回彈法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度的探究

劉欣欣 馬 驍

(商洛學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西 商洛 726000)

回彈法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度的探究

劉欣欣 馬 驍

(商洛學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西 商洛 726000)

從混凝土本構(gòu)關(guān)系及強(qiáng)度與硬度的關(guān)系兩方面，探討了回彈法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度中，“回彈值—碳化深度—強(qiáng)度”這種推斷方法的不準(zhǔn)確性，并指出如果回彈法測(cè)量結(jié)果離散性較大時(shí)，應(yīng)選擇其他更合適的方法進(jìn)行混凝土強(qiáng)度測(cè)試。

混凝土，回彈法，硬度，抗壓強(qiáng)度

0 引言

眾所周知，工程中混凝土強(qiáng)度的檢測(cè)常用的方法主要有半破損檢測(cè)法；微破損檢測(cè)法和非破損檢測(cè)法三種。非破損檢測(cè)即在不破壞待檢結(jié)構(gòu)構(gòu)件的情況下獲得混凝土相關(guān)參數(shù)，然后利用測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)混凝土的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，該檢測(cè)方法有如下優(yōu)點(diǎn)[1]：

1)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件不造成破壞；2)設(shè)備便于攜帶、操作簡(jiǎn)單；3)不受構(gòu)件形狀尺寸限制，可重復(fù)進(jìn)行；4)實(shí)驗(yàn)費(fèi)用低廉。

因此，在國(guó)內(nèi)和國(guó)外的工程擴(kuò)建及事故處理、質(zhì)量檢驗(yàn)以及質(zhì)量監(jiān)督中得到了更廣泛的應(yīng)用。其中美、德、日、波蘭等國(guó)際化組織都已將該法規(guī)范化[1]。回彈法在我國(guó)的應(yīng)用開(kāi)始于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)主要用于施工中現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定混凝土的強(qiáng)度，直到1987年混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)才被住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部列入建筑可選發(fā)展計(jì)劃，逐漸形成了具有符合我國(guó)實(shí)際情況的“回彈值—深度—強(qiáng)度”對(duì)應(yīng)關(guān)系的回彈標(biāo)準(zhǔn)。1985年8月頒布的《回彈法評(píng)定混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》[2](以下簡(jiǎn)稱回彈法規(guī)程)是我國(guó)第一部混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。自此，回彈法在測(cè)定混凝土強(qiáng)度方面才轉(zhuǎn)入正規(guī)。

但是，在用回彈法的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，仍存在一些影響其精度及結(jié)果的可靠性的問(wèn)題。為此，本文將從結(jié)構(gòu)硬度與強(qiáng)度的區(qū)別及混凝土的本構(gòu)關(guān)系兩方面展開(kāi)討論。

1 強(qiáng)度與硬度的關(guān)系

所謂強(qiáng)度是指材料或結(jié)構(gòu)抵抗破壞的能力，是衡量材料承載能力的重要指標(biāo)，同時(shí)也是結(jié)構(gòu)構(gòu)件首先應(yīng)滿足的基本要求。也可以將強(qiáng)度簡(jiǎn)單的理解為材料抵抗破壞的能力。

但是材料的硬度指的是其在局部表面上抵抗硬物壓入的能力，它強(qiáng)調(diào)的是侵入與反侵入能力，是比較不同材料軟硬的指標(biāo)。

硬度主要分為以下幾個(gè)：

1)劃痕硬度，是法國(guó)著名科學(xué)家列奧米爾于1722年提出的主要用于比較不同礦物軟硬程度的指標(biāo)。將待檢測(cè)材料劃過(guò)一根兩端軟硬程度不同的檢測(cè)棒，依據(jù)該棒出現(xiàn)劃痕的位置來(lái)確定材料軟硬，是一種極粗糙的劃痕硬度測(cè)定法；

2)壓入硬度，是指規(guī)定的壓頭在一定荷載作用下被壓入待檢測(cè)材料，在材料表面會(huì)產(chǎn)生塑性變形，根據(jù)該變形的大小來(lái)確定材料的軟硬程度，此方法主要用于金屬材料的硬度檢測(cè)；

3)回跳硬度，測(cè)試過(guò)程是將一特制的小錘在某一高度處自由下落，沖擊測(cè)試材料，然后以被測(cè)材料在沖擊過(guò)程中存儲(chǔ)的應(yīng)變能(由小錘回跳高度確定)來(lái)確定該材料的軟硬程度。同壓入硬度一樣主要用于金屬材料。這種測(cè)量設(shè)備攜帶和使用都比較方便，但是精確度不高。工程中用的回彈儀在測(cè)量混凝土強(qiáng)度時(shí)，儀器的顯示值是混凝土肖氏硬度(回跳硬度的一種)的直接反映，經(jīng)過(guò)“回彈值—碳化深度—強(qiáng)度”轉(zhuǎn)換后才得到了混凝土的強(qiáng)度。

硬度與強(qiáng)度所衡量的是材料不同方面的性質(zhì)，而且兩者并沒(méi)有直接相關(guān)性，在應(yīng)力狀態(tài)方面，硬度試驗(yàn)與強(qiáng)度試驗(yàn)是不同的，即應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)a值不同。a=t/s，其中，t為最大切應(yīng)力；s為最大正應(yīng)力?；炷量箟涸囼?yàn)中a=2，試驗(yàn)時(shí)材料先產(chǎn)生彈性變形，直到屈服而后產(chǎn)生塑性變形，最后在正應(yīng)力超過(guò)最大承載力后發(fā)生構(gòu)件破壞；而在壓入式硬度試驗(yàn)中a>2，試驗(yàn)時(shí)也是材料首先出現(xiàn)彈性變形，接著會(huì)產(chǎn)生塑性變形，如果壓入荷載控制得當(dāng)，材料將只產(chǎn)生彈性變形和比軸壓下大得多的塑性變形，但不會(huì)發(fā)生破壞。正是由于抗壓實(shí)驗(yàn)與壓入式硬度試驗(yàn)之間存在的這些類似特點(diǎn)，硬度值與強(qiáng)度值才存在一定的聯(lián)系，但它們?nèi)匀皇莾煞N不同類型的試驗(yàn)，且應(yīng)力狀態(tài)軟性系數(shù)a也不同，對(duì)于不同的材料來(lái)說(shuō)兩者的聯(lián)系并不具有普遍適用性。

從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1172—1999[3]來(lái)看，金屬類的抗拉強(qiáng)度和其硬度有較好的相關(guān)性，由GB/T 1172—1999給出的換算表可以用硬度換算出相應(yīng)的強(qiáng)度。沈保羅等人[4]指出：鋼鐵材料抗拉強(qiáng)度和硬度之間呈正相關(guān)關(guān)系，在許多時(shí)候存在線性關(guān)系，用強(qiáng)度與硬度之間的關(guān)系監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量簡(jiǎn)單快捷。

對(duì)于混凝土來(lái)說(shuō)，它是由較簡(jiǎn)單的工藝制作出的復(fù)雜體系。因?yàn)槠渲谱鞴に嚭?jiǎn)單、材料來(lái)源廣泛，所以成為了廣泛使用的建筑材料，但是體系的復(fù)雜性也是很明顯的。

1)原材料多樣且來(lái)源廣泛，材料成分波動(dòng)較大，組成的結(jié)構(gòu)在微觀層面上不同層次的多相性、非均質(zhì)性與其配合比關(guān)系較為密切；2)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程與溫度、濕度等環(huán)境有較大關(guān)系，同時(shí)在時(shí)間上具有依賴性；3)水泥水化過(guò)程中形成的凝膠較為復(fù)雜，在當(dāng)前科技發(fā)展的情況較難測(cè)定。

因此使得這種復(fù)雜的形體有性能的不穩(wěn)定性以及微結(jié)構(gòu)的不確定性，混凝土就有了非線性體系的特征。另外回彈儀的工作原理[5]是使用一個(gè)由彈簧驅(qū)動(dòng)的重錘來(lái)彈擊待測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的表面，然后再獲取重錘的回彈距離，將重錘的反彈距離和設(shè)備彈簧原始長(zhǎng)度的比值當(dāng)作衡量強(qiáng)度的量化數(shù)值，由此來(lái)確定混凝土強(qiáng)度。

由于測(cè)量過(guò)程均在混凝土表面進(jìn)行，回彈法測(cè)得的數(shù)據(jù)僅僅代表混凝土表面的軟硬程度，然后依據(jù)此表面硬度來(lái)推斷混凝土的強(qiáng)度。龐超明[6]指出回彈法的誤差在14.0%～18.0%，由此可見(jiàn)這種通過(guò)“回彈值—碳化深度—強(qiáng)度”的方法存在較大誤差。

依據(jù)《回彈法規(guī)程》中對(duì)于相同碳化深度下不同回彈值對(duì)應(yīng)的混凝土強(qiáng)度做出了如圖1所示的回彈值—強(qiáng)度曲線。

從圖1中可以看出，同樣碳化深度下，回彈值與混凝土強(qiáng)度基本呈線性關(guān)系，但是這種線性關(guān)系并沒(méi)有相應(yīng)的理論支持也不具有穩(wěn)定性，從碳化深度為2 mm的表格可以看出，當(dāng)回彈值大于44～46之間混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯變大，46以后增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。工程測(cè)量中由于各種不確定因素(測(cè)量人員，操作方法等)，極有可能使測(cè)得的數(shù)據(jù)不能正確反映混凝土的真實(shí)強(qiáng)度。因此當(dāng)用硬度來(lái)反映強(qiáng)度時(shí)，對(duì)于一些特殊的材料(如金屬)來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單、方便，但是對(duì)于混凝土來(lái)說(shuō)，仍需要慎重，特別是檢測(cè)數(shù)據(jù)離散性較大時(shí)，應(yīng)參考其他檢測(cè)方法的數(shù)據(jù)。

2 混凝土的本構(gòu)關(guān)系

盡管《回彈法規(guī)程》詳細(xì)給出了回彈法檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和使用條件,但仍有一些有待探討的問(wèn)題。劉興遠(yuǎn)等從混凝土齡期、混凝土厚度等方面指出了回彈法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度還存在一些影響測(cè)量準(zhǔn)確性的問(wèn)題。本人將從以下兩個(gè)方面進(jìn)一步闡述回彈法中存在的不準(zhǔn)確性。

2.1 骨料的影響

《回彈法規(guī)程》中有如下規(guī)定：

當(dāng)有下列情況之一時(shí)，測(cè)區(qū)混凝土強(qiáng)度不得按照本規(guī)程附錄A或附錄B進(jìn)行強(qiáng)度換算：1)非泵送混凝土粗骨料最大公稱粒徑大于60 mm,泵送混凝土粗骨料最大公稱粒徑大于31.5 mm；2)特種成型工藝制作的混凝土；3)檢測(cè)部位曲率半徑小于250 mm；4)潮濕或浸水混凝土。

董亞男等人[7]指出：“粗骨料在混凝土中的相對(duì)含量將直接影響混凝土的性能,在一般情況下砂漿強(qiáng)度要小于粗骨料的強(qiáng)度,因此一定范圍內(nèi),混凝土的強(qiáng)度會(huì)隨著骨料比重的增加而增加,但骨料比重到一定比例后,砂漿含量的減少、骨料含量的增加會(huì)使水泥的膠凝作用下降,將直接導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度下降?！?/p>

不難看出，《回彈法規(guī)程》中對(duì)于骨料的粒徑的要求，也考慮到了骨料本身對(duì)于混凝土強(qiáng)度的影響。由此我們可知當(dāng)兩種構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級(jí)相同但配合比和骨料粒徑不同時(shí)，正常情況下(回彈儀應(yīng)打到混凝土原漿上)，回彈法測(cè)得的結(jié)果不會(huì)相差太大。但是工程中由于各種不確定性因素如：澆筑工人經(jīng)驗(yàn)不足，模板松動(dòng)，模板縫隙進(jìn)水沖刷未凝固的混凝土等因素，會(huì)導(dǎo)致骨料外面原漿厚度太薄甚至可能會(huì)有骨料裸露。另外由于回彈儀彈擊桿端部球面半徑為(25±1.0) mm，該半徑與骨料限制粒徑相比小許多。如果工程中出現(xiàn)某一部分混凝土由于澆筑問(wèn)題原漿厚度明顯小于其他部分，那么用回彈法測(cè)試時(shí)，測(cè)得的回彈值已經(jīng)偏離了該混凝土正確的硬度值。雖然《回彈法規(guī)程》中要求從回彈值中剔除3個(gè)最大值和3個(gè)最小值，但是仍不能保證所測(cè)數(shù)值都來(lái)自混凝土原漿。這點(diǎn)對(duì)于回彈值來(lái)說(shuō)可能是不夠準(zhǔn)確的。

2.2 碳化對(duì)硬度的影響

混凝土的碳化指的是周圍空氣中的二氧化碳與混凝土中水化物相互作用，產(chǎn)生碳酸鈣和其他物質(zhì)的現(xiàn)象，是一個(gè)較為繁雜的多相物化反應(yīng)過(guò)程。

一般意義上的硅酸鹽水泥作為膠凝材料制成的混凝土中，鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣、硅酸三鈣、硅酸二鈣及石膏是水泥熟料的主要礦物成分，以上成分的水化產(chǎn)物為占絕大部分的水化硅酸鈣和氫氧化鈣、水化硫酸鈣、水化鋁酸鈣等物質(zhì)，充分水化以后，氫氧化鈣的飽和溶液將會(huì)填滿混凝土的孔隙。這時(shí)混凝土的pH約為12～13，呈強(qiáng)堿性。在混凝土凝固的過(guò)程中，由于自由水的蒸發(fā)以及體積的收縮等原因，會(huì)在混凝土內(nèi)部形成大小不一的氣泡和空隙，空氣中的二氧化碳會(huì)通過(guò)這些空隙向混凝土內(nèi)部滲透，并與空隙內(nèi)的液體形成空隙溶液，然后同在水化過(guò)程中形成的可碳化物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，最終生成碳酸鈣。

混凝土碳化的主要化學(xué)反應(yīng)公式如下：

CO2+H2O→H2CO3

Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3+2H2O

3CaO·2SiO2·3H2O+3H2CO3→3CaCO3+2SiO2+6H2O

2CaO·SiO2·4H2O+2H2CO3→2CaCO3+SiO2+6H2O

可以看出碳酸鈣是這種碳化反應(yīng)的主要產(chǎn)物，這種物質(zhì)屬于非溶解性鹽類，會(huì)使得原物體的體積產(chǎn)生略微的膨脹，因此，碳化物將會(huì)填充水泥水化過(guò)程中產(chǎn)生的空隙和部分毛細(xì)空隙，此過(guò)程會(huì)在不同程度上提高混凝土的密實(shí)度和強(qiáng)度，在一定程度上對(duì)空氣中二氧化碳和氧氣向混凝土中的擴(kuò)散起到了阻礙作用；另一方面，碳化會(huì)拉低混凝土的pH值，牛荻濤[8]指出完全碳化的混凝土pH值約為8.5～9.0?？梢钥闯鎏蓟蠡炷羛H變化是很大的。

《回彈法規(guī)程》對(duì)于不同的碳化深度進(jìn)行了修正，碳化深度越大其修正折減也會(huì)越大。張海燕[9]指出：

1)影響碳化深度的一個(gè)重要因素就是混凝土的水灰比。只要水灰比降低，碳化深度會(huì)隨著水灰比的降低而降低，且兩者在一定程度上呈線性關(guān)系；

2)碳化深度與混凝土強(qiáng)度也有關(guān)系，會(huì)隨著混凝土強(qiáng)度的增大逐漸減小?；炷撂蓟疃扰c抗壓強(qiáng)度成直線關(guān)系，且相關(guān)性較好，但有一定的適用范圍。從圖2可以看出《回彈法規(guī)程》對(duì)于碳化深度的折減與張海燕得出的結(jié)論基本吻合。從圖2中也可以看出碳化深度對(duì)混凝土強(qiáng)度影響非常大。

從《回彈法規(guī)程》的強(qiáng)度換算表來(lái)看，平均回彈值為35.0，碳化深度的測(cè)量出現(xiàn)1 mm誤差時(shí)，強(qiáng)度的誤差在7.43%左右，碳化深度出現(xiàn)2 mm時(shí)，會(huì)得到不同的強(qiáng)度等級(jí)。對(duì)于一般工程的測(cè)

量來(lái)說(shuō)，這種誤差還是很可觀的。另外，從混凝土內(nèi)部未碳化部分(pH在12以上)到碳化部分(pH在8.5～12之間)，存在過(guò)渡。《回彈法規(guī)程》中進(jìn)行碳化深度測(cè)量使用的是濃度為1%～2%酚酞酒精溶液[10]，其顯色范圍見(jiàn)表1。

表1 酚酞顯色范圍

從表1中可以看出，完全碳化部分(pH在8.5以上)應(yīng)該是粉紅色的，未碳化部分(pH在12以上)應(yīng)該是紫紅色的。但是pH在10～12之間的部分在酚酞作用下也應(yīng)表現(xiàn)出紫紅色，也就是說(shuō)紫紅色部分并不完全是混凝土內(nèi)未碳化部分的標(biāo)志，所以，碳化與未碳化部分的界線并不能很明顯的確定，若用粉紅色和紫紅色的分界線作為碳化深度的測(cè)量邊界，并不是十分準(zhǔn)確的，若以此值來(lái)進(jìn)行后續(xù)的混凝土強(qiáng)度判定，結(jié)果的真實(shí)性及其誤差大小是否滿足要求，仍需要進(jìn)一步的研究。

3 結(jié)語(yǔ)

混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗壓強(qiáng)度的檢測(cè)、評(píng)定是施工和檢測(cè)人員關(guān)心的重點(diǎn)問(wèn)題之一，回彈法所具有的各種優(yōu)點(diǎn)，使得其成為無(wú)損檢測(cè)中最方便、常用的檢測(cè)方法。但是其“回彈值—碳化深度—強(qiáng)度”的推測(cè)方法以及混凝土這種特殊的材料各種不確定性，應(yīng)當(dāng)引起相關(guān)檢測(cè)技術(shù)人員的重視，特別是檢測(cè)值出現(xiàn)較大離散性時(shí)，繼續(xù)用此方法推斷混凝土的強(qiáng)度，極有可能產(chǎn)生較大的誤差。因此，當(dāng)遇有特殊情況的混凝土(表面經(jīng)特殊處理、摻加其他摻合料等)時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇正確的測(cè)量和分析方法，以避免造成不必要的爭(zhēng)議。

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The research of rebound method to detect concrete strength

Liu Xinxin Ma Xiao

(CollegeofUrban,RuralPlanningandArchitectcuralEngineering,ShangluoUniversity,Shangluo726000,China)

This paper discusses the rebound method(from springback value and carbonation depth to strength) to measure concrete intensity is not accuracy from the constitutive relation of concrete and the relationship of strength and hardness, and it is pointed out that if the springback value have a large discreteness, we should choose another more suitable method.

concrete, rebound method, hardness, compression strength

1009-6825(2017)05-0074-03

2016-12-08

劉欣欣(1989- )，男，碩士，助教

TU528

A