活性粉末混凝土盖板抗弯承载力与无损检测参数的相关性试验

作者简介:

聂良鹏（1991-）,男,高级工程师,主要从事公路试验检测和加固设计,673546049@qq.com

公路、桥梁、隧道等两侧的人行道盖板通常采用钢筋混凝土盖板。钢筋混凝土盖板虽然承载力较强,但也存在自重大、安装难度大、边角易掉角等问题。为了解决钢筋混凝土盖板的上述问题,亟需引入新材料和新工艺。20世纪末法国BOUYGUES公司研发出了活性粉末混凝土（Reactive powder concrete, RPC）,由于RPC具有超高强、低脆性、耐久性优异等优点,从而被广泛应用于工程中[1]。近年来国内也有许多学者对RPC进行了试验研究,朱博等[2]研究发现使用高强陶砂替代石英砂可以改善RPC的流动性能。李坤坤等[3]研究发现单向分布钢纤维能一定程度提升RPC弯曲性能。杨立云等[4]研究了玄武岩纤维对RPC受压破坏的影响,结果表明玄武岩体积分数为0.5 %与1.0 %时RPC破坏模式为拉剪破坏,玄武岩体积分数为1.5 %时RPC破坏模式为剪切破坏。

RPC盖板的力学性能直接影响工程质量与安全,因此需对现场使用的RPC盖板进行质量检测及力学性能试验。但在实际RPC盖板检测时,主要由施工单位送样至室内实验室,实验室通过“破检”的方式对其力学性能进行检测,盖板检测完成后不能继续使用,造成浪费；且送检的样品数量太少,不能真实反映现场RPC盖板的质量情况。因此RPC盖板的现场无损检测研究尤为重要。目前应用最为广泛的无损检测方法为超声法与回弹法。国内外众多学者对这两种方法都进行了系统研究,刘岩[5]采用2.207 J与4.5 J两种回弹仪对混凝土试件进行大量测试,建立了C20~C70,C80~C100混凝土组合回弹值与抗压强度的关系式。周茗如等[6]、刘利先等[7]、沈金生等[8]通过大量试验分别建立了适用于兰州、昆明、邯郸的回弹法地方测强曲线。李卫文等[9]研究了高温对玄武岩RPC超声波波速的影响,发现RPC超声波波速与受火温度呈反比。还有学者通过超声波波速预测了混凝土弹性模量[10-11]。

综上所述,超声波波速与回弹值不仅可以预测混凝土强度,还可以预测混凝土弹性模量,目前针对RPC盖板无损检测方法的研究较少,建立超声波波速、回弹值与RPC盖板强度的关系具有重要意义。鉴于此,收集27块RPC盖板并对其名义开裂强度、名义破坏强度、剪压值与无损检测参数（表面硬度、超声波波速、回弹值）进行测试。根据试验结果拟合各无损检测参数与名义开裂强度、名义破坏强度之间的关系,探究不同方法预测RPC盖板强度的可行性。

1. 试验方法及步骤

1.1 试验原材料

RPC盖板采用德国佑琳生有限责任公司生产的RPC-130纤维增强活性粉末混凝土隧道桥梁电缆槽盖板,钢纤维含量为4%（按质量计）,材料性能要求如表1所示。盖板尺寸（长×宽×厚）为730 mm×490 mm×25 mm,数量为27块,编号为1#~27#。

1.2 试验方法

1.2.1 表面硬度法

采用北京时代仪器有限公司生产的TH110里氏硬度计,其实物如图1所示。模式选择为灰铸铁,在每块盖板跨中附近的盖板顶面,均匀测试16个点的里氏硬度,去掉3个最大值和3个最小值之后取平均值,作为该盖板的表面硬度值。测试时,注意盖板需安放密实牢固,不得晃动。

1.2.2 回弹法

分别采用ZC-3-A型混凝土回弹仪（冲击动能为2.207 J）、ZC-4型测砖回弹仪（冲击动能为0.735 J）和ZC-5型砂浆回弹仪（冲击动能为0.196 J）3种回弹仪,其实物如图2所示。在每块盖板表面各布置1个测区,测区尺寸（长×宽）为200 mm×200 mm,每个测区测试16个回弹值,去掉3个最大值和3个最小值之后取平均值,作为该盖板的表面回弹值。

1.2.3 超声波法

超声波设备采用智博联ZBL U5200型非金属超声波检测仪及250K-P40F非金属探头,其实物如图3所示。利用对测法测试RPC盖板的超声波速,采样间隔时间为0.1μs,采样长度为4 096μs。每块盖板在跨中附近均匀设置3个测点,取3个测试值的平均值作为该盖板中的超声波波速。

1.2.4 剪压法

采用定制的RPC盖板剪压仪,其实物如图4所示,测试盖板边缘剪压破坏时的荷载值,每块盖板沿边缘设置4个测点,取4个测值的平均值作为该盖板的剪压值。

1.2.5 RPC盖板抗弯加载方法

根据Q/CR2.1—2014 《铁路电缆槽盖板和人行道步板 第1部分：活性粉末混凝土型》 的试验方法,采用自制压力试验仪器进行试验加载。盖板支承方式为简支,采用液压千斤顶由下向上进行单点集中加载,加载点设置在盖板中央,千斤顶垫板采用尺寸（长×宽×厚,下同）为60 mm×60 mm×20 mm的钢板；支座采用尺寸为490 mm×50 mm×5 mm的橡胶条,加载设备实物如图5所示。

测量得到RPC盖板的开裂荷载和破坏荷载,换算后可得到盖板的名义开裂强度和名义破坏强度,换算公式为

式中：σ为名义开裂强度或名义破坏强度；P为开裂荷载或破坏荷载；L为计算跨径；h为盖板厚度；b为盖板跨中截面宽度；a为千斤顶压头沿板长方向的长度,取60 mm。

2. 试验结果及分析

2.1 检测方法可行性分析

27块盖板的表面硬度、回弹值、超声波速和剪压破坏值（剪压值）,以及实测得到的名义开裂强度（开裂强度）和名义破坏强度（破坏强度）如表2所示。

根据表2中数据绘制RPC盖板的无损检测参数与开裂强度的关系曲线,如图6所示。图6(a)显示了RPC盖板开裂强度随表面硬度的变化规律,可见,随着盖板表面硬度的增加,开裂强度也有增加的趋势。表面硬度在一定程度上可以反映开裂强度,但经线性拟合以后发现表面硬度与开裂强度相关系数仅为0.09,说明RPC盖板表面硬度并不能有效表征并预测其开裂强度。图6（b）显示了RPC盖板3种回弹值随开裂强度的变化规律,可以看出,相同条件下不同型号回弹仪测出的回弹值不同。其中ZC-3型混凝土回弹仪测出的回弹值最小,为20~30;其次是ZC-4型测砖回弹仪测出的回弹值,为20~40；ZC-5型砂浆回弹仪测出的回弹值最大,为30~50。随着RPC盖板开裂强度的增大,ZC-4型与ZC-5型测出的回弹值有增大的趋势,但随着开裂强度的增加这两种回弹值分布较为离散,ZC-3的回弹值几乎没有变化。ZC-3、ZC-4、ZC-5型回弹仪所测的回弹值与开裂强度的相关系数依次为0.12,0.26,0.33。在工程中回弹值常用来反映构件的强度,回弹值越大强度越大,文章试验中3种回弹值与开裂强度线性相关性较低,因此不推荐使用回弹值预测RPC盖板开裂强度。图6（c）显示了RPC盖板开裂强度与超声波波速的关系,可以看出,随着开裂强度的变化,超声波波速分布非常离散,超声波波速与开裂强度的线性相关性较低,相关系数仅为0.29。因此超声波波速无法有效预测RPC盖板开裂强度。图6（d）显示了RPC盖板开裂强度与剪压值的关系,可见,随着剪压值的提高,抗裂强度有上升的趋势,但数据分布离散性较大,两者的线性相关性太差,相关系数仅为0.24。因此,RPC盖板剪压值不能用来表征其开裂强度。

综上所述,表面硬度法、回弹法、超声波法、剪压值均无法有效预测RPC盖板开裂强度。RPC盖板开裂强度受配合比、盖板强度、钢纤维分布等因素的影响,对于钢纤维掺量较高的RPC盖板开裂与破坏之间会存在较大的差异,对于钢纤维掺量较低的RPC盖板开裂后很快就会破坏,导致盖板开裂强度难以预测。

根据表2数据绘制表面RPC盖板的无损检测参数与破坏强度的关系曲线,如图7所示。

图7（a）显示了RPC盖板破坏强度随表面硬度变化规律,可见,随着表面硬度的增加,RPC盖板破坏强度有明显上升的趋势,线性拟合两者的关系发现其相关系数为0.61,说明表面硬度在一定程度上可以反映及预测RPC盖板的破坏强度,但若在实际检测工程中用表面硬度来表征RPC盖板的破坏强度显然还存在一定的误差,因此并不推荐此方法。由图7（b）可以看出,ZC-3型回弹仪测得的回弹值与破坏强度相关性最低,相关系数仅为0.16；ZC-4型回弹仪所测回弹值与破坏强度相关性较好,相关系数为0.69；ZC-5型回弹仪所测回弹值与破坏强度相关性最好,相关系数为0.82。结合图7（c）与图7（d）发现,RPC盖板超声波波速、剪压值均与破坏强度有着较好的正相关性,相关系数分别为0.78,0.72,即随着RPC盖板超声波波速与剪压值的增大,其破坏强度也会增加。

综上所述,回弹法中测砖回弹仪回弹值与砂浆回弹仪回弹值、超声波波速、剪压值均可以有效预测RPC盖板破坏强度,且这些参数均与破坏强度呈线性相关。但剪压法不属于无损检测的范畴,因此实际检测工程中不推荐使用此方法。相比于超声波波速,砂浆回弹值与RPC盖板破坏强度的相关性更强,相关系数最高,为0.82。因此,使用砂浆型回弹仪检测实际工程中的RPC盖板破坏强度可行性最大。

2.2 回弹法适用性分析

RPC盖板破坏强度与砂浆型回弹仪测得RPC盖板表面回弹值的线性关系式为

式中：x为RPC盖板破坏强度；y为RPC盖板回弹值。

式（2）是基于27块盖板的试验数据得到的。试验样本较少,因此公式不具有普适性,仅代表回弹值与破坏强度具有较高的相关性。若要用于实际检测工程,则可能会出现一定的误差。鉴于此,收集112块实际工程所用的RPC盖板,测试其破坏强度,并采用砂浆型回弹仪测其表面回弹值,再对其盖板破坏强度与回弹值进行线性拟合,结果如图8所示。

由图8可以看出,RPC盖板表面回弹值与其破坏强度之间有较高的线性相关性,相关系数为0.83。回弹值与破坏强度的关系式为

式中：x为RPC盖板表面回弹值；y为RPC盖板破坏强度。

3. 无损检测证书挂靠网结论

（1）表面硬度法、回弹法、超声波法、剪压值均无法有效表征RPC盖板的开裂强度,且与盖板开裂强度线性相关性较低。

（2）表面硬度法、回弹法、超声波法、剪压值与RPC盖板破坏强度线性相关性较好。PRC盖板表面硬度值与破坏强度相关系数为0.61；表面回弹值与破坏强度相关系数分别为0.16,0.69,0.82；超声波波速与破坏强度相关系数为0.78；剪压值与破坏强度的相关系数为0.72。其中砂浆回弹仪所测回弹值与RPC盖板破坏强度线性相关系数最高,为0.82。回弹法预测RPC盖板破坏强度可行性较高。

（3）推荐使用砂浆回弹仪测试RPC盖板表面回弹值来预测其破坏强度。线性拟合112块实际工程所用RPC盖板回弹值与破坏强度,得到回弹法预测RPC盖板破坏强度经验公式为y=0.544x-9.867,其相关系数为0.83。

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