胡在良，張佰戰(zhàn)，董承全，李晉平

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 檢測概述

混凝土結(jié)構(gòu)完整性是基樁檢測的必檢項(xiàng)目，檢測方法以低應(yīng)變反射波法和聲波透射法為主，當(dāng)鐵路工程基樁樁徑＜2 m、樁長≤40 m時(shí)采用低應(yīng)變法檢測，樁徑≥2 m或樁長＞40 m時(shí)采用聲波透射法檢測。由于鐵路工程基樁具有長徑比大、承載力高、地質(zhì)復(fù)雜等特點(diǎn)，對于超聲波檢測，雖然在理論上可以準(zhǔn)確測出混凝土波速，但是往往因?yàn)槁暅y管彎曲、傾斜等原因，導(dǎo)致波速計(jì)算誤差較大;低應(yīng)變法雖不受聲測管施工質(zhì)量的影響，但是常出現(xiàn)樁底反射不明顯的現(xiàn)象，無法準(zhǔn)確測定波速，導(dǎo)致缺陷位置判定不準(zhǔn)確，樁身質(zhì)量判斷存在誤差。

目前鐵路工程建設(shè)中普遍采用高性能混凝土，其組成成份和性能與普通混凝土均有較大差異，以往由普通混凝土提出的混凝土強(qiáng)度與波速關(guān)系已不適用于高性能混凝土。本文在參考高速鐵路工程高性能混凝土采用的配合比的基礎(chǔ)上，制作模型樁開展波速與強(qiáng)度試驗(yàn)研究，研究高性能混凝土強(qiáng)度與波速的關(guān)系，提出了高性能混凝土波速參考范圍，為工程基樁檢測提供參考。

2 高性能混凝土波速分析

2.1 彈性介質(zhì)中的縱波波速

將混凝土材料視為彈性介質(zhì)，假定混凝土為連續(xù)、均勻、各向同性的完全彈性材料，其應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系符合虎克定律。文獻(xiàn)［2］分析表明，彈性固體介質(zhì)中不同邊界條件下縱波波速分別為

式(1)和 式(2)中，vu、vl分別為無限大固體介質(zhì)與細(xì)長桿件中傳播的縱波波速，ρ為混凝土密度，μ為泊松比，E為彈性模量。

在超聲波法檢測中，當(dāng)頻率f選擇足夠高而使超聲波的波長小于混凝土試件橫向最小尺寸的一半時(shí)，超聲波在試件中傳播的速度將與無限大均勻介質(zhì)中的相當(dāng)。因此，式(1)為混凝土超聲波波速。

在低應(yīng)變法檢測中，錘擊激振頻率f較低，瞬態(tài)激勵脈沖有效高頻分量的波長遠(yuǎn)大于樁的橫向尺寸，且樁橫向尺寸較小且遠(yuǎn)小于縱向尺寸，因此，可將樁視為彈性一維桿件。因此，式(2)為混凝土樁低應(yīng)變波速。

2.2 高性能混凝土波速分析

高性能混凝土配制的特點(diǎn)是低水灰比、摻用高效減水劑和礦物摻合料，因此，高性能混凝土在不同尺度上的組成和結(jié)構(gòu)都與普通混凝土有所不同。

文獻(xiàn)表明［3-4］，高性能混凝土中的粒子比值比普通混凝土的高，水灰比很低的高性能混凝土中，水泥石的孔隙率也很低，在一定的粒子比值下，強(qiáng)度隨孔隙率的減小而提高。低水灰比提高了水泥石的強(qiáng)度和彈性模量，使水泥石和集料間彈性模量的差距減小。高性能混凝土很低的水膠比和較多的礦物細(xì)摻料，彈性模量高的未水化熟料顆粒含量大，砂漿的孔隙率很低，彈性模量較高。因此，高性能混凝土波速高于普通混凝土。

3 模型試驗(yàn)

3.1 配合比設(shè)計(jì)

參考鐵路工程常用的基樁高性能混凝土采用的配合比，制作C25～C50 6種強(qiáng)度等級模型樁及標(biāo)準(zhǔn)立方體試件。所有原材料的質(zhì)量均滿足《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)》的要求，其中碎石采用5～25 mm的連續(xù)級配，采用425#普通硅酸鹽水泥，配合比見表1。

表1 高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)

3.2 模型樁制作

試驗(yàn)制作6種混凝土強(qiáng)度等級(C25～C50)的模型樁，每種各2根，共12根。樁幾何尺寸為20 cm×20 cm×250 cm。鋼筋配置為:主筋φ10 mm的圓鋼4根，箍筋φ6 mm的圓鋼，間距49 cm，鋼筋保護(hù)層厚度為2～3 cm。模型樁采用鋼模澆筑，模板為I20工字鋼，具有足夠剛度保證樁各截面尺寸基本相等，采用振動棒振搗確保樁身完整密實(shí)無缺陷。澆筑時(shí)間均在入冬之前，日最低溫度5℃以上，以防混凝土凍傷，澆筑5 d后移入室內(nèi)養(yǎng)護(hù)。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)立方體試件制作

按照C25～C50 6種強(qiáng)度等級澆筑混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試件(150 mm×150 mm×150 mm)，試件制作與模型樁灌注同時(shí)同條件進(jìn)行，每一強(qiáng)度等級按7 d，14 d，28 d，56 d預(yù)留試件，每齡期2組6個，采用與模型樁同條件養(yǎng)護(hù)。另預(yù)留2組試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。

3.4 室內(nèi)試驗(yàn)

波速試驗(yàn)采用武漢巖海公司生產(chǎn)的RS-1616K(S)型基樁動測儀及 RS-ST01C非金屬聲波檢測儀。每種強(qiáng)度等級模型樁分別在 3 d，7 d，10 d，14 d，21 d，28 d和56 d進(jìn)行低應(yīng)變測試，每根模型樁采集波形要求具有較好的一致性，波形數(shù)不少于6個，取2根模型樁的平均波速作為混凝土的低應(yīng)變波速。每種強(qiáng)度等級模型樁在 3 d，7 d，10 d，14 d，21 d，28 d 和 56 d 進(jìn)行聲波測試(對測)，沿樁長方向布置測點(diǎn)，每根樁測3組波形，取其平均聲時(shí)來計(jì)算混凝土的超聲波速度。7 d，14 d，28 d和56 d對預(yù)留試件進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 抗壓強(qiáng)度增長規(guī)律

本次配制的6種基樁高性能混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件28 d 抗壓強(qiáng)度分別為 35.0 MPa，38.6 MPa，41.8 MPa，50.7 MPa，55.9 MPa 和 68.9 MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度值的119.4%～139.8%，符合工程基樁混凝土配合比設(shè)計(jì)要求。根據(jù)同條件養(yǎng)護(hù)混凝土試件7 d，14 d，28 d，56 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，繪制混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長曲線，見圖1。

圖1 混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期增長曲線

圖1中，C25～C50基樁高性能混凝土強(qiáng)度隨齡期增長而增長，其中0～14 d增長迅速，隨齡期增長強(qiáng)度增長速率變緩;在28 d以后強(qiáng)度仍具有一定的增長量，增長幅度為3.6% ～26.7%。

4.2 低應(yīng)變波速增長規(guī)律

根據(jù)模型樁 3 d，7 d，10 d，14 d，21 d，28 d 和 56 d低應(yīng)變波速測試結(jié)果，以齡期為橫坐標(biāo)、波速為縱坐標(biāo)，繪制低應(yīng)變波速—齡期曲線，反映不同強(qiáng)度等級基樁高性能混凝土低應(yīng)變波速隨齡期增長規(guī)律，見圖2。

與強(qiáng)度—齡期曲線相似，基樁高性能混凝土低應(yīng)變波速隨齡期的增長而增長，增長速率隨齡期的增長逐漸變緩，曲線呈上凸形狀。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，10 d前低應(yīng)變波速迅速增長，10～28 d波速增長速率變緩，28～56 d波速增長較小，基本趨于穩(wěn)定。圖2中，C30和C35低應(yīng)變波速曲線較為接近，C40和C45波速曲線較為接近，這一現(xiàn)象與圖1強(qiáng)度—齡期曲線規(guī)律一致，與混凝土配制有關(guān)。

4.3 超聲波波速增長規(guī)律

為使低應(yīng)變與超聲波波速具有較好的可比性，對模型樁同時(shí)進(jìn)行超聲波法測試。波速隨齡期增長規(guī)律見圖3。

圖3 聲波波速隨齡期增長曲線

圖3中，聲波波速隨齡期的增長而增長，其增長規(guī)律與低應(yīng)變波速增長規(guī)律相似。齡期在10 d前，超聲波波速迅速增長，10～28 d混凝土波速增長速率變緩，28～56 d波速增長較小，基本趨于穩(wěn)定。

與強(qiáng)度增長規(guī)律相比，超聲波與低應(yīng)變波速早期增長較快，28 d后波速基本趨于穩(wěn)定，而強(qiáng)度仍繼續(xù)增長。

4.4 低應(yīng)變波速與強(qiáng)度關(guān)系

以7 d，14 d，28 d和56 d的預(yù)留同條件養(yǎng)護(hù)立方體試件抗壓強(qiáng)度值為橫坐標(biāo)，以相應(yīng)齡期模型樁實(shí)測低應(yīng)變波速為縱坐標(biāo)，建立低應(yīng)變波速與強(qiáng)度關(guān)系，見圖4。

圖4 低應(yīng)變波速—強(qiáng)度關(guān)系

圖4中，低應(yīng)變波速隨混凝土強(qiáng)度的增長而增長，低應(yīng)變波速與強(qiáng)度之間具有較好的相關(guān)性。對低應(yīng)變波速與強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)擬合，擬合方程為vl=596.08 lnp+1 980.9，相關(guān)系數(shù) r=0.965，式中 p為不同齡期高性能混凝土試件的抗壓強(qiáng)度值，單位為MPa，vl為相應(yīng)齡期低應(yīng)變波速值，單位為m/s。

4.5 聲波波速與強(qiáng)度關(guān)系

以 7 d，14 d，28 d，56 d 立方體試件抗壓強(qiáng)度值為橫坐標(biāo)，以相應(yīng)齡期模型樁聲波波速為縱坐標(biāo)，建立聲波波速與強(qiáng)度關(guān)系，見圖5。

圖5 聲波波速—強(qiáng)度關(guān)系

對聲波波速與強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)擬合，其擬合方程為 vu=743.83 lnp+1 755.7，相關(guān)系數(shù) r=0.995，式中p為高性能混凝土試件的抗壓強(qiáng)度，vu為聲波波速。與低應(yīng)變波速—強(qiáng)度規(guī)律類似，聲波波速也隨混凝土強(qiáng)度的增長而增長，且二者具有較好的相關(guān)性。

上述分析表明，高性能混凝土波速與混凝土抗壓強(qiáng)度存在較好的相關(guān)關(guān)系，波速與強(qiáng)度在整體趨勢上呈正相關(guān)關(guān)系，即強(qiáng)度高相應(yīng)的波速也高。

5 波速參考范圍探討

5.1 波速范圍的確定原則

一般情況下，基樁高性能混凝土室內(nèi)配合比試驗(yàn)強(qiáng)度高于工程基樁鉆芯及預(yù)留試塊強(qiáng)度，且56 d齡期混凝土波速基本穩(wěn)定，因此，將本次試驗(yàn)56 d齡期對應(yīng)的波速作為波速范圍劃定的上限值。取混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度值時(shí)對應(yīng)的波速作為波速范圍的下限值，根據(jù)波速—強(qiáng)度關(guān)系擬合方程計(jì)算。

工程基樁一般不會等到齡期達(dá)到28 d或56 d以后才進(jìn)行測試，TB10218—2008第3.1.4規(guī)定:當(dāng)采用低應(yīng)變反射波法或聲波透射法檢測時(shí)，受檢樁樁身混凝土強(qiáng)度不得低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%且樁身強(qiáng)度應(yīng)不低于15 MPa。本次試驗(yàn)推導(dǎo)混凝土達(dá)到70%設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)對應(yīng)的波速，作為工程基樁測試的最低波速參考值。

5.2 低應(yīng)變波速范圍

由低應(yīng)變波速與強(qiáng)度關(guān)系擬合方程，計(jì)算強(qiáng)度值為 25，30，35，40，45，50 MPa 對應(yīng)的混凝土低應(yīng)變波速。其 值 分 別 為 3 900，4 008，4 100，4 180，4 250，4 313 m/s，以此作為C25～C50高性能混凝土低應(yīng)變波速范圍的下限波速參考值。以本次試驗(yàn)56 d混凝土實(shí)測低應(yīng)變波速作為波速范圍的上限參考值，其值分別為4 084，4 177，4 262，4 444，4 456，4 591 m/s。根據(jù)擬合方程，計(jì)算70%設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)對應(yīng)的低應(yīng)變波速，作為工程基樁測試的最低波速參考值。C25～C50設(shè)計(jì)強(qiáng)度的 70% 強(qiáng)度為 17.5，21.0，24.5，28.0，31.5，35.0 MPa，計(jì)算得到低應(yīng)變波速分別為3 687，3 796，3 888，3 967，4 037，4 100 m/s。

結(jié)合工程基樁低應(yīng)變測試經(jīng)驗(yàn)及本次試驗(yàn)結(jié)果，對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行微小調(diào)整，給出高性能混凝土基樁低應(yīng)變波速范圍參考值，見表2。

表2 基樁高性能混凝土低應(yīng)變波速范圍參考值

5.3 超聲波波速范圍

依據(jù)超聲波波速與強(qiáng)度關(guān)系擬合方程，計(jì)算強(qiáng)度值為 25，30，35，40，45，50 MPa 時(shí)對應(yīng)的聲波波速分別為4 150，4 286，4 400，4 500，4 587，4 666 m/s;70% 設(shè)計(jì)強(qiáng)度的聲波波速分別為3 885，4 020，4 135，4 234，4 322，4 400 m/s。本次試驗(yàn)C25～C50混凝土56 d齡期實(shí)測聲波波速分別為4 408，4 540，4 685，4 908，4 941，5 056 m/s。進(jìn)行適當(dāng)修正后，給出基樁高性能混凝土超聲波波速參考范圍，見表3。

表3 基樁高性能混凝土超聲波波速范圍參考值

高性能混凝土波速除了與強(qiáng)度有關(guān)外，還與混凝土的骨料品種、粒徑級配、密度、水灰比、成樁工藝等因素有關(guān)，不同工地的高性能混凝土，其檢測波速可能存在一定的差異。但考慮到鐵路工程基樁高性能混凝土的原材料選取及配合比設(shè)計(jì)要求較為嚴(yán)格，且本次高性能混凝土配合比設(shè)計(jì)及試件抗壓強(qiáng)度分布規(guī)律符合工程實(shí)際。因此，表2和表3中高性能混凝土的波速范圍可作為工程檢測的參考依據(jù)。

6 工程應(yīng)用

工程基樁測試常因聲測管偏斜、彎曲導(dǎo)致聲波波速計(jì)算誤差大、波速臨界值異常且波速曲線顯示異常，影響基樁質(zhì)量評判，如果單純依靠軟件進(jìn)行糾偏處理，容易引起數(shù)據(jù)失真。對于低應(yīng)變檢測，常存在樁底反射不明顯，缺陷位置判斷誤差大等特點(diǎn)。因此，表2和表3為基樁的判定提供了參考依據(jù)，為了驗(yàn)證表2和表3數(shù)據(jù)的合理性，本文列舉了兩個典型工程實(shí)例進(jìn)行分析，應(yīng)用效果較好。

實(shí)例1:某鐵路特大橋178-5#樁，樁長63 m，樁徑1.0 m，C30混凝土，聲波檢測表明，在12.5～13.0 m處存在缺陷。該樁采用了低應(yīng)變對比檢測，且進(jìn)行了鉆芯驗(yàn)證，在12.5～13.0 m處混凝土離析，低應(yīng)變時(shí)域曲線見圖6。

圖6 某特大橋178-5#樁低應(yīng)變時(shí)域曲線

圖6時(shí)域曲線中，在 t=6.05 ms處存在同向特征，樁底無明顯反射信號。根據(jù)聲波法與鉆芯法檢測的缺陷部位，推算低應(yīng)變波速為4 132 m/s，與表2提供的波速參考范圍相吻合。

實(shí)例2:某特大橋171-5#樁，樁長66.5 m，樁徑1.0 m，C40混凝土，采用聲波透射法檢測。圖7(a)為實(shí)測聲波曲線，僅列舉1-3剖面進(jìn)行說明，管間距580 mm，聲測管在47 m左右存在嚴(yán)重彎管現(xiàn)象，該剖面波速平均值5 539 m/s、波速臨界值847 m/s，波速曲線超出顯示范圍，不符合規(guī)范要求。該樁波幅與PSD(波速異常斜率法判據(jù))正常，綜合判斷樁身混凝土質(zhì)量良好，根據(jù)表3的波速范圍進(jìn)行修正，修正后剖面波速平均值4 645 m/s、波速臨界值4 000 m/s，波速曲線顯示良好，見圖7(b)。

圖7 某特大橋171-5#樁聲波曲線

7 結(jié)語

本文通過對基樁高性能混凝土波速與強(qiáng)度試驗(yàn)，分析探討了波速與強(qiáng)度的增長規(guī)律及波速參考范圍。主要結(jié)論如下:

1)基樁高性能混凝土強(qiáng)度隨齡期增長而增長，增長速率隨齡期增長而變緩，其中0～14 d增長迅速，28 d以后強(qiáng)度增長幅度為3.6%～26.7%。

2)波速與強(qiáng)度之間存在較好的相關(guān)性;波速隨齡期的增長而增長，但與強(qiáng)度增長規(guī)律相比，波速隨齡期的增長速率較快，28 d以后波速基本穩(wěn)定。

3)給出了高性能混凝土低應(yīng)變與超聲波波速參考范圍，為工程基樁檢測提供參考。

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