建设工程高强混凝土强度无损检测技术的试验研究

2014-03-31张荣成国天逵

江西建材 2014年12期

张荣成国天逵

以常规水泥、砂石为原材料并采用常规工艺配制生产的现代高强混凝土，是从70年代初开始在混凝土组分中引入高效减水剂之后发展起来的，以后又进一步引入细粉矿物参合料如硅粉、超细矿渣、优质粉煤灰等使其性能更趋完善，克服了以往的高强混凝土因拌料高度干硬而难以施工的缺点，在混凝土的工作度、强度与抗渗性等方面具有综合的优良性能，能够有效降低桥梁结构自重并提高结构刚度，也能够适应恶劣环境。

目前国际上，对在公路桥梁上使用的混凝土，按其强度有两种分法：一种是分为高强混凝土（以C50～C100）和普通混凝土（C15～C40）；另一种是分为超高强混凝土（C70～C100）、高强混凝土（C40～C60）、普通混凝土（C15～C30）。试验资料表明，抗压强度高于50MPa的混凝土在许多方面包括微观结构和混凝土性能方面均与普通混凝土有差异，因此在本试验研究中采用了第一种分法，这也是我国工程界习惯的分法，即高强混凝土指C50～C100的混凝土。

开展C60及以上混凝土在公路桥梁上的应用研究，对于缩短我国与世界同行的差距，对于提高桥梁的使用寿命，降低养护和维修成本，是非常必要的。

自从混凝土大量应用以来，为了进行施工质量控制，人们开发出许多种无损检测技术，目前我国无损检测混凝土强度方面的标准有：《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T 23-2011）、《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》（CECS 02:2005）等。但是，当前施工现场确认结构混凝土强度质量的无损检测技术只能适用于 50MPa以下强度的混凝土，而对于50MPa及其以上强度混凝土的强度检测方面则无能为力，或检测误差过大。因此，我们针对高强混凝土，在北京和山西进行了回弹法及超声回弹综合法检测强度的试验研究。

1 试验概况

1.1 试验装置

在超声波试验中，采用了非金属超声探测仪，对高强混凝土进行了超声波测试。在回弹试验之初曾采用标准回弹仪（2.207J）进行了回弹试验，结果发现回弹值与混凝土强度之间离散性很大。针对这种情况我们采用标称动能为4.5J的回弹仪—GHT450型回弹仪进行了高强混凝土测试强度试验。回弹仪器的构造如图1所示。

图1 GH T450型回弹仪的构造

1.2 试件

试件混凝土强度等级为C50、C60、C70、C80。试件尺寸为边长150mm的立方体标准试件。为模拟现场施工情况采用自然养护。

2 回弹法的基本原理及试验结果分析

回弹仪是用一弹簧驱动的重锤，通过弹击杆弹击混凝土表面，测出重锤被反弹回来的距离作为回弹值，并以回弹值作为与强度相关的指标，来推定混凝土强度的一种方法。这种方法之所以应用了几十年而未被其他方法取代，其主要原因是：仪器构造简单、方法易于掌握、检测效率高、成本低、影响因素较少。

回弹法测定混凝土强度的基本依据，是回弹值与混凝土抗压强度之间的相关性。其相关关系一般以经验公式或基准曲线的形式来确定。本次试验步骤如下。

在试件成型侧面各回弹16次→记录每一次回弹值→回弹试验结束后立即进行试件抗压试验并记录抗压试验结果→测量碳化深度。数据处理时，考虑到回弹测点刚好处于石子或气孔上的情况，将最大和最小的三个值剔除后，把余下的10个数据进行平均，作为该试件的回弹代表值。通过对666组（每1组为1个试件，每1组数据包括16个回弹值、1个抗压试验强度值、1个碳化深度值）共11988个数据处理，进行回归分析后得到如下曲线公式。

R —测区平均回弹值，精确至0.1；

曲线公式的相关系数r=0.91，相对标准差er=14%。测试数据分布情况与测强曲线如图2所示，图中纵坐标为试件抗压强度，单位为MPa，横坐标为试件回弹代表值R。试验时试件强度在5.8MPa～96.4MPa之间。

图2 回弹值与混凝土抗压强度之间的关系

试验中发现，高强混凝土在成型后，强度增长速度很快。在夏季（25℃～30℃）自然养护条件下，24h强度最高可达30.0MPa。10d左右即可达到强度设计值。为了了解在较大强度变化范围内的回弹值与强度之间的关系，在试件成型后24 h即开始（即脱模时）进行试验，考虑到尽量在试验中捕捉到较大强度范围的试验数据问题，试件中加入少量的C30、C40强度等级试块。试验中也发现高强混凝土抗碳化能力很强，保留1年的试件仍未被碳化。

实际结构混凝土检测步骤、数据处理办法及混凝土强度推定等，可按传统的回弹法进行。

3 超声回弹综合法基本原理和试验结果分析

对于混凝土强度这种多要素的综合指标来说，它与许多因素有关，比如材料本身的弹塑性、非均质性、混凝土内气孔含量和试验条件等等。所以人们从很早以前就采用多种检测手段结合的办法来综合判断混凝土强度，目的是为了减少单一指标判断混凝土强度的局限性。国内外对于综合法检测混凝土强度虽然有过许多提案，但是经过多年工程实践证明，当数超声－回弹综合法的应用最为成功。根据这种情况，并为了弥补我国《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》（CECS02:2005）不适用于高强混凝土测强的欠缺，也采用超声和回弹相结合的办法，对高强混凝土测强进行了试验研究。试验中回弹测试采用GHT450型的回弹仪，混凝土超声测试则采用了非金属超声仪。

非金属超声仪基本原理，是向待测的结构混凝土发射超声脉冲，使其穿过混凝土。然后接收穿过混凝土后的脉冲信号，仪器显示超声脉冲穿过混凝土所需的时间和接收信号的波形、波幅等等。根据超声脉冲穿越混凝土的时间（称为声时）和距离（称为声程），即可计算声速；根据波幅可求得超声脉冲在混凝土中的能量衰减；根据所显示的波形，经适当处理后可得到接收信号的频谱等信息[1]。非金属超声仪基本工作原理如图3所示。

超声回弹综合法试验条件如下：

试件为边长150mm的立方体标准试件，强度等级为C30、C40、C50、C60、C70、C80，采用自然养护。考虑到高强混凝土强度增长迅速的特点，在浇注混凝土后24h开始进行试验。试块声时测量，取试块浇注方向的侧面为测试面，并用钙基脂作耦合剂。声时测量时采用对测法，在一个相对测试面上测3点（测点布置见图4），发射和接收探头轴线在一直线上，试块声时值tm为3点的平均值，保留小数点后一位数字。试块边长测量精确至1mm。

图3 非金属超声仪工作原理简图

图4 测点布置示意图

回弹值测量选用不同于声时测量的另一相对侧面。将试块油污擦净放置在压力机上下承压板之间加压至80kN，在此压力下，在试块相对测试面上各测8点回弹值。在数据处理时，剔除3个最大值和3个最小值，将余下的10个回弹值的平均值作为该试块的回弹代表值R，计算精度至0.1。

回弹值测试完毕后卸荷，将回弹面放置在压力承压板间连续均匀加荷至破坏。抗压强度值fcu精确至0.1MPa。经过对所取得的13500个数据整理回归分析后得到如下测强公式。

图5的关系

曲线公式的相关系数r = 0.93，相对标准差er=14%。试验时试件强度在5.8MPa～96.4MPa之间。

4 计算公式精度验证

在结束上述试验研究后，又委托施工单位对回弹法、超声回弹综合法计算公式作了施工现场验证工作。验证测试结果见表1，综合法的相对标准差为12.1%，回弹法相对标准差为12.4%，回弹法、超声回弹综合法的相对标准差均满足《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》（CECS 02:2005）对测强曲线的使用精度要求。