高寒地区混凝土箱梁抗冻耐久性无损检测*

杨怡文，薛 山，王 睿，邓祥辉

(西安工业大学 建筑工程学院，西安 710021)

随着西部大开发战略的不断推进，西北地区基础设施正加快建设，其高原地区海拔大多在3 000 m以上，气压较低，昼夜温度差较大[1]。特殊的地理位置和环境变化使项目在建设过程中遇到困难，一般工程中可以广泛使用的混凝土强度检测标准在高海拔寒冷地区产生较大误差。常规混凝土箱梁在这种极端的条件下会产生混凝土的抗拉强度、抗压强度、弹性模量等力学性能以及抗冻耐久性下降的现象，严重影响到箱梁使用安全与寿命[2]。

无损检测技术因其快速、方便、无损试件的特点，在混凝土工程检测中得到了广泛的发展与应用。文献[3]对桥梁混凝土结构耐久性无损检测进行研究，提出“图形标杆”的无损评估方法，但通过观察混凝土结构表面的剥落程度来评价结构的耐久性，试验周期较长，结果大多为经验和理论推导，没有较为直接的试验数据证明结构强度的变化，不适用于实际工程中；文献[4]研究了冲击回波法在混凝土中的无损检测，通过混凝土内部应力波的传播速度来检测混凝土强度的大小，但由于冲击回波无损检测混凝土强度主要针对小体积混凝土，并不适用施工现场大体积混凝土施工检测；文献[5]在实际工程中使用超声回弹法检测桥梁墩台的强度，将检测结果与试块取样、钻芯取样的检测成果进行对比，得出超声回弹综合法测强准确性更好，但在检测过程中仅分析混凝土内在因素，未考虑外界环境对试验结果的影响，分析问题不够全面；文献[6]利用超声回弹综合法检测T梁混凝土强度，采用综合检测手段减少试验误差，可在施工现场广泛使用。

目前，混凝土无损检测方法相对单一，用单方面因素分析试验结果不够全面精确，得出的试验结果误差较大。因此，文中采用声波-回弹强度检测法和冻融循环检测方法，将现有的测强曲线和抗冻耐久性检测标准[7]及操作方法优化为更适用于高寒地区的检测标准，并以此标准对现场施工进行指导，以提高高寒地区箱梁预测强度及无损检测抗冻耐久性的准确度。

1 混凝土配合比

试验地选在甘肃省夏河县王格尔塘镇汪塘村，该地区海拔超过3 000 m，年平均温度3.0 ℃，冬季漫长寒冷，最低温度可以达到-26.7 ℃，最大积雪深度可达16 cm，为减少试验误差，所用原材料均就地取材。试验采用C50混凝土，水泥采用常规P.O52.5硅酸盐水泥；粗集料采用矿山碎石，粒径为5～20 mm，级配良好；含石粉率为0.74%；细集料采用河砂，为中粗砂，含泥量为2.94%。根据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55-2011)[8]配置高寒普通混凝土(P)配合比，见表1。

特殊的环境条件会对混凝土的强度、耐久性、和易性等性能产生影响，导致高寒普通混凝土在使用的过程中产生抗冻耐久性差的问题，因此在原有高寒普通混凝土(P)配合比的基础上添加减水剂，以达到优化混凝土性能[9]的目的，得到优化后的高寒减水混凝土(J)配合比，见表1。

表1 高海拔寒冷地区混凝土配合比

2 抗冻耐久性检测标准的优化

2.1 测强曲线的优化

本试验参照国家现行标准《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》(GB 175-1999)的要求制备边长为150 mm的立方体试件9块，试件拆模后进行编号，J代表高寒减水混凝土试件，试件编号为J-1～J-9，将混凝土放入温度为20 ℃、相对湿度 95%以上的标准养护室养护28 d，养护完成后取出试件分别进行声波波速测试、回弹测试以及抗压强度试验。

根据现行规范《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》(CECS 02：2005)[10]，混凝土抗压强度为

F=0.016 2R1.410V1.439，

(1)

式中：V为混凝土声速值；R为回弹值。

由式(1)得到基于现行规范下的高寒减水混凝土预测强度Ff，并与试验所测得混凝土强度值进行比较，结果见表2。

表2 高寒减水混凝土标准试件预测强度

由表2可见，根据现行规范得到的高寒混凝土预测强度整体大于实测强度，其相对误差平均值达35.3%。可见现行规范提供的混凝土强度预测模型不能准确的预测高寒地区混凝土的强度，需研究针对性更强，准确度更高的预测模型。

根据《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T 23-2011)推荐的幂函数关系式[11]，利用SPSS软件对试验测得的混凝土回弹值R、纵波波速值V与混凝土的单轴抗压强度值F进行回归分析，拟合出适用于高海拔寒冷地区混凝土强度预测R-V-F函数，并分别计算相关系数和标准差，结果见表3。

表3 高寒减水混凝土拟合函数

将表2中试验测得的纵波波速、回弹值代入高寒减水混凝土强度预测模型中，得到试件的预测强度和相对误差值，结果见表2。由表2可知，文中高寒混凝土强度预测模型的相对误差平均值仅为3.42%，远小于现行规范得到的预测强度相对误差平均值。综合对比相关系数、标准差和相对误差平均值，可得本文提出的预测模型更适用于高海拔寒冷地区混凝土强度的预测。

2.2 抗冻耐久性检测标准的确定

采用高寒减水混凝土配合比，制作强度等级为C50、边长为100 mm×100 mm×400 mm的长方体试件。本文设计试件冻融次数为200次，根据冻融次数制备高寒减水混凝土试件27块，试件拆模后将其进行编号，J表示高寒减水混凝土试件，D表示冻融试验，JD-1～JD-3表示冻融25次时的高寒减水混凝土试件，JD-4～JD-6表示冻融50次时的高寒减水混凝土试件，以此类推，JD-25～JD-27表示冻融200次时的高寒减水混凝土试件。

将混凝土放入标养室进行标准养护，养护条件如下：温度为20 ℃，湿度为90%，养护时间为28 d。脱模后取出3块试件分别进行质量、声波波速、动弹性模量、回弹值以及抗折破坏强度测试，其余试块均放入冻融循环机中进行冻融循环，冻融条件为每4 h循环一次，冻融温度范围为-20～+20 ℃，每经过25次循环，取出3块试件进行质量、声波波速、回弹值以及抗折破坏强度试验。以此类推，当混凝土质量损失率达到5%，或试件相对动弹性模量下降至60%时，试件达到混凝土冻融破坏条件，停止试验。

根据试件试验数据绘制高寒减水混凝土质量、声波波速和回弹值的冻融循环次数趋势图，如图1～图3所示。抗折强度随冻融次数增加的变化趋势如图4所示。由图1～图4可得，JD-14、JD-15试件质量随着冻融循环次数的增加呈现出递减变化，根据质量损失率公式可得到高寒减水混凝土在冻融循环125次时的质量损失率均大于5%，达到冻融循环试验标准要求的停止条件，因此高寒减水混凝土经过125次冻融循环后试验终止。声波波速随着冻融循环次数的增加呈下降趋势，但下降呈现出阶梯状，在冻融循环次数达到特定值时声波波速出现大幅度骤减，根据声波波速检测原理可知，波速大小与混凝土试件内部材料的密实程度有关，由于混凝土在冻融循环过程中其内部产生较大裂隙，导致声波波速出现骤减。回弹值和抗折强度随着冻融次数的增加呈现下降趋势，其中抗折强度的下降趋势较为平缓，由抗折强度下降速度可以观察出高寒减水混凝土的抗折强度衰减较为缓慢，说明加入减水剂可以相对提高混凝土的抗折强度。

图1 质量-冻融循环次数变化趋势

图2 声波波速-冻融循环次数变化趋势

图3 回弹值-冻融循环次数变化趋势

图4 抗折强度-冻融循环次数变化趋势

基于声波-回弹综合法以及现有的混凝土抗冻耐久性标准[12]，根据试验数据，对现有标准进行优化，建立高寒减水混凝土抗冻耐久性无损检测标准，采用试验得到的混凝土试件的0次冻融时声波波速以及回弹值作为评判标准，并同时满足强度要求，对无损检测标准进行修改。具体标准如下：① 高寒减水混凝土声波波速应不小于5.1 km·s-1；② 回弹值不小于42；③ 高寒减水混凝土的预测强度不小于50.0 MPa。

2.3 抗冻耐久性无损检测方法

在高寒地区施工中，受特殊气候环境的影响对混凝土性能提出了更高的要求，需要其满足强度的同时具备足够抗冻耐久性。根据上述试验检测结果，并结合高寒地区混凝土力学性能及抗冻耐久性试验方法，制定出一套系统的高寒地区混凝土箱梁抗冻耐久性无损检测方案，具体操作如下：① 在待测箱梁两侧均匀选取10个测区，每侧5个并在每一个测区画出4×4个测点；② 在每一测区的16个测点，共进行16次回弹测试，将所测回弹值去掉3个最大值与3个最小值后取平均值，作为该区的回弹值；③ 在每一测区采用平测法测试箱梁声波波速3次，对所测波速取平均值作为该测区的声波波速值；④ 将每一测区的声波波速和回弹值代入优化强度预测模型中计算出该测区的强度预测值，不同测区的声波波速和回弹值不得混用；⑤ 待测箱梁中有不少于7个测区的声波波速不小于5.1 km·s-1和回弹值不小于42；待测箱梁中有不少于9个测区的强度值满足预测强度不小于50.0 MPa的要求，即认为该箱梁抗冻耐久性满足要求。

3 现场测试及分析

甘南高原的夏河地区属间歇性隆升的山地，地势西南高、北东低，海拔2 500～3 600 m之间，切割深度100～700 m之间。本高速公路最高点位于桑科镇，海拔3 050 m，最低点位于起点王格尔塘，海拔2 521 m，高差521 m。该地区在全国公路自然分区中属青藏高寒区(VII3)，年平均气温3.0 ℃，冬季漫长寒冷。本项目依托S38线王格尔塘至夏河(桑科)高速公路WXSG-2标段，起讫桩号K4+652/ZK4+648～K9+468/ZK9+438，线路全长4.816 km。沿线共设置特大桥1座、大桥4座、预制箱梁804片。

为了验证高寒地区箱梁无损检测标准的可行性以及高寒减水混凝土在高寒地区的实用性，本工程使用高寒减水混凝土，并使用文中所提出的高寒地区混凝土箱梁抗冻耐久性无损检测标准，检测箱梁的抗冻耐久性。按照无损检测操作方法对箱梁进行声波-回弹无损检测，判断箱梁声波波速平均值、回弹值平均值及预测强度平均值是否满足标准，箱梁检测结果见表4。

表4 箱梁检测结果

表4中各项数据均符合文中提出的高寒混凝土箱梁抗冻耐久性无损检测标准要求，同时箱梁养护28 d后的实际强度与优化幂函数预测值相差较小，因此本文所提出的高寒减水混凝土箱梁无损检测标准可以推广使用。

4 结 论

针对高海拔寒冷地区特殊的气候环境条件，通过引入外加剂的方法配制了适用于高海拔寒冷地区的高寒减水混凝土。通过测试高寒减水混凝土的回弹值、声波波速以及抗压强度，建立高寒减水混凝土强度预测模型。对高寒减水混凝土试件进行冻融试验，通过冻融循环过程中定期检测试件的声波波速、回弹值和抗折强度，分析了高寒减水混凝土的抗冻耐久性，提出高寒减水混凝土抗冻耐久性无损检测标准。并以甘肃省王格尔塘至夏河(桑科)高速公路WXSG-2标段为依托验证了检测标准的可行性。