回彈法和超聲回彈綜合法在水利工程混凝土強度檢測中的應用

陳偉

(寧波清源工程檢測試驗有限公司，浙江寧波，315010)

引言

在水利工程實踐中，當工程主體混凝土已經(jīng)澆筑完成并形成實體后，為保證工程質(zhì)量，需對其混凝土強度進行現(xiàn)場檢測，判斷其是否滿足設計要求的強度等級。此時，傳統(tǒng)的混凝土試塊檢測方法已不滿足使用條件，因此，較多地采用回彈法[1-3]、超聲回彈綜合法[4-6]、鉆孔取芯法[7]等方法。其中，鉆孔取芯法是指在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件上鉆孔，取出芯樣后，測試其抗壓強度。該方法檢測結(jié)果較為準確可靠，但會對構(gòu)件造成損傷，無法在重要構(gòu)件檢測或大范圍檢測中應用。因此，回彈法和超聲回彈綜合法得到了越來越廣泛的應用。

當前，基于回彈法和超聲回彈綜合法的適用情況、應用過程以及應用效果等有一定的相似性[8-9]，這給工程檢測人員在選擇混凝土強度測定方法時帶來不少的困惑。為此，本文系統(tǒng)性地介紹了回彈法和超聲回彈綜合法的基本原理、使用步驟以及工程中的適用性等內(nèi)容，再結(jié)合某具體水利建設工程的混凝土強度檢測數(shù)據(jù)，分析上述兩種檢測方法的檢測精度情況，通過數(shù)據(jù)總結(jié)與偏差分析，從而更好地指導工程實踐中混凝土強度檢測方法的選用。

1 基于回彈法的混凝土強度測定

從1948年瑞士人施密特創(chuàng)造了回彈儀以來，混凝土強度檢測的回彈法在建設工程中得到了廣泛的運用，大大地促進了建設工程質(zhì)量檢測行業(yè)的發(fā)展。與此同時，我國也對該技術(shù)進行了大力的推廣和應用，與此相關(guān)的《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標準》(GB/T50344-2004)、《回彈法檢測混凝土抗壓強度規(guī)范》(JGJ/T23-2011)、《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL352-2020)、《高強混凝土強度檢測技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T294-2013)以及《混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測技術(shù)標準》(GB/T50784-2013)等規(guī)范或標準相繼出臺。

1.1 回彈法檢測的原理

在混凝土結(jié)構(gòu)中，混凝土的表面硬度與抗壓強度之間存在一定的定量關(guān)系，借助這個關(guān)系，通過測定混凝土表面硬度，即可推測得到混凝土的抗壓強度?；貜椃ㄕ腔谠撛?，利用回彈儀這個儀器間接測得混凝土的抗壓強度，具體原理為：利用回彈儀給予小錘一定的動能，使之擊打混凝土結(jié)構(gòu)的表面，其中一部分動能被結(jié)構(gòu)所吸收，另一部分動能則返回給儀器，通過測定返回儀器的動能便能得知被結(jié)構(gòu)吸收掉了的動能，而吸收多少動能則由混凝土的表面硬度決定，由此可進一步得知混凝土的表面硬度，繼而推斷出混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓強度值。

1.2 回彈法應用步驟

1.2.1檢測前準備

檢測之前，應對檢測儀器和鑒定資料等進行核實檢查，保證儀器處于鑒定后的可靠狀態(tài)，避免因回彈儀的先天誤差影響后續(xù)的強度檢測數(shù)值。

1.2.2回彈值測定

選定相應的混凝土表面測區(qū)，用回彈儀讀取16個測點的數(shù)據(jù)值，數(shù)據(jù)精度為1°。每兩次測量點之間的距離不得少于20mm，且測點距離構(gòu)件邊緣以及外露的鋼筋已埋件等不得少于30mm，測點在測區(qū)內(nèi)的分布應均勻。每一測點處用回彈儀彈測一次，不得反復彈測多次，并避免彈測在氣孔、石子等表面缺陷處。測定過程中，回彈儀的軸線應保持與被測構(gòu)件的表面垂直，緩慢試測，讀數(shù)應做到快、準，讀取后即將儀器復位。

1.2.3構(gòu)件碳化深度測定

混凝土碳化后將出現(xiàn)收縮、脹裂、表面松散等情況，在回彈測試時將吸收部分彈擊能量，從而使混凝土回彈推定值大幅下降。因此，測定回彈值時須考慮碳化深度的影響，其對應關(guān)系可參見圖1。

圖1 碳化深度值與混凝土回彈值的關(guān)系(C40混凝土，取平均值)

用鐵錘和螺絲刀在混凝土相應的檢測處鑿孔，孔徑約為20mm，孔深約為15mm，且應比碳化深度更深。鑿出圓孔后清理碎渣，但忌用清水沖洗。之后再馬上滴入濃度約為1%的酚酞酒精液體，使其充分浸潤圓孔內(nèi)壁。當混凝土圓孔內(nèi)壁的顏色變得穩(wěn)定后，再用量尺測出變色部分和未變色部分的深度。其中，變色部分為沒有碳化的混凝土，而未變色部分則為已經(jīng)碳化的混凝土。碳化深度量測三次并取平均值，精度為0.5mm。

1.2.4回彈值修正

為盡可能消除不必要的誤差因素，應根據(jù)《回彈法檢測混凝土抗壓強度規(guī)范》(JGJ/T23-2011)，對測量所得數(shù)據(jù)進行處理。

(1)測區(qū)平均回彈值求解。將回彈儀探測所得的16個回彈值，分別去掉最大和最小的三個數(shù)據(jù)，將剩下的10個數(shù)據(jù)求平均值，作為該構(gòu)件的回彈值。

(2)回彈儀角度修正。根據(jù)儀器軸線與水平線之間的夾角，對照相關(guān)規(guī)范附件可得相應的修正值，對上述的回彈值進一步進行修正，得出修正值。

(3)構(gòu)件表面修正。利用回彈儀測試構(gòu)件表面，根據(jù)測試數(shù)據(jù)繼續(xù)對修正值進行修正。

(4)抗壓強度推算。對照當?shù)氐牡胤綔y強曲線，根據(jù)上述的回彈修正值和碳化深度，算得相應的混凝土強度值。

1.3 特點分析

回彈法操作簡單、便捷，費用較低，且可較快速地測出混凝土構(gòu)件的相應強度，通過隨機檢測不同的混凝土位置，可全面了解構(gòu)件的整體強度分布情況，同時不會對構(gòu)件產(chǎn)生破壞，屬于無損檢測，因此應用較為便利。但回彈儀測得的是回彈值，需要對照當?shù)氐臏y強曲線，并聯(lián)系碳化深度，才能求算得強度值，其間存在一定的誤差，精確度較差。同時，當混凝土經(jīng)歷過火災、極端天氣凍融以及化學腐蝕等情況時，其表面和內(nèi)部強度差異較大，此時的回彈法檢測效果將大打折扣。

2 基于超聲回彈綜合法的混凝土強度測定

2.1 超聲回彈綜合法的原理

在原理方面，超聲法和回彈法較為類似，都是基于混凝土強度與混凝土某種特性之間的關(guān)系，先通過測得與混凝土強度有特定關(guān)聯(lián)的某一物理量，再間接推算求得強度值。兩者不同之處在于，超聲法借助的是超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與其強度之間的關(guān)系，根據(jù)彈性波動理論可知，超聲波的傳播速度與混凝土彈性模量、密度等有關(guān)；回彈法則是基于混凝土表面硬度與抗壓強度之間的關(guān)系。超聲回彈綜合法，顧名思義，即是超聲法和回彈法的結(jié)合應用，以此求得混凝土的抗壓強度。其基本思路為：對同一混凝土構(gòu)件分別采用回彈法和超聲法，測得相應的回彈值和超聲波聲速，再將數(shù)據(jù)代入相關(guān)公式求得混凝土強度。所述公式具體如下：

(1)

2.2 超聲回彈綜合法的應用步驟

(1)對混凝土構(gòu)件的某一測區(qū)，采用回彈儀進行回彈測試，求得相應的回彈值及其修正值，具體的回彈修正值求法與1.2節(jié)相同，不再贅述。

(2)在回彈法測試的同一測區(qū)，采用低頻超聲波檢測儀進行超聲測試。

測試時，在測區(qū)表面設置3個點位，再將超聲波發(fā)射器與接收器的軸線對準在同一軸線上，測得的三次聲速值均保留兩位小數(shù)。測試結(jié)束后，根據(jù)式(2)求解出超聲波聲速的代表值v。

v=3L/(t1+t2+t3)

(2)

在式(2)中，L為超聲測距，t1、t2、t3分別為3個測試點位的聲時值。

(3)對于上述兩個步驟，值得注意的是要對同一測區(qū)先進行回彈測試、再進行超聲測試，同時注意區(qū)分兩個不同測試類別的測試數(shù)據(jù)，不可混淆。在求得聲速代表值后，對于檢測面是混凝土澆筑面的情況，應對聲速代表值進行相應修正，具體修正方法如式(3)所示：

Va=βv

(3)

在式(3)中，Va為修正后的聲速代表值，β為修正系數(shù)，當檢測面是混凝土澆筑面時一般取1.034。

2.3 特點分析

相較于單一的回彈法或超聲法，超聲回彈綜合法取長補短，盡可能多地考慮到了更多的物理參數(shù)，較為全面地體現(xiàn)了混凝土強度的各類影響因素，檢測誤差更小，精確度更高，可更加可靠地反映混凝土構(gòu)件的整體強度以及質(zhì)量情況。同時，超聲回彈綜合法在混凝土構(gòu)件澆筑7d后即可開展檢測，因此能較及時快速地判斷混凝土強度發(fā)展情況是否符合設計要求。

3 水利工程混凝土強度檢測分析

為進一步指導現(xiàn)場實際中混凝土強度檢測方法的選擇，分別采用回彈法和超聲回彈綜合法對某大型水利建設工程項目中的某C35混凝土構(gòu)件進行強度檢測，檢測時間均為混凝土澆筑后7至15天之間，同時在澆筑混凝土時現(xiàn)場留置了相應數(shù)量的試塊。經(jīng)數(shù)據(jù)初步分析，發(fā)現(xiàn)超聲回彈綜合法與回彈法的檢測數(shù)據(jù)之間有較大的誤差，為此，進一步對照了留置試塊的抗壓強度試驗值，將三種檢測數(shù)據(jù)進行對比，從而得出了一定的規(guī)律性?；貜椃z測數(shù)據(jù)、超聲回彈綜合法檢測數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場留置的同條件養(yǎng)護試塊檢測數(shù)據(jù)匯總列于表1。

表1 不同的混凝土強度檢測方法所測得的數(shù)據(jù)對比

由表1中的數(shù)據(jù)可知，對于本次水利工程中的C35混凝土構(gòu)件而言，回彈法檢測混凝土強度的數(shù)值總體偏大，比同條件試塊強度值大約26.4%～34.5%，而超聲回彈綜合法的混凝土強度檢測數(shù)值雖然部分偏大、部分偏小，但總體偏差均不大，且與試塊檢測值基本吻合，最大偏差約為5.5%。相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)和規(guī)律亦符合文獻[9]中所得出的對比結(jié)論，即對于C20～C40之間的混凝土(本工程為C35)，超聲回彈綜合法的檢測結(jié)果準確度較高，而回彈法均偏大。在實際工程應用中，此結(jié)論具有一定的參考價值，但需結(jié)合地方工程的實際情況進行綜合考慮。需要說明的是，本次試驗的試塊樣品數(shù)量還不夠大，所統(tǒng)計規(guī)律的精確性程度有待進一步提高。同時，回彈法檢測強度偏大與混凝土強度等級之間關(guān)系的微觀機理也有待進一步研究，以期能從理論依據(jù)和實踐數(shù)據(jù)兩方面得出更有參考性的結(jié)論。

4 結(jié)語

在水利工程中，混凝土材料具有非常廣泛的應用情形，其關(guān)鍵性指標——抗壓強度直接影響著項目的建設質(zhì)量以及后期的使用安全，對混凝土實體強度進行準確檢測，判斷其是否符合設計要求的強度等級具有重要的現(xiàn)實意義。在目前的混凝土強度檢測方法中，無損檢測因操作簡單、不影響構(gòu)件質(zhì)量等優(yōu)勢得到了青睞，其中回彈法和超聲回彈綜合法是主要的檢測手段。在具體實踐操作中，檢測人員對回彈法和超聲回彈綜合法的應用場合往往難以準確判斷，繼而影響最終的混凝土強度檢測結(jié)果，并給工程質(zhì)量的準確判斷帶來潛在隱患。因此，本文在系統(tǒng)介紹回彈法和超聲回彈綜合法的基本原理、操作步驟以及應用特點的基礎(chǔ)上，以水利建設工程中的具體混凝土檢測數(shù)據(jù)為依托，通過對比分析兩種混凝土強度檢測方法的準確性和偏差值，以期更好地指導檢測人員針對回彈法和超聲回彈綜合法的綜合選擇，從而實現(xiàn)對工程建設質(zhì)量的準確判斷。