回彈超聲角測(cè)綜合法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度研究

王大勇

(1 廊坊市陽(yáng)光建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司河北省混凝土質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)創(chuàng)新中心， 廊坊 065000；2 廊坊市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心， 廊坊 065000)

0 引言

超聲回彈綜合法廣泛應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)[1-3]?！冻暬貜椌C合法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(T/CECS 02—2020)[4](簡(jiǎn)稱超聲回彈檢測(cè)規(guī)程T/CECS 02—2020)中提供了以超聲對(duì)測(cè)法測(cè)試立方體試塊混凝土聲速為基礎(chǔ)的國(guó)家統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線，并推薦優(yōu)先選擇超聲對(duì)測(cè)法對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，其次為超聲角測(cè)法、平測(cè)法。在工程實(shí)際檢測(cè)中，常遇到受檢構(gòu)件旁邊存在墻體、管道等障礙物的情況，受檢構(gòu)件僅能提供兩相鄰側(cè)面可供檢測(cè)，無(wú)法將收、發(fā)換能器布置成超聲對(duì)測(cè)法形式；超聲回彈檢測(cè)規(guī)程T/CECS 02—2020附錄D.1中提供了超聲角測(cè)法程序，提出了超聲角測(cè)法測(cè)點(diǎn)處收、發(fā)換能器幾何中心與構(gòu)件邊緣的距離不宜小于300mm，并給出了按直角三角形勾股弦定理計(jì)算斜邊長(zhǎng)度(即超聲角測(cè)法測(cè)點(diǎn)處的收、發(fā)換能器幾何中心之間的距離)的計(jì)算公式。該規(guī)程上述規(guī)定僅限于超聲角測(cè)法所檢測(cè)混凝土構(gòu)件角部為直角的情況，未考慮并規(guī)定當(dāng)受檢混凝土構(gòu)件角部為非直角、圓角以及缺角等特殊情況時(shí)，如何測(cè)量與計(jì)算超聲角測(cè)法測(cè)點(diǎn)間距的問(wèn)題。

為能利用超聲對(duì)測(cè)法建立的超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)曲線去計(jì)算超聲角測(cè)法測(cè)區(qū)混凝土換算強(qiáng)度，目前研究熱點(diǎn)主要集中在對(duì)超聲角測(cè)法聲速與超聲對(duì)測(cè)法聲速間的換算關(guān)系方面。超聲回彈檢測(cè)規(guī)程T/CECS 02—2020采用在構(gòu)件混凝土有代表性部位測(cè)量得到超聲角測(cè)法測(cè)區(qū)聲速與超聲對(duì)測(cè)法測(cè)區(qū)聲速，給出二者之間的修正系數(shù)，再利用超聲對(duì)測(cè)法建立的超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)曲線去計(jì)算超聲角測(cè)法測(cè)區(qū)混凝土換算強(qiáng)度，但由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件實(shí)體混凝土為非勻質(zhì)體，該方法所得修正系數(shù)較難以全面反映同期澆筑成型的相同混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的多個(gè)構(gòu)件實(shí)體混凝土強(qiáng)度情況，代表性較差。袁廣州等[5]試驗(yàn)結(jié)果表明，采用超聲角測(cè)法時(shí)換能器所激發(fā)超聲波在混凝土中的傳播機(jī)理與傳播路徑較為復(fù)雜，并給出在相同聲距的前提下，超聲對(duì)測(cè)法聲時(shí)大于超聲角測(cè)法聲時(shí)的結(jié)論。洪凱[6]對(duì)超聲角測(cè)法的測(cè)距取值進(jìn)行了探討，提出了采用按同聲時(shí)測(cè)距相近原理對(duì)超聲角測(cè)法測(cè)距進(jìn)行修正的方法。但目前未見(jiàn)有直接利用超聲角測(cè)法試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸擬合，建立回彈超聲角測(cè)綜合法測(cè)強(qiáng)曲線的研究。

本文研發(fā)了角距儀測(cè)量裝置，給出了受檢混凝土構(gòu)件角部為非直角、圓角以及缺角等特殊情況時(shí)超聲角測(cè)法測(cè)點(diǎn)間距計(jì)算公式，并基于預(yù)拌泵送混凝土足尺結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭鶅上噜弬?cè)面由單面測(cè)區(qū)回彈值測(cè)試替代超聲回彈檢測(cè)規(guī)程T/CECS 02—2020中雙面測(cè)區(qū)回彈值測(cè)量、超聲角測(cè)法測(cè)區(qū)聲速測(cè)量采用固定測(cè)點(diǎn)間距的提高檢測(cè)效率與檢測(cè)精度的措施，對(duì)應(yīng)測(cè)區(qū)鉆制的直徑100mm標(biāo)準(zhǔn)芯樣抗壓強(qiáng)度代替立方體試塊抗壓強(qiáng)度，以真實(shí)反映結(jié)構(gòu)實(shí)體混凝土強(qiáng)度。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證其他以超聲對(duì)測(cè)法聲速所建立超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)曲線的適用性與檢測(cè)精度，采用最小二乘法對(duì)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)回歸擬合得到標(biāo)稱能量2.207J回彈儀回彈超聲角測(cè)綜合法專用測(cè)強(qiáng)曲線，并進(jìn)行實(shí)際工程驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料與混凝土配合比

試驗(yàn)用原材料為P·O42.5級(jí)、P·O52.5級(jí)水泥，S95級(jí)礦粉，Ⅱ級(jí)粉煤灰，中砂，粒徑為5.0～25.0mm碎石，高效泵送減水劑，混凝土拌合及養(yǎng)護(hù)用水(均為當(dāng)?shù)赜米詠?lái)水)。混凝土配合比設(shè)計(jì)以強(qiáng)度為目標(biāo)，采用復(fù)摻粉煤灰、礦粉并加入適量高效減水劑方式配置C20，C30，C40，C50，C60，C70共六個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，試驗(yàn)混凝土配合比見(jiàn)表l。

試驗(yàn)混凝土配合比/(kg/m3) 表1

1.2 足尺結(jié)構(gòu)模型

試驗(yàn)混凝土由本地區(qū)生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定且產(chǎn)銷量較大的大型商品混凝土公司提供。圖1為泵送澆筑成型的大型足尺結(jié)構(gòu)模型，模型混凝土按《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》(GB 50666—2011)施工，構(gòu)件構(gòu)造配筋，其中試驗(yàn)用柱幾何尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為500mm×500mm×2 200mm，縱向受力主筋為820，箍筋為8@200，混凝土保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)值為25mm；澆筑成型24h后拆除柱模板并對(duì)混凝土覆膜保濕養(yǎng)護(hù)14個(gè)晝夜后，再自然養(yǎng)護(hù)，裸置備用。

圖1 足尺結(jié)構(gòu)模型

1.3 試驗(yàn)方法

在足尺結(jié)構(gòu)模型混凝土柱兩相鄰側(cè)面沿高度方向各布置6個(gè)200mm×200mm測(cè)區(qū)。齡期14，28，60，90，180d時(shí)，采用標(biāo)稱能量2.207J中型回彈儀在已布設(shè)測(cè)區(qū)柱的其中一側(cè)面進(jìn)行單面測(cè)區(qū)回彈值測(cè)試后，由NM-4A型非金屬超聲波檢測(cè)儀進(jìn)行超聲角測(cè)法測(cè)區(qū)聲時(shí)測(cè)量。50kHz厚度式收、發(fā)換能器采用凡士林與混凝土測(cè)試面耦合，測(cè)點(diǎn)處收、發(fā)換能器幾何中心距柱角部邊緣水平距離(試驗(yàn)中該水平距離值基本固定在200mm)及其所在平面形成的二面角角度由自制角距儀裝置[7]測(cè)量或復(fù)核。在對(duì)應(yīng)回彈值測(cè)量的測(cè)區(qū)鉆制直徑100mm標(biāo)準(zhǔn)芯樣，芯樣抗壓強(qiáng)度按《鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 384—2016)試驗(yàn)。

2 超聲角測(cè)法關(guān)鍵測(cè)量裝置

圖2為根據(jù)余弦定理原理研制的角距儀裝置示意圖。該測(cè)量裝置用于超聲角測(cè)法時(shí)，對(duì)收、發(fā)換能器測(cè)點(diǎn)所處位置及形成二面角角度進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)兩個(gè)測(cè)量尺的管狀水準(zhǔn)泡居中時(shí)的讀數(shù)為超聲測(cè)點(diǎn)距構(gòu)件角部邊緣的水平距離，此時(shí)游標(biāo)角度盤示值為收、發(fā)換能器測(cè)點(diǎn)形成的二面角角度，按余弦定理通用式(1)計(jì)算的收、發(fā)換能器幾何中心之間的距離即為超聲波傳播路徑的長(zhǎng)度。

圖2 角距儀裝置示意圖

(1)

式中：li,j為構(gòu)件第i測(cè)區(qū)第j測(cè)點(diǎn)收、發(fā)換能器幾何中心之間的距離，精確至1mm；li,j,1，li,j,2分別為構(gòu)件第i測(cè)區(qū)第j測(cè)點(diǎn)處收、發(fā)換能器幾何中心至構(gòu)件角部邊緣距離，精確至1mm；α為收、發(fā)換能器所處平面形成的二面角，精確至1rad。

當(dāng)構(gòu)件角部為直角時(shí)，α取值π/2，則cos(π/2)=0，此時(shí)式(1)與超聲回彈檢測(cè)規(guī)程T/CECS 02—2020中計(jì)算式(D.1.3)一致。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 參數(shù)計(jì)算

(1)單面測(cè)區(qū)回彈值

由標(biāo)稱能量2.207J中型回彈儀按《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 23—2011)進(jìn)行單面測(cè)區(qū)回彈值測(cè)試，彈擊16個(gè)回彈值，去掉最大值和最小值各3個(gè)后，取余下10個(gè)回彈值的算術(shù)平均值為該測(cè)區(qū)回彈值，測(cè)區(qū)回彈值Rm,i按式(2)計(jì)算：

(2)

式中Ri,j為構(gòu)件第i測(cè)區(qū)第j測(cè)點(diǎn)的有效回彈值。

(2)超聲角測(cè)法測(cè)區(qū)聲速值

考慮收、發(fā)換能器所激發(fā)超聲波覆蓋構(gòu)件范圍更大以獲取足夠多混凝土質(zhì)量信息，并結(jié)合工程檢測(cè)實(shí)際情況，試驗(yàn)中取遠(yuǎn)離構(gòu)件角部邊緣200mm處的測(cè)區(qū)內(nèi)3個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行聲時(shí)ti,j測(cè)試。超聲角測(cè)法測(cè)區(qū)聲速vi按式(3)計(jì)算：

(3)

3.2 數(shù)據(jù)處理

采用《數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理和解釋 正態(tài)樣本離群值的判斷和處理》(GB/T 4883—2008)[8]中Grubbs準(zhǔn)則對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.3 國(guó)家及地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線適用性驗(yàn)證

式(4)，(5)分別為以超聲對(duì)測(cè)法為基礎(chǔ)的超聲回彈檢測(cè)規(guī)程T/CECS 02—2020中國(guó)家統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線與文獻(xiàn)[9]廊坊地區(qū)超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)曲線。

(4)

(5)

對(duì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20～C60的試驗(yàn)數(shù)據(jù)按式(4)，(5)計(jì)算測(cè)區(qū)混凝土強(qiáng)度換算值，再按式(6),(7)計(jì)算得到相應(yīng)測(cè)強(qiáng)曲線的平均相對(duì)誤差δ與相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差er,具體見(jiàn)表2。

(6)

(7)

式中：n為樣本數(shù)量；fcu,cor,i為對(duì)應(yīng)第i測(cè)區(qū)標(biāo)準(zhǔn)芯樣抗壓強(qiáng)度，精確至0.1MPa。

由表2知，廊坊地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線誤差統(tǒng)計(jì)指標(biāo)δ與er均優(yōu)于統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線相應(yīng)指標(biāo)值，但二者評(píng)價(jià)指標(biāo)er值均明顯高于超聲回彈檢測(cè)規(guī)程T/CECS 02—2020中地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差不大于14%的規(guī)定，因此不能用于超聲角測(cè)法檢測(cè)結(jié)構(gòu)預(yù)拌泵送混凝土抗壓強(qiáng)度，應(yīng)建立標(biāo)稱能量2.207J中型回彈儀回彈超聲角測(cè)綜合法專用測(cè)強(qiáng)曲線。

測(cè)強(qiáng)曲線誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果 表2

回彈超聲角測(cè)綜合法測(cè)強(qiáng)曲線及相應(yīng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo) 表3

3.4 回彈超聲角測(cè)綜合法測(cè)強(qiáng)曲線

圖3為單面測(cè)區(qū)回彈值、超聲角測(cè)法測(cè)區(qū)聲速值與混凝土抗壓強(qiáng)度關(guān)系。由圖3可知，隨著混凝土抗壓強(qiáng)度增加，超聲角測(cè)法測(cè)區(qū)聲速值與測(cè)區(qū)回彈值變大；芯樣抗壓強(qiáng)度50～70MPa對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的離散性較大。

圖3 測(cè)區(qū)回彈值、測(cè)區(qū)聲速值與混凝土抗壓強(qiáng)度關(guān)系

分別采用線性函數(shù)與復(fù)合冪函數(shù)兩種數(shù)學(xué)模型作為待回歸測(cè)強(qiáng)曲線數(shù)學(xué)模型，以單面測(cè)區(qū)回彈值、超聲角測(cè)法測(cè)區(qū)聲速值為自變量，芯樣抗壓強(qiáng)度為因變量，按最小二乘法原理采用Excel軟件對(duì)249組有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到的回彈超聲角測(cè)綜合法測(cè)強(qiáng)曲線及其相應(yīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3知：1)在各混凝土強(qiáng)度等級(jí)區(qū)間，分別由線性函數(shù)與復(fù)合冪函數(shù)兩種數(shù)學(xué)模型回歸擬合得到的回彈超聲角測(cè)綜合法測(cè)強(qiáng)曲線的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)r，δ，er的數(shù)值相差不多，各相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差er值均滿足超聲回彈檢測(cè)規(guī)程T/CECS 02—2020中專用測(cè)強(qiáng)曲線相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差er不大于12%要求，其中復(fù)合冪函數(shù)測(cè)強(qiáng)曲線略優(yōu)；2)編號(hào)為6的測(cè)強(qiáng)曲線在混凝土強(qiáng)度等級(jí)C20～C70，C20～C60區(qū)間的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差er值滿足超聲回彈檢測(cè)規(guī)程T/CECS 02—2020中專用測(cè)強(qiáng)曲線相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差er限值12%要求，但在混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50～C70區(qū)間的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差er值滿足地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線不大于14%要求，這與圖3結(jié)果一致。

式(8)為本文推薦的標(biāo)稱能量2.207J中型回彈儀回彈超聲角測(cè)綜合法專用測(cè)強(qiáng)曲線，當(dāng)采用式(8)計(jì)算強(qiáng)度等級(jí)C50～C70預(yù)拌泵送混凝土抗壓強(qiáng)度結(jié)果不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，可采用式(9)計(jì)算測(cè)區(qū)混凝土換算強(qiáng)度，以提高檢測(cè)精度。

(8)

(9)

3.5 回彈超聲角測(cè)綜合法測(cè)強(qiáng)曲線檢驗(yàn)

圖4為采用標(biāo)稱能量2.207J中型回彈儀回彈超聲角測(cè)綜合法專用測(cè)強(qiáng)曲線(式(8)，(9))計(jì)算得到的測(cè)區(qū)混凝土換算強(qiáng)度與芯樣抗壓強(qiáng)度、相對(duì)誤差與芯樣抗壓強(qiáng)度的散點(diǎn)圖，其中相對(duì)誤差=(測(cè)區(qū)混凝土換算強(qiáng)度值-芯樣抗壓強(qiáng)度值)/芯樣抗壓強(qiáng)度值×100%。由圖4(a)可見(jiàn)，根據(jù)式(8)計(jì)算的測(cè)區(qū)混凝土換算強(qiáng)度的散點(diǎn)基本均勻分布在y=x線兩側(cè)，式(9)較式(8)計(jì)算的測(cè)區(qū)混凝土換算強(qiáng)度的散點(diǎn)分布相對(duì)更為緊湊、對(duì)稱。由圖4(b)可見(jiàn)，根據(jù)式(8)計(jì)算得到的相對(duì)誤差在芯樣抗壓強(qiáng)度的平面散點(diǎn)中間穿過(guò)，相對(duì)誤差散點(diǎn)分布具有隨機(jī)性，不存在明顯偏區(qū)段；根據(jù)式(9)計(jì)算得到的相對(duì)誤差更為緊湊地圍繞在x軸上下，且在高強(qiáng)混凝土區(qū)段多為負(fù)偏差，表明其換算結(jié)果偏于保守。

圖4 混凝土換算強(qiáng)度與芯樣抗壓強(qiáng)度比較及相對(duì)誤差分布

3.6 實(shí)際工程驗(yàn)證

對(duì)某新建工程中隨機(jī)抽取的框架柱或剪力墻構(gòu)件角部進(jìn)行回彈超聲角測(cè)綜合法測(cè)試，在每個(gè)構(gòu)件布置3個(gè)角測(cè)區(qū)。由于在框架柱混凝土中鉆取芯樣會(huì)給構(gòu)件承載安全帶來(lái)隱患，故采取在與其相鄰或相連的剪力墻混凝土中隨機(jī)鉆取3個(gè)直徑為100mm的標(biāo)準(zhǔn)芯樣進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

表4為實(shí)際工程構(gòu)件驗(yàn)證數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，表中構(gòu)件1為混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40的框架柱，其所對(duì)應(yīng)的3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)芯樣取自相鄰的同齡期、同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土剪力墻；構(gòu)件2為混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30框架柱，其所對(duì)應(yīng)的3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)芯樣取自與其相連的同齡期、同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土剪力墻；構(gòu)件3為強(qiáng)度等級(jí)為C30短肢L形剪力墻，其所對(duì)應(yīng)的3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)芯樣取自相鄰的同齡期、同強(qiáng)度等級(jí)且構(gòu)件長(zhǎng)度較大的混凝土剪力墻。構(gòu)件的混凝土齡期均在回彈超聲角測(cè)綜合法專用測(cè)強(qiáng)曲線適用范圍內(nèi)。

實(shí)際工程驗(yàn)證數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果 表4

由表4知，采用式(9)計(jì)算得到的測(cè)區(qū)混凝土換算強(qiáng)度均值與芯樣抗壓強(qiáng)度均值之間的相對(duì)誤差較小且均為負(fù)值，這表明本文所建立的標(biāo)稱能量2.207J中型回彈儀回彈超聲角測(cè)綜合法專用測(cè)強(qiáng)曲線具有較高檢測(cè)精度且偏安全，能用于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強(qiáng)度的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

4 結(jié)論

(1)利用超聲角測(cè)法試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)以超聲對(duì)測(cè)法測(cè)區(qū)聲速參數(shù)回歸建立的超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)曲線的適用性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，采用以超聲對(duì)測(cè)法測(cè)區(qū)聲速參數(shù)回歸建立的超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)曲線計(jì)算超聲角測(cè)法測(cè)區(qū)混凝土抗壓強(qiáng)度存在較大誤差。

(2)提出了利用超聲角測(cè)法試驗(yàn)數(shù)據(jù)直接回歸擬合回彈超聲角測(cè)綜合法測(cè)強(qiáng)曲線技術(shù)理念，并給出了標(biāo)稱能量2.207J中型回彈儀回彈超聲角測(cè)綜合法專用測(cè)強(qiáng)曲線，此測(cè)強(qiáng)曲線可用于結(jié)構(gòu)預(yù)拌泵送混凝土C20～C70抗壓強(qiáng)度檢測(cè)，結(jié)果可供結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度質(zhì)量檢測(cè)與控制參考。

(3)在足尺結(jié)構(gòu)模型混凝土柱兩相鄰側(cè)面進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)，由單面測(cè)區(qū)替代雙面測(cè)區(qū)回彈值測(cè)試，保持超聲角測(cè)法測(cè)距基本固定不變得到測(cè)區(qū)角測(cè)聲速值，沿構(gòu)件高度方向原位鉆取的標(biāo)準(zhǔn)芯樣抗壓強(qiáng)度全面反映結(jié)構(gòu)混凝土質(zhì)量，拓展了建立超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)曲線的思路。

(4)自制的角距儀裝置可準(zhǔn)確測(cè)量超聲角測(cè)法測(cè)點(diǎn)所處位置及形成二面角角度，然后可根據(jù)余弦定理精準(zhǔn)計(jì)算超聲角測(cè)法測(cè)點(diǎn)間距，適用于混凝土構(gòu)件角部為直角、非直角以及圓角、缺角等情況的測(cè)量。