基于超聲回彈綜合法探索雙側(cè)加固砼的測強方法*

宋福春， 劉帥偉， 康　寧

(沈陽建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院， 沈陽 110168)

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基于超聲回彈綜合法探索雙側(cè)加固砼的測強方法*

宋福春， 劉帥偉， 康寧

(沈陽建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院， 沈陽 110168)

為了分析超聲回彈綜合法檢測經(jīng)雙側(cè)加固后混凝土構(gòu)件強度的可行性，研究了混凝土構(gòu)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(jīng)過雙側(cè)加固的混凝土試件進行強度檢測.結(jié)果表明：遼寧地區(qū)測強曲線優(yōu)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(jié)果能夠達到規(guī)范要求的檢測精度；混凝土構(gòu)件中的鋼筋能夠使超聲檢測的聲時值變小；該方法能夠準(zhǔn)確地檢測出雙側(cè)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(yīng)用范圍.

雙側(cè)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(qū)； 強度

在我國，混凝土以其眾多的優(yōu)點，仍然是多種建筑結(jié)構(gòu)主要采用的建筑材料.而且，在今后很長一段時期內(nèi)，建筑結(jié)構(gòu)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(jīng)進行了相關(guān)的加固改造.增大截面加固法在混凝土結(jié)構(gòu)加固中被廣泛采用.在橋梁墩臺和柱子等關(guān)鍵部位，通常采用混凝土進行雙側(cè)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(shù)不多的幾種.目前，由于超聲回彈綜合法具有完善的規(guī)范和相對較高的檢測精度，技術(shù)上也相對成熟，在工程實踐中應(yīng)用最為廣泛，但此種方法一般適用于檢測材質(zhì)單一的混凝土.在對經(jīng)過外包混凝土加固后的構(gòu)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(gòu)件的真實強度.在超聲回彈綜合法檢測混凝土強度的基礎(chǔ)上，探索出一種對經(jīng)過外包混凝土加固后的構(gòu)件進行檢測的方法，目前卻缺乏相關(guān)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(guī)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(jì)50年代著手相關(guān)研究工作，目前，我國在常規(guī)領(lǐng)域已達到或領(lǐng)先了世界水平，并引進了新的參數(shù)以增加測強的精度.在理論和檢測設(shè)備上，超聲回彈綜合法檢測混凝土的強度均已發(fā)展得相當(dāng)成熟[2-4].然而針對外包混凝土加固后構(gòu)件的無損強度檢測，在檢測方法或相關(guān)理論研究上尚未見到相關(guān)文獻的發(fā)表.

本文通過澆筑舊混凝土兩側(cè)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(shè)計強度等級為C20，兩側(cè)新澆筑混凝土設(shè)計強度等級為C30.在試件養(yǎng)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(cè)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(jù)《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程》(CECS02：2005)[6]中的相關(guān)要求，經(jīng)由同齡期、同條件下標(biāo)準(zhǔn)試塊的抗壓強度值來分別對全國測強曲線和遼寧地區(qū)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(zhì)密切相關(guān)，而混凝土彈性性質(zhì)預(yù)期力學(xué)強度之間存在內(nèi)在聯(lián)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(guān)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(guān)來獲得回彈值R與混凝土強度的關(guān)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(jié)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(qū)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(qū)域內(nèi)混凝土的強度.

2　試驗概況

2.1試件設(shè)計

本文共有9個試件，24個立方體抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)素混凝土、三片鋼筋網(wǎng)、四片鋼筋網(wǎng).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(shè)計強度后，先鑿毛，然后在其兩側(cè)澆筑C30等級的新混凝土.試件采用鋼模板，在實驗室中養(yǎng)護成型.

試件共分為三個測區(qū)，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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)試塊分別澆筑12個，澆筑完成后進行與試件同條件下的養(yǎng)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)備及檢測方式

2.2.1試驗設(shè)備

超聲發(fā)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(jīng)脫模完畢的試件畫線標(biāo)明測區(qū)和測點，按照試件的編號順序逐個進行檢測并記錄數(shù)據(jù).圖3為試件的超聲檢測現(xiàn)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(qū)，首先進行超聲波速的檢測，采用超聲對測法按照預(yù)先劃定的測點進行檢測.在超聲檢測結(jié)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(cè)面.同齡期、同條件下的標(biāo)準(zhǔn)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(guī)方式進行，因此不考慮碳化對回彈值的影響.

3　試驗結(jié)果及分析

圖1中測區(qū)一和測區(qū)二超聲對測距離為300mm.測區(qū)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(guī)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(qū)域超聲回彈綜合法檢測混凝土強度的應(yīng)用研究》中給出的遼寧地區(qū)專用測強曲線表達式[7]為

(2)

3.1使用立方體抗壓標(biāo)準(zhǔn)試塊對測強曲線校核

與試件同批次、同養(yǎng)護條件的立方體抗壓標(biāo)準(zhǔn)試塊，在齡期28d時，先經(jīng)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(shù)據(jù).根據(jù)(CECS02：2005)中的規(guī)定，分別對全國測強曲線及遼寧地區(qū)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(jīng)過計算，使用全國測強曲線時相對標(biāo)準(zhǔn)誤差er=22.82%>15%；使用遼寧地區(qū)測強曲線時相對標(biāo)準(zhǔn)誤差er=8.83%<14%.在遼寧省交通工程質(zhì)量與安全監(jiān)督局相關(guān)研究人員的研究中，全國曲線的相對標(biāo)準(zhǔn)誤差為er=20.64%>15%，使用遼寧地區(qū)測強曲線時相對標(biāo)準(zhǔn)誤差er=13.59%<14%.因此，遼寧地區(qū)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(qū)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(qū)測強曲線在遼寧地區(qū)有較好的適用性，能夠滿足規(guī)范的使用要求，在遼寧地區(qū)運用綜合法測強時應(yīng)優(yōu)先選用.

表2　試塊檢測數(shù)據(jù)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(cè)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(gòu)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(jù)超聲波的實際傳播路線，需要在檢測結(jié)果中考慮舊混凝土對實測結(jié)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(cè)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(cè)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(yīng)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(qū)三(見圖1)進行檢測的情形下，計算試件的強度值(測區(qū)二在加固前已知).根據(jù)試件的尺寸及聲速比例關(guān)系可得

(3)

整理可得

(4)

將試驗得到的相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(4)，并將試驗得到的強度值和同齡期同條件標(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(guī)范要求.因此，在測試外包混凝土強度時應(yīng)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(jié)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(shè)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(qū)專用測強曲線進行檢測，將試驗測得的相關(guān)數(shù)據(jù)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(guī)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(cè)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(yīng)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(jù)有無鋼筋以及鋼筋網(wǎng)片的不同數(shù)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(fā)射探頭和接收探頭.當(dāng)超聲波完全經(jīng)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(zhǔn)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(wǎng)對超聲聲速的影響.由表4可知，有著三片鋼筋網(wǎng)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(wǎng)的混凝土試件與三片鋼筋網(wǎng)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(wǎng)對超聲聲速的影響

4　結(jié)　論

本文通過分析得出以下結(jié)論：

1) 根據(jù)試驗結(jié)果對全國規(guī)范回彈測強曲線及遼寧地區(qū)測強曲線進行了精度分析，結(jié)果表明，遼寧地區(qū)測強曲線跟試驗結(jié)果更加吻合，適用于在遼寧地區(qū)推廣應(yīng)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(guī)范的適用范圍，測試結(jié)果精度較高，能夠達到工程應(yīng)用的要求，可以推廣到實際工程檢測中.

3) 鋼筋網(wǎng)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(yīng)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(yīng)盡量遠離鋼筋軸線，必要時應(yīng)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(shù)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(jīng)雙側(cè)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(jié)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(zé)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(xué)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(xiāng)建設(shè)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(jié)構(gòu)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(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160907.1608.036.html