回弹法检测蒸压粉煤灰砖抗压强度

王奕智，徐树全，b，*，曾庆龙，b，于洋洋，韩雨琦

(黑龙江大学 a.建筑工程学院；b.工程检测咨询有限公司，哈尔滨 150080)

0 引 言

回弹法作为非破损检测方法，是国内检测砌块抗压强度较为广泛的一种方法[1-3]。目前颁布的检测标准中，《回弹仪评定烧结普通砖强度等级的方法》(JCT 796-2013)[4]用于普通烧结砖的强度检验。但在回弹法检测非烧结砖方面，相关技术规程还不够完善。在实际工程中，针对非烧结砖的回弹法检测还依赖于经验判断[5-6]，为此有必要建立非烧结砖的回弹测强曲线。本文通过使用ZC4型回弹仪和600 kN电液伺服万能机对黑龙江省某工程的65块蒸压粉煤灰砖进行回弹测试及抗压强度试验，参考现行标准已有的普通烧结砖测强曲线，根据试验得到回弹值及抗压强度值，经过数据回归分析和曲线拟合提出适合本工程的低强度蒸压粉煤灰砖回弹法测强曲线的一般公式。

1 试验概况

本次试验选用黑龙江省某工程中3栋建筑(33号、66号、72号住宅楼)的65块蒸压粉煤灰砖，尺寸为240 mm×110 mm×53 mm标准块作为试验试件，分别通过回弹法和抗压强度试验得出蒸压粉煤灰砖的回弹值和实验室抗压强度值。

1.1 回弹测试方法

测试砖块的选取参考规范[4]中对烧结砖试样的取样要求，被测砖块外观质量必须是合格完整砖块，砖各面清洁、平整，对有粉刷层、条面有凸起的须用砂轮磨除，并用毛刷刷去表面粉尘。此外，被测砖要求表面为自然干燥状态。

本次试验采用的回弹测试方法如下：选取好的测试砖块样按顺序编号，依次放置于压力机上进行回弹测试，并记录回弹值。使用回弹仪测试时应保证回弹仪的轴线始终垂直于砖样条面，测点位置选取在砖样条面中间部位，测点的水平间距为20～30 mm，每块砖样在两个条面上各测5点回弹值，选点时尽量避开焦花、裂纹、粘底、凹坑及灰石爆裂点。本次回弹试验采用ZC4型回弹仪(标称动能 0.735 J)[7-8]。

1.2 抗压试验方法

蒸压粉煤灰砖的抗压试验参考《砌墙砖试验方法》(GB/T 2542-2012)[9]，采用锯石机将经过回弹测试的标准块从中间部位切割开，交错叠加用坐浆法找平，并要求叠合的半砖部分长度大于100 mm，制作成标准抗压强度试件(图1(a))。试件养护完成后，在黑龙江大学600 kN电液伺服万能机下以速度2 kN·s-1进行抗压试验(图1(b))，并记录抗压强度值。

图1 抗压强度试件Fig.1 Compressive strength test piece

2 回弹值影响因素分析

在实际房屋现场检测实践中，既有砌体中砌块的约束条件、受力状态、使用环境及以使用年限各不相同，砌筑砂浆强度等级和砌体所受压力大小在不同楼层、不同位置各不相同。考虑本次试验针对的是已使用10 a的既有工程，为了保证回弹检测蒸压粉煤灰砖试验方法的可行性，需要先对不同竖向压力、含水率、试验方法及碳化深度对回弹值大小的影响进行分析。

2.1 竖向压力的影响

随机选取10个砌块，采用回弹测试方法，利用压力机对试件分级加载，在加载的过程中使用测砖ZC4型回弹仪测得回弹值。试验过程将荷载分为5级，对各个试件在20、40、60、80、100 kN竖向压力下进行回弹测试，分别得到10个砌块在不同竖向压力作用下的回弹值，10个试件的竖向压力-回弹平均值数据描绘成散点图，见图2。

图2 竖向压力对回弹值的影响Fig.2 Effect of vertical pressure on rebound value

由图2可见，在不同竖向压力下，回弹仪对试件测得的竖向压力-回弹平均值散点连线略有上升，但总体提高幅度不大，蒸压粉煤灰砖的回弹值也无明显波动。因此在使用回弹仪对低强度蒸压粉煤灰砖进行强度测试时，竖向压力对回弹值的影响可忽略不计。

2.2 含水率的影响

对于潮湿状态的试件，其表面的含水率直接影响砖的表面硬度，使回弹值降低，影响回弹法测得的精度。因此被测砌体的含水率直接影响应用回弹法检测蒸压粉煤灰砖测得的回弹值精度[10-11]。在实际工程中采用回弹法检测砌体强度时，应充分考虑到砌体含水率对回弹值的影响[10]。相同等级的蒸压粉煤灰砖随着含水率的增大，其回弹值和抗压强度值均下降，下降最大可达13.6%，在使用回弹法检测蒸压粉煤灰砖时应该考虑含水率对检测精度的影响，尽量保证其处于最佳含水率为8.6%～11.0%[12]。但本次试验中采用的试件，均为同一条件下选取砌块，将其在实验室中风干至相同含水率，故本次试验中含水率不会对试验结果造成影响。

2.3 试验方法影响

应用回弹法研究砌体中砖块回弹值与抗压强度值关系时，需要对回弹值与抗压强度值进行回归分析建立测强曲线，回弹测试时一般无须对现场回弹值进行修正。在进行回弹值测量阶段，本次检测项目主要采用两种试验方法测试回弹值。

方法1：对实际工程中砌体承重墙检测区中的蒸压粉煤灰砖进行现场回弹测试。每块砖弹击5个测点，测点横向为一字型排列，间距不宜过小，测点边缘与砖边缘距离不小于20 mm。测试完成后对该砖块进行标号记录。

方法2：用切割机对方法1中标号的蒸压粉煤灰砌体中切出后再将其表面打磨干净平整，按照文献[9]将其制作成标准抗压强度试件，然后将试件放于实验室压力机上，加载至20 kN，进行回弹测试。

试验步骤如下：在66号住宅楼1～5层中每层选取3块砖，共计15块进行试验方法对比分析。先按照上述方法1在工程现场对15块蒸压粉煤灰砖进行回弹测试，测试完毕后按照方法2进行切割、处理后在实验室进行回弹测试，得到两组试验方法的回弹值见图3。

由图3可见，虽然同一试件在两种不同试验方法下测得的回弹值略有不同，但差值很小，应用方法1和方法2测试得到的回弹平均值相差小于5%。因蒸压粉煤灰砖在以上两种测试方法下测得的回弹值非常接近，试验方法对回弹数值的影响可以忽略不计。

2.4 碳化作用的影响

本次工程中所测试的蒸压粉煤灰砖砖龄均为10 a，其表面均已充分碳化，无法对样砖进行碳化作用的影响性分析。参考相关资料：碳化是蒸压粉煤灰砖中的碱性物质与二氧化碳发生化学反应，使其碱度降低[11]；另外，碳化后有CaCO3和SiO2生成，引起砖空隙发生改变进而增强其强度尤其是表面强度。在相关学者[12-13]的砌体碳化作用影响研究中，均阐述并分析了碳化使砌体回弹值稍有增大，但其增幅并不显著，文献[12]研究结果表明碳化作用基本不影响回弹法检测蒸压粉煤灰砖的强度精度，故本次试验不考虑碳化作用的影响。

通过上述试验及分析可知，应用回弹法对蒸压粉煤灰砖测量强度时，竖向压力、试验方法、碳化作用均对测强结果精度影响不大，在实际工程测试中可以不考虑；含水率对回弹测试结果影响较大，在进行回弹法测试时，需保证被测试样表面干燥以不影响回弹测试结果准确性。

3 试验结果与规范对比

将本次试验的65个蒸压粉煤灰砖试件经过回弹测试及抗压试验得到回弹值与抗压强度值，将65块砖随机平均分成5组，取其平均值进行对比分析。分别按照《砌体工程现场检测技术标准》(GB/T50315-2011)、四川省地方标准《回弹法评定砌体中烧结普通砖强度等级技术规程》(DBJ51/T 049-2015)、安徽省地方标准《回弹法检测砌体中普通黏土砖抗压强度技术规程》(DB 34/T234-2002)、福建省地方标准《回弹法检测砌体中普通黏土砖抗压强度技术规程》(DBJ 13-73-2006)[14]中的测强公式代入计算，相关标准公式汇总见表1，得到换算强度值，并与抗压试验所测得的实验室抗压强度值进行比较，比较结果见表2。

表1 相关检测标准回弹法测强公式汇总

表2 相关测强曲线强度换算结果对比

由表2可见，国家标准《砌体工程现场检测技术标准》(GB/T50315-2011)及地方标准换算得到的抗压强度值均远低于实际砌体抗压强度值，可见相关规范中有关烧结砖回弹测强曲线不适用于回弹法检测蒸压粉煤灰砖的抗压强度。相较于传统烧结普通砖，蒸压粉煤灰砖以粉煤灰、石灰、石膏以及骨料为原料，经过胚料制备、压制成型、高压蒸汽养护等工艺过程制成的实心粉煤灰砖，其制作工艺与烧结普通砖完全不同。影响蒸压粉煤灰砖强度的主要因素是由于水泥、石膏、石灰激发剂的存在使粉煤灰中的Si-O、Al-O键破坏，使其快速溶出残余水化反应，同时水化物提供的钙离子可提升砖体强度，水泥中的C3S、C2S、C3A等矿物的存在，生成CSH附着于粉煤灰粒子表面，也提升了粉煤灰砖的整体强度[15-17]。因此有必要对回弹法检测蒸压粉煤灰砖的适用性进行探究。

4 测强曲线拟合

因现行各类回弹法检测砌体抗压强度规范无法准确描述蒸压粉煤灰砖回弹值与抗压强度值的关系。参考文献[12]中提出的4种不同形式曲线，以单块砖回弹数据为一个组别，将65组原始回弹值-抗压强度数据代入上述文献提出的回归公式，结果见表3。 由表3可见，相较于现行检测烧结砖的部分技术标准，文献[12]提出的回归公式在反映本文回弹值为30～37的蒸压粉煤灰砖抗压强度效果也并不理想，其中幂函数表达式平均相对误最小为28.49%，高于文献[4]中地方测强曲线中规定的平均相对误差应小于13%的要求。

表3 抗压强度换算结果

考虑本文砖块强度区间在12～18 MPa，不同于文献的10～30 MPa，以及地方差异可能导致砌块性能表现不同。在采用其直线函数、幂函数、指数函数、抛物线函数4种形式下，使用origin软件按最小二乘法对本次试验的65组原始数据进行回归分析，拟合结果见表4、图4。由表4可见，将65组原始数据拟合而成的4种回弹值与抗压强度值的函数表达式，其中相关系数最大只有0.47，表明在原始数据中，两个变量间的相关性并不显著，为了进一步探究变量之间的关系，需要对65组原始数据进行进一步处理。

表4 65组回弹值-抗压强度数据拟合结果

图4 4种函数形式拟合图像Fig.4 Fitting images with four function forms

在处理试验数据某一指标时，通常采取将数据多次平均值的方法来提高检测精度[12]。平均值在一定条件下可以反映试验的真实水平，以下将采用平均值替代真值方法处理数据。将回弹值-抗压强度数据65组按回弹值从低到高排序，将排序后的数据进行等距离分组，每组数据之间的间距d取0.20，此时组距d(0.20)与全距D(6.19)的比值d/D较小(d/D=0.03)，组内方差平均值和误差带来的影响可忽略不计；分组后去除组内无数据的区间，重新计算每组内的回弹值平均值及抗压强度平均值，可得到18组回弹平均值和抗压强度平均值数据；将处理后的18组数据应用origin软件进行回归分析和数据拟合，得到蒸压粉煤灰砖的测强曲线(图5)。计算各拟合公式的平均相对误差(%)和相对标准差(%)，结果见表5。

表5 18组回弹值-抗压强度数据拟合结果

图5 18组回弹值-抗压强度数据拟合图像Fig.5 Fitting images with 18 groups of rebound value compressive strength data

由表5可见，重新拟合后的4种函数表达式的相关系数有了一定幅度的提高，平均相对误差满足规范中不大于13.0%的要求，均方相对误差也满足规范中小于16.0%的要求，说明4个回归方程的拟合效果均满足规范中对地方测强曲线的要求，又较为准确地描述回弹值与抗压强度的关系。综合考虑相关系数、平均相对误差及均方相对误差，指数函数和抛物线函数的回归方程预测效果相似，相关系数为0.81，平均相对误差为4.19%，均方相对误差为5.23%；将指数函数和抛物线函数系数简化后发现，指数函数预测的强度值总体略高于抛物线预测的强度值，考虑到工程应用安全性，选取预测效果更为保守的抛物线函数作为检测工程低强度蒸压粉煤灰砖的测强曲线，表达式为

f=0.03R2-1.13R+18.29

(1)

式中：R为10块砖样回弹平均值，30≤R≤37。

5 验证试验

为验证本文提出的测强曲线的可靠性，在黑龙江省某小区5栋蒸压粉煤灰砖砌体建筑中进行验证。每栋建筑选取3个测区，每个测区切割出1块完整的砌块，进行实验室抗压强度试验，测得实际抗压强度值。再于每栋建筑中布置10个回弹测试区，每个测区随机选择10块条面向外的砖进行回弹测试(图6)，测得的回弹平均值按式(1)计算得到换算抗压强度值。将换算强度平均值与实测抗压强度平均值进行比较并计算平均相对误差。各楼栋试验结果见表6，计算均方相对误差 14.56%。

表6 取样试验结果

图6 现场回弹检测Fig.6 Detect photo

由表6可见，回归方程符合文献[4]中规定的地方测强曲线中平均相对误差小于13%、均方相对误差小于16%的精度要求。通过实际工程验证结果可知，将本文提出的公式应用于回弹法检测回弹值区间30～37、实际抗压强度12～18 MPa的蒸压粉煤灰砖强度是可行的。当超出本文测强曲线的测强范围时，应进行验证后使用。

6 结 论

通过回弹测试及抗压强度试验对蒸压粉煤灰砖抗压强度探究，得出以下结论：

1)竖向压力、试验方法、碳化作用对推定蒸压粉煤灰砖的强度精度影响不大，应用回弹法测蒸压粉煤灰砖强度时以上影响因素可忽略不计。

2)通过试验数据应用多种表达式拟合结果可见，本文建议采用抛物线函数表达式作为其拟合曲线。基于此基础并依据国家现行规范和技术要求，提出了适合本工程的回弹法检测低强度蒸压粉煤灰砖的强度曲线，测强公式为f=0.03R2-1.13R+18.29。本文提出的抛物线形式测强曲线经验证试验表明，该公式误差较小，满足精度要求。