回彈法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度的準(zhǔn)確性研究

黎忠祁，羅澤權(quán)，梁洪濤

（1.崇左市左江治旱工程管理中心，廣西 崇左 532200；2.長江水利委員會(huì)長江科學(xué)院，武漢 430010；3.廣西崇左水利投資有限公司，廣西 崇左 532200）

混凝土作為目前建筑工程行業(yè)中用量最大、用途最廣的一種建筑材料[1]，受其構(gòu)成所需原材料和外加劑差異較大，澆筑、振搗、養(yǎng)護(hù)等工藝水平所限等因素的影響，混凝土的強(qiáng)度和性能也有所浮動(dòng)，因此，準(zhǔn)確檢測(cè)及確定混凝土強(qiáng)度，對(duì)于保證和提高工程質(zhì)量具有十分重要的意義。目前工程上常用的混凝土強(qiáng)度檢測(cè)方法主要是：回彈法、鉆芯法、立方體試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)法。

混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊是一種標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法，但容易受現(xiàn)場(chǎng)施工條件及監(jiān)理方等主客觀因素的影響，且無法完全反應(yīng)工程實(shí)體的強(qiáng)度。鉆芯法是比較直觀、準(zhǔn)確、可靠的一種方法，可以較為真實(shí)地反映混凝土內(nèi)部質(zhì)量和強(qiáng)度；但鉆芯法屬半破損檢測(cè)方法，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件造成局部損傷，破壞了原始建筑物受力情況。若取樣工作較多會(huì)使得工作量增大，檢測(cè)時(shí)間長，不經(jīng)濟(jì)，這也限制了鉆芯法的使用。因此在鉆芯法前應(yīng)首先利用簡(jiǎn)單方便的方法對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，而回彈法簡(jiǎn)單、快速和高效的特點(diǎn)剛好可以進(jìn)行大批量的輔助檢測(cè)。

回彈法是在不破壞混凝土結(jié)構(gòu)物的前提下，對(duì)硬化后混凝土結(jié)構(gòu)物強(qiáng)度的快速評(píng)定，屬于無損檢測(cè)。它具有經(jīng)濟(jì)、攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、使用靈活、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，是目前我國工程質(zhì)量驗(yàn)收評(píng)定中最常用的一種方法。作為一種間接測(cè)量方法，回彈法測(cè)量混凝土強(qiáng)度容易受到原材料、外加劑、水泥用量、施工振搗方式及養(yǎng)護(hù)方式的影響，測(cè)量準(zhǔn)確度飽受質(zhì)疑。在利用回彈法進(jìn)行混凝土強(qiáng)度測(cè)量時(shí)，應(yīng)先對(duì)回彈法的準(zhǔn)確度進(jìn)行研究分析。

1 回彈儀工作原理

與鉆芯法和標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊采用壓力機(jī)直接測(cè)量抗壓強(qiáng)度不同，回彈法通過測(cè)量混凝土的硬度來推求其抗壓強(qiáng)度。由于混凝土抗壓強(qiáng)度與其表面硬度存在一定的相關(guān)性，但材料的硬度和強(qiáng)度很難建立起相關(guān)的關(guān)系。而回彈法是表面硬度法的一種，利用測(cè)試出的回彈值大小來確定混凝土的表面硬度，故可以間接用回彈值來推定抗壓強(qiáng)度。如弱混凝土強(qiáng)度低，則塑性變形相對(duì)較大，在收到彈擊能量時(shí)，混凝土?xí)崭嗟哪芰Γ磸椈厝サ哪芰孔兩?，回彈值就小，即混凝土?qiáng)度大小與回彈值大小在一定基礎(chǔ)上呈正比關(guān)系。工程上常用的是中型回彈儀。

回彈儀的彈擊能量由功能原理知：

式中：A1為使混凝土產(chǎn)生塑性變形的功；A2為使彈擊錘、彈擊桿及混凝土產(chǎn)生彈性變形的功；A3為彈擊錘和指針工作中因摩擦損耗的功；A4為彈擊錘和指針工作中克服空氣阻力的功；A5為混凝土產(chǎn)生塑性變形時(shí)增加自由表面所損耗的功；A6為混凝土構(gòu)件的顫動(dòng)和彈擊桿與混凝土表面移動(dòng)而損耗的功。

當(dāng)混凝土構(gòu)件具有足夠的剛度且在回彈過程中回彈儀緊貼混凝土表面時(shí)，A3、A4、A5、A6所消耗的功對(duì)回彈值的影響基本可以忽略不計(jì)，而當(dāng)混凝土構(gòu)件不能保持緊貼狀態(tài)時(shí)，A6所消耗的功不能忽略。

2 試驗(yàn)材料及方法

本文研究混凝土采用的是馱英水庫樞紐拌合站的混凝土，用于進(jìn)行測(cè)試結(jié)果比對(duì)的立方體試塊抗壓強(qiáng)度與回彈法測(cè)量強(qiáng)度的混凝土都是同一批次進(jìn)行制作的。立方體試塊抗壓強(qiáng)度的測(cè)量依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352-2006)中的測(cè)試方法，采用浙江禮顯試驗(yàn)儀器制造有限公司制造的YES-2000數(shù)顯壓力機(jī)（見圖1）進(jìn)行的，試塊的回彈法強(qiáng)度是根據(jù)《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 23-2011)中的測(cè)量方法及國家統(tǒng)一的測(cè)強(qiáng)曲線采用北京海創(chuàng)高科科技有限公司生產(chǎn)的HT-225T 數(shù)顯式一體回彈儀（見圖2），試驗(yàn)所用相關(guān)儀器均通過了計(jì)量檢定，且滿足精度要求。

圖1 壓力機(jī)

3 回彈法測(cè)定混凝土強(qiáng)度準(zhǔn)確性研究

3.1 試驗(yàn)預(yù)加應(yīng)力的影響

圖2 數(shù)顯式回彈儀

考慮到回彈儀測(cè)量混凝土強(qiáng)度的工作原理主要是根據(jù)回彈儀彈擊前后的能量來決定，而我們進(jìn)行回彈試驗(yàn)是在標(biāo)準(zhǔn)試塊上進(jìn)行，因此在進(jìn)行回彈試驗(yàn)之前對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行預(yù)加壓力，防止出現(xiàn)回彈儀在彈擊混凝土表面時(shí)因混凝土試件發(fā)生震顫等造成能量損耗而引起測(cè)量不準(zhǔn)。預(yù)加應(yīng)力取值直接關(guān)系著測(cè)量結(jié)果，預(yù)加應(yīng)力值過小，無法消除回彈過程中出現(xiàn)的能量損耗，應(yīng)力值過大，則會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)壓應(yīng)力的增加使得回彈值增加，合理地選取預(yù)加應(yīng)力值是回彈測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確的前提。中國建筑科學(xué)研究院在進(jìn)行29 組不同強(qiáng)度等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試件進(jìn)行試驗(yàn)研究結(jié)果表明[2]，預(yù)加約束力對(duì)混凝土試件回彈值的測(cè)試產(chǎn)生了一定程度的影響，預(yù)加15%的極限荷載時(shí)測(cè)得的回彈值不再發(fā)生明顯的波動(dòng)，預(yù)加力過大或者過小都會(huì)引起回彈值偏小。其他相關(guān)研究[3]表明，在進(jìn)行不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土進(jìn)行分級(jí)加壓測(cè)定回彈值，混凝土試塊最小受壓荷載為0.25 kN/cm2時(shí)，回彈強(qiáng)值不再有大的波動(dòng)，基本趨于穩(wěn)定，通過換算可知，對(duì)于150 mm立方體標(biāo)準(zhǔn)試塊，必須施加56.25 kN以上壓力才可以有效防止回彈儀沖擊時(shí)產(chǎn)生的能量損失[4]。考慮到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)物處于不同的受壓狀態(tài)，因此在分析前，通過壓力機(jī)施加適當(dāng)?shù)念A(yù)加壓力也可以有效避免回彈值由于實(shí)體結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力狀態(tài)的增加而增加的影響。

本文混凝土制作了C15、C20、C25、C30、C40 五種強(qiáng)度等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，養(yǎng)護(hù)到28 d時(shí)分級(jí)進(jìn)行預(yù)加應(yīng)力的加載，采用每級(jí)10 kN 作為加載單位，每塊混凝土試塊回彈4個(gè)面，每一組數(shù)據(jù)通過4個(gè)同批次制作的試塊測(cè)得。同時(shí)根據(jù)規(guī)范操作，測(cè)得的回彈值，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到最終回彈值與荷載值的曲線圖（見圖3）。

圖3 回彈值與荷載值曲線圖

從圖3 可以看出，不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土試塊的回彈值隨著荷載等級(jí)的增加先增加后趨于穩(wěn)定，個(gè)別出現(xiàn)小幅度的波動(dòng)但不影響總的變化趨勢(shì)，且預(yù)加應(yīng)力在超過60 kN后，回彈值基本不變化，這與前人研究[2,3]基本吻合，考慮到試驗(yàn)過程應(yīng)力控制的波動(dòng)性，本文試驗(yàn)采用60～80 kN的預(yù)加應(yīng)力。

3.2 回彈法測(cè)量混凝土強(qiáng)度準(zhǔn)確性分析

現(xiàn)場(chǎng)施工過程中，混凝土回彈值測(cè)量的準(zhǔn)確性受混凝土等級(jí)、原材料配比、齡期、成型方法、養(yǎng)護(hù)條件、碳化深度等多種因素條件影響。同一工程原材料配比一般變化不大，回彈值測(cè)量值也根據(jù)規(guī)范按碳化深度值進(jìn)行了修正，因此本文選取混凝土等級(jí)、齡期、養(yǎng)護(hù)條件、成型方法4個(gè)因素進(jìn)行比對(duì)分析。

3.2.1 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土回彈值準(zhǔn)確性分析

測(cè)定不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土回彈值時(shí)依然采用每個(gè)試塊回彈4 個(gè)面，每一組數(shù)據(jù)通過4 個(gè)同批次制作并經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 的試塊測(cè)得，試驗(yàn)檢測(cè)了3組試塊的回彈值，而以一組標(biāo)準(zhǔn)試塊的壓力機(jī)測(cè)得抗壓強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)值(見表1）。統(tǒng)計(jì)回彈測(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng)修正后得到最終的回彈值。

強(qiáng)度等級(jí)C15 C20 C25 C30 C40回彈值/MPa 17.9 24.7 28.6 35.4 42.5標(biāo)準(zhǔn)值/MPa 20.8 27.5 31.2 36.8 44.8誤差/%13.9 10.2 8.3 3.8 5.1

由表1可知，當(dāng)混凝土等級(jí)較低時(shí)，回彈值與標(biāo)準(zhǔn)值差值較大，但都在15%范圍內(nèi)，整體差值能滿足測(cè)量要求；當(dāng)混凝土等級(jí)較大時(shí)，兩者差值較小。因此，回彈法測(cè)量低等級(jí)混凝土?xí)r，應(yīng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果比較謹(jǐn)慎。

3.2.2 不同齡期下混凝土回彈值準(zhǔn)確性分析

試驗(yàn)選取了C25、C30 兩種馱英水庫用量較大的混凝土分別進(jìn)行了7、14、28、60 和90 d 養(yǎng)護(hù)齡期下對(duì)比檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 回彈值隨齡期變化圖

由圖4 可以看出，總體而言回彈值與標(biāo)準(zhǔn)值差值均在可控范圍內(nèi)。同時(shí)也可以看到，齡期為7 d和14 d時(shí)，兩種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土回彈值與標(biāo)準(zhǔn)值差值都相對(duì)較大，而隨著齡期的增加，兩者差值變小。因此為了保證回彈測(cè)量準(zhǔn)確度，檢測(cè)應(yīng)盡量在混凝土養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行。

3.2.3 不同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土回彈值準(zhǔn)確性分析

養(yǎng)護(hù)方法包括標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)和蒸壓養(yǎng)護(hù)，而根據(jù)規(guī)范，蒸壓養(yǎng)護(hù)不適用于回彈法檢測(cè)。因此本文試驗(yàn)分別開展了標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)下的混凝土回彈值與標(biāo)準(zhǔn)值的比對(duì)分析試驗(yàn)，試驗(yàn)依然采用的是養(yǎng)護(hù)28 d、C30等級(jí)的混凝土（見表2）。

養(yǎng)護(hù)條件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)自然養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度等級(jí)C25 C30 C25 C30回彈值/MPa 28.9 34.7 30.7 35.9標(biāo)準(zhǔn)值/MPa 31.6 36.9 33.2 38.3誤差/%8.5 6.0 7.5 6.3

由表2 可知，兩種強(qiáng)度的混凝土自然養(yǎng)護(hù)的強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，這與前人研究結(jié)果一致[5]。同時(shí)也能發(fā)現(xiàn)無論采用哪種養(yǎng)護(hù)形式，兩者之間的差值都較小，回彈法測(cè)量準(zhǔn)確度較高。

3.2.4 不同成型方式下混凝土回彈值準(zhǔn)確性分析

以往研究結(jié)果表明[6]，混凝土在齡期和強(qiáng)度等級(jí)完全相同的情況下，成型方法的不同，也會(huì)造成回彈法檢測(cè)結(jié)果的差異，本次研究采用C30混凝土，進(jìn)行人工插搗和機(jī)械振搗（又分為適振、欠振、過振）4種振搗方式，振動(dòng)以混凝土表面出漿時(shí)停止操作，然后采用采用28 d試塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)值與回彈值檢測(cè)試驗(yàn)（見表3）。

振搗方式人工插搗機(jī)械振搗適振欠振過振回彈值/MPa 34.5 36.8 33.7 37.9標(biāo)準(zhǔn)值/MPa 36.6 39.4 36.1 40.5誤差/%5.7 6.6 6.6 6.4

從表3可知，不同成型方式下，回彈值與標(biāo)準(zhǔn)值差值均較小，同時(shí)結(jié)合回彈法的測(cè)量原理可知，不管是人工插搗還是機(jī)械振搗，只要成型后的混凝土是密實(shí)的，回彈法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度的結(jié)果是可取的。

4 結(jié)論

（1）回彈法測(cè)得混凝土強(qiáng)度普遍小于標(biāo)準(zhǔn)試塊抗壓強(qiáng)度值，且兩者之間差值受混凝土等級(jí)、混凝土齡期和養(yǎng)護(hù)條件、振搗方式的影響，最大相差13.9%，普遍差值較小，從保證工程質(zhì)量的角度，回彈法作為一種輔助性測(cè)量手段，在工程中不同狀況下測(cè)量混凝土強(qiáng)度的結(jié)果具有較高的精確度。

（2）利用回彈法進(jìn)行低等級(jí)混凝土強(qiáng)度測(cè)量時(shí)，容易造成誤判，應(yīng)謹(jǐn)慎使用。

（3）混凝土齡期小于14 d 時(shí)，混凝土表面硬度還未完全形成，回彈值與標(biāo)準(zhǔn)值誤差較大，為保證準(zhǔn)確度，在進(jìn)行回彈法測(cè)強(qiáng)度時(shí)應(yīng)盡量保證齡期在28 d以上。