建設(shè)工程高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度無損檢測技術(shù)的試驗研究

張榮成 國天逵

以常規(guī)水泥、砂石為原材料并采用常規(guī)工藝配制生產(chǎn)的現(xiàn)代高強(qiáng)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(fā)展起來的，以后又進(jìn)一步引入細(xì)粉礦物參合料如硅粉、超細(xì)礦渣、優(yōu)質(zhì)粉煤灰等使其性能更趨完善，克服了以往的高強(qiáng)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(qiáng)度與抗?jié)B性等方面具有綜合的優(yōu)良性能，能夠有效降低橋梁結(jié)構(gòu)自重并提高結(jié)構(gòu)剛度，也能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境。

目前國際上，對在公路橋梁上使用的混凝土，按其強(qiáng)度有兩種分法：一種是分為高強(qiáng)混凝土（以C50～C100）和普通混凝土（C15～C40）；另一種是分為超高強(qiáng)混凝土（C70～C100）、高強(qiáng)混凝土（C40～C60）、普通混凝土（C15～C30）。試驗資料表明，抗壓強(qiáng)度高于50MPa的混凝土在許多方面包括微觀結(jié)構(gòu)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(xí)慣的分法，即高強(qiáng)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(yīng)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(yǎng)護(hù)和維修成本，是非常必要的。

自從混凝土大量應(yīng)用以來，為了進(jìn)行施工質(zhì)量控制，人們開發(fā)出許多種無損檢測技術(shù)，目前我國無損檢測混凝土強(qiáng)度方面的標(biāo)準(zhǔn)有：《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 23-2011）、《超聲回彈綜合法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（CECS 02:2005）等。但是，當(dāng)前施工現(xiàn)場確認(rèn)結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度質(zhì)量的無損檢測技術(shù)只能適用于 50MPa以下強(qiáng)度的混凝土，而對于50MPa及其以上強(qiáng)度混凝土的強(qiáng)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(qiáng)混凝土，在北京和山西進(jìn)行了回彈法及超聲回彈綜合法檢測強(qiáng)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(qiáng)混凝土進(jìn)行了超聲波測試。在回彈試驗之初曾采用標(biāo)準(zhǔn)回彈儀（2.207J）進(jìn)行了回彈試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)回彈值與混凝土強(qiáng)度之間離散性很大。針對這種情況我們采用標(biāo)稱動能為4.5J的回彈儀—GHT450型回彈儀進(jìn)行了高強(qiáng)混凝土測試強(qiáng)度試驗。回彈儀器的構(gòu)造如圖1所示。

圖1 GH T450型回彈儀的構(gòu)造

1.2 試件

試件混凝土強(qiáng)度等級為C50、C60、C70、C80。試件尺寸為邊長150mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試件。為模擬現(xiàn)場施工情況采用自然養(yǎng)護(hù)。

2 回彈法的基本原理及試驗結(jié)果分析

回彈儀是用一彈簧驅(qū)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(qiáng)度相關(guān)的指標(biāo)，來推定混凝土強(qiáng)度的一種方法。這種方法之所以應(yīng)用了幾十年而未被其他方法取代，其主要原因是：儀器構(gòu)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(qiáng)度的基本依據(jù)，是回彈值與混凝土抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)性。其相關(guān)關(guān)系一般以經(jīng)驗公式或基準(zhǔn)曲線的形式來確定。本次試驗步驟如下。

在試件成型側(cè)面各回彈16次→記錄每一次回彈值→回彈試驗結(jié)束后立即進(jìn)行試件抗壓試驗并記錄抗壓試驗結(jié)果→測量碳化深度。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)據(jù)包括16個回彈值、1個抗壓試驗強(qiáng)度值、1個碳化深度值）共11988個數(shù)據(jù)處理，進(jìn)行回歸分析后得到如下曲線公式。

R —測區(qū)平均回彈值，精確至0.1；

曲線公式的相關(guān)系數(shù)r=0.91，相對標(biāo)準(zhǔn)差er=14%。測試數(shù)據(jù)分布情況與測強(qiáng)曲線如圖2所示，圖中縱坐標(biāo)為試件抗壓強(qiáng)度 ，單位為MPa，橫坐標(biāo)為試件回彈代表值R。試驗時試件強(qiáng)度在5.8MPa～96.4MPa之間。

圖2 回彈值與混凝土抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系

試驗中發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)混凝土在成型后，強(qiáng)度增長速度很快。 在夏季（25℃～30℃）自然養(yǎng)護(hù)條件下，24h強(qiáng)度最高可達(dá)30.0MPa。10d左右即可達(dá)到強(qiáng)度設(shè)計值。為了了解在較大強(qiáng)度變化范圍內(nèi)的回彈值與強(qiáng)度之間的關(guān)系，在試件成型后24 h即開始（即脫模時）進(jìn)行試驗，考慮到盡量在試驗中捕捉到較大強(qiáng)度范圍的試驗數(shù)據(jù)問題，試件中加入少量的C30、C40強(qiáng)度等級試塊。試驗中也發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)混凝土抗碳化能力很強(qiáng)，保留1年的試件仍未被碳化。

實際結(jié)構(gòu)混凝土檢測步驟、數(shù)據(jù)處理辦法及混凝土強(qiáng)度推定等，可按傳統(tǒng)的回彈法進(jìn)行。

3 超聲回彈綜合法基本原理和試驗結(jié)果分析

對于混凝土強(qiáng)度這種多要素的綜合指標(biāo)來說，它與許多因素有關(guān)，比如材料本身的彈塑性、非均質(zhì)性、混凝土內(nèi)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(jié)合的辦法來綜合判斷混凝土強(qiáng)度，目的是為了減少單一指標(biāo)判斷混凝土強(qiáng)度的局限性。國內(nèi)外對于綜合法檢測混凝土強(qiáng)度雖然有過許多提案，但是經(jīng)過多年工程實踐證明，當(dāng)數(shù)超聲－回彈綜合法的應(yīng)用最為成功。根據(jù)這種情況，并為了彌補我國《超聲回彈綜合法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（CECS02:2005）不適用于高強(qiáng)混凝土測強(qiáng)的欠缺，也采用超聲和回彈相結(jié)合的辦法，對高強(qiáng)混凝土測強(qiáng)進(jìn)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(jié)構(gòu)混凝土發(fā)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(jù)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(jù)波幅可求得超聲脈沖在混凝土中的能量衰減；根據(jù)所顯示的波形，經(jīng)適當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)試件，強(qiáng)度等級為C30、C40、C50、C60、C70、C80，采用自然養(yǎng)護(hù)。考慮到高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度增長迅速的特點，在澆注混凝土后24h開始進(jìn)行試驗。試塊聲時測量，取試塊澆注方向的側(cè)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(fā)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(shù)點后一位數(shù)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(cè)面。將試塊油污擦凈放置在壓力機(jī)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(shù)據(jù)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(xù)均勻加荷至破壞。抗壓強(qiáng)度值fcu精確至0.1MPa。經(jīng)過對所取得的13500個數(shù)據(jù)整理回歸分析后得到如下測強(qiáng)公式。

圖5的關(guān)系

曲線公式的相關(guān)系數(shù)r = 0.93，相對標(biāo)準(zhǔn)差er=14%。試驗時試件強(qiáng)度在5.8MPa～96.4MPa之間。

4 計算公式精度驗證

在結(jié)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(xiàn)場驗證工作。驗證測試結(jié)果見表1，綜合法的相對標(biāo)準(zhǔn)差為12.1%，回彈法相對標(biāo)準(zhǔn)差為12.4%，回彈法、超聲回彈綜合法的相對標(biāo)準(zhǔn)差均滿足《超聲回彈綜合法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（CECS 02:2005）對測強(qiáng)曲線的使用精度要求。

結(jié)論

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

（2）回彈法可采用如下計算公式進(jìn)行混凝土強(qiáng)度換算。

式中， —測區(qū)混凝土強(qiáng)度換算值（MPa），精確至0.1MPa；

表1 測強(qiáng)曲線驗證結(jié)果

R —測區(qū)平均回彈值，精確至0.1；

（3）可不考慮高強(qiáng)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(jìn)行混凝土強(qiáng)度換算。

（5）采用上述測強(qiáng)公式進(jìn)行回彈檢測時，應(yīng)采用本文所述的GHT450型高強(qiáng)混凝土回彈儀。

（6）測強(qiáng)曲線的應(yīng)用，應(yīng)控制在建立測強(qiáng)曲線時的試件強(qiáng)度范圍，不得外推。

（7）檢測時可參照《高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度檢測技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 294-2013）中的規(guī)定，進(jìn)行回彈值測量、超聲聲時值測量和結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度推定。

[1] 吳慧敏《結(jié)構(gòu)混凝土現(xiàn)場檢測技術(shù)》湖南大學(xué)出版社, 1988年6月

[2] 《新編混凝土無損檢測技術(shù)》中國環(huán)境出版社, 2001年10月