基于超聲回彈綜合法探索雙側加固砼的測強方法*

宋福春， 劉帥偉， 康　寧

(沈陽建筑大學 交通工程學院， 沈陽 110168)

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基于超聲回彈綜合法探索雙側加固砼的測強方法*

宋福春， 劉帥偉， 康寧

(沈陽建筑大學 交通工程學院， 沈陽 110168)

為了分析超聲回彈綜合法檢測經雙側加固后混凝土構件強度的可行性，研究了混凝土構件中鋼筋對超聲波速的影響，運用超聲回彈綜合法，剔除試件中舊混凝土部分對試件整體強度的影響，配合回彈值對經過雙側加固的混凝土試件進行強度檢測.結果表明：遼寧地區測強曲線優于全國測強曲線；探索出的新檢測方法對試件強度進行檢測時，其結果能夠達到規范要求的檢測精度；混凝土構件中的鋼筋能夠使超聲檢測的聲時值變小；該方法能夠準確地檢測出雙側加固混凝土試件的強度，拓寬了超聲回彈綜合法在工程中的應用范圍.

雙側加固混凝土； 超聲回彈綜合法； 測強曲線； 混凝土齡期； 無損檢測； 超聲聲速； 測區； 強度

在我國，混凝土以其眾多的優點，仍然是多種建筑結構主要采用的建筑材料.而且，在今后很長一段時期內，建筑結構上仍是以混凝土為主.隨著時間的推移，越來越多的混凝土建筑物進入“老齡期”，加之自然以及各種人為因素的侵襲，許多建筑物急需或已經進行了相關的加固改造.增大截面加固法在混凝土結構加固中被廣泛采用.在橋梁墩臺和柱子等關鍵部位，通常采用混凝土進行雙側甚至外包的加固形式[1].混凝土強度的無損檢測方法有很多，但既能保證較高的檢測精度，又能在實際工程中進行廣泛推廣的方法卻只有回彈法和超聲法等為數不多的幾種.目前，由于超聲回彈綜合法具有完善的規范和相對較高的檢測精度，技術上也相對成熟，在工程實踐中應用最為廣泛，但此種方法一般適用于檢測材質單一的混凝土.在對經過外包混凝土加固后的構件或部位進行檢測時，由于新舊混凝土在強度和配合比上的差異，直接運用超聲回彈綜合法進行檢測，不能反映出構件的真實強度.在超聲回彈綜合法檢測混凝土強度的基礎上，探索出一種對經過外包混凝土加固后的構件進行檢測的方法，目前卻缺乏相關研究.

對于超聲回彈綜合法在檢測混凝土強度方面的研究已進行了很多.國外最早的超聲回彈測強規范由羅馬尼亞于1971年頒布，此后世界各國開始對超聲回彈綜合法進行了深入的研究.我國于20世紀50年代著手相關研究工作，目前，我國在常規領域已達到或領先了世界水平，并引進了新的參數以增加測強的精度.在理論和檢測設備上，超聲回彈綜合法檢測混凝土的強度均已發展得相當成熟[2-4].然而針對外包混凝土加固后構件的無損強度檢測，在檢測方法或相關理論研究上尚未見到相關文獻的發表.

本文通過澆筑舊混凝土兩側外包新混凝土的試件來模擬混凝土增大截面加固.其中，舊混凝土設計強度等級為C20，兩側新澆筑混凝土設計強度等級為C30.在試件養護達到強度要求后，運用超聲回彈綜合法進行檢測，以此探究超聲回彈綜合法在檢測雙側加固混凝土強度時的可行性.在超聲回彈綜合法測強曲線[5]的選用上，根據《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術規程》(CECS02：2005)[6]中的相關要求，經由同齡期、同條件下標準試塊的抗壓強度值來分別對全國測強曲線和遼寧地區測強曲線進行校核，以此選擇本文試驗的測強曲線.

1　超聲回彈綜合法的測強原理

超聲法和回彈法是兩種可以獨立測得混凝土強度的無損檢測方法.超聲法測強的基本原理是：超聲波傳播速度與混凝土彈性性質密切相關，而混凝土彈性性質預期力學強度之間存在內在聯系，因此可以建立超聲在混凝土中的聲速v與混凝土強度fcu之間的關系.回彈儀測強的基本原理是：通過回彈儀的沖擊動能與混凝土的彈性性能相關來獲得回彈值R與混凝土強度的關系.

由于單一方法的檢測精度較差，而采用綜合方法可以避免各自的缺陷，使結果更接近真實情況.超聲回彈綜合法通過在混凝土同一測區分別測得聲時值和回彈值，然后利用已建立起來的測強公式測算該區域內混凝土的強度.

2　試驗概況

2.1試件設計

本文共有9個試件，24個立方體抗壓強度標準試塊.試件的命名選用ultrasonic-reboundcombinedmethod的縮寫URC，第二項為試件最大尺寸，第三項為編號分別對應素混凝土、三片鋼筋網、四片鋼筋網.試件的命名及尺寸如表1所示.

表1　試件的命名及尺寸

混凝土C20的配合比為mc0∶ms0∶mg0∶mw0=1∶1.100∶3.420∶0.550，C30配合比為mc0∶ms0∶mg0∶mw0=1∶1.500∶2.915∶0.561(c表示水泥；s表示砂；g表示石；w表示水).試件形狀為長方體，共分三部分，分兩次澆筑完成.試件中間部分為舊混凝土，第一批次澆筑；在中間部分混凝土達到設計強度后，先鑿毛，然后在其兩側澆筑C30等級的新混凝土.試件采用鋼模板，在實驗室中養護成型.

試件共分為三個測區，測點具體位置如圖1所示，其中，O表示舊混凝土部分，N表示新加固的混凝土.

立方體標準試塊分兩個批次澆筑，即第一批次C20、第二批次C30強度等級標準試塊分別澆筑12個，澆筑完成后進行與試件同條件下的養護.試塊的測點布置如圖2所示，其中，b為立方體試塊的邊長.

圖1　試件測點位置布置圖Fig.1　Position arrangement for measuringpoints of specimens

圖2　標準試塊聲時、回彈測點布置圖Fig.2　Arrangement of sound time and reboundtesting points for standard testing block

2.2試驗設備及檢測方式

2.2.1試驗設備

超聲發生器采用NM-4A非金屬超聲檢測分析儀.回彈儀選用ZC3-A型中型回彈儀.壓力機選用HYC-2000型電液式壓力機.

2.2.2檢測方式

對已經脫模完畢的試件畫線標明測區和測點，按照試件的編號順序逐個進行檢測并記錄數據.圖3為試件的超聲檢測現場圖.

圖3　試件的超聲檢測Fig.3　Ultrasonic examination of specimen

在同一試件的同一測區，首先進行超聲波速的檢測，采用超聲對測法按照預先劃定的測點進行檢測.在超聲檢測結束后進行回彈值的測定，回彈儀均沿水平方向測試混凝土試件的側面.同齡期、同條件下的標準試塊，在測量完其超聲聲速值和回彈值之后，放在壓力機上進行加載，檢測其抗壓強度.試驗中所有試件及試塊由于齡期較短，在檢測方式上所有檢測均按照(CECS02：2005)中的常規方式進行，因此不考慮碳化對回彈值的影響.

3　試驗結果及分析

圖1中測區一和測區二超聲對測距離為300mm.測區三所在部分為試件兩端，進行超聲波的對測時，對測距離隨試件尺寸而定，超聲波穿透順序依次為：新—舊—新.運用超聲回彈綜合法檢測混凝土抗壓強度時，規范給定的全國混凝土測強曲線表達式為

(1)

遼寧省交通廳重點科研項目《遼寧區域超聲回彈綜合法檢測混凝土強度的應用研究》中給出的遼寧地區專用測強曲線表達式[7]為

(2)

3.1使用立方體抗壓標準試塊對測強曲線校核

與試件同批次、同養護條件的立方體抗壓標準試塊，在齡期28d時，先經過超聲回彈法檢測其強度，然后用壓力機加載至破壞，讀取其實測強度值.表2為試塊檢測數據.根據(CECS02：2005)中的規定，分別對全國測強曲線及遼寧地區專用測強曲線進行校核，并選用精度最高的曲線作為此次試驗的測強曲線.

經過計算，使用全國測強曲線時相對標準誤差er=22.82%>15%；使用遼寧地區測強曲線時相對標準誤差er=8.83%<14%.在遼寧省交通工程質量與安全監督局相關研究人員的研究中，全國曲線的相對標準誤差為er=20.64%>15%，使用遼寧地區測強曲線時相對標準誤差er=13.59%<14%.因此，遼寧地區測強曲線精度更高，能夠滿足使用要求.

圖4為試塊各強度值對比，其中，編號1～12試塊為C20試塊.可見運用遼寧地區測強曲線得出的試塊強度值與試塊實測值更為接近，全國測強曲線下試塊強度值離散性較大.因此，遼寧地區測強曲線在遼寧地區有較好的適用性，能夠滿足規范的使用要求，在遼寧地區運用綜合法測強時應優先選用.

表2　試塊檢測數據匯總表

圖4　試塊各強度值對比圖Fig.4　Comparison in strength values of testing block

3.2雙側加固混凝土試件強度檢測分析

在運用超聲回彈綜合法檢測外包混凝土加固構件的強度時，為了快捷而精確地得到加固部位混凝土的強度，根據超聲波的實際傳播路線，需要在檢測結果中考慮舊混凝土對實測結果的影響[8-10].

試件縱向尺寸長為Sa，試件中間部分舊混凝土縱向尺寸長為So，聲速值vo、回彈值Ro均已知.在舊混凝土的兩側為新澆筑混凝土，其尺寸Sn已知，利用超聲回彈綜合法檢測時，可以測得整個試件的聲速值va，新澆筑混凝土部分的回彈值Rn.由于雙側加固混凝土試件是由三部分，兩種強度組成，計算外包混凝土的強度時應剔除舊混凝土部分對超聲聲速的影響.

本文旨在探索只對測區三(見圖1)進行檢測的情形下，計算試件的強度值(測區二在加固前已知).根據試件的尺寸及聲速比例關系可得

(3)

整理可得

(4)

將試驗得到的相關數據代入式(4)，并將試驗得到的強度值和同齡期同條件標準試塊的實測抗壓值進行對比，分析相對誤差.

由于新澆筑混凝土強度通常大于舊混凝土，在檢測中剔除舊混凝土的影響，使得結果更接近真實值.表3為新澆筑混凝土強度檢測值.由表3可知，剔除舊混凝土的影響后，外包混凝土的檢測強度與實測強度之間的相對誤差為9.8%<14%；若不剔除，則其相對誤差為19.4%，無法滿足規范要求.因此，在測試外包混凝土強度時應考慮中間混凝土的影響，用式(4)剔除舊混凝土影響后，所得檢測結果能夠滿足檢測精度的要求，適用范圍更廣.

表3　新澆筑混凝土強度檢測值

對于舊混凝土部分，由于其整體設計強度均一，在運用超聲回彈綜合法檢測其強度時可以直接使用遼寧地區專用測強曲線進行檢測，將試驗測得的相關數據代入式(2)得到各試件的檢測強度值，將其與同齡期同條件的C20試塊的抗壓實測值進行對比.

圖5為試件舊有部分檢測強度與試塊實測值對比圖.由圖5可知，利用超聲回彈綜合法檢測舊混凝土部分的強度與試塊實測抗壓強度間的相對誤差為11.08%<14%，能夠滿足規定的精度要求.

圖5　試件舊有部分檢測強度與試塊實測值對比Fig.5　Comparison in measured strength of old part ofspecimen and measured value of testing block

3.3超聲回彈綜合法測強時鋼筋對雙側加固混凝土強度影響分析

由于超聲波在鋼筋中的傳播速度約為5 300m/s，在混凝土中的傳播速度在3 000～5 000m/s之間，因此，在利用超聲回彈綜合法檢測混凝土強度時，應考慮鋼筋對超聲聲速的影響[11-12].試驗中同一尺寸的三個試件根據有無鋼筋以及鋼筋網片的不同數量分別進行了對比.在測量方式上分為兩種情形：超聲傳播方向平行于鋼筋軸向和垂直于鋼筋軸向.本文試驗采用的混凝土聲速值相對較低，對于平行鋼筋軸向時的超聲聲速檢測值明顯偏大，易于剔除，因此，本文試驗只考慮了超聲傳播方向垂直于鋼筋軸向時的情形.

圖6為超聲波的檢測方向，其中，鋼筋的軸線垂直于聲通路，L為混凝土試件的寬度，di為鋼筋的直徑，TT與Tn為超聲波發射探頭和接收探頭.當超聲波完全經過鋼筋的每個直徑時，檢測得到的聲時值將不能作為混凝土的準確聲時值，需要對聲時加以修正，然后計算超聲聲速值.為了排除鋼筋對超聲聲時的干擾，聲時值的計算公式為

(5)

式中：L為兩探頭之間的距離；Ls為鋼筋直徑的總和，即∑di；vc、vs分別為超聲在混凝土和鋼筋中的傳播速度.

圖6　超聲波的檢測方向Fig.6　Testing direction of ultrasonic wave

表4為鋼筋網對超聲聲速的影響.由表4可知，有著三片鋼筋網的混凝土試件與素混凝土試件相比，聲速增加了0.7%，有著四片鋼筋網的混凝土試件與三片鋼筋網混凝土試件相比，超聲聲速增加了1.1%，在垂直鋼筋軸向的檢測中，鋼筋對超聲聲速影響較小，可以忽略.

表4　鋼筋網對超聲聲速的影響

4　結　論

本文通過分析得出以下結論：

1) 根據試驗結果對全國規范回彈測強曲線及遼寧地區測強曲線進行了精度分析，結果表明，遼寧地區測強曲線跟試驗結果更加吻合，適用于在遼寧地區推廣應用.

2) 建立超聲回彈綜合檢測外包加固混凝土的計算公式，能夠擴大原規范的適用范圍，測試結果精度較高，能夠達到工程應用的要求，可以推廣到實際工程檢測中.

3) 鋼筋網對超聲在混凝土中的傳播速度有一定的影響，在實際檢測中應盡量避免超聲傳播方向平行于鋼筋軸向的檢測，如無法避免，超聲測點應盡量遠離鋼筋軸線，必要時應對聲速值進行修正.在聲波垂直鋼筋軸向的檢測中，由于超聲綜合回彈法的參數不唯一，聲速變化較小，可以忽略鋼筋的影響.

4) 超聲回彈綜合法檢測經雙側加固后的混凝土，在原理與實際檢測中都是可行的，降低了單一因素帶來的影響，結果更加可靠，且便捷性與檢測精度都能滿足工程實際需要.

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(責任編輯：鐘媛英文審校：尹淑英)

Strength-measuring method for bilateral reinforced concrete basedoncombinedultrasonic-reboundmethod

SONGFu-chun,LIUShuai-wei,KANGNing

(SchoolofTransportationEngineering,ShenyangJianzhuUniversity,Shenyang110168,China)

Inordertoanalyzethefeasibilityofcombinedultrasonic-reboundmethodindetectingthestrengthofconcretemembersafterbilateralreinforcement,theinfluenceofsteelbarontheultrasonicvelocitywasstudied.Withthecombinedultrasonic-reboundmethod,theeffectofoldconcretepartontheoverallstrengthofspecimenswasremoved,andthestrengthmeasurementfortheconcretespecimensafterbilateralreinforcementwasconductedincombinationwiththereboundvalue.Theresultsshowthatthestrength-measuringcurveinLiaoningareaissuperiortothatinthenationwidearea.Whenthenewdetectionmethodisusedtodetectthestrengthofspecimens,theresultscanmeettherequirementsinthespecification.Thesteelbarintheconcretemembercanmakethesoundtimevaluebecomesmaller.Theproposedmethodcanaccuratelydetectthestrengthofconcretespecimenswithbilateralreinforcement,whichbroadenstheapplicationrangeofcombinedultrasonicreboundmethodinengineering.

bilateralreinforcedconcrete;combinedultrasonic-reboundmethod;strength-measuringcurve;ageofconcrete;nondestructiveexamination;ultrasonicvelocity;detectionregion;strength

2015-12-24.

國家自然科學基金資助項目(51178279/E080801)； 遼寧省高速公路管理局基金資助項目(201408)； 住房與城鄉建設部基金資助項目(2015-K5-021).

宋福春(1971-)，男，遼寧遼陽人，副教授，博士，主要從事組合結構橋梁、車橋耦合振動等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.05.17

TU528

A

1000-1646(2016)05-0573-06

*本文已于2016-09-07 16∶08在中國知網優先數字出版. 網絡出版地址：http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160907.1608.036.html