建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)向下公路工程中的材料檢測(cè)技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用

吳林、莫鶴立

（1.黔東南州凱鑫交通工程試驗(yàn)檢測(cè)有限責(zé)任公司，貴州凱里 556000；2.黔東南州交通建設(shè)發(fā)展中心，貴州 凱里 556000）

0 引言

設(shè)計(jì)制定建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于科學(xué)管控公路工程質(zhì)量和安全起到強(qiáng)制性作用，在保證現(xiàn)有技術(shù)與管理方案保護(hù)人員、項(xiàng)目安全的基礎(chǔ)上，顧全建設(shè)者、使用者的利益。而實(shí)施材料檢測(cè)工作是從前期準(zhǔn)備階段控制材料質(zhì)量和性能的必要之舉，將直接影響公路結(jié)構(gòu)的安全性、抗壓性、耐腐蝕性等性能。為此，通過(guò)研究材料檢測(cè)技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用，即在精準(zhǔn)收集數(shù)據(jù)的前提下，針對(duì)材料的基礎(chǔ)性能予以測(cè)定，判定是否滿足建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，以此保障公路工程的整體質(zhì)量。

1 建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)向下公路工程中的材料檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的重要性

公路工程中，材料檢測(cè)技術(shù)為施工方案的制定提供支持。通過(guò)測(cè)定基礎(chǔ)材料的性能，能夠確定同一批次材料的抗壓強(qiáng)度、受壓狀態(tài)、凝結(jié)時(shí)間等與工程設(shè)計(jì)需要之間的適配度，從而依據(jù)檢測(cè)結(jié)果編制施工方案[1]。與此同時(shí)，公路工程整體造價(jià)較高，應(yīng)用材料檢測(cè)技術(shù)能夠明確不同建設(shè)目的、不同結(jié)構(gòu)下各類(lèi)材料的性價(jià)比，并清楚了解到不同材料的價(jià)格差異和適用范圍，防止因混用材料造成資源浪費(fèi)等現(xiàn)象，避免出現(xiàn)資金分配不科學(xué)的情況，保障建設(shè)資金的利用率。設(shè)置建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的最終目的是提升工程建設(shè)質(zhì)量，獲取更高社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境利益。引入材料檢測(cè)技術(shù)將促使相關(guān)人員重視檢測(cè)工作，對(duì)管控材料質(zhì)量起到正向作用；同時(shí)，倒逼檢測(cè)行業(yè)技術(shù)升級(jí)，提高檢測(cè)的自動(dòng)化和智能化水平[2]。

2 建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)向下公路工程中的材料檢測(cè)技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用

2.1 水泥檢測(cè)

水泥是公路工程中必需的材料之一，其由煤、鐵礦石、黏土和石灰石等制成，經(jīng)燒成和粉磨，制作成滿足硬化和凝結(jié)要求的水泥漿。不同生產(chǎn)商所使用的原材料品種存在差異，不同材料的質(zhì)量也有所不同，因此，需要檢測(cè)水泥生料成分，判定是否與建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求相符合[3]。

檢測(cè)中，應(yīng)用紅外光譜檢測(cè)技術(shù)，使用傅里葉近紅外光譜儀，研究公路工程中所使用的水泥。選取15個(gè)樣本，分成10 個(gè)校正集樣本和5 個(gè)驗(yàn)證集樣本，重復(fù)測(cè)量3 次，求出校正集樣本和驗(yàn)證集樣本中水泥成分含量的平均值，構(gòu)建近紅外光譜模型。預(yù)處理光譜模型，最終得出檢測(cè)結(jié)果。

以某水泥供應(yīng)商提供的水泥原料為檢測(cè)對(duì)象，通過(guò)檢測(cè)對(duì)比校正集樣本和驗(yàn)證集樣本的光譜圖，生成樣本劃分表。具體如表1 所示。

表1 水泥檢測(cè)樣本劃分表

經(jīng)預(yù)處理后，建立成分預(yù)測(cè)模型，選定波段完成模型建構(gòu)。根據(jù)殘差的趨勢(shì)變化圖，遞減殘差，將與樣本關(guān)聯(lián)程度小的數(shù)據(jù)剔除，選定最優(yōu)光譜數(shù)據(jù)變量。建立PLS 模型，選擇檢測(cè)樣本的近紅外光譜波段及其化驗(yàn)值，計(jì)算出預(yù)測(cè)均方根誤差（RMSEP）、預(yù)測(cè)集模型決定系數(shù)（）、交叉驗(yàn)證均方根誤差(RMSECV)和校正集模型決定系數(shù)（）。計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 水泥近紅外光譜局部PLS 建模結(jié)果

根據(jù)結(jié)果可以看出，水泥檢測(cè)樣本所測(cè)定的三氧化二鐵、氧化鋁、氧化硅、氧化鈣所對(duì)應(yīng)的近紅外光譜處于[4000,2000]cm-1的范圍內(nèi)，應(yīng)用修正模型和建立近紅外光譜模型的方法能夠解決原材料產(chǎn)地不同問(wèn)題[4]。同時(shí)，因建立近紅外光譜模型方式整體優(yōu)于修正模型方式，將此種波段挑選建構(gòu)模型的思路應(yīng)用于檢測(cè)行業(yè)對(duì)管控水泥材料成分以及質(zhì)量起到助力作用，值得逐步通過(guò)實(shí)踐應(yīng)用形成標(biāo)準(zhǔn)化檢測(cè)方式。

2.2 瀝青檢測(cè)

瀝青檢測(cè)可借助采集并對(duì)比材料與標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的紅外光譜圖的方式，確定材料質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)。以某公路工程為例，檢測(cè)70#基質(zhì)瀝青的質(zhì)量。

首先，建立標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜圖。采取現(xiàn)場(chǎng)取樣的方法，獲取瀝青檢測(cè)樣品后生成標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜圖，便于后續(xù)實(shí)時(shí)分析進(jìn)場(chǎng)基質(zhì)瀝青的質(zhì)量。對(duì)比再現(xiàn)性和重復(fù)性測(cè)試紅外光譜圖，發(fā)現(xiàn)指紋區(qū)[1350,650]cm-1、特征區(qū)[4000,1350]cm-1和全譜[4000,650]cm-1波數(shù)范圍內(nèi)相關(guān)性系數(shù)全部超過(guò)99.00%，標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于3.5%。計(jì)算多組譜圖的測(cè)試平均值，形成紅外光譜圖，觀察特征峰。經(jīng)觀察，鏈烴、對(duì)稱變角、對(duì)稱伸縮、烷烴的反對(duì)稱伸縮、苯環(huán)骨架、芳香烴苯環(huán)的面外搖擺、芳香烴化合物的面內(nèi)彎曲、芳香烴苯環(huán)的反對(duì)稱伸縮的振動(dòng)峰分別處于[1250,1150]cm-1、1380cm-1、1460cm-1、2923cm-1、1600cm-1、[900,650]cm-1、[1300,1000]cm-1、3030cm-1。開(kāi)展噪聲測(cè)定工作，選定測(cè)量范圍，將紅外光譜圖的[2050,1950]cm-1區(qū)間作為測(cè)量范圍，輸出結(jié)果[5]。經(jīng)測(cè)量，峰—峰的噪聲和均方根噪聲分別為0.00197、0.000393，均滿足試驗(yàn)用紅外光譜儀的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)要求，證明檢測(cè)中所使用的檢測(cè)器和光譜儀具備準(zhǔn)確測(cè)定材料性能的能力，能夠?qū)⑺纬傻?0#基質(zhì)瀝青標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜圖用于對(duì)比鑒定公路工程瀝青質(zhì)量的作業(yè)中。

其次，檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)瀝青質(zhì)量。針對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行取樣，借助紅外光譜技術(shù)分析指紋區(qū)、特征區(qū)和全譜波數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)譜圖之間的匹配情況。當(dāng)能夠達(dá)成99.00%的匹配標(biāo)準(zhǔn)，即可判定該瀝青原料的性能滿足公路建設(shè)所需；若尚未達(dá)成99.00%的匹配標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)當(dāng)禁止該瀝青原料入場(chǎng)，并向施工單位和業(yè)主傳輸檢測(cè)結(jié)果，由二者針對(duì)檢測(cè)性能具體指標(biāo)判定如何處理。在該工程中，抽檢對(duì)象的數(shù)量為430 車(chē)次，合格率達(dá)到98.22%，證明瀝青質(zhì)量達(dá)標(biāo)[6]。

最后，復(fù)查不合格樣品。針對(duì)檢測(cè)中相關(guān)性系數(shù)低于99.00%的樣本應(yīng)進(jìn)一步復(fù)查，分別取樣，形成瀝青紅外光譜圖，與標(biāo)準(zhǔn)圖對(duì)比，確定樣品不合規(guī)的具體原因。

除此以外，還需要在鋪設(shè)前檢測(cè)瀝青混合料級(jí)配質(zhì)量。獲取試驗(yàn)瀝青混合料鋪設(shè)的原圖像后，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槎祱D像，用黑白兩色區(qū)分瀝青砂漿和集料顆粒（見(jiàn)圖1）。統(tǒng)計(jì)集料顆粒的三種平面性狀，獲得平面級(jí)配結(jié)果后，引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)設(shè)計(jì)級(jí)配[7]。其中，輸入層為不同粒徑粗集料的平面級(jí)配，輸出層為對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)級(jí)配。應(yīng)用此種方法能夠快速測(cè)定瀝青混合料的級(jí)配情況，與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比后確定其是否能夠直接應(yīng)用于后續(xù)施工中，以保障施工質(zhì)量。

圖1 電子篩分后的集料截面圖

2.3 鋼筋檢測(cè)

鋼筋檢測(cè)要從室內(nèi)試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)三個(gè)方面著手。

首先，鋼筋室內(nèi)試驗(yàn)需檢測(cè)其表面破損程度、尺寸、橫斷面等。觀察鋼筋，查看是否存在機(jī)械損傷、裂紋和劃痕，若存在以上問(wèn)題，則應(yīng)當(dāng)直接將該鋼筋淘汰。借助游標(biāo)卡尺，測(cè)量鋼筋的尺寸，得出直徑具體數(shù)值。同時(shí)，要標(biāo)記面積，將中間位置作為標(biāo)定的位置。使用檢測(cè)設(shè)備的過(guò)程中，要保證正確操作儀器設(shè)備。例如：使用鋼筋連續(xù)式打點(diǎn)機(jī)，應(yīng)當(dāng)將縱肋與打點(diǎn)機(jī)頭的針相互靠近，防止出現(xiàn)因拉升影響鋼筋摩擦系數(shù)測(cè)定結(jié)果的情況，降低試驗(yàn)?zāi)p。

其次，基于試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)要求，對(duì)同一批次的鋼筋，采用抽樣檢測(cè)的方式，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。應(yīng)用彎曲矯直處理方法，控制試驗(yàn)機(jī)測(cè)力系統(tǒng)、室溫、重量偏差。將室內(nèi)溫度控制在10～35℃之間，保證在此條件下，校準(zhǔn)測(cè)力系統(tǒng)，使得整體測(cè)試環(huán)境滿足鋼筋材料拉伸試驗(yàn)的基本要求。依據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，檢查試驗(yàn)室內(nèi)的鋼筋樣品，確定是否受到淬火、機(jī)械處理的影響，出現(xiàn)變形或者損傷。對(duì)于有明顯外觀性狀問(wèn)題的鋼筋直接淘汰。在下一步分析中，利用游標(biāo)卡尺測(cè)量鋼筋尺寸，以公稱直徑替代橫截面直徑。得出測(cè)量結(jié)果后，與材料檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，判斷是否存在偏差超出允許范圍的情況。對(duì)于偏差超限的鋼筋，認(rèn)定為不合格產(chǎn)品。借助連續(xù)標(biāo)點(diǎn)方式，標(biāo)記公稱直徑合格的鋼筋，標(biāo)稱標(biāo)距的起點(diǎn)為鋼筋中點(diǎn)。將鋼筋?yuàn)A在試驗(yàn)機(jī)上下鉗口處，對(duì)其施加軸向拉力，避免彎曲程度過(guò)大影響觀察結(jié)果。觀察鋼筋最大力總伸長(zhǎng)率或斷后伸長(zhǎng)率，處理拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，以此判斷鋼筋質(zhì)量和性能。對(duì)比鋼筋試樣與標(biāo)準(zhǔn)值在規(guī)格、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率上的偏差，任一指標(biāo)不滿足標(biāo)準(zhǔn)值限定范圍，均說(shuō)明鋼筋試樣不合格。

最后，鋼筋彎曲試驗(yàn)要開(kāi)展反復(fù)彎曲和反向彎曲等多項(xiàng)試驗(yàn)。就不同型號(hào)的鋼筋應(yīng)用不同處理方法，例如，對(duì)于HRB400E 型鋼筋采取反向彎曲檢測(cè)方法；對(duì)于普通HRB400 型鋼筋采取冷彎?rùn)z測(cè)方法。不同彎曲試驗(yàn)的檢測(cè)要點(diǎn)也有所區(qū)別，具體如下。

第一，冷彎試驗(yàn)：主要應(yīng)用于普通鋼筋樣品檢驗(yàn)中，在分析樣品后，選定彎曲壓頭直徑，調(diào)節(jié)錕距。借助兩支點(diǎn)調(diào)整試樣的中心線，使得壓頭中心線與焊縫中心線保持重合。壓力施加點(diǎn)為支點(diǎn)中心，按照規(guī)定彎曲角度處理鋼筋，分析檢測(cè)數(shù)據(jù)，確定其是否合格。

第二，反向彎曲試驗(yàn)：反向彎曲要分別對(duì)鋼筋試樣采取正向彎曲90°、保溫0.5h 和反向彎曲20°的操作，測(cè)量荷載狀態(tài)下的彎曲角度。保溫階段，溫度要保持在100℃[8]。

第三，反復(fù)彎曲試驗(yàn)：選定與鋼筋檢測(cè)樣品匹配的彎曲圓弧半徑，確定撥桿孔徑以及與圓弧頂部之間的距離。完成以上操作后，保證彎曲臂始終垂直，將試樣插入撥桿孔，夾緊下端。為避免沖擊影響，應(yīng)當(dāng)維持圓柱軸線的兩個(gè)平面互相垂直，控制彎曲速度處于1 次/s 的范圍內(nèi)。完成右側(cè)彎曲90°的操作后，退回起點(diǎn)，而后進(jìn)行二次彎曲。經(jīng)過(guò)多次反復(fù)操作，確定鋼筋試樣初次斷裂的彎曲次數(shù)，以此判定試樣質(zhì)量。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，公路工程是關(guān)乎民生的基礎(chǔ)性工程項(xiàng)目，其建設(shè)質(zhì)量將直接影響日常出行和交通運(yùn)輸，因此，要始終契合建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量管控。材料是公路項(xiàng)目質(zhì)量的關(guān)鍵影響要素，需對(duì)其加強(qiáng)檢測(cè)，以此保證進(jìn)場(chǎng)材料均符合設(shè)計(jì)要求。要重點(diǎn)考量材料檢測(cè)技術(shù)的科學(xué)性、先進(jìn)性、便捷性和準(zhǔn)確性。實(shí)際應(yīng)用檢測(cè)技術(shù)的過(guò)程中，檢測(cè)人員要秉持質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)原則和及時(shí)檢驗(yàn)原則，并敢于嘗試應(yīng)用新技術(shù)，積極探究技術(shù)優(yōu)化的方向，為公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步完善奠定基礎(chǔ)。