建設工程高強混凝土強度無損檢測技術的試驗研究

張榮成 國天逵

以常規水泥、砂石為原材料并采用常規工藝配制生產的現代高強混凝土，是從70年代初開始在混凝土組分中引入高效減水劑之后發展起來的，以后又進一步引入細粉礦物參合料如硅粉、超細礦渣、優質粉煤灰等使其性能更趨完善，克服了以往的高強混凝土因拌料高度干硬而難以施工的缺點，在混凝土的工作度、強度與抗滲性等方面具有綜合的優良性能，能夠有效降低橋梁結構自重并提高結構剛度，也能夠適應惡劣環境。

目前國際上，對在公路橋梁上使用的混凝土，按其強度有兩種分法：一種是分為高強混凝土（以C50～C100）和普通混凝土（C15～C40）；另一種是分為超高強混凝土（C70～C100）、高強混凝土（C40～C60）、普通混凝土（C15～C30）。試驗資料表明，抗壓強度高于50MPa的混凝土在許多方面包括微觀結構和混凝土性能方面均與普通混凝土有差異，因此在本試驗研究中采用了第一種分法，這也是我國工程界習慣的分法，即高強混凝土指C50～C100的混凝土。

開展C60及以上混凝土在公路橋梁上的應用研究，對于縮短我國與世界同行的差距，對于提高橋梁的使用壽命，降低養護和維修成本，是非常必要的。

自從混凝土大量應用以來，為了進行施工質量控制，人們開發出許多種無損檢測技術，目前我國無損檢測混凝土強度方面的標準有：《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》（JGJ/T 23-2011）、《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術規程》（CECS 02:2005）等。但是，當前施工現場確認結構混凝土強度質量的無損檢測技術只能適用于 50MPa以下強度的混凝土，而對于50MPa及其以上強度混凝土的強度檢測方面則無能為力，或檢測誤差過大。因此，我們針對高強混凝土，在北京和山西進行了回彈法及超聲回彈綜合法檢測強度的試驗研究。

1 試驗概況

1.1 試驗裝置

在超聲波試驗中，采用了非金屬超聲探測儀，對高強混凝土進行了超聲波測試。在回彈試驗之初曾采用標準回彈儀（2.207J）進行了回彈試驗，結果發現回彈值與混凝土強度之間離散性很大。針對這種情況我們采用標稱動能為4.5J的回彈儀—GHT450型回彈儀進行了高強混凝土測試強度試驗。回彈儀器的構造如圖1所示。

圖1 GH T450型回彈儀的構造

1.2 試件

試件混凝土強度等級為C50、C60、C70、C80。試件尺寸為邊長150mm的立方體標準試件。為模擬現場施工情況采用自然養護。

2 回彈法的基本原理及試驗結果分析

回彈儀是用一彈簧驅動的重錘，通過彈擊桿彈擊混凝土表面，測出重錘被反彈回來的距離作為回彈值，并以回彈值作為與強度相關的指標，來推定混凝土強度的一種方法。這種方法之所以應用了幾十年而未被其他方法取代，其主要原因是：儀器構造簡單、方法易于掌握、檢測效率高、成本低、影響因素較少。

回彈法測定混凝土強度的基本依據，是回彈值與混凝土抗壓強度之間的相關性。其相關關系一般以經驗公式或基準曲線的形式來確定。本次試驗步驟如下。

在試件成型側面各回彈16次→記錄每一次回彈值→回彈試驗結束后立即進行試件抗壓試驗并記錄抗壓試驗結果→測量碳化深度。數據處理時，考慮到回彈測點剛好處于石子或氣孔上的情況，將最大和最小的三個值剔除后，把余下的10個數據進行平均，作為該試件的回彈代表值。通過對666組（每1組為1個試件，每1組數據包括16個回彈值、1個抗壓試驗強度值、1個碳化深度值）共11988個數據處理，進行回歸分析后得到如下曲線公式。

R —測區平均回彈值，精確至0.1；

曲線公式的相關系數r=0.91，相對標準差er=14%。測試數據分布情況與測強曲線如圖2所示，圖中縱坐標為試件抗壓強度 ，單位為MPa，橫坐標為試件回彈代表值R。試驗時試件強度在5.8MPa～96.4MPa之間。

圖2 回彈值與混凝土抗壓強度之間的關系

試驗中發現，高強混凝土在成型后，強度增長速度很快。 在夏季（25℃～30℃）自然養護條件下，24h強度最高可達30.0MPa。10d左右即可達到強度設計值。為了了解在較大強度變化范圍內的回彈值與強度之間的關系，在試件成型后24 h即開始（即脫模時）進行試驗，考慮到盡量在試驗中捕捉到較大強度范圍的試驗數據問題，試件中加入少量的C30、C40強度等級試塊。試驗中也發現高強混凝土抗碳化能力很強，保留1年的試件仍未被碳化。

實際結構混凝土檢測步驟、數據處理辦法及混凝土強度推定等，可按傳統的回彈法進行。

3 超聲回彈綜合法基本原理和試驗結果分析

對于混凝土強度這種多要素的綜合指標來說，它與許多因素有關，比如材料本身的彈塑性、非均質性、混凝土內氣孔含量和試驗條件等等。所以人們從很早以前就采用多種檢測手段結合的辦法來綜合判斷混凝土強度，目的是為了減少單一指標判斷混凝土強度的局限性。國內外對于綜合法檢測混凝土強度雖然有過許多提案，但是經過多年工程實踐證明，當數超聲－回彈綜合法的應用最為成功。根據這種情況，并為了彌補我國《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術規程》（CECS02:2005）不適用于高強混凝土測強的欠缺，也采用超聲和回彈相結合的辦法，對高強混凝土測強進行了試驗研究。試驗中回彈測試采用GHT450型的回彈儀，混凝土超聲測試則采用了非金屬超聲儀。

非金屬超聲儀基本原理，是向待測的結構混凝土發射超聲脈沖，使其穿過混凝土。然后接收穿過混凝土后的脈沖信號，儀器顯示超聲脈沖穿過混凝土所需的時間和接收信號的波形、波幅等等。根據超聲脈沖穿越混凝土的時間（稱為聲時）和距離（稱為聲程），即可計算聲速；根據波幅可求得超聲脈沖在混凝土中的能量衰減；根據所顯示的波形，經適當處理后可得到接收信號的頻譜等信息[1]。非金屬超聲儀基本工作原理如圖3所示。

超聲回彈綜合法試驗條件如下：

試件為邊長150mm的立方體標準試件，強度等級為C30、C40、C50、C60、C70、C80，采用自然養護。考慮到高強混凝土強度增長迅速的特點，在澆注混凝土后24h開始進行試驗。試塊聲時測量，取試塊澆注方向的側面為測試面，并用鈣基脂作耦合劑。聲時測量時采用對測法，在一個相對測試面上測3點（測點布置見圖4），發射和接收探頭軸線在一直線上，試塊聲時值tm為3點的平均值，保留小數點后一位數字。試塊邊長測量精確至1mm。

圖3 非金屬超聲儀工作原理簡圖

圖4 測點布置示意圖

回彈值測量選用不同于聲時測量的另一相對側面。將試塊油污擦凈放置在壓力機上下承壓板之間加壓至80kN，在此壓力下，在試塊相對測試面上各測8點回彈值。在數據處理時，剔除3個最大值和3個最小值，將余下的10個回彈值的平均值作為該試塊的回彈代表值R，計算精度至0.1。

回彈值測試完畢后卸荷，將回彈面放置在壓力承壓板間連續均勻加荷至破壞。抗壓強度值fcu精確至0.1MPa。經過對所取得的13500個數據整理回歸分析后得到如下測強公式。

圖5的關系

曲線公式的相關系數r = 0.93，相對標準差er=14%。試驗時試件強度在5.8MPa～96.4MPa之間。

4 計算公式精度驗證

在結束上述試驗研究后，又委托施工單位對回彈法、超聲回彈綜合法計算公式作了施工現場驗證工作。驗證測試結果見表1，綜合法的相對標準差為12.1%，回彈法相對標準差為12.4%，回彈法、超聲回彈綜合法的相對標準差均滿足《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術規程》（CECS 02:2005）對測強曲線的使用精度要求。

結論

（1）回彈法、超聲回彈綜合法可以對高強混凝土進行檢測。檢測精度滿足現場質量控制要求。

（2）回彈法可采用如下計算公式進行混凝土強度換算。

式中， —測區混凝土強度換算值（MPa），精確至0.1MPa；

表1 測強曲線驗證結果

R —測區平均回彈值，精確至0.1；

（3）可不考慮高強混凝土碳化對回彈值的影響。

（4）超聲回彈綜合法可采用如下計算公式進行混凝土強度換算。

（5）采用上述測強公式進行回彈檢測時，應采用本文所述的GHT450型高強混凝土回彈儀。

（6）測強曲線的應用，應控制在建立測強曲線時的試件強度范圍，不得外推。

（7）檢測時可參照《高強混凝土強度檢測技術規程》（JGJ/T 294-2013）中的規定，進行回彈值測量、超聲聲時值測量和結構混凝土強度推定。

[1] 吳慧敏《結構混凝土現場檢測技術》湖南大學出版社, 1988年6月

[2] 《新編混凝土無損檢測技術》中國環境出版社, 2001年10月