超聲回彈法檢測再生骨料混凝土強(qiáng)度的試驗(yàn)分析

基金項(xiàng)目：廣東省教育廳2021年廣東省本科高校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程建設(shè)項(xiàng)目（KCJJD202101）；廣東理工學(xué)院2024年度校級科研平臺項(xiàng)目（2024PZDZK02）

作者簡介：王金歌（1991-），男，碩士，講師。研究方向?yàn)楦咝阅芑炷?、工程力學(xué)。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.21.017

摘" 要：該文探究超聲回彈法在再生骨料混凝土強(qiáng)度檢測中的應(yīng)用。采用對照試驗(yàn)法，使用再生骨料和水泥、外加劑等配制再生骨料混凝土，并制作標(biāo)準(zhǔn)試件，經(jīng)過28 d養(yǎng)護(hù)后使用不同方法測定其抗壓強(qiáng)度。以壓力試驗(yàn)機(jī)測定的再生骨料混凝土試塊抗壓強(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn)值，將回彈法和超聲回彈法測定的抗壓強(qiáng)度作為對照值，觀察測定誤差進(jìn)而判斷2種方法的優(yōu)劣。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，使用回彈法測定試塊的抗壓強(qiáng)度，測量值與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差為1.45%；使用超聲回彈法測定試塊的抗壓強(qiáng)度，測量值與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差為0.49%。由此可得，超聲回彈法在測定再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度方面精度更高，能夠?yàn)樵偕橇匣炷恋闹苽渑c應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：再生骨料混凝土；超聲回彈法；回彈值；抗壓強(qiáng)度；標(biāo)準(zhǔn)試件

中圖分類號：TU528" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）21-0070-04

Abstract： This paper explores the application of ultrasonic rebound method in the strength testing of recycled aggregate concrete. Using the control test method， recycled aggregate concrete was prepared with recycled aggregate， cement and admixture， and standard specimens were made. After 28 days of curing， different methods were used to determine its compressive strength. The compressive strength of recycled aggregate concrete test blocks measured by the pressure testing machine is taken as the standard value， and the compressive strength measured by rebound method and ultrasonic rebound method is taken as the control value to observe the measurement error and judge the advantages and disadvantages of the two methods. The analysis of the test data shows that the compressive strength of the test block is measured by the rebound method， and the error between the measured value and the standard value is 1.45%; the error between the measured value and the standard value is 0.49% when the ultrasonic rebound method is used to determine the compressive strength of the test block. As a result， the ultrasonic rebound method is more accurate in measuring the compressive strength of recycled aggregate concrete， and can provide reference for the preparation and application of recycled aggregate concrete.

Keywords： recycled aggregate concrete; ultrasonic rebound method; rebound value; compressive strength; standard specimen

老舊建筑拆除后的廢棄砂石、廢棄混凝土，以及磚廠生產(chǎn)的不合格多孔磚、空心磚等，經(jīng)過回收、破碎、篩分等一系列處理后成為再生骨料。在工程建設(shè)中，使用再生骨料制備混凝土，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)廢棄磚、砂石、混凝土的重復(fù)利用，降低了材料成本；另一方面也能解決廢棄物隨意堆放帶來的環(huán)境污染問題，符合綠色環(huán)保理念。考慮到再生骨料與天然骨料在表觀密度、吸水率等性能指標(biāo)上存在差異，使用再生骨料制備的混凝土，在強(qiáng)度方面能否滿足工程建設(shè)需要成為必須要考慮的問題。超聲回彈法是一種常用的混凝土強(qiáng)度檢測方法，本文使用該方法對再生骨料混凝土的強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)測定。

1" 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1" 再生骨料混凝土的制備

本試驗(yàn)收集某住宅建筑拆除后產(chǎn)生的廢棄磚塊和廢棄混凝土塊，使用破碎裝置將其破碎后進(jìn)行篩分，采用2次破碎、2次篩分處理方式得到粒徑為5～20mm的骨料。第一次破碎將回收的廢棄磚塊、混凝土塊倒入顎式破碎機(jī)中破碎，將雜物清除只保留骨料；對骨料進(jìn)行第一次篩分，按照粒徑的大小篩分出3類，分別是0～5 mm、5～20 mm及20 mm以上；由于試驗(yàn)所用骨料的粒徑為5～20 mm，因此，對于粒徑在20 mm以上的再次投入破碎機(jī)進(jìn)行破碎；破碎后進(jìn)行第二次篩選，將粒徑在5～20 mm范圍內(nèi)的骨料回收作為再生骨料。再生骨料與天然骨料的指標(biāo)對比結(jié)果見表1。

除了骨料外，本試驗(yàn)中用于制備混凝土的基礎(chǔ)材料還有水泥、砂、減水劑和水。水泥選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)度3.2%，比重3.1 g/cm3，初凝時(shí)間2 h 30 min，終凝時(shí)間6 h 45 min，28 d抗壓強(qiáng)度55.7 MPa，28 d抗折強(qiáng)度9.3 MPa；砂選用天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.50，粒徑小于5 mm，級配良好；減水劑使用聚羧酸高效減水劑，減水率可達(dá)40%；水使用自來水。為了驗(yàn)證超聲回彈法在再生骨料混凝土強(qiáng)度測試中的應(yīng)用效果，將破碎后的廢棄磚和廢棄混凝土作為再生骨料，制作了強(qiáng)度為C30的再生混凝土，其配合比見表2。

1.2" 試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

按照上述配合比制作再生骨料混凝土試件，規(guī)格為150 mm×150 mm×150 mm，養(yǎng)護(hù)28 d。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，取出再生骨料混凝土試塊并使用相應(yīng)的設(shè)備測定其超聲聲速與回彈值，對照相關(guān)規(guī)范可以得到混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度。同時(shí)，按照GB 50204—2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》中的規(guī)定，使用壓力試驗(yàn)機(jī)測出抗壓強(qiáng)度，并對比普通方法與超聲回彈法在再生骨料混凝土試件抗壓強(qiáng)度測定結(jié)果上的差異。本試驗(yàn)中使用到的設(shè)備有顎式破碎機(jī)、頂擊式標(biāo)準(zhǔn)篩振篩機(jī)、攪拌機(jī)、混凝土壓力試驗(yàn)機(jī)，以及回彈儀、非金屬超聲監(jiān)測儀等。

在超聲回彈綜合檢測方法中，分別使用超聲波檢測儀和回彈儀，在混凝土試件的同一測點(diǎn)上分別測量其聲時(shí)值和回彈值。然后參照“測區(qū)混凝土抗壓強(qiáng)度換算表”，獲得再生骨料混凝土試件的抗壓強(qiáng)度。相比于單一的檢測方法，超聲回彈法可以保證最終的測量結(jié)果不受混凝土齡期、含水率等因素的影響，從實(shí)際應(yīng)用情況看表現(xiàn)出測試精度高、適用范圍廣、可準(zhǔn)確反映混凝土結(jié)構(gòu)真實(shí)質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，成為混凝土結(jié)構(gòu)建筑中檢測強(qiáng)度的常用方法[1]。

1.3" 試塊的制作與養(yǎng)護(hù)

準(zhǔn)備一個尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的正方形木質(zhì)模具，現(xiàn)場制備混凝土，方法如下：首先向混凝土攪拌器內(nèi)投入再生骨料，然后加入50%的水泥、砂、水和減水劑，充分?jǐn)嚢? min；然后將剩余的50%水泥、砂、水和減水劑加入，再攪拌5 min，攪拌完畢后出料。取適量再生混凝土進(jìn)行坍落度檢測，檢測結(jié)果顯示坍落度在30～50 mm之間為合格，確認(rèn)合格后將制備好的再生骨料混凝土倒入模具中，為提高試塊成型質(zhì)量，使用插入式振搗器對入模混凝土進(jìn)行充分振搗，觀察到澆筑面不再有氣泡冒出后說明已經(jīng)振搗密實(shí)，停止振搗并在靜置24 h后拆模，在試塊初凝前的1 h內(nèi)可以進(jìn)行抹面處理，使用抹子等工具沿著試塊模具的邊緣抹平，讓澆筑面更加平整。將混凝土試塊轉(zhuǎn)移到養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，以“品”字型堆放，控制養(yǎng)護(hù)室內(nèi)的溫度恒定在25 ℃、相對濕度不低于90%，養(yǎng)護(hù)28 d。

1.4" 試驗(yàn)準(zhǔn)備

取出養(yǎng)護(hù)結(jié)束后的試塊，使用紗布將表面的灰塵等雜物清理干凈，選擇非澆筑面進(jìn)行超聲聲速與回彈值的測量。在2個對稱的非澆筑面上標(biāo)記出回彈測點(diǎn)，每個面上共標(biāo)記8個，共計(jì)16個；在另外2個對稱的非澆筑面上標(biāo)記超聲聲速測點(diǎn)，每個面上共標(biāo)記3個，共計(jì)6個，試件表面的測點(diǎn)布置如圖1所示。為了保證超聲聲速的測量效果，在每個測點(diǎn)上均勻涂抹一層凡士林，讓換能器與測點(diǎn)緊密接觸[2]。

布置完測點(diǎn)后，檢查試驗(yàn)所用的各類儀器，保證儀器精確度達(dá)標(biāo)、工況良好后，按照順序依次完成回彈值、超聲聲速及抗壓強(qiáng)度的測量。

2" 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理

2.1" 回彈值的測量與計(jì)算

再生骨料混凝土試件的回彈值測量方法如下。將試塊置于混凝土壓力機(jī)的下承壓板上，調(diào)整試塊位置使其處于承壓板的中間部位。啟動混凝土壓力機(jī)，利用上下承壓板向試塊施加壓力，壓力值為混凝土試塊最大承載力的40%。保持該壓力不變，然后使用回彈儀分別在試塊2個側(cè)面上的測點(diǎn)處進(jìn)行檢測。為提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，要求每次彈擊時(shí)都要保證回彈儀的軸線與測點(diǎn)所在平面垂直。每個測點(diǎn)獲得一組數(shù)據(jù)，完成16個測點(diǎn)的測試后，共計(jì)得到16組數(shù)據(jù)。將記錄的16組數(shù)據(jù)分別去掉3個較大值和3個較小值，求剩余10個值的平均值，作為最終的回彈值[3]。計(jì)算公式如下

B=Bi，

式中：B為試塊的回彈值，Bi為第i次彈擊值。

使用鉆孔設(shè)備在混凝土試塊鉆出一個直徑為15 mm、深度略大于碳化深度的小洞，將孔內(nèi)粉末掏凈后，用膠頭滴管吸取少量2%的酚酞酒精溶液，滴加在孔洞內(nèi)壁的邊緣處，可以在碳化區(qū)域和非碳化區(qū)域形成一條清晰的界限[4]。然后使用專用儀器測量界限到混凝土表面的垂直距離。為減小誤差，同一鉆孔應(yīng)當(dāng)測量3組數(shù)據(jù)，并取3組數(shù)據(jù)的平均值作為最終結(jié)果。按照上述方法分別求得混凝土試塊的回彈值與碳化深度值后，根據(jù)JGJ/T 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》中提供的“測區(qū)混凝土強(qiáng)度換算表”，可以確定混凝土試塊的強(qiáng)度。

2.2" 超聲聲速的測量與聲速計(jì)算

再生骨料混凝土試件的超聲聲速測量方法如下。將非金屬超聲波檢測儀的2個換能器分別置于2個對稱面的對稱測點(diǎn)上，啟動儀器并收集當(dāng)前測點(diǎn)的聲時(shí)值。為了消除誤差，每個試點(diǎn)上分別測量3次，取3次測量結(jié)果的平均值作為聲時(shí)值。每個試塊上有3個超聲聲速測點(diǎn)，可以得到3個聲時(shí)值，再根據(jù)聲時(shí)值求得超聲聲速。計(jì)算公式如下

V=，

式中：V為試塊的超聲聲速，km/s；t１—t3為3個測點(diǎn)的聲時(shí)值，μs。

在求得聲速值的基礎(chǔ)上，結(jié)合混凝土試塊的回彈值，依據(jù)T/CECS 02—2020《超聲回彈綜合法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》中提供的“混凝土抗壓強(qiáng)度換算表”，可以得出混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度。

2.3" 抗壓強(qiáng)度的計(jì)算

完成試塊回彈值與超聲聲速的測試后，松開混凝土試驗(yàn)機(jī)的下承壓板，卸去壓力后將試塊取下，使用刷子清理上、下承壓板。重新將試塊放置到下承壓板上，緩慢靠近上、下承壓板，觀察上承壓板能夠完全與試塊頂面接觸后，以0.5 MPa/s的速度均勻加荷直到試塊被壓壞。觀察到試塊壓壞后立即停止加載，并記錄此時(shí)混凝土試驗(yàn)機(jī)的荷載[5]，然后根據(jù)公式求得試件的抗壓強(qiáng)度。計(jì)算公式如下

F=，

式中：F為試件的抗壓強(qiáng)度，MPa；P為試塊的破壞荷載，N；A為試塊的承壓面積，由于所用試塊為邊長150 mm的立方體，因此，本試驗(yàn)中取22 500 mm2。

3" 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由于單軸受壓作用，再生骨料混凝土試塊在施加荷載的初期表面出現(xiàn)了一些細(xì)小的裂紋；隨著荷載不斷增加，裂紋逐漸發(fā)育并演變?yōu)榱芽p，呈現(xiàn)出從四周向中心發(fā)展的變化趨勢。在鄰近破壞荷載時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)試塊已經(jīng)有不同程度的膨脹現(xiàn)象，并伴隨有局部混凝土脫落現(xiàn)象。在達(dá)到破壞荷載后，再生骨料混凝土試塊被完全破壞，呈現(xiàn)出正倒相連的“八”字形態(tài)。

3.1" 普通方法測定再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度

使用壓力試驗(yàn)機(jī)測定5個再生骨料混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度，測定結(jié)果見表3。

由表3數(shù)據(jù)可知，再生骨料混凝土試塊經(jīng)過28 d養(yǎng)護(hù)后，在壓力試驗(yàn)機(jī)施加荷載達(dá)到816.7 kN后，5#試塊最先破壞，對應(yīng)的抗壓強(qiáng)度為35.9 MPa，在5個試塊中最低；2#試件在施加荷載達(dá)到858.5 kN后也被破壞，對應(yīng)的抗壓強(qiáng)度為37.2 MPa，在5個試塊中最高。再生骨料混凝土的平均抗壓強(qiáng)度為36.76 MPa。

3.2" 回彈法測定再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度

使用回彈儀測定5個再生骨料混凝土試塊的回彈值與碳化深度后，通過查表的方式確定抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表4。

表4" 回彈法測定抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)表

由表4數(shù)據(jù)可知，5個再生骨料混凝土試件的回彈值和碳化深度較為接近，抗壓強(qiáng)度維持在36.4～38.6 MPa，平均抗壓強(qiáng)度為37.30 MPa。與壓力試驗(yàn)機(jī)測定的平均抗壓強(qiáng)度相比，誤差為（37.30-36.76）/37.30×100%=1.45%。

3.3" 超聲回彈法測定再生骨料混凝土抗壓強(qiáng)度

在使用回彈儀測定5個再生骨料混凝土試塊回彈值的基礎(chǔ)上，再使用非金屬超聲波檢測儀測定試塊的超聲聲速值。全國同一測區(qū)混凝土抗壓強(qiáng)度換算公式同樣適用于再生混凝土，公式如下

F=0.028 6×V1.999×R1.155，

式中：V為聲速值；R為回彈值；F為抗壓強(qiáng)度。

將測量結(jié)果帶入上式后，求得F值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5。

由表5數(shù)據(jù)可知，5個再生骨料混凝土試件的回彈值和聲速值較為接近，抗壓強(qiáng)度維持在36.5～37.5 MPa，平均抗壓強(qiáng)度為36.94 MPa。與壓力試驗(yàn)機(jī)測定的平均抗壓強(qiáng)度相比，誤差為（36.94-36.76）/36.94×100%=0.49%。

綜上，使用超聲回彈法測定再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度，其測定值更接近于實(shí)際測量結(jié)果（壓力試驗(yàn)機(jī)測試結(jié)果），比單一使用回彈法的測定精度更高，為再生骨料混凝土的制備與應(yīng)用提供了參考數(shù)據(jù)。

4" 結(jié)論

在節(jié)能減排和綠色發(fā)展背景下，再生骨料混凝土可以實(shí)現(xiàn)廢舊材料的重復(fù)利用、解決建筑垃圾污染問題，受到了各方的青睞。目前，常用的再生骨料混凝土有廢棄磚、廢棄混凝土、廢棄砂石等若干類型。雖然再生骨料混凝土具有綠色環(huán)保、節(jié)約成本等優(yōu)勢，但是作為一種建筑材料，首先要保證抗壓強(qiáng)度達(dá)標(biāo)。從檢測結(jié)果來看，相比于單一使用回彈儀，超聲回彈法測定混凝土抗壓強(qiáng)度的精度更高，是一種更加理想的無損檢測方法。

參考文獻(xiàn)：

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