回彈-超聲波綜合法混凝土抗壓強度非破損檢測研究

高 峰，郝奇亮，劉桂玲

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003）

回彈-超聲波綜合法混凝土抗壓強度非破損檢測研究

高 峰，郝奇亮，劉桂玲

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003）

應(yīng)用本地區(qū)典型混凝土原材料制作6種不同強度等級的混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件，并按照現(xiàn)行相關(guān)技術(shù)規(guī)程要求分別進行了回彈法和超聲波法混凝土抗壓強度非破損檢測試驗。應(yīng)用大型通用數(shù)學(xué)軟件Matlab7.0多種不同類型函數(shù)的回歸優(yōu)化分析，建立了反映回彈值、聲速值及回彈-聲速值與混凝土抗壓強度之間相關(guān)關(guān)系的測強曲線。結(jié)果表明，與現(xiàn)有回彈法或超聲波法等單一檢測法相比，所建立的混凝土抗壓強度非破損二元對數(shù)型測強曲線精度較高，宜在本地區(qū)優(yōu)先采用。

混凝土抗壓強度；回彈-超聲波綜合法；非破損檢測技術(shù)；Matlab7.0回歸分析

自1824年波特蘭水泥發(fā)明之后，混凝土廣泛應(yīng)用于土木建筑、水利、交通等眾多領(lǐng)域。混凝土工程質(zhì)量關(guān)系到建筑物或構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)安全，事關(guān)人民群眾的生命財產(chǎn)安全。而混凝土抗壓強度是混凝土質(zhì)量控制的核心內(nèi)容，是結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工及驗收的重要依據(jù)，是混凝土最重要的指標(biāo)之一[1～2]。施工單位采用無損檢測技術(shù)檢測混凝土強度，及時發(fā)現(xiàn)施工中存在的問題，及時采取措施。質(zhì)監(jiān)部門對現(xiàn)場的混凝土強度進行抽檢，以確定工程質(zhì)量是否滿足設(shè)計要求，防患于未然。可見，深入研究混凝土強度的便捷、準(zhǔn)確檢測方法，通過快速測定其某幾項物理、力學(xué)指標(biāo)來評定和控制混凝土質(zhì)量，對于加快施工進度、提高工程質(zhì)量、降低造價及建材消耗都極為重要[3]。

混凝土質(zhì)量檢測技術(shù)按其對結(jié)構(gòu)的影響程度可分為破損法和非破損法。相對于破損法來說，非破損法不會對混凝土結(jié)構(gòu)造成破壞、測試儀器簡單、操作方便，并且可對混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件重復(fù)測試，便于大范圍檢查，受到現(xiàn)場工程技術(shù)人員和質(zhì)量檢測部門的青睞[4]。尤其沖擊/彈性波法是唯一與材料的力學(xué)特性直接相關(guān)的測試方法，最適合于混凝土強度的非破損檢測[5～6]。

但我國疆域廣闊、氣候由北而南差異巨大，且混凝土工程材料品種、品牌繁多，各地施工條件、施工隊伍技術(shù)水平參差不齊，直接采用國家統(tǒng)一制定的測強曲線，可靠性和地區(qū)適用性有待進一步驗證[7～8]。本文旨在通過對標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件進行回彈法、超聲法非破損檢測室內(nèi)試驗，應(yīng)用大型數(shù)學(xué)軟件Matlab7.0對實測試驗數(shù)據(jù)進行優(yōu)化回歸分析，建立所在地區(qū)混凝土回彈-超聲波綜合法測強曲線，以發(fā)展和完善適應(yīng)本地區(qū)工程實際的混凝土快速檢測技術(shù)。

1 試驗用混凝土原材料

河砂資源豐富，價格適中，工程現(xiàn)場應(yīng)用相當(dāng)廣泛。本試驗選用河砂作為細骨料，其基本物理力學(xué)性能，見表1，為Ⅱ級配區(qū)。

表1 中砂

本實驗粗骨料為粒徑5～20mm級配良好的碎石，其堆積密度1 435 kg/m3，表觀密度2 560 kg/m3，空隙率46％，針片狀含量為5.1％，壓碎指標(biāo)12.2％。

水泥在混凝土中起膠結(jié)作用，是最重要的材料，也是決定混凝土強度、耐久性及降低成本的重要影響因素。試驗采用安定性合格的中蘆牌普通硅酸鹽水泥，基本物理力學(xué)性能，見表2。

表2 水泥物理力學(xué)性能

混凝土拌合選用滿足《混凝土拌合用水標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 63-2006）的自來水。

2 混凝土配合比設(shè)計與試驗設(shè)備

由普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程[9]，根據(jù)混凝土強度等級、耐久性，限制塌落度10～30 mm，進行 6個強度等級的混凝土配合比設(shè)計，見表3。

表3 混凝土配合比

采用HT-30L強制混凝土攪拌機攪拌；HZJ-1振動臺振實；制作標(biāo)準(zhǔn)試件168組；SKYH-40B混凝土養(yǎng)護箱標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28 d。其他試驗儀器：YA-3000型液壓萬能試驗機；ZC3-A混凝土回彈儀；瑞士產(chǎn)Tico超聲波儀，見圖1。

3 試驗數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

按現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范[10，11]要求，進行回彈法、超聲波法混凝土強度實測。

3.1 回彈法測強曲線

回彈法非破損檢測在混凝土表面測試，回彈值大小能反映混凝土表面硬度狀況。對實測得到的回彈值和抗壓強度值利用大型數(shù)學(xué)軟件Matlab7.0進行回歸分析。

圖2 回彈法擬合測強曲線

由圖2可以看出，三個擬合公式的相關(guān)性系數(shù) R、平均相對誤差er及相對標(biāo)準(zhǔn)差δ指標(biāo)差別不大，均滿足國家測強曲線精度（δ≤14％，er≤17％）的要求[10]。但線性擬合公式R最好，er，δ最小。說明隨著混凝土抗壓強度的提高，回彈值逐漸增大，且數(shù)據(jù)離散性較小，混凝土表面硬度（即回彈值）與其抗壓強度之間具有較好的相關(guān)關(guān)系。

3.2 超聲波法測強曲線

超聲波檢測法中，聲波在混凝土中的傳播速度能反映混凝土原材料組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及密實狀況[6～8]。理論分析和試驗結(jié)果表明，聲速值與混凝土抗壓強度相關(guān)性較好，可通過測定聲波在混凝土中的傳播速度來推定混凝土的強度。

表4 超聲波法測強曲線

三個超聲波法擬合公式中R，er，δr的評價指標(biāo)差別不大，見表4，都滿足地區(qū)測強曲線的基本要求[11]。但線性擬合公式R，er最好；冪函數(shù)擬合公式δ最??；指數(shù)函數(shù)擬合公式評判指標(biāo)均較高。

3.3 回彈-超聲波法測強曲線

回彈-超生波綜合法線性擬合時，線性回歸公式為：

采用Matlab7.0對數(shù)函數(shù)擬合時，回歸曲面，見圖3。

圖3 回彈-超生波法對數(shù)函數(shù)型回歸曲面

對數(shù)函數(shù)型回歸公式為：冪數(shù)函數(shù)型擬合回歸曲面，見圖4。

圖4 回彈-超生波法冪函數(shù)型回歸曲面

冪函數(shù)回歸公式為：

由式（1）～式（3）看出，回彈-超聲綜合法二元回歸公式精度較一元回歸公式有較大幅度提高，均大于0.930；對數(shù)型回歸公式總體效果最好。

4 結(jié)論

運用標(biāo)準(zhǔn)回彈法、超聲波法進行混凝土抗壓強度非破損檢測試驗。試驗結(jié)果分析表明，采用本地區(qū)常用原材料形成的混凝土回彈值R、超聲速值ν均與混凝土抗壓強度fccu之間具有較好的相關(guān)關(guān)系。但由Matlab7.0優(yōu)化回歸分析所建立的混凝土回彈-超聲波綜合法二元測強曲線，其各項評價指標(biāo)（R，er，δ）均優(yōu)于回彈法、超聲波法等單一測強曲線，檢測精度明顯提高，在工程實踐中宜優(yōu)先選用。

[1]Mehta PK.Concrete：microstructure，properties andmaterials[M].New York：Me Graw Hill，2005.

[2]張仁瑜，王征，孫盛佩.混凝土質(zhì)量控制與檢測技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[3]Popovics，John S.Nondestructive evaluation：past，present，and future[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2003，15（3）：211-213.

[4]梁暉.混凝土現(xiàn)場無損檢測的新發(fā)展[J].建筑技術(shù)，2003，34（4）：294-296.

[5]Li Chen.Study of applying macro-evolutionary genetic programming to concrete strength estimation[J].Journal of Computing in Civil Engineering，2003，17（4）：290-293.

[6]Jean-Franois Chaix，VicentGarnier，Gilles Comeloup.Concrete damage evolution analysis by backscattered ultrasonic waves[J].NDT＆E International，2003（36）：462-468.

[7]韓建平，李曉松，羅維剛.回彈法檢測混凝土抗壓強度在蘭州地區(qū)的試驗研究[J].甘肅科學(xué)學(xué)報，2010，22（2）：45-48.

[8]陳華艷.超聲波檢測在鋼纖維混凝土中的應(yīng)用[D].武漢：華中科技大學(xué)，2002：13-20.

[9]中華人民共和國建設(shè)部.JGJ 55-2000，普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[10]中華人民共和國建設(shè)部.JGJ/T 23-2001，回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[11]中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會.CECS 02：2005，超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

〔責(zé)任編輯 石白云〕

Study on Concrete Compression Strength w ith Rebounding-ultrasonic Non-destruction Detecting Synthesis M ethod

GAO Feng，HAO Qi-liang，LIU Gui-ling
（School of Coal Mine Engineering，ShanxiDatong University，Datong Shanxi，037003）

Regionalmaterials in local area are used tomake the concrete testing blocks.The rebounding and ultrasonic nondestruction detecting testing for concrete compression strength were done by using the six types of strength grades concrete standard specimens according to national technical regulation.And by using the common software Matlab7.0，the mathematical models between rebounding values，ultrasonic velocity values，rebounding-ultrasonicmethod values and concrete compression strength were setup by three kinds of functions＇regression analysis.Compared with the rebounding testingmethod or the ultrasonic testingmethod，the binary logarithmic form strength curve for concrete non-destruction detecting testing has higher precision and should be firstly used when the conditions are permitted，.

concrete compression strength；rebounding-ultrasonic synthesis method；non-destruction detecting technique；Matlab7.0 regression analysis

TU528

A

1674-0874（2012）04-0055-03

2012-03-06

山西大同大學(xué)博士科研啟動基金［20100016］；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目［SDC201119］

高峰（1977-），男，山東泰安人，博士，副教授，研究方向：工程力學(xué)。