齡期對超聲回彈綜合法檢測混凝土構件的誤差影響

贠建洲,陳順超,鄭維龍,聶良鵬,袁勝濤

(1.西南林業大學土木工程學院,昆明 650224;2.云南通衢工程檢測有限公司,昆明 650224)

0 引 言

混凝土價格低、易澆筑成型、力學性能穩定、耐久性好、適用廣,是工程應用中重要的建筑材料。混凝土的強度直接影響結構的安全,因此對混凝土構件強度的檢測尤為重要。1949年Leslie等[1]研究了超聲脈沖法,為混凝土的無損檢測技術奠定了基礎。在不破壞構件完整的情況下,無損檢測技術是獲取混凝土構件中原位混凝土真實強度的唯一方法。如今混凝土的無損檢測技術已相對成熟,檢測的方法很多,但目前公認的簡便且相對準確的方法是超聲回彈綜合法。國內已有許多學者在混凝土無損檢測領域進行了研究,尚新想等[2]對28 d齡期的混凝土進行了應力波測試,發現各應力波波速隨齡期的增加而增加,不同應力波波速與抗壓強度之間存在較高的線性相關性。陳良豪等[3]研究了不同溫度作用下混凝土的超聲波波速與抗壓強度的變化,結果表明混凝土抗壓強度與超聲波波速隨著溫度的升高而降低,摻加鋼纖維可以改善混凝土的抗高溫性能。季光耀[4]通過超聲回彈綜合法檢測混凝土的抗壓強度,發現在相同條件下再生混凝土的超聲波聲速和回彈值均低于普通混凝土,且再生混凝土的抗壓強度、超聲聲速以及回彈值之間存在一定的關系。劉婷等[5]使用超聲回彈綜合法檢測了再生混凝土的抗壓強度,并根據試驗數據擬合出了抗壓強度與超聲波波速、回彈值的關系式。王雪平等[6]通過試驗數據擬合出了C20～C40混凝土超聲波波速與抗壓強度之間的關系式。胡曉鵬等[7]、陳海彬等[8]、熊靜[9]和盧哲安等[10]研究了混凝土超聲回彈綜合法的測強曲線。以上對混凝土無損檢測的研究多基于短齡期或中齡期,而對長齡期混凝土構件回彈值、超聲波波速的增長規律研究較少。

超聲回彈綜合法檢測混凝土抗壓強度是基于混凝土構件回彈值、超聲波波速實測值推算得出。在自然環境條件下,混凝土構件回彈值、超聲波速會受到齡期、溫度、濕度的影響,而實際工程中利用超聲回彈綜合法檢測混凝土構件時往往會忽略齡期、溫度、濕度的影響,導致計算強度與實際強度產生誤差。因此,研究自然環境下中長齡期混凝土構件回彈值、超聲波波速、抗壓強度的發展規律,以及分析計算抗壓強度與實測抗壓強度的誤差具有重要的現實意義。鑒于此,本文通過測試長齡期下混凝土回彈值、超聲波波速、實測抗壓強度,分析并總結齡期對這幾個因素的影響,從而判斷不同齡期時使用超聲回彈綜合法測出的混凝土強度與計算抗壓強度的誤差率。

1 實 驗

1.1 原材料及配合比

水泥:采用云南華新東駿水泥有限公司生產的P·O 42.5水泥,3 d抗折強度為5.1 MPa,28 d抗折強度為8.3 MPa;3 d抗壓強度為29.1 MPa,28 d抗壓強度為49.8 MPa。

細骨料:采用云南石灰巖加工的機制砂,II區級配,中砂,細度模數為2.8,堆積密度為1 582 kg·m-3,石粉含量為6.7%(文中均為質量分數),泥塊含量為0.5%。

粗骨料:采用昆明嵩明石料場5～25 mm連續級配碎石,堆積密度為1 540 kg·m-3,壓碎值為17.3%,含泥量為0.7%,泥塊含量為0.1%。

混凝土構件與試件配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比

1.2 測試儀器

回彈儀:采用山東樂陵市回彈儀廠生產的ZC3-A指針直讀式,標準能量為2.207 J的中型回彈儀。

超聲波儀:采用北京智博聯科技股份有限公司生產的ZBL-U5200非金屬超聲檢測儀。

壓力機:采用濟南時代試金試驗機有限公司生產的YAW-2000D微機控制電液伺服壓力試驗機。

1.3 試驗方法

1.3.1 混凝土構件與試件制作

混凝土試件在取樣時容易受到許多因素的影響,例如振搗條件、骨料分配情況,導致不同組的混凝土試件強度或密實度不同,因此,同標號下不同組的混凝土試件在強度、回彈值、超聲波波速上存在一些偏差。為了更好地符合實際工程,本文中澆筑了一體式的混凝土構件,探究長齡期下混凝土構件超聲波波速與回彈值的變化規律。混凝土構件強度等級設計為C20、C30、C40,每個標號混凝土構件澆筑一件,如圖1所示。構件尺寸為2 400 mm×400 mm×2 400 mm,且內部設有鋼筋,豎向主筋直徑為12 mm,間距為150 mm,水平箍筋直徑為8 mm,間距為200 mm。為了同步測試混凝土構件的強度發展情況,每個標號構件在澆筑時,留取7組(每組3個)150 mm×150 mm×150 mm試件,并與構件進行同條件養護。

圖1 室外澆筑的混凝土構件

1.3.2 混凝土構件與試件測試

混凝土構件與試件測試齡期確定為7、14、28、90、180、365、730 d,測試內容包括構件與試件表面回彈值、構件與試件超聲波波速和同條件養護混凝土試件抗壓強度。

構件、試件表面回彈值:根據《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》(JGJ/T 23—2011)規定的方法進行測試。每個室外構件在相對的兩面各布置5個測區,共10個測區,測試方向為水平,每個測區測試16個回彈值,剔除3個最大值和3個最小值后,取平均值作為該測區回彈值,最后取10個測區回彈值的平均值作為構件表面回彈值。試件在相鄰兩個面各布置1個測區,共2個測區,測試方向為水平,每個測區8個回彈值,剔除3個最大值和3個最小值后,取平均值作為該測區回彈值,最后取2個測區回彈值的平均值作為試件表面回彈值。

構件、試件超聲波波速:根據《超聲回彈綜合法檢測混凝土抗壓強度技術規程》(T/CECS 02—2020)規定的方法進行測試。每個室外構件布置5個測區,每個測區布置3個測點,采用對測的方式進行測試。取5個測區混凝土中聲速代表值的平均值作為構件的超聲波波速。混凝土試件取1個測區,3個測點,采用對測的方式進行測試,取3個測點的聲速平均值作為試件的超聲波波速。

同條件養護混凝土試件強度:根據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG E30—2005)規定的方法進行測試,取3個試件抗壓強度的平均值作為該齡期同條件養護混凝土構件的實測抗壓強度。

2 結果與討論

2.1 測試結果

混凝土構件和試件超聲波波速、回彈值、實測抗壓強度、計算抗壓強度結果如表2所示。由于混凝土試件為澆筑構件預留的同條件養護試件,因此同齡期下試件與構件超聲波波速、回彈值基本相同,僅存在很小的測試誤差,可忽略不計。因此下文僅對混凝土構件回彈值、超聲波波速隨齡期的變化規律進行分析。

2.2 構件回彈值隨齡期的變化規律

圖2為混凝土構件回彈值和相對回彈系數隨齡期的變化規律。與抗壓強度相同,回彈值也是反映混凝土構件強度的指標。根據圖2(a),長齡期下混凝土構件回彈值的發展規律為早期增長較快、后期增長緩慢且逐漸趨于穩定。C20混凝土構件的回彈值與C30混凝土構件相差較大,7、28、365、730 d時分別相差4.9、7.5、7.3、7.1;28 d以前C30混凝土構件的回彈值與C40混凝土構件的回彈值相差較小,28 d以后兩者回彈差值逐漸增大,7、28、365、730 d時分別相差1.7、2.7、4.1、5.4。

圖2 混凝土構件的回彈值和相對回彈系數隨齡期變化規律

以28 d回彈值為基準,不同齡期的回彈值與28 d回彈值的比值稱為相對回彈系數。由圖2(b)可知,三種標號下混凝土構件回彈值增長迅速期集中在180 d以前,相對回彈系數曲線陡峭,隨后回彈增長速度趨于平緩。結合圖2可知,齡期為730 d時,三者回彈值增長速率從大到小依次為C20、C40、C30;回彈值相對增長比例依次為44%、38%、33%。說明長齡期下,當混凝土構件設計強度低于C30時,回彈值增長速率較大;當混凝土構件設計強度大于C30時,回彈值增長速率會隨著設計強度的增大而增大。

2.3 混凝土構件的超聲波波速隨齡期變化規律

圖3為混凝土構件超聲波波速和相對超聲波波速系數隨齡期的變化規律。由圖3(a)可知,混凝土構件超聲波波速隨齡期增長而增大,且設計等級越高的混凝土超聲波波速越高。這是由于設計等級高的混凝土構件強度更大,內部更加密實,超聲波在混凝土內部傳播時受到干擾減弱,從而獲得更大的超聲波波速。混凝土構件的超聲波波速隨齡期變化可明顯分為三個階段:1)28 d以前為快速增長期;2)28～180 d為增長速度減緩期;3)180 d以后波速穩定期,超聲波波速隨齡期變化波動很小。730 d時C20與C30、C30與C40混凝土構件的超聲波波速分別相差0.36、0.30 km·s-1,可以看出在長齡期下,設計強度等級相差一級的混凝土構件超聲波波速差值在0.3～0.4 km·s-1。

圖3 混凝土構件超聲波波速和相對超聲波波速系數隨齡期的變化規律

以28 d超聲波波速為基準,不同齡期的超聲波波速與28 d超聲波波速的比值稱為相對超聲波波速系數。由圖4(b)可以看出,長齡期下C20混凝土構件的超聲波波速增長速率最大;C30、C40混凝土構件的超聲波波速發展規律幾乎相同,兩者的相對超聲波波速系數曲線較為貼合。當齡期為730 d時,C20混凝土構件相對超聲波波速系數增長率為10%,C30與C40混凝土構件相對超聲波波速系數增長率均為6%。

圖4 混凝土試件實測抗壓強度和相對抗壓強度系數隨齡期變化規律

2.4 混凝土試件的實測抗壓強度隨齡期變化規律

圖4為混凝土試件的實測抗壓強度和相對抗壓強度系數隨齡期變化規律。由圖4(a)可以看出,長齡期下混凝土試件實測抗壓強度增長規律與回彈值相同,三種標號的混凝土試件實測抗壓強度隨齡期的增長而增長,且早期增長較快,后期增長緩慢且逐漸趨于穩定。同齡期時,設計強度等級高的混凝土實測抗壓強度更高,其中C20與C30混凝土試件的實測抗壓強度相差較大,7、28、365、730 d時分別相差13.8、14.6、14.2、15.4 MPa。C30與C40混凝土試件的實測抗壓強度相差較小,7、28、365、730 d時分別相差6.4、6.9、8.0、7.7 MPa。

以28 d實測抗壓強度為基準,不同齡期的實測抗壓強度與28 d實測抗壓強度的比值稱為相對抗壓強度系數。由圖4(b)可以看出,三種標號的混凝土試件28 d前相對抗壓強度系數增長速度較快,曲線陡峭;28～180 d時相對抗壓強度系數增長速度降低,曲線趨于平緩;180 d以后相對抗壓強度系數增長速度穩定,曲線平緩。其中C30與C40混凝土試件的相對抗壓強度系數曲線相近。28 d以前,相同齡期下C20混凝土試件相對抗壓強度系數最小,其次是C30與C40混凝土構件;28 d以后,相同齡期下C20混凝土試件相對抗壓強度系數最大,說明長齡期下C20混凝土試件抗壓強度增長速度最快。300 d以后,同齡期下C30混凝土試件相對抗壓強度系數大于C40混凝土試件,但相差不大。齡期為730 d時,C20、C30、C40混凝土試件相對抗壓強度系數分別增長了59%、39%、35%,說明長齡期下設計強度等級低的混凝土構件抗壓強度增長速度更快。

2.5 混凝土構件計算抗壓強度與實測抗壓強度的關系及誤差率分析

根據《超聲回彈綜合法檢測混凝土抗壓強度技術規程》(T/CECS 02—2020)中的計算式(1),計算混凝土構件的計算強度。

(1)

圖5為混凝土構件計算抗壓強度隨齡期的變化規律。混凝土構件計算抗壓強度值即超聲回彈綜合值。由圖5(a)可以看出,隨著齡期的增長,三種標號下混凝土構件的超聲回彈綜合值在不斷增長。由于混凝土構件計算抗壓強度是根據回彈值計算得出,因此計算抗壓強度與回彈值的發展規律相同,均為180 d以前增長較快,180 d以后增長較慢且趨于穩定。長齡期下不同標號混凝土構件計算抗壓強度相差較大,在730 d時,C20、C30、C40之間相差15.0、14.8 MPa。

圖5 混凝土構件計算抗壓強度和相對計算抗壓強度系數隨齡期的變化規律

由于混凝土構件計算抗壓強度是根據回彈值計算得出,因此結合圖5(b)可以證明,長齡期下,混凝土構件相對計算抗壓強度系數發展規律與相對回彈系數發展規律基本一致。

圖6為長齡期下混凝土試件的實測抗壓強度與混凝土構件的計算抗壓強度的關系。由圖6可以看出,不同齡期下混凝土構件的實測抗壓強度與混凝土構件的計算抗壓強度之間的誤差不同。隨著齡期的增長,C20、C30曲線呈先上升后下降的趨勢,比值在0.75～1.00浮動,C40曲線則隨著齡期的增長不斷增長,比值在0.8～1.1浮動。長齡期下,C20、C30混凝土試件的實測抗壓強度均大于計算抗壓強度,當齡期為730 d時,C20、C30混凝土試件的實測抗壓強度分別比計算抗壓強度高6.6%、4.7%。C40混凝土試件在180 d以前的實測抗壓強度要大于混凝土構件的計算抗壓強度,但隨著齡期的增長,計算抗壓強度增長速率更大,隨后超過實測抗壓強度。730 d時計算抗壓強度比實測抗壓強度高7.5%。綜上所述,長齡期下超聲回彈綜合法計算的混凝土構件抗壓強度誤差較小。在長齡期下(180 d以后),使用超聲回彈綜合法計算設計等級較高的混凝土構件(C40及以上)時抗壓強度可能會偏高,180 d時偏高2%左右,400 d偏高5%以上,730 d偏高8%左右,計算設計等級較低的混凝土構件(C30及以下)強度可能會偏低。

圖6 長齡期下混凝土試件實測抗壓強度與混凝土構件計算抗壓強度的關系

實測抗壓強度與計算抗壓強度之所以存在一定的誤差,是由于隨著齡期的增長,混凝土超聲波波速、回彈值的發展速率與抗壓強度的發展速率不同。混凝土超聲波波速與回彈值受到諸多因素的影響,例如蜂窩、空洞、裂縫等缺陷。由于空氣阻力遠小于混凝土的聲阻抗率,超聲波在缺陷處產生繞射,從而導致超聲波波速傳播途徑增加,傳播時間增大,最終使波速降低。隨著齡期的增長,水泥水化反應不斷發展,混凝土內部水泥砂漿與骨料之間更加密實,這一現象既提高了混凝土的抗壓強度與回彈值,又提高了超聲波在混凝土內部傳播的速度。混凝土內部密實以后,超聲波波速與回彈值的增長速率和抗壓強度的增長速率不同步,導致計算抗壓強度與實測抗壓強度之間有所差異。由式(1)可以看出,超聲波波速的指數為1.999,回彈值的指數為1.155,雖然超聲波波速增長量較小,但是對計算抗壓強度的影響較大,因此超聲波波速的增高對計算抗壓強度增高有著較大的影響。混凝土內部結構隨著齡期的變化規律有待從微觀角度進行研究。

由圖6可以看出,隨著齡期的增長,實測抗壓強度與計算抗壓強度之間差距越來越小,說明計算抗壓強度增長較快,驗證了隨著齡期增長混凝土內部結構更加密實,超聲波波速的增長對計算抗壓強度影響較大。隨著齡期發展到一定程度(200～400 d)以后,內部因素對超聲波波速與回彈值的影響就會降低,長齡期下混凝土計算抗壓強度與實測抗壓強度的誤差保持在一定的范圍內。

2.6 實測抗壓強度與回彈值和超聲波波速的關系

2.6.1 混凝土實測抗壓強度與超聲波波速

圖7為長齡期下混凝土構件超聲波波速與實測抗壓強度的關系。圖7(a)分別擬合了不同設計強度的混凝土試件與超聲波波速的關系。由圖7(a)可以看出,實測抗壓強度與超聲波波速具有較好的線性關系,其中C30、C40混凝土構件的擬合關系式斜率相近,C20混凝土構件的擬合關系式中斜率大于其余兩個。混凝土構件設計等級增大,線性擬合曲線斜率減小,說明長齡期下C20混凝土構件超聲波波速更易受抗壓強度的影響。

圖7 長齡期下混凝土試件超聲波波速與實測抗壓強度的關系

將三種標號混凝土實測抗壓強度與超聲波波速之間的21組有效數據進行擬合,得到長齡期下混凝土抗壓強度與超聲波波速之間的擬合關系式,如圖7(b)、式(2)所示,且式(2)僅適用于10～70 MPa的混凝土構件。

fcu=31.12v-97.84,R2=0.95

(2)

式中:fcu為混凝土試件實測抗壓強度,v為超聲波波速,R2為相關系數。

圖7(c)為尚新想等[2]、王雪平等[6]和本文給出的超聲波波速與抗壓強度的關系式。尚新想等[2]給出的強度-波速表達式斜率為0.052,王雪平等[6]給出了不同標號混凝土強度-波速表達式,其中斜率最小為0.06。上述兩篇文獻中超聲波波速單位均為m·s-1,而本文中強度-波速表達式斜率較低,轉換單位以后斜率為0.031。目前混凝土強度-聲速關系表達式眾多,且差異較大。上述兩篇文獻中混凝土試件齡期均為28 d以內,而早齡期混凝土抗壓強度與超聲波波速發展速率較高,但隨著齡期的增長,抗壓強度與超聲波波速發展速率會逐漸趨于穩定。若僅考慮早齡期的強度-聲速表達式來計算長齡期混凝土強度時會產生較大誤差,過高估計混凝土強度,因此本文強度-聲速表達式更適用于長齡期混凝土強度計算。

2.6.2 混凝土實測抗壓強度與回彈值

將三種標號混凝土試件實測抗壓強度與平均回彈值之間的21組有效數據進行擬合,得到長齡期下混凝土試件實測抗壓強度與平均回彈值之間的擬合關系式,如圖8、式(3)所示(Rm為平均回彈值)。可以看出長齡期下混凝土試件實測抗壓強度與平均回彈值之間有著較好的線性關系,實測抗壓強度隨著平均回彈值的增大而增大。式(3)僅適用于10～70 MPa的混凝土試件。

fcu=1.57Rm-17.23,R2=0.93

(3)

圖8(b)為魏連雨等[14]所給強度-回彈值關系表達式與本文強度-回彈值關系式的對比,魏連雨等[14]給出的強度-回彈值表達式是基于齡期為28 d以內的混凝土。由于早期混凝土強度、回彈值發展速率與長齡期混凝土發展速率不同,因此本文提出的強度-回彈值表達式與魏連雨等[14]給出的強度-回彈值表達式有所差異,本文強度-回彈值表達式斜率更小,更適用于長齡期混凝土強度的計算。

2.7 混凝土計算抗壓強度修正

長齡期會縮小相同配合比與養護條件的混凝土構件計算抗壓強度與混凝土試件實測抗壓強度之間存在的誤差。鑒于此,將三種標號下混凝土實測抗壓強度與計算抗壓強度進行線性擬合,對長齡期混凝土構件超聲回彈法進行修正,得到長齡期混凝土超聲回彈綜合法計算抗壓強度與實測抗壓強度關系式,可為工程實際中基于超聲回彈法測試長齡期混凝土抗壓強度提供參考。具體見式(4),混凝土計算強度與實測強度關系如圖9所示,式(4)僅適用于抗壓強度在10～70 MPa的混凝土。

圖9 混凝土計算強度與實測強度的關系

(4)

fcu,0=0.028 6v1.999R1.155

式中:fcu,0為修正前混凝土強度換算值,fcu,1為修正后混凝土強度換算值。

3 結 論

1)三種標號的混凝土構件回彈值發展規律增長迅速期主要集中在180 d以前。當齡期為730 d時,三者回彈值增長速率從大到小依次為C20、C40、C30;回彈值相對增長比例依次為44%、38%、33%。

2)三種標號的混凝土構件超聲波波速隨齡期變化可明顯分為三個階段:28 d以前為快速增長期;28～180 d為增長速度減緩期;180 d以后為波速穩定期,超聲波波速隨齡期變化波動很小。當齡期為730 d時,C20混凝土構件超聲波波速相對增長率為10%,C30與C40混凝土構件超聲波波速相對增長率均為6%。

3)三種標號的混凝土試件實測抗壓強度隨齡期的增長而增長,早期增長較快,后期增長緩慢趨于穩定,同齡期時,設計強度等級高的混凝土實測抗壓強度更高,且長齡期下設計強度等級低的混凝土試件實測抗壓強度增長速度更快。當齡期為730 d時,C20、C30、C40混凝土試件相對抗壓強度分別增長了59%、39%、35%。

4)三種標號混凝土構件計算強度隨齡期變化規律與抗壓強度相同。長齡期下(180 d以后),使用超聲回彈綜合法測試設計等級較高的混凝土構件(C40及以上)強度可能會偏高,測試設計等級較低的混凝土構件(C30及以下)強度可能會偏低。

5)超聲波、回彈值均能較好地表征10～70 MPa的混凝土構件計算抗壓強度,并具有較高的線性相關性,相關系數分別為0.95、0.93。混凝土構件設計強度等級過低(C30以下)會影響超聲波與抗壓強度的線性關系。

6)混凝土計算抗壓強度與實測抗壓強度之間的誤差率隨著齡期的增長而降低,180 d以后誤差率基本趨于穩定,三種標號的混凝土計算抗壓強度與實測抗壓強度誤差率在10%以內。對長齡期混凝土構件計算抗壓強度進行了修正,實測抗壓強度與計算抗壓強度之間存在二次函數的關系,且相關性較好。