2.5倍，比云南地方標(biāo)準(zhǔn)的精度提高約2倍。
行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、云南地方標(biāo)準(zhǔn)和文章建立的測(cè)強(qiáng)曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)關(guān)系如圖5所示，由圖5（a）可知，實(shí)測(cè)點(diǎn)基本上在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與云南地方標(biāo)準(zhǔn)推薦的測(cè)強(qiáng)曲線對(duì)應(yīng)的曲面上方，說(shuō)明根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與云南地方標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)強(qiáng)曲線推定的抗壓強(qiáng)度往往要小于實(shí)測(cè)強(qiáng)度，但相較于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，云南地方標(biāo)準(zhǔn)稍微更精確。圖5（c）中實(shí)測(cè)點(diǎn)均勻分布在文章建立的測(cè)強(qiáng)曲線周圍，說(shuō)明該曲線更符合實(shí)測(cè)點(diǎn)的變化規(guī)律，可以更準(zhǔn)確地推定火山石混凝土抗壓強(qiáng)度。
圖 5 火山石混凝土超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)
2.4 火山石混凝土超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)曲線的驗(yàn)證
為了驗(yàn)證文章建立的騰沖火山石混凝土超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線的適用性和真實(shí)度，在實(shí)際工程中鉆芯驗(yàn)證，并與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如表7所示。表中fC、fD和fH分別為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、云南地方標(biāo)準(zhǔn)和文章建立的測(cè)強(qiáng)曲線推定的火山石混凝土抗壓強(qiáng)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(qiáng)度與鉆芯強(qiáng)度對(duì)比
| 序號(hào) | 回彈值 | 超聲波速/(km · s−1) | 芯樣強(qiáng)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(gè)芯樣中，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦的測(cè)強(qiáng)曲線推定的抗壓強(qiáng)度，最大誤差為-31.0%，最小誤差也達(dá) -9.2%，云南地方標(biāo)準(zhǔn)推薦的測(cè)強(qiáng)曲線推定的抗壓強(qiáng)度，最大誤差為23.8%，最小誤差為3.2%，文章建立的測(cè)強(qiáng)曲線推定的抗壓強(qiáng)度，最大誤差僅為 -9.9%，最小誤差為0.0%，因此文章建立的測(cè)強(qiáng)曲線更適用于騰沖火山石混凝土。
3. 結(jié)論
（1）在無(wú)損檢測(cè)火山石混凝土?xí)r，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中推薦的超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)曲線，其平均相對(duì)誤差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差均超出了地方測(cè)強(qiáng)曲線規(guī)定的限值要求，檢測(cè)火山石混凝土?xí)r存在較大的誤差，不適用于騰沖火山石混凝土的無(wú)損檢測(cè)。
（2）火山石相較于石灰石，表面及內(nèi)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(dǎo)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(qiáng)度等級(jí)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(cè)強(qiáng)曲線的平均相對(duì)誤差、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差分別為8.40%，10.74%，檢測(cè)精度比行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的精度提高約2.5倍，比云南地方標(biāo)準(zhǔn)的精度提高約2倍，能夠更加準(zhǔn)確地推定騰沖火山石混凝土的抗壓強(qiáng)度。
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