回彈法和超聲回彈綜合法在水利工程建設(shè)中的應(yīng)用

薛翔駿

(桓仁世元工程質(zhì)量檢測有限公司，遼寧 本溪 117200)

0 引 言

水利工程建設(shè)中大量使用的混凝土材料在很大程度上決定了工程質(zhì)量等級，其中最重要、最基本的綜合性能為混凝土抗壓強度，可對構(gòu)筑物使用耐久性和安全性產(chǎn)生直接的影響。為準(zhǔn)確判斷某水利樞紐工程的質(zhì)量等級和安全性能，質(zhì)量監(jiān)督機構(gòu)開展了一系列現(xiàn)場試驗和理論研究，現(xiàn)結(jié)合工程建設(shè)相關(guān)資料和實踐經(jīng)驗，探討分析了較為常用的混凝土強度檢測方法[1]。

1 現(xiàn)澆混凝土強度檢測方法

目前，超聲回彈綜合法、試塊抗壓檢測法、鉆芯法和回彈法等為水利工程混凝土強度檢測的4種常用方法。

1.1 試塊檢測法

采用150mm立方體試模裝入混凝土拌和物，經(jīng)震動插搗成型及標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28h后檢測其抗壓強度，該方法即為試塊檢測法，工程中可按規(guī)定的尺寸折算系數(shù)換算200mm、100mm等其它尺寸立方體試件強度。混凝土實體質(zhì)量評定的重要依據(jù)為、抗壓強度，該方法目前最經(jīng)濟、最直觀、最為常見的檢測手段，其優(yōu)缺點如下：

1)優(yōu)點分析。試塊檢測法是直接了解混凝土強度狀況最為有效的方法，在等效養(yǎng)護、制作條件相同的情況下，通過對試塊抗壓強度的檢測可為構(gòu)筑物實體強度等級復(fù)驗提供科學(xué)依據(jù)，在質(zhì)量驗收檢驗中這一方法發(fā)揮著重要作用[2]。

2)缺點分析。對于混凝土自身強度能夠采用試塊檢測法直接反映，但檢測試塊必須標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護28d，強度檢測無法及時、客觀的體現(xiàn)施工后的質(zhì)量狀況。雖然試塊檢測能夠滿足強度要求，但施工單位的工作態(tài)度、操作方法及業(yè)務(wù)水平等因素均可對混凝土實體質(zhì)量產(chǎn)生影響，一般很難確定實體質(zhì)量情況，對項目安全施工和建設(shè)質(zhì)量構(gòu)成潛在威脅；另外，若養(yǎng)護環(huán)境和試塊制作不符合要求，使得實體混凝土質(zhì)量和試塊質(zhì)量存在較大的偏差，檢測結(jié)果也就無法準(zhǔn)確體現(xiàn)實體質(zhì)量情況。因此，若未能按照要求在施工現(xiàn)場隨機抽取一定數(shù)量的混凝土樣本，則缺乏代表性的樣本也就無法真實反映混凝土質(zhì)量狀況[3]。

1.2 回彈法

混凝土的碳化深度及其表面硬度為回彈法測定抗壓強度的重要依據(jù)，其中硬度值利用測定的回彈值獲取，而材料強度又與材料硬度相關(guān)，按照專用測強曲線和回彈值可獲取檢測點的強度值，其檢測方法為：采用抽檢法選定測區(qū)，各個測點均勻分布于20cm×20cm范圍，測區(qū)應(yīng)盡可能的避免出現(xiàn)裂紋、麻面、蜂窩、裂縫、層裂和剝落等問題，滿足平整、清潔等要求；在每個測區(qū)內(nèi)嚴(yán)格按照規(guī)定要求合理選取16組回彈值，測點間距≥2cm，桿件邊緣距測點的距離不宜低于3cm，檢測過程中應(yīng)始終保持混凝土構(gòu)件被測平面與回彈儀的軸線垂直。采用回彈法檢測混凝土抗壓強度的計算方法如下：

步驟一：計算方法。對于同一測區(qū)獲取3個最小和3個最大回彈值刪去，取剩余10組數(shù)據(jù)的平均值作為回彈值最終結(jié)果，數(shù)學(xué)公式為：

(1)

式中：Ri、Rm為測點i的回彈值和整個測區(qū)的回彈值平均值。

步驟二：回彈值的修正?；炷翝仓砻?底面)利用回彈儀測定的水平方向修正系數(shù)，利用下式計算：

Rm=Rmb+Rab

(2)

Rm=Rmt+Rat

(3)

式中：Rmt、Rmb為混凝土構(gòu)件水平方向上的回彈值平均值；Rat、Rab為修正的回彈值，整個測區(qū)回彈值平均值。

步驟三：碳化深度的修正。設(shè)碳化深度為kd，運用式mfcu,cc=0.034488Rm1.94×10-0.0173kd求解修正的碳化深度。測量碳化值過程中選取的測區(qū)應(yīng)具有代表性，且應(yīng)滿足30%測區(qū)數(shù)小于等于測區(qū)點數(shù)，每個測區(qū)的碳化值即為各測點的平均值。在碳化值超過2.0mm的條件下，應(yīng)測量每個測區(qū)的碳化值。

步驟四：混凝土強度測定。一般情況下，采用專用、地區(qū)和統(tǒng)一測強曲線為混凝土強度換算的重要依據(jù)，不同測強曲線的成型養(yǎng)護工藝、混凝土材料等存在一定差異，應(yīng)結(jié)合具體情況選擇合適的測強曲線。

根據(jù)每一測區(qū)的強度換算值求解測區(qū)構(gòu)建的混凝土強度平均值，若測區(qū)數(shù)超過10，則利用下式確定強度標(biāo)準(zhǔn)差，即：

(4)

(5)

混凝土強度推定值fcu,e應(yīng)結(jié)合構(gòu)件的現(xiàn)齡期滿足4個方面要求：②若混凝土構(gòu)件或結(jié)構(gòu)測區(qū)數(shù)<10，則fcu,e=fcu,minc；②混凝土構(gòu)件或結(jié)構(gòu)存在強度值低于10.0MPa的情況，則fcu,e<10.0MPa；③若混凝土構(gòu)件或結(jié)構(gòu)測區(qū)數(shù)>10，則fcu,e=mfcuc-1.645sfcuc；④對于批量檢測的情況，利用式fcu,e=mfcuc-ksfcuc求解混凝土強度推定值，一般條件下k值取1.645，根據(jù)國家現(xiàn)行規(guī)范推定強度區(qū)間。

根據(jù)統(tǒng)一測強曲線換算測區(qū)混凝土強度時，其誤差值應(yīng)滿足的條件為：相對標(biāo)準(zhǔn)差er≤18.0%；平均相對誤差δ≤±15.0%。

1)優(yōu)點分析?；貜椃z測費用低、速度快且操作靈活簡單，通過隨機抽取檢測能夠較為準(zhǔn)確及時的掌握現(xiàn)澆混凝土整體水平和混凝土強度實際情況，同時對構(gòu)件或結(jié)構(gòu)承載力及力學(xué)性質(zhì)不會產(chǎn)生不利作用，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于水利工程、道路橋梁等領(lǐng)域[4]。

2)缺點分析：該方法需要借助測強曲線完成強度輸出，因此其精準(zhǔn)度較差，若混凝土內(nèi)部和表面存在較大的差異，如受到凍融循環(huán)、火災(zāi)及化學(xué)腐蝕等作用，則回彈法檢測效果較差。

影響回彈法檢測精準(zhǔn)度的因素有工作環(huán)境氣候、設(shè)備性能指標(biāo)、儀器操作方法等，因此提高檢測效率和準(zhǔn)確度的主要措施有：選擇內(nèi)部無較大缺陷或內(nèi)部及表面質(zhì)量無明顯差異的構(gòu)件；選擇的測區(qū)混凝土強度處于10.0-60.0MPa且齡期為7d-1000d以內(nèi)；注意對儀器參數(shù)的校準(zhǔn)、定期保養(yǎng)及儀器操作技巧的正確使用。同時，針對高強混凝土而言存在15%誤差時，因其基礎(chǔ)較大也灰對強度檢測的實際情況造成影響[5]。

雖然，回彈法的檢測范圍有限且精度相對較低，但由于實時檢測性好、費用低、攜帶方便、操作靈活及無損壞結(jié)構(gòu)構(gòu)建等，基本能夠全面掌握混凝土強度規(guī)律，因此實際工程中也具有一定的適用范圍[6]。

1.3 超聲回彈檢測法

1966年研究者首次提出了超聲回彈綜合法，2005年我國修訂完善了該方法的檢測技術(shù)規(guī)程，采用超聲儀、回彈儀進行數(shù)據(jù)檢測，然后結(jié)合測強曲線獲取混凝土抗壓強度，其主要流程如下：

步驟一：測點方法。首先要回彈測試每一測區(qū)的混凝土構(gòu)件或結(jié)構(gòu)，其中測試面的修正、回彈角度、計算及測試等流程類似于回彈法。然后開展超聲測試，兩相對結(jié)構(gòu)測試面對稱布置8個測點，在同一回彈測區(qū)內(nèi)工布設(shè)16個測點。

步驟而：測點檢測。在同一測區(qū)內(nèi)回彈測試各個超聲測點，將3個測點分別布設(shè)于測區(qū)的兩個相對測面，且同一軸線上安設(shè)接受與發(fā)射轉(zhuǎn)化器；為了使得混凝土表面與換能器緊密接觸應(yīng)確保測點處表面平整，為避免形成短路及避免聲波沿鋼筋傳播，應(yīng)避開平行于鋼筋的方向設(shè)置測點。

步驟三：聲波耦合。一般選用黃油作為耦合劑涂抹于超聲測點處，換能器在測試過程中能夠擠出黃油并保持與混凝土的良好耦合。

步驟四：測度聲時。測試的聲速值和聲時值精確值0.01km/s、0.1μs，以誤差≤±1%作為超聲測距的精確度。采用公式v=l/tm、tm=(t1+t2+t3)確定波速，其中l(wèi)、v為超聲測距和測區(qū)聲速值，單位為mm、km/s；tm為平均聲速值，μs；t1、t2、t3為測區(qū)3個測點的聲速值。

步驟五：波速的修正。測試混凝土澆筑底面與頂面過程中，利用下式修正聲速值，即：

va=βv

(6)

式中：β、va為超聲測試面修正系數(shù)和修正后的測區(qū)聲時值；其中，測試混凝土側(cè)面、底面及澆筑頂面時，β值取1、1.034和1.034。

根據(jù)規(guī)定的修正后的聲速值vai和回彈值Rai確定測區(qū)第i個構(gòu)件的混凝土強度換算值fcu,1c，其中地區(qū)或?qū)Ｓ脺y區(qū)曲線為優(yōu)先選用的推定公式。在此類測強曲線不存在的情況下，分別利用下式確定粗骨料為卵石、碎石的換算值，即：

fcu,1c=0.056Vai1.439Rai1.769

(7)

fcu,1c=0.0162Vai1.656Rai(1.410)

(8)

在不考慮碳化深度的情況下采用多項物理參數(shù)，最大限度的體現(xiàn)混凝土強度各類要素，同時還可規(guī)避部分物理量及強度相關(guān)要素，因此較超聲法、回彈法等單一物理量檢測具有更高的可靠性和準(zhǔn)確性；混凝土強度檢測最早時間為澆筑7d后，所以能夠較為準(zhǔn)確、快速的判斷混凝土強度在該時間段能否達到規(guī)范要求。

采用回彈法檢測標(biāo)養(yǎng)的混凝土試件，被檢測表面受外界的影響程度隨混凝土齡期的不同而發(fā)生改變，回彈值在碳化結(jié)硬的條件下偏高，而在潮濕條件下明顯偏低。針對此類情況，超聲法檢測結(jié)果存在明顯差異，隨著齡期的延長混凝土內(nèi)部的干燥程度逐漸增大，介質(zhì)中超聲的傳播速度不斷下降，較干燥狀態(tài)下潮濕環(huán)境的傳播速度下降更快[7]。為抵消濕度環(huán)境和混凝土齡期的相互作用，可綜合應(yīng)用以上兩種方法。由此以來，從混凝土表面硬度和構(gòu)件內(nèi)部物理性能2個方面選用對構(gòu)件損傷最小的兩種方法，更加客觀、準(zhǔn)確的反映混凝土強度，在混凝土強度無損檢測技術(shù)中超聲波脈沖速度-回彈值法具有廣泛的應(yīng)用前景。

1.4 鉆芯法

鉆芯法是一種利用人工金剛石空心薄壁鉆頭和專用鉆機的半破損混凝土強度檢測方法，通過壓力試驗機測量鉆取的高徑比為1∶1、直徑為100mm的圓柱芯樣，從而反映混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)建的質(zhì)量缺陷及強度。

1)優(yōu)點分析?；炷翉姸壤勉@芯法取樣后檢測確定，能夠用于混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)損傷、受凍深度及分層處接縫質(zhì)量狀況，準(zhǔn)確判斷混凝土空洞、離析和裂縫寬度等缺陷。混凝土內(nèi)部質(zhì)量狀況可利用該方法直接判斷，較試塊檢測法能夠更加真實、客觀的體現(xiàn)構(gòu)件的情況。然而，該方法一般不適用于強度<10MPa或齡期過短的混凝土。

2)缺點分析。鉆芯取樣法對樣本的加工和取樣工藝有較高的要求，同時對根柱邊垂直度和兩端面平整度具有更高要求，混凝土構(gòu)件強度在表面不平整情況下偏低，強度測量對鉆芯數(shù)量、位置有所要求且勞動強度較大[8]。另外，檢測費時較長、費用較高且易對構(gòu)件產(chǎn)生局部損傷，在鋼筋較為稠密的情況下無法采樣，在實際工程中存在一定的局限。

實踐表明，綜合采用鉆芯法和超聲無損檢測法，能夠減少鉆芯數(shù)量，可為提高檢測可靠性、準(zhǔn)確性及驗證超聲無損檢測方法的準(zhǔn)確性等提供依據(jù)[9]。

2 水利工程實際檢測結(jié)果分析

采用綜合法和回彈法檢測某水利工程澆筑7-15d內(nèi)的混凝土結(jié)構(gòu)，綜合檢測C30實體結(jié)構(gòu)的混凝土強度，由此得到的綜合法和回彈法檢測數(shù)據(jù)存在較大偏差，排除其它因素作用后檢測數(shù)據(jù)仍存在一定偏差。據(jù)此，通過對比測試同條件下試塊進一步確定結(jié)構(gòu)強度參數(shù)，將綜合法與回彈法檢測數(shù)據(jù)利用試塊壓力試驗數(shù)據(jù)進行對比，經(jīng)數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場試驗后有效解決了質(zhì)量檢測中存在的難點問題，完善和豐富了混凝土質(zhì)量檢測方法[10]。對混凝土立方體試件利用超聲回彈綜合法、回彈法和試塊抗壓強度檢測等方法，結(jié)果見表1。

表1 基于不同方法的混凝土強度檢測結(jié)果

從表1可知，回彈法檢測的混凝土強度能夠基本反映構(gòu)件的表面情況，檢測獲取的數(shù)據(jù)偏差較少，但該方法無法體現(xiàn)構(gòu)件內(nèi)部的缺陷和強度情況；超聲波回彈綜合法的相對誤差處于20%-35%左右，檢測的數(shù)據(jù)值總體偏小且超過15%的誤差允許范圍，因此在該地區(qū)不宜選取同一測強曲線，混凝土強度計算比較適用的方法為地區(qū)或?qū)I(yè)測強曲線。

3 結(jié) 論

對于混凝土構(gòu)件強度利用超聲回彈綜合法現(xiàn)場檢測，可反映結(jié)構(gòu)或構(gòu)建的內(nèi)部構(gòu)造、表層狀況及混凝土的彈塑性。二元物理量檢測法相對回彈法能夠更加系統(tǒng)、準(zhǔn)確的體現(xiàn)混凝土力學(xué)性能，較單一回彈法具有更高的數(shù)據(jù)檢測精度，但地域因素對統(tǒng)一測強曲線的影響較為明顯，其普遍適用性較低。因此，進一步普及和推進超聲回彈綜合法的重要環(huán)節(jié)是建立健全專業(yè)或地區(qū)測強曲線。水利行業(yè)的快速發(fā)展和質(zhì)量檢測制度的滯后，使得作業(yè)人員專業(yè)技術(shù)和施工隊伍整體水平仍需要進一步提升，層層分包、違法轉(zhuǎn)包和市場混亂等問題依舊存在，做好水利工程混凝土強度檢測工作對于促進水利行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展和工程質(zhì)量的提升具有重要意義。