龄期对超声回弹综合法检测混凝土构件的误差影响

贠建洲,陈顺超,郑维龙,聂良鹏,袁胜涛

(1.西南林业大学土木工程学院,昆明 650224;2.云南通衢工程检测有限公司,昆明 650224)

0 引 言

混凝土价格低、易浇筑成型、力学性能稳定、耐久性好、适用广,是工程应用中重要的建筑材料。混凝土的强度直接影响结构的安全,因此对混凝土构件强度的检测尤为重要。1949年Leslie等[1]研究了超声脉冲法,为混凝土的无损检测技术奠定了基础。在不破坏构件完整的情况下,无损检测技术是获取混凝土构件中原位混凝土真实强度的唯一方法。如今混凝土的无损检测技术已相对成熟,检测的方法很多,但目前公认的简便且相对准确的方法是超声回弹综合法。国内已有许多学者在混凝土无损检测领域进行了研究,尚新想等[2]对28 d龄期的混凝土进行了应力波测试,发现各应力波波速随龄期的增加而增加,不同应力波波速与抗压强度之间存在较高的线性相关性。陈良豪等[3]研究了不同温度作用下混凝土的超声波波速与抗压强度的变化,结果表明混凝土抗压强度与超声波波速随着温度的升高而降低,掺加钢纤维可以改善混凝土的抗高温性能。季光耀[4]通过超声回弹综合法检测混凝土的抗压强度,发现在相同条件下再生混凝土的超声波声速和回弹值均低于普通混凝土,且再生混凝土的抗压强度、超声声速以及回弹值之间存在一定的关系。刘婷等[5]使用超声回弹综合法检测了再生混凝土的抗压强度,并根据试验数据拟合出了抗压强度与超声波波速、回弹值的关系式。王雪平等[6]通过试验数据拟合出了C20～C40混凝土超声波波速与抗压强度之间的关系式。胡晓鹏等[7]、陈海彬等[8]、熊静[9]和卢哲安等[10]研究了混凝土超声回弹综合法的测强曲线。以上对混凝土无损检测的研究多基于短龄期或中龄期,而对长龄期混凝土构件回弹值、超声波波速的增长规律研究较少。

超声回弹综合法检测混凝土抗压强度是基于混凝土构件回弹值、超声波波速实测值推算得出。在自然环境条件下,混凝土构件回弹值、超声波速会受到龄期、温度、湿度的影响,而实际工程中利用超声回弹综合法检测混凝土构件时往往会忽略龄期、温度、湿度的影响,导致计算强度与实际强度产生误差。因此,研究自然环境下中长龄期混凝土构件回弹值、超声波波速、抗压强度的发展规律,以及分析计算抗压强度与实测抗压强度的误差具有重要的现实意义。鉴于此,本文通过测试长龄期下混凝土回弹值、超声波波速、实测抗压强度,分析并总结龄期对这几个因素的影响,从而判断不同龄期时使用超声回弹综合法测出的混凝土强度与计算抗压强度的误差率。

1 实 验

1.1 原材料及配合比

水泥:采用云南华新东骏水泥有限公司生产的P·O 42.5水泥,3 d抗折强度为5.1 MPa,28 d抗折强度为8.3 MPa;3 d抗压强度为29.1 MPa,28 d抗压强度为49.8 MPa。

细骨料:采用云南石灰岩加工的机制砂,II区级配,中砂,细度模数为2.8,堆积密度为1 582 kg·m-3,石粉含量为6.7%(文中均为质量分数),泥块含量为0.5%。

粗骨料:采用昆明嵩明石料场5～25 mm连续级配碎石,堆积密度为1 540 kg·m-3,压碎值为17.3%,含泥量为0.7%,泥块含量为0.1%。

混凝土构件与试件配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比

1.2 测试仪器

回弹仪:采用山东乐陵市回弹仪厂生产的ZC3-A指针直读式,标准能量为2.207 J的中型回弹仪。

超声波仪:采用北京智博联科技股份有限公司生产的ZBL-U5200非金属超声检测仪。

压力机:采用济南时代试金试验机有限公司生产的YAW-2000D微机控制电液伺服压力试验机。

1.3 试验方法

1.3.1 混凝土构件与试件制作

混凝土试件在取样时容易受到许多因素的影响,例如振捣条件、骨料分配情况,导致不同组的混凝土试件强度或密实度不同,因此,同标号下不同组的混凝土试件在强度、回弹值、超声波波速上存在一些偏差。为了更好地符合实际工程,本文中浇筑了一体式的混凝土构件,探究长龄期下混凝土构件超声波波速与回弹值的变化规律。混凝土构件强度等级设计为C20、C30、C40,每个标号混凝土构件浇筑一件,如图1所示。构件尺寸为2 400 mm×400 mm×2 400 mm,且内部设有钢筋,竖向主筋直径为12 mm,间距为150 mm,水平箍筋直径为8 mm,间距为200 mm。为了同步测试混凝土构件的强度发展情况,每个标号构件在浇筑时,留取7组(每组3个)150 mm×150 mm×150 mm试件,并与构件进行同条件养护。

图1 室外浇筑的混凝土构件

1.3.2 混凝土构件与试件测试

混凝土构件与试件测试龄期确定为7、14、28、90、180、365、730 d,测试内容包括构件与试件表面回弹值、构件与试件超声波波速和同条件养护混凝土试件抗压强度。

构件、试件表面回弹值:根据《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T 23—2011)规定的方法进行测试。每个室外构件在相对的两面各布置5个测区,共10个测区,测试方向为水平,每个测区测试16个回弹值,剔除3个最大值和3个最小值后,取平均值作为该测区回弹值,最后取10个测区回弹值的平均值作为构件表面回弹值。试件在相邻两个面各布置1个测区,共2个测区,测试方向为水平,每个测区8个回弹值,剔除3个最大值和3个最小值后,取平均值作为该测区回弹值,最后取2个测区回弹值的平均值作为试件表面回弹值。

构件、试件超声波波速:根据《超声回弹综合法检测混凝土抗压强度技术规程》(T/CECS 02—2020)规定的方法进行测试。每个室外构件布置5个测区,每个测区布置3个测点,采用对测的方式进行测试。取5个测区混凝土中声速代表值的平均值作为构件的超声波波速。混凝土试件取1个测区,3个测点,采用对测的方式进行测试,取3个测点的声速平均值作为试件的超声波波速。

同条件养护混凝土试件强度:根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2005)规定的方法进行测试,取3个试件抗压强度的平均值作为该龄期同条件养护混凝土构件的实测抗压强度。

2 结果与讨论

2.1 测试结果

混凝土构件和试件超声波波速、回弹值、实测抗压强度、计算抗压强度结果如表2所示。由于混凝土试件为浇筑构件预留的同条件养护试件,因此同龄期下试件与构件超声波波速、回弹值基本相同,仅存在很小的测试误差,可忽略不计。因此下文仅对混凝土构件回弹值、超声波波速随龄期的变化规律进行分析。

2.2 构件回弹值随龄期的变化规律

图2为混凝土构件回弹值和相对回弹系数随龄期的变化规律。与抗压强度相同,回弹值也是反映混凝土构件强度的指标。根据图2(a),长龄期下混凝土构件回弹值的发展规律为早期增长较快、后期增长缓慢且逐渐趋于稳定。C20混凝土构件的回弹值与C30混凝土构件相差较大,7、28、365、730 d时分别相差4.9、7.5、7.3、7.1;28 d以前C30混凝土构件的回弹值与C40混凝土构件的回弹值相差较小,28 d以后两者回弹差值逐渐增大,7、28、365、730 d时分别相差1.7、2.7、4.1、5.4。

图2 混凝土构件的回弹值和相对回弹系数随龄期变化规律

以28 d回弹值为基准,不同龄期的回弹值与28 d回弹值的比值称为相对回弹系数。由图2(b)可知,三种标号下混凝土构件回弹值增长迅速期集中在180 d以前,相对回弹系数曲线陡峭,随后回弹增长速度趋于平缓。结合图2可知,龄期为730 d时,三者回弹值增长速率从大到小依次为C20、C40、C30;回弹值相对增长比例依次为44%、38%、33%。说明长龄期下,当混凝土构件设计强度低于C30时,回弹值增长速率较大;当混凝土构件设计强度大于C30时,回弹值增长速率会随着设计强度的增大而增大。

2.3 混凝土构件的超声波波速随龄期变化规律

图3为混凝土构件超声波波速和相对超声波波速系数随龄期的变化规律。由图3(a)可知,混凝土构件超声波波速随龄期增长而增大,且设计等级越高的混凝土超声波波速越高。这是由于设计等级高的混凝土构件强度更大,内部更加密实,超声波在混凝土内部传播时受到干扰减弱,从而获得更大的超声波波速。混凝土构件的超声波波速随龄期变化可明显分为三个阶段:1)28 d以前为快速增长期;2)28～180 d为增长速度减缓期;3)180 d以后波速稳定期,超声波波速随龄期变化波动很小。730 d时C20与C30、C30与C40混凝土构件的超声波波速分别相差0.36、0.30 km·s-1,可以看出在长龄期下,设计强度等级相差一级的混凝土构件超声波波速差值在0.3～0.4 km·s-1。

图3 混凝土构件超声波波速和相对超声波波速系数随龄期的变化规律

以28 d超声波波速为基准,不同龄期的超声波波速与28 d超声波波速的比值称为相对超声波波速系数。由图4(b)可以看出,长龄期下C20混凝土构件的超声波波速增长速率最大;C30、C40混凝土构件的超声波波速发展规律几乎相同,两者的相对超声波波速系数曲线较为贴合。当龄期为730 d时,C20混凝土构件相对超声波波速系数增长率为10%,C30与C40混凝土构件相对超声波波速系数增长率均为6%。

图4 混凝土试件实测抗压强度和相对抗压强度系数随龄期变化规律

2.4 混凝土试件的实测抗压强度随龄期变化规律

图4为混凝土试件的实测抗压强度和相对抗压强度系数随龄期变化规律。由图4(a)可以看出,长龄期下混凝土试件实测抗压强度增长规律与回弹值相同,三种标号的混凝土试件实测抗压强度随龄期的增长而增长,且早期增长较快,后期增长缓慢且逐渐趋于稳定。同龄期时,设计强度等级高的混凝土实测抗压强度更高,其中C20与C30混凝土试件的实测抗压强度相差较大,7、28、365、730 d时分别相差13.8、14.6、14.2、15.4 MPa。C30与C40混凝土试件的实测抗压强度相差较小,7、28、365、730 d时分别相差6.4、6.9、8.0、7.7 MPa。

以28 d实测抗压强度为基准,不同龄期的实测抗压强度与28 d实测抗压强度的比值称为相对抗压强度系数。由图4(b)可以看出,三种标号的混凝土试件28 d前相对抗压强度系数增长速度较快,曲线陡峭;28～180 d时相对抗压强度系数增长速度降低,曲线趋于平缓;180 d以后相对抗压强度系数增长速度稳定,曲线平缓。其中C30与C40混凝土试件的相对抗压强度系数曲线相近。28 d以前,相同龄期下C20混凝土试件相对抗压强度系数最小,其次是C30与C40混凝土构件;28 d以后,相同龄期下C20混凝土试件相对抗压强度系数最大,说明长龄期下C20混凝土试件抗压强度增长速度最快。300 d以后,同龄期下C30混凝土试件相对抗压强度系数大于C40混凝土试件,但相差不大。龄期为730 d时,C20、C30、C40混凝土试件相对抗压强度系数分别增长了59%、39%、35%,说明长龄期下设计强度等级低的混凝土构件抗压强度增长速度更快。

2.5 混凝土构件计算抗压强度与实测抗压强度的关系及误差率分析

根据《超声回弹综合法检测混凝土抗压强度技术规程》(T/CECS 02—2020)中的计算式(1),计算混凝土构件的计算强度。

(1)

图5为混凝土构件计算抗压强度随龄期的变化规律。混凝土构件计算抗压强度值即超声回弹综合值。由图5(a)可以看出,随着龄期的增长,三种标号下混凝土构件的超声回弹综合值在不断增长。由于混凝土构件计算抗压强度是根据回弹值计算得出,因此计算抗压强度与回弹值的发展规律相同,均为180 d以前增长较快,180 d以后增长较慢且趋于稳定。长龄期下不同标号混凝土构件计算抗压强度相差较大,在730 d时,C20、C30、C40之间相差15.0、14.8 MPa。

图5 混凝土构件计算抗压强度和相对计算抗压强度系数随龄期的变化规律

由于混凝土构件计算抗压强度是根据回弹值计算得出,因此结合图5(b)可以证明,长龄期下,混凝土构件相对计算抗压强度系数发展规律与相对回弹系数发展规律基本一致。

图6为长龄期下混凝土试件的实测抗压强度与混凝土构件的计算抗压强度的关系。由图6可以看出,不同龄期下混凝土构件的实测抗压强度与混凝土构件的计算抗压强度之间的误差不同。随着龄期的增长,C20、C30曲线呈先上升后下降的趋势,比值在0.75～1.00浮动,C40曲线则随着龄期的增长不断增长,比值在0.8～1.1浮动。长龄期下,C20、C30混凝土试件的实测抗压强度均大于计算抗压强度,当龄期为730 d时,C20、C30混凝土试件的实测抗压强度分别比计算抗压强度高6.6%、4.7%。C40混凝土试件在180 d以前的实测抗压强度要大于混凝土构件的计算抗压强度,但随着龄期的增长,计算抗压强度增长速率更大,随后超过实测抗压强度。730 d时计算抗压强度比实测抗压强度高7.5%。综上所述,长龄期下超声回弹综合法计算的混凝土构件抗压强度误差较小。在长龄期下(180 d以后),使用超声回弹综合法计算设计等级较高的混凝土构件(C40及以上)时抗压强度可能会偏高,180 d时偏高2%左右,400 d偏高5%以上,730 d偏高8%左右,计算设计等级较低的混凝土构件(C30及以下)强度可能会偏低。

图6 长龄期下混凝土试件实测抗压强度与混凝土构件计算抗压强度的关系

实测抗压强度与计算抗压强度之所以存在一定的误差,是由于随着龄期的增长,混凝土超声波波速、回弹值的发展速率与抗压强度的发展速率不同。混凝土超声波波速与回弹值受到诸多因素的影响,例如蜂窝、空洞、裂缝等缺陷。由于空气阻力远小于混凝土的声阻抗率,超声波在缺陷处产生绕射,从而导致超声波波速传播途径增加,传播时间增大,最终使波速降低。随着龄期的增长,水泥水化反应不断发展,混凝土内部水泥砂浆与骨料之间更加密实,这一现象既提高了混凝土的抗压强度与回弹值,又提高了超声波在混凝土内部传播的速度。混凝土内部密实以后,超声波波速与回弹值的增长速率和抗压强度的增长速率不同步,导致计算抗压强度与实测抗压强度之间有所差异。由式(1)可以看出,超声波波速的指数为1.999,回弹值的指数为1.155,虽然超声波波速增长量较小,但是对计算抗压强度的影响较大,因此超声波波速的增高对计算抗压强度增高有着较大的影响。混凝土内部结构随着龄期的变化规律有待从微观角度进行研究。

由图6可以看出,随着龄期的增长,实测抗压强度与计算抗压强度之间差距越来越小,说明计算抗压强度增长较快,验证了随着龄期增长混凝土内部结构更加密实,超声波波速的增长对计算抗压强度影响较大。随着龄期发展到一定程度(200～400 d)以后,内部因素对超声波波速与回弹值的影响就会降低,长龄期下混凝土计算抗压强度与实测抗压强度的误差保持在一定的范围内。

2.6 实测抗压强度与回弹值和超声波波速的关系

2.6.1 混凝土实测抗压强度与超声波波速

图7为长龄期下混凝土构件超声波波速与实测抗压强度的关系。图7(a)分别拟合了不同设计强度的混凝土试件与超声波波速的关系。由图7(a)可以看出,实测抗压强度与超声波波速具有较好的线性关系,其中C30、C40混凝土构件的拟合关系式斜率相近,C20混凝土构件的拟合关系式中斜率大于其余两个。混凝土构件设计等级增大,线性拟合曲线斜率减小,说明长龄期下C20混凝土构件超声波波速更易受抗压强度的影响。

图7 长龄期下混凝土试件超声波波速与实测抗压强度的关系

将三种标号混凝土实测抗压强度与超声波波速之间的21组有效数据进行拟合,得到长龄期下混凝土抗压强度与超声波波速之间的拟合关系式,如图7(b)、式(2)所示,且式(2)仅适用于10～70 MPa的混凝土构件。

fcu=31.12v-97.84,R2=0.95

(2)

式中:fcu为混凝土试件实测抗压强度,v为超声波波速,R2为相关系数。

图7(c)为尚新想等[2]、王雪平等[6]和本文给出的超声波波速与抗压强度的关系式。尚新想等[2]给出的强度-波速表达式斜率为0.052,王雪平等[6]给出了不同标号混凝土强度-波速表达式,其中斜率最小为0.06。上述两篇文献中超声波波速单位均为m·s-1,而本文中强度-波速表达式斜率较低,转换单位以后斜率为0.031。目前混凝土强度-声速关系表达式众多,且差异较大。上述两篇文献中混凝土试件龄期均为28 d以内,而早龄期混凝土抗压强度与超声波波速发展速率较高,但随着龄期的增长,抗压强度与超声波波速发展速率会逐渐趋于稳定。若仅考虑早龄期的强度-声速表达式来计算长龄期混凝土强度时会产生较大误差,过高估计混凝土强度,因此本文强度-声速表达式更适用于长龄期混凝土强度计算。

2.6.2 混凝土实测抗压强度与回弹值

将三种标号混凝土试件实测抗压强度与平均回弹值之间的21组有效数据进行拟合,得到长龄期下混凝土试件实测抗压强度与平均回弹值之间的拟合关系式,如图8、式(3)所示(Rm为平均回弹值)。可以看出长龄期下混凝土试件实测抗压强度与平均回弹值之间有着较好的线性关系,实测抗压强度随着平均回弹值的增大而增大。式(3)仅适用于10～70 MPa的混凝土试件。

fcu=1.57Rm-17.23,R2=0.93

(3)

图8(b)为魏连雨等[14]所给强度-回弹值关系表达式与本文强度-回弹值关系式的对比,魏连雨等[14]给出的强度-回弹值表达式是基于龄期为28 d以内的混凝土。由于早期混凝土强度、回弹值发展速率与长龄期混凝土发展速率不同,因此本文提出的强度-回弹值表达式与魏连雨等[14]给出的强度-回弹值表达式有所差异,本文强度-回弹值表达式斜率更小,更适用于长龄期混凝土强度的计算。

2.7 混凝土计算抗压强度修正

长龄期会缩小相同配合比与养护条件的混凝土构件计算抗压强度与混凝土试件实测抗压强度之间存在的误差。鉴于此,将三种标号下混凝土实测抗压强度与计算抗压强度进行线性拟合,对长龄期混凝土构件超声回弹法进行修正,得到长龄期混凝土超声回弹综合法计算抗压强度与实测抗压强度关系式,可为工程实际中基于超声回弹法测试长龄期混凝土抗压强度提供参考。具体见式(4),混凝土计算强度与实测强度关系如图9所示,式(4)仅适用于抗压强度在10～70 MPa的混凝土。

图9 混凝土计算强度与实测强度的关系

(4)

fcu,0=0.028 6v1.999R1.155

式中:fcu,0为修正前混凝土强度换算值,fcu,1为修正后混凝土强度换算值。

3 结 论

1)三种标号的混凝土构件回弹值发展规律增长迅速期主要集中在180 d以前。当龄期为730 d时,三者回弹值增长速率从大到小依次为C20、C40、C30;回弹值相对增长比例依次为44%、38%、33%。

2)三种标号的混凝土构件超声波波速随龄期变化可明显分为三个阶段:28 d以前为快速增长期;28～180 d为增长速度减缓期;180 d以后为波速稳定期,超声波波速随龄期变化波动很小。当龄期为730 d时,C20混凝土构件超声波波速相对增长率为10%,C30与C40混凝土构件超声波波速相对增长率均为6%。

3)三种标号的混凝土试件实测抗压强度随龄期的增长而增长,早期增长较快,后期增长缓慢趋于稳定,同龄期时,设计强度等级高的混凝土实测抗压强度更高,且长龄期下设计强度等级低的混凝土试件实测抗压强度增长速度更快。当龄期为730 d时,C20、C30、C40混凝土试件相对抗压强度分别增长了59%、39%、35%。

4)三种标号混凝土构件计算强度随龄期变化规律与抗压强度相同。长龄期下(180 d以后),使用超声回弹综合法测试设计等级较高的混凝土构件(C40及以上)强度可能会偏高,测试设计等级较低的混凝土构件(C30及以下)强度可能会偏低。

5)超声波、回弹值均能较好地表征10～70 MPa的混凝土构件计算抗压强度,并具有较高的线性相关性,相关系数分别为0.95、0.93。混凝土构件设计强度等级过低(C30以下)会影响超声波与抗压强度的线性关系。

6)混凝土计算抗压强度与实测抗压强度之间的误差率随着龄期的增长而降低,180 d以后误差率基本趋于稳定,三种标号的混凝土计算抗压强度与实测抗压强度误差率在10%以内。对长龄期混凝土构件计算抗压强度进行了修正,实测抗压强度与计算抗压强度之间存在二次函数的关系,且相关性较好。