Table 1. 水泥的主要物理性能指标
| 密度/（g · cm−3） | 比表面积/（m2 · kg−1） | 凝结时间/min | 抗折强度/MPa | 抗压强度/MPa | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 初凝 | 终凝 | 3 d龄期 | 7 d龄期 | 3 d龄期 | 7 d龄期 | ||
| 265 | 309 | 100 | 240 | 5.3 | 7.8 | 27.8 | 46.5 |
分享：火山石混凝土强度的超声回弹综合法检测
火山石是一种多孔、轻质的玻璃质火山喷出岩[1]。云南腾冲地区火山石资源非常丰富。尽管腾冲当地使用火山石制备混凝土的历史由来已久，但在2013年，云南省颁布的《云南省建筑工程结构实体检测技术规程》中要求建筑工程实体验收时须用超声回弹综合法进行评价[2]，但在实际工程验收中发现，无论使用行业标准还是云南地方标准中的超声回弹综合法测强曲线来推定腾冲火山石混凝土抗压强度，均存在较大的误差，限制了火山石在混凝土中的应用。
超声回弹综合法是利用已建立的测强曲线方程推定混凝土强度的一种无损检测方法，该方法因充分利用并且结合了回弹法和超声波法的优点[3-4]，在推定均质性好的混凝土抗压强度时具有很高的检测精度[5-7]，故在工程上被大量推广。但对于采用腾冲火山石等多孔骨料成型的混凝土，依据已建立的超声回弹综合法测强曲线，无法准确地推定混凝土的抗压强度。由于采用超声回弹综合法对轻质多孔骨料成型的混凝土强度进行无损检测研究的文献较少[8-9]，并且火山石因产地不同，性能也存在较大的差异[10]，故目前对腾冲火山石多孔骨料混凝土超声回弹综合法的研究无可直接借鉴的经验。
为此，文章对比了火山石混凝土与石灰石混凝土回弹值和声速的差异，确定超声回弹综合法应用于火山石混凝土的可行性，建立适用于腾冲火山石混凝土的测强曲线并进行了验证。相关结果对使用腾冲火山石混凝土的建筑工程实体验收具有一定的指导意义，也能为多孔骨料无损检测标准的建立提供参考。
1. 原材料与试验方法
1.1 原材料
水泥为海螺P·O 42.5型普通硅酸盐水泥，其主要物理性能如表1所示。矿物掺合料为火山灰，比表面积为310 m2·kg−1，28 d活性指数为78%。粗集料为火山石，5~25 mm连续级配，其基本性能指标如表2所示。细集料为机制砂，细度模数为3.1，其基本性能指标如表3所示。外加剂为聚羧酸高性能减水剂，固含量为10.7%，（质量百分比，下同）减水率为32.9%。水采用城市自来水。
Table 2. 火山石基本性能指标
| 松散堆积密度/(kg · m−3) | 紧密堆积密度/(kg · m−3) | 表观密度/(kg · m−3) | 粒径/mm | 24h吸水率/% | 压碎值/% |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 270 | 1 340 | 2 570 | 5~25 | 2.5 | 15 |
Table 3. 砂基本性能指标
| 松散堆积密度/(kg · m−3) | 紧密堆积密度/(kg · m−3) | 表观密度/(kg · m−3) | 饱和面干吸水率/% | 压碎值/% | 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
试验依据标准JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》设计了C15，C20，C30，C40，C50，C60共6种强度等级的火山石混凝土，通过对腾冲市周边预拌混凝土搅拌站的调研与试配，得到坍落度控制在200±20 mm的腾冲地区常用的火山石混凝土配合比（见表4）。
Table 4. 火山石混凝土配合比
| 强度等级 | 水泥 | 矿物掺合料 | 水 | 机制砂 | 火山石 | 外加剂 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 混凝土试件制备与测试
依据标准T/CECS 02—2020《超声回弹综合法检测混凝土抗压强度技术规程》（以下简称T/CECS 02）中建立地方测强曲线的方法，基于表4所示的配合比，对应14，28，60，90，180，365 d每个龄期成型30块火山石混凝土标准立方体试件，按照T/CECS 02要求对混凝土试件进行养护与测试，测试内容包括：回弹值、声速和抗压强度。其中，回弹值测试采用朗睿HT-225型数显回弹仪，声速测试采用智博联的ZBL-U520型非金属声波检测仪，碳化深度测试采用山东省乐陵市回弹仪厂生产的混凝土碳化深度检测仪，测点分布示意如图1所示。最后立方体抗压强度试验采用DYE-2000A型液压微机控制压力机。
2. 试验数据分析与结果讨论
2.1 现有测强曲线检测火山石混凝土抗压强度的精度分析
通常采用平均相对误差（δ）、相对标准差（er）来评价测强曲线的精度[11]，即
| (1) |
| (2) |
相关系数（γ）是反映变量之间相关关系密切程度的指标，即
| (3) |
式中：δ与er均精确至0.1%；γ为回归方程式的相关系数；fic为第i个火山石混凝土试件的回弹值、碳化深度、声速按照测强曲线回归方程计算出的强度推定值，精确至0.1 MPa；fi0为第i个火山石混凝土试件的实测抗压强度，精确至0.1 MPa；fm为火山石混凝土C15~C60实测抗压强度平均值，精确至0.1 MPa；n为制定回归方程式的试件数。
目前，腾冲火山石混凝土抗压强度无损检测主要是依据T/CECS 02和云南地方标准DBJ 53T-53—2021《超声回弹综合法检测混凝土抗压强度技术规程》（以下简称DBJ 53T-53）两部标准，基于文章测得的试验数据，这两部标准对应的测强曲线的δ和er计算结果如表5所示，其中，R为回弹值，v为声速，f为强度推定值。
Table 5. 不同标准评价火山石混凝土强度的精度对比
| 方法 | 标准号 | 测强曲线 | δ/% | er/% |
|---|---|---|---|---|
| 超声回弹综合法 | T/CECS 02—2020 |
 |
24.7 | 26.8 |
| DBJ 53T-53—2021 |
 |
17.5 | 19.7 |
由表5可知，当使用超声回弹综合法无损检测火山石混凝土时，T/CECS 02和DBJ 53T-53中推荐的测强曲线，其平均相对误差和相对标准差均超出规范对于地方测强曲线平均相对误差应小于11%，相对标准差应小于14%的要求。这是因为T/CECS 02和DBJ 53T-53规范的测强曲线均是基于石灰石等密实骨料混凝土数据建立的，而火山石表面及内部具有较多的孔洞，火山石内部闭合的孔洞会降低超声波的传播速度，所以相同的强度等级，火山石混凝土的声速相对更低，故依据T/CECS 02和DBJ 53T-53中推荐的测强曲线推定的强度会产生较大的误差[12-13]，无法满足工程检测要求的精度。
2.2 火山石混凝土的回弹值与声速
为了进一步研究超声回弹综合法应用于火山石混凝土的可行性，分别选取60块抗压强度相近，尺寸为150 mm×150 mm×150 mm（长×宽×高）的火山石混凝土和石灰石混凝土的立方体试件，对回弹值（无量纲）和声速进行统计分析，结果如图2，3所示。石灰石混凝土仅用石灰石等体积替换火山石，配合比其他组分与火山石混凝土相同且石灰石混凝土的养护和试验方法与火山石混凝土相同。
从图2可知，在实际抗压强度相近的情况下，火山石混凝土与石灰石混凝土的回弹值均随着抗压强度的增加而增加，且回弹值数据分布范围和规律基本相同。这是因为回弹法是一种表面硬度法，受火山石骨料孔洞的影响较小[7]。由图3可知，声速的数据出现明显的分层，相同强度等级条件下，火山石混凝土的声速比石灰石混凝土的平均低约1 km·s-1，这是因为火山石相较于石灰石，表面及内部存在较多的孔洞，超声波在固体中的传播速度大于在空气中传播的速度[6]。
虽然火山石混凝土中声速在数值上低于石灰石混凝土的，但是二者均随着抗压强度的增加，有着相同的变化趋势，且与抗压强度有着良好的相关性，意味着超声回弹综合法仍适用于火山石混凝土[14]，但需建立基于火山石混凝土数据的测强曲线，才能使超声回弹综合法推定火山石混凝土抗压强度的精度满足要求。
2.3 火山石混凝土超声回弹综合法测强曲线的建立
环境因素、人员操作的熟练程度以及错误观测测量值等都可能导致异常值的出现，在回归分析中，异常值通常会对分析结果产生较大的负面影响[15]。为此，在建立测强曲线之前，需要识别并处理异常值。采用Nair法检验[16]，共发现并剔除异常数据56个，剔除后可用数据1 024个。回弹值、声速异常值剔除后的散点图如图4所示，可见回弹值、声速随着抗压强度的增大而增大，表现出良好的相关性。
基于最小二乘法，选择线性函数、二次函数、幂函数、指数函数和对数函数5种数学模型，对在火山石混凝土试件不同强度等级、不同龄期情况下测得的声速、回弹值和抗压强度数据进行回归分析，并依据式（1）、（2）和（3）计算出δ、er和γ[17]，结果如表6所示。
Table 6. 火山石混凝土超声回弹综合法回归方程及精度分析
| 函数 | 回归方程 | δ/% | er/% | γ |
|---|---|---|---|---|
| 线性函数 |
 |
8.86 | 11.75 | 0.95 |
| 二次函数 |
 |
11.24 | 14.92 | 0.93 |
| 幂函数 |
 |
8.40 | 10.74 | 0.96 |
| 指数函数 |
 |
9.26 | 11.84 | 0.95 |
| 对数函数 |
 |
9.74 | 13.96 | 0.95 |
由表6可知，5种函数模型中，仅二次函数模型拟合得到的δ为11.24%、er为14.92%，超出了T/CECS 02规定的地区测强曲线的要求（δ小于11%，er小于14%）。其余4种函数模型拟合的回归方程的δ和er均满足规定的限值。
综合考虑δ、er和γ，发现幂函数模型拟合的回归方程的δ和er分别为8.40%，10.74%，均小于另外4种函数模型回归方程的δ和er；且γ为0.96，均高于另外4种函数模型回归方程的γ，故选择超声回弹综合法中幂函数模型回归方程，作为超声回弹综合法无损检测火山石混凝土强度的地区测强曲线。对表5，6的测强曲线，文章建立的幂函数测强曲线检测精度比行业标准的精度提高约2.5倍，比云南地方标准的精度提高约2倍。
行业标准、云南地方标准和文章建立的测强曲线与实测数据关系如图5所示，由图5（a）可知，实测点基本上在行业标准与云南地方标准推荐的测强曲线对应的曲面上方，说明根据行业标准与云南地方标准中的测强曲线推定的抗压强度往往要小于实测强度，但相较于行业标准，云南地方标准稍微更精确。图5（c）中实测点均匀分布在文章建立的测强曲线周围，说明该曲线更符合实测点的变化规律，可以更准确地推定火山石混凝土抗压强度。
2.4 火山石混凝土超声回弹综合法测强曲线的验证
为了验证文章建立的腾冲火山石混凝土超声回弹测强曲线的适用性和真实度，在实际工程中钻芯验证，并与现行标准进行对比，其结果如表7所示。表中fC、fD和fH分别为行业标准、云南地方标准和文章建立的测强曲线推定的火山石混凝土抗压强度。表中eC、eD和eH分别为fC、fD和fH的误差。
Table 7. 火山石混凝土超声回弹强度与钻芯强度对比
| 序号 | 回弹值 | 超声波速/(km · s−1) | 芯样强度/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个芯样中，行业标准推荐的测强曲线推定的抗压强度，最大误差为-31.0%，最小误差也达 -9.2%，云南地方标准推荐的测强曲线推定的抗压强度，最大误差为23.8%，最小误差为3.2%，文章建立的测强曲线推定的抗压强度，最大误差仅为 -9.9%，最小误差为0.0%，因此文章建立的测强曲线更适用于腾冲火山石混凝土。
3. 结论
（1）在无损检测火山石混凝土时，现行标准中推荐的超声回弹综合法测强曲线，其平均相对误差和相对标准差均超出了地方测强曲线规定的限值要求，检测火山石混凝土时存在较大的误差，不适用于腾冲火山石混凝土的无损检测。
（2）火山石相较于石灰石，表面及内部存在较多的孔洞，而超声波在固体中的传播速度大于在空气中的传播速度，导致火山石混凝土中的声速小于石灰石混凝土中的声速，相同强度等级条件下，火山石混凝土中的声速比石灰石混凝土中的平均低约1 km·s−1。
（3）建立的火山石混凝土超声回弹综合法的地区测强曲线的平均相对误差、相对标准差分别为8.40%，10.74%，检测精度比行业标准的精度提高约2.5倍，比云南地方标准的精度提高约2倍，能够更加准确地推定腾冲火山石混凝土的抗压强度。
文章来源——材料与测试网
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