甌越大橋混凝土超聲回彈綜合法專用測強曲線

劉漢勇，趙尚傳江力財

（1. 交通運輸部公路科學研究院 橋梁技術研究中心，北京，100088；2. 清華大學 土木工程系，北京，100084；3. 大連理工大學 土木工程學院，遼寧 大連，116024）

甌越大橋混凝土超聲回彈綜合法專用測強曲線

劉漢勇1，2，趙尚傳1，江力財3

（1. 交通運輸部公路科學研究院 橋梁技術研究中心，北京，100088；2. 清華大學 土木工程系，北京，100084；3. 大連理工大學 土木工程學院，遼寧 大連，116024）

為解決甌越大橋混凝土強度無損檢測技術，通過試驗系統研究單摻、雙摻粉煤灰和礦粉對混凝土回彈值、聲速代表值與抗壓強度關系的影響，分別建立使用普通回彈儀和高強回彈儀時的甌越大橋混凝土超聲回彈綜合法專用測強曲線，并通過現場試驗驗證所建立專用測強曲線的可靠性。研究結果表明：當粉煤灰最大摻量為取代35%的水泥用量，礦粉最大摻量為取代50%的水泥用量時，摻合料類型和摻加方式對混凝土回彈值和聲速代表值與抗壓強度的關系均無顯著影響；使用普通回彈儀和高強回彈儀建立的超聲回彈綜合法專用測強曲線公式分別適用于對強度等級為C35～C80和C50～C80的同類混凝土進行強度無損檢測，使用方便，且具有較高精度。

橋梁工程；測強曲線；試驗研究；甌越大橋；超聲回彈綜合法

回彈法是非破損檢測技術檢測混凝土抗壓強度的一種常用方法，是利用混凝土的表面硬度（回彈值）與混凝土抗壓強度之間的關系來推定混凝土抗壓強度的一種間接檢測混凝土抗壓強度的方法［1］。但對于內部存在缺陷，或表層與內部質量存在明顯差異的混凝土構件，回彈法難以很好地反映混凝土的質量［2］。超聲回彈綜合法可根據測得的回彈值和聲速代表值，基于已建立的測強曲線公式推算混凝土抗壓強度，由于使用了2種非破損檢測手段，該方法在一定程度上彌補了單一檢測方法的不足。目前，超聲回彈綜合法逐漸成為結構無損檢測領域中用于推定混凝土抗壓強度的最常用的方法之一［3-4］。我國公路交通行業一直沿用中國工程建設標準化協會制定的“超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術規程”（CECS 02）中的混凝土超聲回彈綜合法測強曲線。由于我國幅員遼闊，材料分散，混凝土品種繁多，加之生產工藝又不斷改進，全國統一測強曲線很難適應全國各地的情況。現行行業標準“超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術規程”（CECS 02：2005）［5］指出：“凡有條件的省、自治區、直轄市，可采用本地區常用的有代表性的材料、成型養護工藝和齡期為基本條件，建立本地區測強曲線或大型工程專用測強曲線。為提高混凝土強度換算值的準確性和可靠性，進行混凝土強度無損檢測時，應優先采用專用或地區測強曲線。”當前，國內許多地區通過試驗建立了地區測強曲線或專用測強曲線［6-9］，這些測強曲線公式大都采用CECS 02： 2005附錄A提供的三參數冪函數的形式進行擬合。部分研究人員認為，三參數冪函數擬合公式并不是超聲回彈綜合法測強曲線的最佳擬合公式，這些研究人員提出了五參數冪函數擬合公式、多項式擬合公式、指數函數擬合公式、組合測強曲線公式等多種不同的公式形式，在一定程度上提高了超聲回彈綜合法測強曲線公式的擬合精度［10-12］。另外，為提高測試精度，張競男等［13-14］在超聲回彈綜合法的基礎上又引入了鉆芯法，形成了超聲-回彈-鉆芯綜合測強法。這些研究提升了超聲回彈綜合法的測試精度，為該方法的推廣應用奠定了基礎。也有學者專門針對超聲回彈綜合法在檢測橋梁結構中的應用進行了專門研究［9，15］，為該方法更好的應用于橋梁結構檢測奠定了基礎。甌越大橋為連接溫州市與永嘉縣的交通樞紐，主橋橋跨布置為（84+200+84） m=368 m，采用三孔一聯的鋼-混凝土混合梁連續剛構橋。為解決甌越大橋混凝土強度無損檢測技術，本文作者進行了專門的試驗研究，根據測試結果建立了甌越大橋混凝土超聲回彈綜合法專用測強曲線。測強曲線的建立，既可服務于甌越大橋后期的檢修、養護管理，也可為該地區的其他工程提供參考。

1 試驗

1.1 試驗設備

ZC3-A型普通回彈儀（標準能量 2.207J）和 H450（GHT450）高強混凝土回彈儀（標準能量4.50J），前者用于對所有批次混凝土試塊進行回彈測試，后者用于對C50及以上強度等級的混凝土試塊進行回彈測試；ZBL-U510非金屬超聲檢測儀；300 t壓力試驗機。

1.2 試驗材料

試驗試件的成型和測試工作均在甌越大橋施工現場進行，試驗所用原材料均取自現場，與甌越大橋所用原材料相同。

水泥：安徽海螺水泥股份有限公司生產的P.II 52.5硅酸鹽水泥，其物理力學性能見表1。

表1 P.II 52.5水泥性能指標Table 1 Performance indexes of P.II 52.5 cement

摻合料：粉煤灰為溫州電廠的I級粉煤灰，其技術指標見表 2；礦粉選用張家港恒昌產礦粉，其技術指標見表3。

集料：細集料為福建產中砂，細度模數2.7；粗集料為溫州產碎石，5～25 mm連續級配。

減水劑：選用南京凱迪產 PC聚羧酸高性能減水劑，經測試，混凝土坍落度為200 mm時，減水率為25.8%，摻加PC聚羧酸高性能減水劑后，混凝土泌水率比為8.3%。

拌合用水：普通自來水。

表2 粉煤灰技術指標Table 2 Performance indexes of fly ash

表3 礦渣性能指標Table 3 Performance indexes of ground slag

1.3 試驗試件

針對甌越大橋承臺、墩柱所采用的摻加了大摻量摻合料和外加劑的海工混凝土，設計了5個強度等級的混凝土試塊：海工C35，C40，C50，C60和C70；針對甌越大橋箱梁所采用的高強混凝土，設計了5個強度等級的混凝土試塊：箱梁C40，C50，C60，C70和C80；針對甌越大橋鋼混結合段所采用的微膨脹混凝土，設計了微膨脹C60混凝土試塊；為研究摻合料類型對超聲回彈綜合法測強曲線的影響，選取海工C50混凝土的配合比作為基準配合比，調整摻合料用量，分為單摻粉煤灰、單摻礦粉和二者復摻3種情況。以上每種情況每個齡期制作9個邊長為150 mm的立方體試塊，全部試驗共計制作了1 530個混凝土試驗試塊。

試驗所用混凝土采用施工現場的攪拌站攪拌，試驗試塊采取室外自然養護。

1.4 測試過程

參照CECS 02： 2005中的相關規定，于7 d，14 d，28 d，60 d，90 d，180 d和365 d齡期，分別依次測試每一混凝土試塊的超聲值、回彈值和抗壓強度。超聲測點布置見圖1，回彈測點布置見圖2。

圖1 超聲測點布置圖Fig.1 Ultrasonic point layout diagram

圖2 回彈測點布置圖Fig.2 Rebound point layout diagram

2 測試結果分析

2.1 摻合料對測強曲線的影響

為分析摻合料類型對測強曲線（回彈值、超聲值與抗壓強度的關系）的影響，本文共設計了3種摻合料摻加方式的混凝土試塊，分別為單摻粉煤灰（15%，25%和35%）、單摻礦粉（15%，35%和50%）和雙摻粉煤灰與礦粉。這里對使用不同摻合料的混凝土試塊的測試結果進行分析，明確摻合料類型對回彈值、超聲值與抗壓強度關系的影響，為建立超聲回彈綜合法專用測強曲線奠定基礎。

2.1.1 摻合料類型對回彈值與抗壓強度關系的影響

圖3 回彈值與抗壓強度的關系Fig.3 Relationship between rebound value and compressive strength

根據測試結果，3類試驗試件的回彈值（Rm）與抗壓強度（fcu）的關系如圖3所示。從圖3（a）可以看出：使用ZC3-A型普通回彈儀測得的3類試驗試件的回彈值與抗壓強度之間的關系點大致分布在相同的條帶范圍內，且回彈值隨抗壓強度的增長呈現出相同的發展規律，均接近線性關系，使用 ZC3-A型普通回彈儀測得的回彈值與抗壓強度之間的關系并未受到摻合料類型的影響。

從圖3（b）可以看出：使用H450型高強回彈儀測得的3類試驗試件的回彈值與抗壓強度之間的關系均呈現出二次拋物線關系，且數據點分布在大致相同的條帶范圍內，也未明顯受到摻合料類型的影響。

2.1.2 摻合料類型對超聲值與抗壓強度關系的影響

根據測試結果，3種摻合料摻加方式的試驗試件測得的聲速代表值（v）與抗壓強度的關系如圖4所示。由圖4可以看出：3類試驗試件測得的聲速代表值與抗壓強度之間的關系點大致分布在相同的條帶范圍內，且聲速代表值隨抗壓強度的增長呈現出大致相同的發展規律，未明顯受到摻合料類型的影響。

綜上所述，可以認為：在本文所采用的摻合料用量范圍內（粉煤灰最大摻量為取代35%的水泥用量，礦粉最大摻量為取代50%的水泥用量），摻合料類型對試驗試件的回彈值和聲速代表值與抗壓強度的關系無明顯影響。經分析，摻合料用量對回彈值、超聲值與抗壓強度的關系也無明顯影響。因此，可將測得的所有數據綜合在一起，以便回歸得到甌越大橋混凝土超聲回彈綜合法專用測強曲線。

圖4 超聲波速與抗壓強度的關系Fig.4 Relationship between ultrasonic velocity and compressive strength

2.2 普通回彈儀超聲回彈綜合法測強曲線

將所測得的所有試驗試件的回彈值（ZC3-A型普通回彈儀）、聲速代表值以及抗壓強度繪于坐標系中，如圖5所示。選取不同的函數形式對測試結果進行擬合，經試驗，使用多項式函數、三參數冪函數及五參數冪函數進行擬合時具有較高的擬合精度，3種函數形式的擬合結果及相對誤差如表4所示，3種函數的回歸曲面見圖5。從表4可以看出：3種回歸公式的相對誤差er均滿足CECS 02： 2005要求的超聲回彈綜合法專用測強曲線相對誤差er≤12.0%的要求，其中，五參數冪函數公式的相對誤差最小，因此，本文建議使用五參數冪函數公式作為甌越大橋混凝土超聲回彈綜合法專用測強曲線公式：

2.3 高強混凝土回彈儀超聲回彈綜合法測強曲線

將使用 H450型高強回彈儀所測得的回彈值、聲速代表值以及抗壓強度繪于坐標系中，如圖6所示，同樣選取多項式函數、三參數冪函數及五參數冪函數對測試結果進行擬合，擬合結果及相對誤差如表5所示，3種函數的回歸曲面見圖6。從表5可以看出：3種回歸公式的相對誤差er均滿足CECS 02： 2005要求的超聲回彈綜合法專用測強曲線相對誤差 er≤12.0%的要求，五參數冪函數公式的相對誤差最小，因此，本文建議使用五參數冪函數公式作為甌越大橋混凝土超聲回彈綜合法專用測強曲線公式：

式中：Rm2為 H450型高強回彈儀測得的測區平均回彈值。

對比測強曲線公式（1）和（2）可以看出：2個測強曲線公式均滿足CECS 02： 2005要求超聲回彈綜合法專用測強曲線相對誤差er≤12.0%的要求，且式（1）和式（2）的精度相當。故本文建立的普通混凝土回彈儀超聲回彈綜合法測強曲線可用于對強度等級 C35～C80的同類混凝土進行強度無損檢測，高強混凝土回彈儀超聲回彈綜合法測強曲線可用于對強度等級 C50～C80的同類混凝土進行強度無損檢測。

表4 回歸公式比較（ZC3-A型普通回彈儀）Table 4 Comparison of regression equation （ZC3-A rebound instrument）

圖5 數據點及回歸曲面（ZC3-A型普通回彈儀）Fig.5 Data point and regression surface （ZC3-A rebound instrument）

圖6 數據點及回歸曲面（H450型高強回彈儀）Fig.6 Data point and regression surface （H450 rebound instrument）

表5 回歸公式比較（H450型高強回彈儀）Table 5 Comparison of regression equation （H450 rebound instrument）

3 測強曲線驗證

為驗證本文所建立的甌越大橋混凝土超聲回彈綜合法專用測強曲線的可靠性，在甌越大橋施工現場成型了2個箱型混凝土試件，其一采用甌越大橋承臺、墩柱所采用的海工C40混凝土，另一試件采用甌越大橋箱梁所采用的C60混凝土，試件外邊緣的長×寬×高為1 500 mm×1 500 mm×1 500 mm。

于不同齡期（28 d，78 d和90 d）分別對2個箱型試件進行超聲測試和回彈測試，并鉆取芯樣（直徑 100 mm、高徑比1：1），測試芯樣的抗壓強度。測試結果見表6～8。其中表6和表7中的回彈值為使用ZC3-A型普通回彈儀測得，表8中的回彈值為使用H450型高強回彈儀測得。

從表6和表7可以看出：使用測強曲線公式（1）推定C40箱型試件的混凝土抗壓強度時，最大相對誤差為5.3%，推定C60箱型試件的混凝土的抗壓強度時，最大相對誤差為6.3%。從表8可以看出：使用本文建立的測強曲線公式（2）推定 C60箱型試件的混凝土抗壓強度時，其最大相對誤差為7.8%。可見，本文建立的普通回彈儀測強曲線公式（1）和高強回彈儀測強曲線公式（2）均具有較高的精度，可用作對甌越大橋混凝土進行強度無損檢測。

從表6和表7還可以看出：當使用CECS 02： 2005中的全國統一測強曲線公式推定C40箱型試件和C60箱型試件的混凝土抗壓強度時，其最大相對誤差分別為 29.2%和 29.0%，使用統一測強曲線公式計算得到的 2個箱型試件混凝土抗壓強度遠低于芯樣抗壓強度。可見，本文建立甌越大橋混凝土超聲回彈綜合法專用測強曲線是十分必要的。

表6 C40箱型混凝土試件測試結果Table 6 Test results of C40 box-type specimen

表7 C60箱型混凝土試件測試結果（ZC3-A型普通回彈儀）Table 7 Test results of C60 box-type specimen （ZC3-A rebound instrument）

表8 C60箱型混凝土試件測試結果（GHT450型高強回彈儀）Table 8 Test results of C60 box-type specimen （GHT450 Rebound Instrument）

4 結論

1） 在本文所采用的摻合料用量范圍內（粉煤灰最大摻量為取代35%的水泥用量，礦粉最大摻量為取代50%的水泥用量），摻合料類型和用量對混凝土超聲回彈綜合法測強曲線無明顯影響。

2） 根據試驗結果分別建立了甌越大橋混凝土普通回彈儀超聲回彈綜合法專用測強曲線和高強回彈儀超聲回彈綜合法專用測強曲線，測強曲線公式采用五參數冪函數形式，具有較高的精度。

3） 本文建立的普通混凝土回彈儀超聲回彈綜合法測強曲線可用于對強度等級 C35～C80的同類混凝土進行強度無損檢測，高強混凝土回彈儀超聲回彈綜合法測強曲線可用于對強度等級 C50～C80的同類混凝土進行強度無損檢測。

4） 通過現場試驗對本文所建立的甌越大橋混凝土超聲回彈綜合法專用測強曲線公式進行了驗證，結果表明本文所建立的專用測強曲線公式具有較高的精度，可以作為甌越大橋混凝土強度無損檢測的依據。而使用CECS 02： 2005中的全國統一測強曲線推定甌越大橋混凝土抗壓強度時會造成抗壓強度推定值遠低于實際抗壓強度。

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（編輯 楊幼平）

Special strength curve of ultrasonic-rebound combined method for concrete of Ouyue River Bridge

LIU Hanyong1，2， ZHAO Shangchuan1， JIANG Licai3

（1. Research Center of Bridge Technology， Research Institute of Highway Ministry of Transport， Beijing 100088， China；2. Department of Civil Engineering， Tsinghua University， Beijing 100084， China；3. School of Civil Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116024， China）

In order to develop the non-destructive test technology of concrete strength for Ouyue River Bridge， a series of experiments were carried out to investigate the influences of mixing ways （single-mixed and double-mixed） of fly ash and ground slag on the relationship of concrete rebound values and representative value of ultrasonic velocity with compressive strength. Then， the special strength curves of ultrasonic-rebound combined method for concrete of Ouyue River Bridge were established based on the test results with normal rebound instrument and high-strength rebound instrument， respectively. The reliability of special strength curves was verified by the field test. The results show that mixing ways of fly ash and ground slag have no influences on the relationship of concrete rebound values and representative value of ultrasonic velocity with compressive strength when the content of fly ash is less than 35% and the content of ground slag is less than 50%. The strength curve equation of ultrasonic-rebound combined method with normal rebound instrument and high-strength rebound instrument can be used to carry out non-destructive test to the concrete with a strength grade of C35～C80 and C50～C80， respectively.

bridge engineering； special strength curve； experimental study； Ouyue River Bridge； ultrasonic-rebound combined method

U446.3

A

1672-7207（2016）05-1668-07

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.05.028

2015-05-12；

2015-07-25

浙江省交通運輸廳科技計劃項目（2012H24） （Project（2012H24） supported by the Science and Technology Program of Zhejiang Provincial Department of Transportation）

劉漢勇，博士，副研究員，從事橋梁長期性能研究；E-mail： hy.l@rioh.cn