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%。水采用城市自來水。

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）。

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）來評(píng)價(jià)測(cè)強(qiáng)曲線的精度[11]，即

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

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。

由表5可知，當(dāng)使用超聲回彈綜合法無損檢測(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)?；貜椫?、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。

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。

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。

文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)