CN109142050A - 一种隧道火灾后二次衬砌混凝土抗压强度曲线建立方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隧道火灾后二次衬砌混凝土抗压强度曲线建立方法，该方法通过试块制作、试块养护、高温试验、超声试验、回弹试验、压力试验和试验数据整理分析得出剩余抗压强度计算公式并建立起火灾后二次衬砌混凝土抗压强度曲线。实际检测时，隧道内部只有一个面可供检测，平测法相较于对测法更适合单面检测，但测强公式使用的是对测声速，需对实际平测声速进行修正后使用，对测声速与平测声速具有良好的线性关系，将实测的平测声速修正后带入测强公式即可确定混凝土剩余抗压强度。同时平测法也能够减小对测法收发探头对中不准造成的误差。本发明对隧道火灾事故后，衬砌结构损伤程度快速检测、损伤等级合理判断具有很重要的现实意义。

Description

一种隧道火灾后二次衬砌混凝土抗压强度曲线建立方法
技术领域
本发明属于混凝土技术领域，尤其涉及一种隧道火灾后二次衬砌混凝土抗压强度曲线建立方法。
背景技术
超声回弹综合法是对工业与民用建筑和一般构筑物的普通混凝土抗压强度进行评定的方法。这种方法已在我国混凝土工程中广泛应用，并且制定了相应的国家技术规程，建立了专用的测强曲线和计算公式，但是在规程中明确规定了这种混凝土强度判定方法不适用于火灾后混凝土抗压强度的判定。
因为遭受火灾的混凝土表面的硬度能够反映出其遭受火灾损伤的程度；通过混凝土内部的超声波波速也会随之产生规律性的变化，所以超声回弹综合法对判定火灾后混凝土抗压强度是适用的，如果在判定火灾后混凝土抗压强度时采用这种方法，必须建立适合于火灾的专用测强曲线。测强曲线的建立对隧道火灾事故后，衬砌结构损伤程度的快速检测、损伤等级的合理判断以及相应加固补强措施的提出具有十分重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种隧道火灾后二次衬砌混凝土抗压强度曲线建立的方法，提高隧道使用的安全性和使用寿命。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明通过试块制作、试块养护、高温试验、超声试验、回弹试验、压力试验和试验数据整理分析得出剩余抗压强度计算公式并建立起火灾后二次衬砌混凝土抗压强度曲线，具体方案如下：
第一步、试块制作：按当地隧道实际使用情况来设计符合二次衬砌混凝土强度等级的试块，包括标准试块和非标准试块；
第二步、试块养护：采用塑料布覆盖需养护的混凝土试块，确保混凝土试块处于湿润状态，养护期限至少28天；
第三步、高温试验：为了模拟火灾发生的升温过程，将养护后的试块以不同温度等级进行分组加热，同时，参照同类材料在其它建筑结构所规定的耐火极限时间并考虑实际隧道火灾持续时间，将同一温度等级的恒温时间定为2小时、4小时；当温度小于300℃时混凝土强度几乎没有损失，从400℃开始，混凝土强度会随温度升高而下降，并且大量隧道火灾事故中，最高温度达到1000℃以上；因此选定试验加热温度范围为200℃-1000℃，并以100℃作为温度差进行分组；分组完成后，在不同温度等级下以不同恒温时间对试块进行加热(可放入高温炉中加热)，每个试块加热结束取出后，在自然条件下冷却至室温并静置24小时；
第四步、超声试验：超声检测前要保证高温试验后的试块测试面平整干净，并且在对应的测点上均匀涂抹耦合剂；本实验包括三部分，一是对非标准试块使用平测法和对测法测超声波速；二是对标准试块使用对测法测超声波速；三是利用非标准试块的平测声速vp和对测声速vd确定二者的修正系数λ＝vd/vp；
第五步、回弹试验：对标准试块的回弹值进行测量，回弹试验的测试面与超声对测法测试面相同，测试前应先将标准试块表面的耦合剂清理干净，并分别在两个测试面上均匀布置8个测点，然后将试块放置在压力试验机上下承压板之间进行预压，450℃以下加压25kN，450℃以上加压15kN；使用回弹仪在试块的两个测试面上各测取8个回弹值，剔除3个最大值和3个最小值，取剩余10个回弹值的平均值，即为该标准试块的回弹值r；
第六步、剩余抗压强度试验：回弹试验结束后，在压力试验机上继续连续均匀施加载荷直至试块达到最大破坏载荷，计算实际剩余抗压强度值f0；
第七步、建立抗压强度曲线：将标准试块测得的对测声速值v、回弹值r、实际剩余抗压强度值f0进行数据分析，利用最小二乘法以进行回归分析，其中为理论剩余抗压强度值，得到拟合系数a、b、c，根据拟合系数建立隧道火灾后二次衬砌混凝土抗压强度曲线。
进一步地，所述第一步中，以普通硅酸盐水泥、粗骨料(碎石/卵石)、细骨料、自来水为原材料制作试块。
进一步地，所述第二步中，养护试块的具体方式为：
试块浇筑后16小时，在20±2℃温度下脱模、拆模后，采用塑料布覆盖需养护试块，均匀喷洒水雾到试块表面且不得出现漏喷，养护用水应与拌合用水相同，水温为室温，喷洒间隔为3小时且不得出现中断，确保混凝土试块处于湿润状态，养护期限至少28天。
进一步地，所述第四步中，对每一温度等级的非标准试块进行平测和对测，具体为：首先进行平测，在试块的长侧面上布置超声平测点，测距l为25-50mm，测点数为10个，将超声波发射探头固定在一端端点，超声波接收探头按测点顺序依次移动，逐点读出对应的声时值t并记录，再利用“时-距”法求出回归曲线l＝a+bt，其中b即为该非标准试块的超声平测声速；然后进行对测，选取试块浇筑面的侧面为测试面，在两个测试面上分别画出3个位置对应的测点，然后将涂有耦合剂的超声波发射、接收探头放在对应测点位置并始终保持两个探头的轴线在同一直线上，逐点读出首波声时ti并记录，测距为两探头间的直线距离li，然后计算3个测点的对测声速值vi＝li/ti(i＝1,2,3)，取平均值为该非标准试块的超声对测声速；
每一温度等级的标准试块进行对测，其实现方法与测非标准试块的对测声速相同。
进一步地，标准试块和非标准试块必须要求同一配合比、同一强度、同一批次、同一龄期、相同的养护环境及时间。
进一步地，测强曲线中的声速必须为对测声速，不能将平测声速值代入测强公式中进行强度计算。
进一步地，使用平测法和对测法对不同温度等级的非标准试块检测之后，得到对应的平测声速与对测声速，利用线性回归确定平测声速和对测声速之间的修正系数。
进一步地，在实际火灾后隧道混凝土强度检测过程中，要将测得的平测声速利用修正系数进行修正后再代入测强公式来确定实际强度值。
本发明的有益效果是：本发明通过试块制作、试块养护、高温试验、超声试验、回弹试验、压力试验和试验数据整理分析得出剩余抗压强度计算公式并建立起火灾后二次衬砌混凝土抗压强度曲线，能够有效的确定火灾后二次衬砌混凝土抗压强度。同时平测法更适用于隧道衬砌结构的检测，能够减小对测法收发探头对中不准造成的误差。对隧道火灾事故后，衬砌结构损伤程度的快速检测、损伤等级的合理判断以及相应加固补强措施的提出具有十分重要的现实意义。
附图说明
图1是本发明隧道火灾后二次衬砌混凝土抗压强度曲线建立方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图、实施实例以及具体实验数据对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明通过试块制作、试块养护、高温试验、超声试验、回弹试验、压力试验和试验数据的整理分析建立起火灾后二次衬砌混凝土抗压强度曲线。具体步骤如下：
第一步、试块制作：以32.5强度等级的普通硅酸盐水泥、平均粒径在30mm的碎石粗骨料、黄砂(粗砂)细骨料、自来水为原材料，按1：0.45：1.36：3.03的配合比设计符合隧道二次衬砌混凝土强度等级的c30试块。同一温度等级包括6个150mm*150mm*150mm的标准试块和2个100mm*300mm*300mm的非标准试块，其中恒温2小时包括3个标准试块和1个非标准试块，恒温4小时包括剩余3个标准试块和1个非标准试块。
第二步、试块养护：浇筑后16小时，在20±2℃温度下脱模，拆模后，及时进行养护操作，采用塑料布覆盖需养护试块，其敞露的全部表面应覆盖严密且塑料布内应由结晶水。具体方式为：均匀喷洒水雾到试块表面且不得出现漏喷，养护用水应与拌合用水相同，水温应与环境温度基本相同，喷洒间隔为3小时且不得出现中断，确保混凝土试块处于湿润状态，养护期限为28天。
第三步、高温试验：试块养护完成后，进行高温试验。为了模拟火灾发生的升温过程，将试块以不同温度等级进行分组加热，同时，参照同类材料在其它建筑结构所规定的耐火极限时间并考虑实际隧道火灾持续时间，将同一温度等级的恒温时间定为2小时、4小时。当温度小于300℃是混凝土强度几乎没有损失，从400℃开始，混凝土强度会随温度升高而下降，并且大量隧道火灾事故中，最高温度达到1000℃以上。因此选定试验加热温度范围为200℃-1000℃，并以100℃作为温度差进行分组。分组完成后，在不同温度等级下以不同恒温时间将试块放入高温炉中进行加热，每个试块加热结束取出后，在自然条件下冷却至室温并静置24小时。
第四步、超声试验：试块冷却静置结束后，进行超声试验。超声检测前要保证测试面平整干净，并且在对应的测点上均匀涂抹耦合剂，可采用凡士林。本实验包括三部分，一是对非标准试块使用平测法和对测法测超声波速；二是对标准试块使用对测法测超声波速；三是利用非标准试块的平测声速和对测声速确定二者的修正系数。具体如下：第一，对每一温度等级的非标准试块进行平测和对测。首先进行平测，在试块的长侧面上布置超声平测点，测距l为25-50mm，测点数为10个，将超声波发射探头固定在一端端点，超声波接收探头按测点顺序依次移动，逐点读出对应的声时值t并记录，再利用“时-距”法求出回归曲线l＝a+bt，其中b即为该非标准试块的超声平测声速。然后进行对测，选取试块浇筑面的侧面为测试面，在两个测试面上分别画出3个位置对应的测点，然后将涂有耦合剂的超声波发射、接收探头放在对应测点位置并始终保持两个探头的轴线在同一直线上，逐点读出首波声时ti并记录，测距为两探头间的直线距离li，然后计算3个测点的对测声速值vi＝li/ti(i＝1,2,3)，取平均值为该非标准试块的超声对测声速。第二，对每一温度等级的标准试块进行对测。操作步骤、方法与测非标准试块的对测声速相同。选取试块浇筑面的侧面为测试面，在两个测试面上分别画出3个位置对应的测点，然后将涂有耦合剂的超声波发射、接收探头放在对应测点位置并始终保持两个探头的轴线在同一直线上，逐点读出首波声时ti并记录，测距为两探头间的直线距离li，然后计算3个测点的对测声速值vi＝li/ti(i＝1,2,3)，取平均值为该试块的超声对测声速v。第三，对测声速与平测声速间修正系数的确定。对不同温度等级的非标准试块进行平测和对测之后，分别得到对应的平测声速vp与对测声速vd，然后对所有温度等级的非标准混凝土试块的声速数据进行统计分析，求得修正系数λ＝vd/vp，对平测声速进行修正。恒温2小时标准试块对测声速平均值结果如表1所示。
表1恒温2小时高温后标准试块对测声速平均值(km/s)结果表
第五步、回弹试验：回弹值测定使用的是标准试块且测试面与超声对测法测试面相同，测试前应先将标准试块表面的耦合剂清理干净，并分别在两个测试面上均匀布置8个测点，然后将试块放置在压力试验机上下承压板之间进行预压，450℃以下加压25kN，45 0℃以上加压15kN。使用回弹仪在试块的两个测试面上各测取8个回弹值，剔除3个最大值和3个最小值，取剩余10个回弹值的平均值，即为该标准试块的回弹值r。恒温2小时标准试块平均回弹值结果如表2所示。
表2恒温2小时高温后标准试块平均回弹值结果表
第六步、剩余抗压强度试验：回弹试验结束后，在压力试验机上继续连续均匀施加载荷直至试块达到最大破坏载荷，然后计算实际剩余抗压强度值f0。恒温2小时标准试块实际剩余抗压强度值(MPa)结果如表3所示。
表3恒温2小时标准试块实际剩余抗压强度值(MPa)结果表
第七步、建立抗压强度曲线：将标准试块测得的对测声速值v、回弹值r、实际剩余抗压强度值f0进行数据分析，利用最小二乘法以进行回归分析，其中为理论剩余抗压强度值，得到拟合系数a、b、c，根据拟合系数建立隧道火灾后二次衬砌混凝土抗压强度曲线。
通过数据整理分析得到回归方程为
进一步，通过回归方程计算出试验试块的理论剩余抗压强度值(MPa)结果如表4所示。
表4恒温2小时标准试块理论剩余抗压强度值(MPa)结果表
进一步，为了说明回归方程的可靠性，按如下公式进行回归误差估计。
回归方程(1)的理论剩余抗压强度平均相对误差(％)δ按公式(2)估计
回归方程(1)的理论剩余抗压强度相对标准差(％)σ按公式(3)估计
其中，n为试块数量，fo,i为由第i个标准试块试件的实际剩余抗压强度值(MPa)，精确至0.1MPa；为由第i个标准试块对测声速平均值和平均回弹值，按回归方程(1)算得的理论剩余抗压强度值(MPa)，精确至0.1MPa。
通过回归误差估计得出，回归方程(1)的理论剩余抗压强度平均相对误差为7.6％，理论剩余抗压强度相对标准差为9.3％，平均相对误差和相对标准差都在10％以内，说明回归方程(1)误差较小、可靠性较好、工程精度较高，具有一定的工程实际意义。
进一步，上述表1、表2、表3中的数据编号1、2、3指以每一温度等级中三个同等条件的试块进行试验后的编号，回弹值、声速值、剩余抗压强度值均一一对应。
进一步，在火灾后混凝土强度超声检测过程中受外界环境的限制，通常探头有两种布置方式：对测或平测。对测的方式是规范和试验普遍采用的方式，测距明确、精度好；但是实际隧道衬砌结构混凝土只有一个可测面。平测法相较于对测法更适合单面检测，测强公式使用的是对测声速，但由于平测法不能准确确定超声检测路径的实际距离，使得平测法与对测法的声速值有偏差，因此不能简单将平测法所测声速值代入地区测强公式，而是需要对平测法实测值进行修正后才能进行实际应用。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种隧道火灾后二次衬砌混凝土抗压强度曲线建立方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
第一步、试块制作：按当地隧道实际使用情况来设计符合二次衬砌混凝土强度等级的试块，包括标准试块和非标准试块；
第二步、试块养护：采用塑料布覆盖需养护的混凝土试块，确保混凝土试块处于湿润状态，养护期限至少28天；
第三步、高温试验：为了模拟火灾发生的升温过程，将养护后的试块以不同温度等级进行分组加热，将同一温度等级的恒温时间定为2小时、4小时；选定试验加热温度范围为200℃-1000℃，并以100℃作为温度差进行分组；分组完成后，在不同温度等级下以不同恒温时间对试块进行加热，每个试块加热结束取出后，在自然条件下冷却至室温；
第四步、超声试验：超声检测前要保证高温试验后的试块测试面平整干净，并且在对应的测点上均匀涂抹耦合剂；本实验包括三部分，一是对非标准试块使用平测法和对测法测超声波速；二是对标准试块使用对测法测超声波速；三是利用非标准试块的平测声速vp和对测声速vd确定二者的修正系数λ＝vd/vp；
第五步、回弹试验：对标准试块的回弹值进行测量，回弹试验的测试面与超声对测法测试面相同，测试前应先将标准试块表面的耦合剂清理干净，并分别在两个测试面上均匀布置8个测点，然后将试块放置在压力试验机上下承压板之间进行预压，450℃以下加压25kN，450℃以上加压15kN；使用回弹仪在试块的两个测试面上各测取8个回弹值，剔除3个最大值和3个最小值，取剩余10个回弹值的平均值，即为该标准试块的回弹值r；
第六步、剩余抗压强度试验：回弹试验结束后，在压力试验机上继续连续均匀施加载荷直至试块达到最大破坏载荷，计算实际剩余抗压强度值f0；
第七步、建立抗压强度曲线：将标准试块测得的对测声速值v、回弹值r、实际剩余抗压强度值f0进行数据分析，利用最小二乘法以进行回归分析，其中为理论剩余抗压强度值，得到拟合系数a、b、c，根据拟合系数建立隧道火灾后二次衬砌混凝土抗压强度曲线。
2.根据权利要求1所述的一种隧道火灾后二次衬砌混凝土抗压强度曲线建立方法，其特征在于，所述第一步中，以普通硅酸盐水泥、粗骨料、细骨料、自来水为原材料制作试块。
3.根据权利要求1所述的一种隧道火灾后二次衬砌混凝土抗压强度曲线建立方法，其特征在于，所述第二步中，养护试块的具体方式为：
试块浇筑后16小时，在20±2℃温度下脱模、拆模后，采用塑料布覆盖需养护试块，均匀喷洒水雾到试块表面且不得出现漏喷，养护用水应与拌合用水相同，水温为室温，喷洒间隔为3小时且不得出现中断，确保混凝土试块处于湿润状态，养护期限至少28天。
4.根据权利要求1所述的一种隧道火灾后二次衬砌混凝土抗压强度曲线建立方法，其特征在于，所述第四步中，对每一温度等级的非标准试块进行平测和对测，具体为：首先进行平测，在试块的长侧面上布置超声平测点，测距l为25-50mm，测点数为10个，将超声波发射探头固定在一端端点，超声波接收探头按测点顺序依次移动，逐点读出对应的声时值t并记录，再利用“时-距”法求出回归曲线l＝a+bt，其中b即为该非标准试块的超声平测声速；然后进行对测，选取试块浇筑面的侧面为测试面，在两个测试面上分别画出3个位置对应的测点，然后将涂有耦合剂的超声波发射、接收探头放在对应测点位置并始终保持两个探头的轴线在同一直线上，逐点读出首波声时ti并记录，测距为两探头间的直线距离li，然后计算3个测点的对测声速值vi＝li/ti(i＝1,2,3)，取平均值为该非标准试块的超声对测声速；
每一温度等级的标准试块进行对测，其实现方法与测非标准试块的对测声速相同。
5.根据权利要求1所述的一种隧道火灾后二次衬砌混凝土抗压强度曲线建立方法，其特征在于，标准试块和非标准试块必须要求同一配合比、同一强度、同一批次、同一龄期、相同的养护环境及时间。
6.根据权利要求1所述的一种隧道火灾后二次衬砌混凝土抗压强度曲线建立的方法，其特征在于，使用平测法和对测法对不同温度等级的非标准试块检测之后，得到对应的平测声速与对测声速，利用线性回归确定平测声速和对测声速之间的修正系数。
7.根据权利要求1所述的一种隧道火灾后二次衬砌混凝土抗压强度曲线建立的方法，其特征在于，在实际火灾后隧道混凝土强度检测过程中，要将测得的平测声速利用修正系数进行修正后再代入测强公式来确定实际强度值。
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