超声回弹综合法在路面强度检测中的优越性分析

王林杰,袁建议*，伍淑华，代　宁,张丙干,李　军，程建华

(1三峡大学 土木与建筑工程学院，湖北 宜昌 443000；2湖北理工学院 土木建筑

工程学院，湖北 黄石 435003；3阳新县公路管理局，湖北 阳新 435200)



超声回弹综合法在路面强度检测中的优越性分析

王林杰1,2,袁建议1,2*，伍淑华3，代宁1,2,张丙干3,李军3，程建华2

(1三峡大学 土木与建筑工程学院，湖北 宜昌 443000；2湖北理工学院 土木建筑

工程学院，湖北 黄石 435003；3阳新县公路管理局，湖北 阳新 435200)

摘要：为实现在路面强度检测中用无损检测代替有损检测并保证测试结果的精确性，在用多种检测仪器对阳新G106国道局部板块路面强度进行数据采集的基础上，通过对检测结果的对比分析，确定了超声回弹综合法相对于其他无损检测方法所具有的优越性地位。同时数据结果显示，综合法测强所使用的全国统一规程曲线并不完全适用该检测路段的实际情况，特将其与钻芯抗压强度数据进行拟合，建立线性方程，得到y=0.749x+7.576 (x表示综合法实测强度，y表示修正后的强度)，后续工作中可以用此方程对综合法的检测数据进行修正，使之能较准确地反映既有路面的实际强度。

关键词：超声回弹综合法；钻芯法；路面强度；检测；线性方程

0引言

在建筑工程中，混凝土的质量将直接影响到项目的安全可靠性，不论是在施工中还是施工后都需要加强质量的检测与监测。到目前为止，已有多种混凝土强度检测方法可供使用(包括有损检测和无损检测)。

1)回弹仪的应用至今已有60多年的历史，最早是由瑞士人E.Schmidt发明，因其具有构造简单、操作方便、费用低廉等优点，在无损检测中至今保有其基础性地位，被学术界研究和试验较多，许多国家和协会都制定了相关的回弹法应用技术标准。在我国，《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》近30年来已经过3次修订，技术较为成熟，其缺点在于仅通过表面的硬度来反映整个混凝土结构的强度，若结构内外质量有明显差异或者在测试的时候表面塑性变形较大，导致回弹损耗较大时，就很难通过回弹值真实地反应出结构的强度。2)我国超声检测法在混凝土强度检测中的应用是在上世纪50年代末开始的，由于影响其测强精确性的因素太多而发展相对缓慢，至今还处于经验阶段，未有统一的测强曲线，很多公式都是归纳统计得出的。但是随着超声测强应用范围和理论研究不断地扩大和深入，超声法测强研究有了很大的进展。

3)超声回弹综合法最初于1966年由罗马尼亚建筑经济科学研究院提出，是首个综合了多种因素考虑检测混凝土强度的方法，我国在1976年引进并经过10余年的试验研究和应用后于1988年通过了第一部《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》(CECS 02：88)，后在2005年结合多年的工程应用经验及借鉴国外检测技术新成果的基础上进行了一次修订，使其更加完善，超声回弹综合法是目前应用最为广泛的一种综合测强方法[1-2]，其充分发挥了回弹法和超声法的优势，基本思路是根据混凝土结构内部超声波的传播速度和混凝土表面回弹代表值及碳化深度值等多项指标，共同推定混凝土结构的抗压强度。综合法测强使得超声波路径上的混凝土内部平均强度和结构表面层的硬度同时得到充分的反映，减弱了单一测试方法使用时的缺陷，2种方法的测量值可以互相补偿，消除某些因素的影响[3-4]。

4)钻芯法虽具有科学、直观、实用等优点，但在使用过程中耗时长、费用高、破坏性强，不适合大面积使用。钻芯法配合无损检测起验证作用是路面强度检测中发展的必然趋势，国家标准委员会于2007年对原标准CECS 03：88进行修订并通过了《钻芯法检测混凝土强度技术规程》(CECS 03:2007)，为钻芯法在强度检测中的应用提供了更新的依据。

本文通过对比研究确定了综合法在路面强度检测中相对于其他无损检测方法的优越性，但是该方法测强所检测的对象(混凝土材料)作为一种弹粘塑性体，其结构体的密实性、均匀性和力学的性质受集料配比，结构制作工艺，养护条件和温度应力等条件影响，同时，超声波在混凝土结构内部的传播速度与其材料的弹性性质紧密相关，弹性模量越高，一般内部结构越密实，相应的声速就越快。所以，同一测强曲线对于不同方法和养护条件成型的不同等级的混凝土结构不一定都适用，精确度可能会大打折扣。此时，如果能够结合钻芯法现场取样进行室内抗压得到更符合路面实际强度的数据，使综合法测强数据与之拟合建立关系方程，则可以将综合法代替钻芯法用于当前环境下路面的大面积的强度评定，既简便经济，又可避免损坏路面。

1超声回弹综合法检测混凝土抗压强度

1.1回弹检测

回弹值由重锤在混凝土结构表面弹击后所获得的回弹能量决定，反应了混凝土表面的弹性和塑性性能，与其硬度存在一定对应关系，通过反映混凝土结构表面硬度，来推求结构的抗压强度。

综合法测强时，测区内应先回弹，后超声测试。从每块混凝土面板中选A～E 5个测区，范围为0.2 m×0.2 m，每个测区均匀分布16个测点回弹取值，从中剔除3个最大值和3个最小值，余下10个回弹值取平均数作为该测区的回弹代表值Rm[5]。板块强度测试位置如图1所示，回弹测试的测区测点布置如图2所示,现场所测回弹代表值见表1。

图1　板测强位置图

板1ABCDE回弹值Rm4139394440板2ABCDE回弹值Rm3935414440板3ABCDE回弹值Rm4235434140板4ABCDE回弹值Rm4136394439板5ABCDE回弹值Rm4041414550

1.2超声检测

超声测点布置在回弹测试的同一测区内，每个测区布置3个测点，超声测量的测区面积为0.4 m×0.4 m[5]；在道路检测中采用单面平测，用黄油使换能器与混凝土耦合良好。并且在存储测点超声数据之前需对动态波形进行一定操作调整，以保证测量质量，包括对增益指示条、噪声区宽度、基线、首波位置的调整，波形区示意图如图3所示，现场各测区超声波速见表2。

表2现场各测区超声波速 km/s

测区构件B1B2B3B4B5A3.093.403.313.363.53B3.443.523.693.293.62C3.153.263.513.623.56D3.263.523.613.423.52E3.263.413.513.523.49

由于道路长期经受车辆重复荷载应力和温度应力共同作用，没有及时地进行维护,以致水泥混凝土板下基础产生塑性变形累计，出现局部脱空，基层砂料拌成泥浆沿接缝喷溅而出，形成唧泥。唧泥的出现使面板边缘部分失去支承，进一步加剧了板底的脱空，对混凝土板受力极为不利，尤其是在缝边板角处，板的工作状态近似于悬臂梁，板边或板角会产生过量的应变或弯沉[6-7]，最终在重复荷载作用下疲劳断裂，破碎。道路破坏示意图如图4所示。

2综合法与钻芯法、回弹法、手持落锤式弯沉仪法测强对比

1)超声回弹综合法由表及里，以回弹代表值体现混凝土结构表观强度，超声波声速代表值、幅度值及频率值变化体现混凝土内部强度和缺陷程度，检测程序简单，数据反映更全面，减少了影响混凝土结构强度检测评价的因素。

2)钻芯法是用钻芯机具现场取芯，在室内用压力机进行抗压试验得出抗压强度的方法，该方法操作简便、直观，能够比较准确地反应混凝土的实际强度，但是成本较高，具有不可恢复性，不适合大面积使用，该方法可与其他无损检测方法配合，起验证作用。

3)手持落锤弯沉仪是一种动态试验检测设备,同路面的实际状态比较相符，它描述了该点在某一状态下抵抗动荷载产生动变形的能力。同一测点锤击3次，取弯沉平均值计算[8]，现场直接输出结果，计算原理：

其中，Ep—落锤弯沉仪所测动态回弹模量；

P—承载板所受圆形均布荷载，取0.1 MPa；

δ—承载板半径，取0.15 m；

u—土的泊松比，取0.35；

l—承载板下变形/mm。

实测结果与采用Evd=22.5/s计算得到的结果基本一致。

正常情况下，此5块板的相同部位受力情况基本一致，且所处环境一样，因此有必要对不同方法在各测板相同测区所测强度进行对比分析，弹性模量值(与强度成正比关系)一并放入表内，观察其变化趋势，不同方法在各测区所测强度值与弹性模量值见表3，相同测区平均强度折线图如图5所示，其中A～E测区Evd平均值分别为186.6，170.5，158.5，181.2，163.5 MPa。

表3不同方法在各测区所测强度值与弹性模量值MPa

测区综合法钻芯法回弹法弯沉仪法1-A19.7220.5031.50166.62-A21.4526.1728.70165.43-A19.1221.4625.90190.14-A18.8619.4824.50208.35-A23.9925.6230.40202.71-B21.7127.5028.40171.72-B20.3724.0524.50197.93-B19.4822.4320.90126.84-B18.2818.4924.70182.95-B21.3423.8624.50173.01-C18.7021.2028.30208.92-C19.3620.8827.40152.73-C20.2723.1524.50140.64-C24.1525.3329.10173.05-C24.6726.7731.00117.11-D20.8123.6130.00199.72-D24.4725.4731.50161.03-D22.0824.3525.90145.74-D20.1820.6125.90212.95-D23.6326.2030.00186.91-E20.8124.8030.00132.32-E19.3323.1124.50179.53-E21.8824.0827.40142.14-E21.9824.3027.40219.85-E23.6326.4130.50143.9

从表3中可以看出，不同检测方法得到的结果相差很大，由此可见选择合适检测方法测水泥混凝土路面强度的重要性。由芯样抗压强度的数据可见强度在20 MPa左右的A、B、C、D测区都有，E测区强度相对较高，可以认为是板边的测区由于靠近接缝，易发生接缝损坏，板下出现局部脱空，进来杂质，侵蚀结构，强度减弱。由弯沉仪得到的Evd数据显示，B测区Evd值普遍相对较小，而其他测区均有较大值210 MPa左右，这是由于B测区靠近路面边缘位置，易在汽车动荷载作用下使得路基向侧边发生塑性应变，抵抗变形的能力减弱。回弹法和综合法的数据显示，各不同测区强度没有明显的变化，这是因为车辆荷载主要由基层承受，路基病害受到更大地影响。而所选的测区范围极小，一般有较好的连续性和完整性，因此所反映的面层上层部位强度变化不大。由以上数据可知，综合法所测强度最接近钻取芯样的抗压强度，虽然如此，但是要想取得最优的效果还得依靠准确的参数、系数作为参考，由于综合法测强受水泥品种、骨料粒径、含水率、外加剂等因素的影响，全国统一规程曲线系数很难代表某一地的实际情况。所以，有必要对试验超声数据进行优化,拟根据综合法测强数据与钻取芯样抗压强度数据之间的关系，用最小二乘法建立拟合曲线方程，因为2种检测方法表示的是同一标量，尽管数据存有偏差，但从理论上讲两者应该趋近于呈线性关系。根据图5经过论证分析，认为B、E测区强度将对拟合曲线的精确性产生较大地干扰，若将其也考虑进去拟合的话，结果会受较大影响，因此只对A、C、D测区数据进行拟合，力求综合法的测强数据与钻芯法所得到的强度一致准确性，从而使检测过程变得简便、经济。

令y=ax+b,x,y分别表示综合法和钻芯法所测强度,则有：

要使总残差最小，必有:

化简求得:

a=0.749,b=7.576，即y=0.749x+7.576。

经分析，满足拟合要求。

因此，超声综合法测强通过优化处理后能比较全面地反应路面结构的实际强度。

4结论

1)超声回弹综合法作为一种无损检测方法，与其他检测方法相比，具有可信度高、应用广、造价低、快速便捷等优点，可以满足结构或构件中评定质量和评估安全的需要。

2)综合法测强由于受到水泥品种、骨料粒径、含水率、外加剂等因素的影响，依据仪器中所设置的统一测强曲线参数得到的结果有时候并不能精确反应实际地方的结构强度，综合法测强结果可能还需要进一步修正。

3)考虑到现场测量中受噪音、车载震动等不稳定情况的影响，将试验数据中的一些异常值排除后，再将超声回弹综合法所测强度与钻芯法所取芯样抗压强度进行拟合，得到的关系方程能够修正综合法测强数据，使其在不损坏路面的情况下用于大面积的路面强度检测。

参 考 文 献

[1]李波.超声回弹综合法检测混凝土强度试验研究[D].西安：西安理工大学，2010.

[2]王茂杰.超声回弹综合法检测泵送混凝土抗压强度研究[D].兰州：兰州大学，2014.

[3]黄文鹏.超声回弹综合法检测混凝土强度的优越性[J].施工技术，2011,40(12)：309-310.

[4]熊静,宿文姬，罗旭辉.超声回弹综合法在混凝土强度检测中的应用[J].无损检测，2014，36(10)：58-60.

[5]中国工程建设标准化协会.CECS 02：2005 超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程[S].北京：中国计划出版社，2005.

[6]周洋.水泥混凝土路面板下脱空机理及其力学分析[D].长沙：湖南大学，2008.

[7]袁建议.道路翻浆的发育机理研究[J].黄石理工学院学报,2010，26(3):31-34.

[8]郑京杰.利用手持式落锤弯沉仪评价路基路面强度参数[J].公路,2006(8):17-21.

(责任编辑吴鸿霞)

Superiority Analysis of Ultrasonic-rebound Combined Methodin Pavement Strength Detection

WangLinjie1,2,YuanJianyi1,2*,WuShuhua3,DaiNing1,2,ZhangBinggan3,LiJun3,ChengJianhua2

(1School of Civil Engineering,China Three Gorges University,Yichang Hubei 443000;

2School of Civil Engineering and Architecture,Hubei Polytechnic University,Huangshi Hubei 435003;3Yangxing Highway Bureau,Yangxing Hubei 435200)

Abstract：In order to realize the large area application of non-destructive testing method instead of destructive testing method in pavement strength detection and ensure the accuracy of the test results,a variety of detecting methods were adopted.Based on a large number of pavement strength testing data in Yangxin G106 National Highway,the test results were contrastively analyzed.They showed that ultrasonic-rebound combined method has certain advantages compared with other nondestructive testing methods.At the same time,the results of the data showed that the national unified regulation curve used by the comprehensive method was not completely applicable to the actual situation of the test section.Moreover,the suitable linear equation y=0.749x+7.576 was established through associating the data of ultrasonic-rebound combined method with the data of core drilling method (x represents the measured strength of the synthesis method,and y represents the modified strength).It can more accurately reflect the actual strength of the existing road after optimizing the data of ultrasound rebound combined method.

Key words：ultrasonic-rebound combined method;core drilling method;pavement strength;test;linear equation

中图分类号：U416.2

文献标识码：A

文章编号：2095-4565(2016)02-0037-05

doi:10.3969/j.issn.2095-4565.2016.02.009

*通讯作者：袁建议，副教授，博士，研究方向：道路工程及现代岩土工程技术。

作者简介：王林杰，硕士生。

基金项目：湖北省自然科学基金项目(项目编号：2013CFC102)；湖北理工学院优秀青年科技创新团队项目(项目编号：13xtz03);地方校企合作项目(项目编号:KY2014-084)。

收稿日期：2015-11-03