现代混凝土回弹测强曲线影响因素的试验研究

贾艳涛，杨永敢，赵　宁

(1.河海大学力学与材料学院，南京　211100;2. 东南大学材料科学与工程学院，南京　211189;3.中国铁路通信信号股份有限公司，北京　100070)



现代混凝土回弹测强曲线影响因素的试验研究

贾艳涛1，杨永敢2，赵宁3

(1.河海大学力学与材料学院，南京211100;2. 东南大学材料科学与工程学院，南京211189;3.中国铁路通信信号股份有限公司，北京100070)

通过回弹法研究了基于不同影响因素下的现代混凝土抗压强度、回弹值随龄期发展的演变规律，建立了现代混凝土抗压强度与回弹值的定量关系。结果表明：养护方法、混凝土表面湿度以及粗骨料粒径对现代混凝土表层硬度有一定的影响。标准养护下现代混凝土表层硬度大于相同龄期的自然养护；随着试块表面湿度的增加，表层硬度在减小但减小幅度在降低；随着粗骨料粒径的增加，混凝土表层硬度和强度值增大；基于粗骨料不同粒径建立的回弹测强曲线满足地区测强曲线误差要求。这对控制工程质量、防范工程事故、准确评价工程的质量具有重要的现实意义和工程实用价值。

现代混凝土； 回弹法； 测强曲线； 影响因素

1　引　言

众所周知，基础设施是保障国家经济增长、国防安全、改善人民生活质量的生命线工程。无论是提升人居环境、发展工业建设、还是开发自然资源、改善生存环境等都离不开基建工程，而混凝土材料是基建工程的主体。目前，我国是混凝土用量最多的国家[1,2]。根据我国国土资源部颁布的《2014年中国国土资源公报》显示，，我国2014年混凝土年用量已超22亿立方米,约占全世界的60%。混凝土质量不仅直接影响着整个房屋建筑工程的经济而且会严重威胁人民的生命安全。然而，近年来混凝土结构质量不良的现象时常发生，导致混凝土构建物过早失效，严重影响其服役寿命，因此需要加强和完善对混凝土结构的现场检测用来保障建筑物结构的安全。回弹法通过检测混凝土表层硬度进而反推抗压强度已被国际学术和工程界公认为混凝土质量无损检测的基本方法之一。因回弹法具有仪器构造简单、携带方便、检测效率高等优点致使其成为混凝土结构强度的现场检测中最经济最常用的使用方法[3-6]。我国经过多年研究和大量的试验室与现场数据的积累，建立了国家统一测强曲线，形成了《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T23-2011)，这将对控制工程的质量以及对工程质量的评定提供了依据[7]。

然而，首先《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》中建立的曲线是要求自然养护并且混凝土表层为干燥状态，对于不同养护条件或者混凝土表面湿润程度的影响，国内至今无人研究。国外对此亦研究较少，波兰、英国、美国及日本的资料显示在水中和在空气中养护对混凝土的表面硬度影响不同。研究表明，当回弹值相同时，在空气中进行自然养护的混凝土测定的强度要比在水中养护的混凝土测定的强度低；故针对水中养护和空气中养护测得的回弹值不同这种情况，罗马尼亚回弹法标准则按不同养护标准相对于标准养护分别乘以不同强度修正系数。另外，美、日、英等国家均研究发现混凝土表面湿度对其表层硬度影响十分显著。一般来讲，对于成型的混凝土在其他各种条件都相同时，当混凝土的表面湿度较高时，其回弹值要比表面干燥的混凝土的回弹值要低得多，并且混凝土经历干、湿的时间越长，其回弹值的差异就越大[8]。其次，《规程》中对粗骨料的粒径大小亦没有具体的规定。国外研究一般认为粗骨料的种类及粒径对其均有影响。英国标准协会研究称卵石和碎石对其影响并不明显，然而，罗马尼亚标准协会研究表明，当以石英质河卵石骨料为标准时，其他不同种类的粗骨料的影响系数通过试验确定，进而提高不同粗骨料种类混凝土的回弹测强曲线的准确度。我国经过多年研究对这些结论持一定的怀疑态度，浙江省建筑科学研究院认为卵石和碎石对回弹法测强影响较大，其认为不同种类的粗骨料应分别建立不同的回弹测强曲线或者以某种类型的粗骨料为标准对其他品种的粗骨料进行系数修正；然而，陕西省建筑科学研究院通过大量同等条件的对比试验及计算分析认为，不同种类的粗骨料对混凝土的回弹值影响并不是特别明显，其影响可以忽略不计。粗骨料粒径对混凝土表层硬度的影响，国内一些单位也进行了一些试验，其分别采用粒径为5～10 mm和5～40 mm的碎石，结果表明，符合筛分曲线的石子粒径，对混凝土表层硬度的影响比较小，然而，由于石子的粒径和形状间接地影响混凝土的强度，混凝土中石子的粒径越大，针片状颗粒所占的比例越大，骨料表面急剧水膜的趋势就越强，因此消弱了界面过渡区，降低了混凝土的强度。综上不难看出，不同的养护条件、混凝土表面湿润程度以及石子粒径的不同对国家统一测强曲线的影响未知，对于现场检测混凝土质量检测和评定存在一定误差。针对上述问题，通过系统研究现代混凝土不同养护条件、混凝土表面湿润程度以及粗骨料不同粒径对表层硬度的影响，建立了标准养护下以及粗骨料不同粒径下混凝土表层硬度与强度的定量关系，提出了现代混凝土的测强方程，以期对准确评定工程质量、补充混凝土测强曲线研究做出贡献。

2　试　验

2.1试验原材料

中国江南水泥厂P·Ⅱ52.5级水泥；石灰岩碎石，石子的粒径分别在5～10 mm、10～20 mm和20～26 mm，最大粒径是26 mm；细骨料为河砂，细度模数为2.80。

2.2方案

试验研究了粗骨料粒径对现代混凝土回弹值的影响。详细的试验方案如表1所示，其中，标号AS-1和AS-4研究养护条件的影响(标准养护和自然养护)；AS-2、AS-3、AS-4研究混凝土表面湿润程度的影响(试块表面干燥、润湿、浸泡在水中)，AS-2研究不同粗骨料粒径的影响。试验所选用的是石灰石，石子的粒径分别在5～10 mm、10～20 mm和20～26 mm。所有的试块均在同一天完成，用于研究不同养护方法以及粗骨料粒径的影响的试块首先在标准养护室中养护7 d，为了模拟工程应用，然后将试样在标准养护7 d后进行相同条件的自然养护，分别测量设计龄期的回弹值、抗压强度和碳化深度值。因混凝土的坍落度对测试结果有一定的影响，为了保证比较的可靠性，试验时调整混凝土坍落度相近，约在160 mm。

表1　现代混凝土配合比

2.3试验方法

2.3.1回弹测试与计算

测试回弹值时，分别测量不同强度等级混凝土不同龄期7 d、14 d、28 d、60 d、90 d、120 d以及180 d的回弹硬度。在测量时，将大试块的两个相对表面擦净,分别测量其两个相对侧面，每个面测量8个测点，精确至1，为了减小测量误差，分别剔除16个数据中的最大的三个值和最小的三个值，余下10个有效回弹值按照下式计算结果作为该试件的平均回弹值，计算精确至0.1 MPa。

2.3.2抗压强度

按《普通混凝土力学性能试验方法标准修改》(GBT 50081-2002)进行，每组三个试块，取其平均值作为抗压强度。

2.3.3碳化深度测定

在抗压强度测试后对小试块进行碳化深度测定，用事先配置好的酚酞酒精溶液喷洒在混凝土断裂面，到一定的时间后在混凝土红色与非红色交界处用碳化深度测量仪测量，精确到0.5 mm。

3　结果与讨论

3.1不同养护方法的影响

图1　标准养护下水灰比对回弹值的影响Fig.1　Effect of water cement ratio onrebound value under standard curing

图2　标准养护下水灰比对强度的影响Fig.2　Effect of water cement ratioon compressive strength under standard curing

图1和2分别表示现代混凝土在标准养护条件下水灰比对回弹值和抗压强度的影响。从图1中可以看到W/C=0.35时混凝土的表面硬度远远大于W/C=0.58时的混凝土，如14 d龄期下0.35水灰比混凝土的表面硬度为48 MPa比同龄期下0.58水灰比混凝土表面硬度多15 MPa；28 d龄期之后二者的回弹值均增长缓慢且趋于稳定。同样的，图2中0.35水灰比混凝土抗压强度亦远远大于0.58水灰比。对比标准养护和自然养护，不同养护条件下水灰比对表面硬度的影响如图3所示。从图中可以发现0.35水灰比在标准养护条件下的回弹值最高，分别对比相同水灰比相同养护龄期不同养护条件的现代混凝土的表面硬度，在标准养护条件下的回弹值均大于自然养护条件下的回弹值。当水灰比为0.58时，标准养护条件下回弹值分别为33.2 MPa、40.7 MPa、41 MPa和41.6 MPa，然相同龄期自然养护下回弹值只有标准养护的94%、79%、87%和89%；0.35水灰比时，标准养护条件下回弹值分别为48 MPa、49.7 MPa、50.6 MPa和51.6 MPa是相同龄期自然养护条件下回弹值的119%、113%、112%、114%。

图3　不同水灰比在不同养护条件下对回弹值的影响Fig.3　Influence of different water cement ratio in the different curing condition on the rebound value

图4　表面湿度对现代混凝土回弹值的影响Fig.4　Influence of surface humidity on the rebound value of Modern concrete

3.2混凝土表面湿润程度的影响

图4表示混凝土试块表面湿度对表层硬度的影响。从图中可以看到试块表面处于干燥状态下其回弹值最大，表面润湿后回弹值降低，表面浸泡在水中，回弹值最小。当水灰比为0.35时，试块表面由干燥转变为表面润湿和表面浸泡后，回弹值分别减小了3.0%和5.0%；当水灰比为0.42时，试块表面由干燥转变为表面润湿和表面浸泡后，回弹值分别减小了3.9%和6.0%；当水灰比为0.50时，试块表面由干燥转变为表面润湿和表面浸泡后，回弹值分别减小了4%和6.5%。从图中还可以看到，当试块表面由干燥转变为润湿后，回弹值减小较快，当试块表面润湿后再次浸泡在水中，回弹值依旧会减小但减小较为缓慢；当水灰比为0.35时，试块表面浸泡后回弹值降低了5%，水灰比为0.42时，试块浸泡后回弹值降低了6%，水灰比为0.50时，试块浸泡后回弹值降低了6.5%，可知，湿度对回弹值的影响随着强度的增加而变小。可以从以下方面对以上现象进行解释：第一，由回弹仪工作原理可知，混凝土回弹仪是用一弹簧驱动弹击锤并通过弹击杆弹击混凝土表面所产生的瞬时弹性变形的恢复力，使弹击锤带动指针弹回并指示出弹回的距离。当试块表面干燥时，产生的瞬时弹性变形的恢复力相比表面润湿时要大的多，试块表面吸收的能量较小，反弹到回弹仪的能量较大，因此，回弹值较大；当试块表面润湿后，回弹仪弹击试块表面，试块产生的瞬时弹性变形恢复力降低，试块表面吸收的能量增大，反弹到仪器的能量减小，故回弹值降低。第二，由于水灰比减小，水泥浆体结构变得更加密实，透气性降低，抗压强度和表层硬度相应增大，当弹击杆弹击混凝土表面时，被试块表层吸收的能量减小，故反弹到仪器的能量增大，即回弹值增大；当试块表面润湿后，由于结构密实，试块产生的瞬时弹性变形较小，被试块吸收的能量增长不多，故回弹值减小幅度较小。总之，混凝土试块表面湿度越大，回弹值就越低，但是这种影响会随着强度的提高而变小。此结果与英美等国家研究结果一致。

3.3粗骨料粒径的影响

图5表示水灰比为0.5时粗骨料不同粒径在不同龄期下对现代混凝土回弹值影响。从图中可以看出在同一龄期下粗骨料粒径为20～26 mm的回弹值最大，10～20 mm的回弹值次之，5～10 mm的回弹值最小， 随着养护龄期的增加，三者之间的差值逐渐增大，例如14 d龄期下，不同粗骨料粒径5～10 mm、10～20 mm和20～26 mm的现代混凝土回弹值分别为36.1 MPa、36.3 MPa和36.5 MPa，到180 d龄期时，三者分别为43.2 MPa、43.5 MPa、44.9 MPa。图6表示不同粗骨料粒径对现代混凝土抗压强度的影响，从图中可以看出

图5　W/C=0.5不同粒径粗骨料在不同龄期下对现代混凝土回弹值的影响Fig.5　Influence of different coarse aggregate size on rebound value at water cement is 0.5

图6　W/C=0.5不同粒径粗骨料在不同龄期下对现代混凝土强度的影响Fig.6　Influence of different coarse aggregate size on compressive strength at water cement is 0.5

图7　粗骨料粒径为20～26 mm时现代混凝土抗压强度和回弹值在不同龄期下的比较Fig.7　Compared compressive strength with rebound value of modern concrete at coarse aggregate size between 20 and 26 mm

粗骨料粒径对混凝土早龄期抗压强度影响较大，5～10 mm、10～20 mm、20～26 mm、粒径的混凝土在14 d龄期其抗压强度分别为35.5 MPa 、39 MPa 、41.6 MPa。60 d龄期之后粒径对其强度影响较小，如在90 d龄期时，抗压强度分别为46.8 MPa、46.6 MPa及46 MPa，可见粗骨料粒径对90 d龄期之后的混凝土强度影响较小。对比图5和6可知，粗骨料粒径为5～10 mm在14 d龄期下其抗压强度小于表面硬度，其他龄期下以及其他粒径在任何龄期下其抗压强度均大于表面硬度；图7表示粗骨料粒径为20～26 mm时，现代混凝土回弹值和抗压强度在不同龄期下的变化。从图中可以看到其强度分别为41.6 MPa、43.9 MPa、46 MPa、46.8 MPa、47.5 MPa和49 MPa均大于相同龄期下的表面硬度36.5 MPa、38.5 MPa、40.2 MPa、43.2 MPa、43.5 MPa和44.9 MPa。

4　回弹测强曲线方程的建立

《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》规定地区回弹测强曲线的平均相对误差δ≤±14%，相对标准差σ≤17%，因此用平均相对误差和相对标准差作为现代混凝土回弹测强拟合曲线的评定标准[9，10]，其公式分别为(1)和(2)：

(1)

(2)

其中：fcu,i-测得的第i个试件的抗压强度值(MPa)；

n -试件个数。

在标准养护下的试块养护至120 d，由于现代混凝土强度高，在标准养护条件下水分充足，在相对湿度较大的潮湿空气中混凝土较难碳化，这是因为混凝土内部和表面还有大量的水，透气性小，故标准养护下碳化深度几乎为零可忽略不计。对标准养护下的混凝土在设计的龄期测量其回弹值和抗压强度值，将测得的大量数据用Linest函数进行拟合，得到现代混凝土在标准养护下的回弹测强曲线，如公式(3)所示。

(3)

建立的标准养护回弹曲线的相关系数r=0.9192，对该曲线进行回归方程的误差计算，《规程》规定地区测强曲线的平均相对误差≤±14%，相对标准差≤17%。按照上述(1)和(2)对回归方程进行平均相对误差计算和平均相对标准差计算，计算结果如表2所示，可知误差均小于相关规程要求。

表2　标准养护曲线曲线误差

测量大量粗骨料不同粒径混凝土不同龄期的回弹值、抗压强度和碳化深度，利用Linest函数力求找出三者之间的统计相关关系[11-15]，建立了现代混凝土的回弹测强方程如(4)所示。

(4)

Rm-测区平均回弹值精确到0.1 MPa；

dm-测区平均碳化深度值(mm)。

建立的粗骨料粒径现代混凝土回弹曲线的r=0.867，(r为相关性系数),误差要求如表3所示，可知这两个指标明显低于地区测强曲线的误差要求，可知该曲线拟合效果较好。

表3　粗骨料不同粒径混凝土曲线曲线误差

5　结　论

(1)相同龄期下混凝土在标准养护条件下其回弹值和抗压强度值均高于在自然养护中的回弹值和抗压强度值;

(2)现代混凝土试块表面湿度越大，回弹值就越低，但是这种影响会随着强度的提高而变小;

(3)粗骨料粒径对现代混凝土表层硬度有一定的影响，随着粗骨料粒径的增加，混凝土表层硬度和强度值增大，这将对控制工程质量、防范工程事故、解决混凝土强度问题、促进混凝土发展、准确评价工程的质量具有重要的现实意义和工程实用价值;

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Experimental Study on the Influence Factors of Rebound Curve of Modern Concrete

JIAYan-tao1,YANGYong-gan2,ZHAONing3

(1.College of Mechanics and Materials,Hohai University,Nanjing 211100,China;2.School of Materials Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 211189,China;3.China Railway Communication Signal Limited by Share Ltd.,Beijing 100070,China)

Development rule of compressive strength and rebound value of modern concrete of different influence factors, establish a quantitative relationship between the modern concrete compressive strength and the rebound value. The result shows that the curing method, surface humidity of concrete and coarse aggregate size have a certain influence on surface hardness of modern concrete. The concrete surface hardness is bigger for standard curing than the natural curing; the surface hardness decreased with the surface moisture compressive strength and rebound value of concrete is increased by the increased of coarse aggregate size. The rebound strength curve which based on different size of coarse aggregate meet regional requirement. It has important practical significance and practical value for the project quality control, preventing engineering accidents, accurate assessment of the quality of engineering.

modern concrete;rebound method;strength curve;influence factor

贾艳涛(1979-)，女，工程师.主要从事混凝土无损检测等方向的研究

TU528

A

1001-1625(2016)06-1934-06