合肥地區(qū)混凝土超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線建立及驗(yàn)證

劉杭杭, 吳德義

(1.安徽省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院安徽省綠色建筑與裝配式建造安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 安徽 合肥 230031;2.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院 安徽 合肥 230022)

0 引言

回彈法通過彈擊混凝土表面,并根據(jù)表面硬度與混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系,測(cè)定混凝土的強(qiáng)度[1]。超聲法則是利用超聲波在混凝土中傳遞速度來推算混凝土抗壓強(qiáng)度[2-3]。20世紀(jì)60年代,弗格瓦洛等[4]首次提出采用超聲回彈綜合法測(cè)定混凝土強(qiáng)度,解決了超聲法和回彈法單獨(dú)使用時(shí)的固有不確定性問題,具有侵入性較小,探測(cè)范圍廣的優(yōu)勢(shì)[5]。

超聲回彈綜合法是對(duì)混凝土強(qiáng)度全面檢測(cè)的一種方法,通過回彈法測(cè)量表面強(qiáng)度和利用超聲波探測(cè)內(nèi)部情況[6-8]。為便于工程應(yīng)用,制定了國(guó)家超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線[9],取得了明顯效果。但由于各地區(qū)原材料、配合比、氣候條件等差別明顯,國(guó)家超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線在各地區(qū)使用的適用性必須進(jìn)行驗(yàn)證,國(guó)家超聲回彈法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程規(guī)定國(guó)家超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線檢測(cè)混凝土強(qiáng)度相對(duì)誤差不應(yīng)超過12%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差不應(yīng)超過14%,否則需另立地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行推定[10]。本文根據(jù)有關(guān)規(guī)定在實(shí)驗(yàn)室制作了不同齡期不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土試塊,根據(jù)測(cè)定的混凝土試塊回彈值、超聲波速值以及抗壓強(qiáng)度值,采用國(guó)家超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行了推定,在分析國(guó)家超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線適用性基礎(chǔ)上建立了合肥地區(qū)超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線,并對(duì)其使用適應(yīng)性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 方案設(shè)計(jì)

依據(jù)合肥地區(qū)常用原材料和混凝土配合比,選擇制作混凝土原材料(如表1),常用混凝土配合比如表2。

表2 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土配合比

結(jié)合合肥地區(qū)實(shí)際,選用C15至C60常用混凝土強(qiáng)度等級(jí)。制作C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45 、C50、C55、C60不同強(qiáng)度等級(jí)試塊,每一強(qiáng)度等級(jí)制作7 d、14 d、28 d、60 d、90 d、180 d、365 d共7個(gè)齡期的混凝土試塊各1組,自然養(yǎng)護(hù)。C15至C45等級(jí)混凝土采用MC225型回彈儀,C50至C60等級(jí)混凝土采用HT-1000型回彈儀測(cè)定混凝土回彈值;碳化深度測(cè)定儀測(cè)混凝土碳化深度;SYE-3000型壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)定不同強(qiáng)度混凝土試塊強(qiáng)度。

2 國(guó)家回彈測(cè)強(qiáng)曲線在合肥地區(qū)使用適用性驗(yàn)證

2.1 驗(yàn)證方法

國(guó)家超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線(碎石)為[10]

(1)

可以采用實(shí)驗(yàn)測(cè)得的不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土試塊的強(qiáng)度及國(guó)家曲線推定強(qiáng)度相對(duì)誤差和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差的大小來反映國(guó)家超聲回彈統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線在合肥地區(qū)適用情況。

相對(duì)誤差mδ為[11]

(2)

式中,fcu為混凝土的實(shí)測(cè)強(qiáng)度(MPa)。

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差Sr為[11]

(3)

2.2 驗(yàn)證結(jié)果

2.2.1 驗(yàn)證結(jié)果及分析

國(guó)家超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線在合肥地區(qū)使用時(shí)不同強(qiáng)度等級(jí)不同齡期混凝土試塊相對(duì)誤差分布如圖1,平均相對(duì)誤差為66.2%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為77.3%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國(guó)家超聲回彈綜合法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程中規(guī)定的相對(duì)誤差不超過12.0%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差不超過14.0%的要求。

圖1 國(guó)家超聲回彈曲線平均相對(duì)誤差分布圖

實(shí)測(cè)結(jié)果表明:國(guó)家超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線(碎石)在合肥地區(qū)使用相對(duì)誤差、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差總體上很大,對(duì)不同齡期不同強(qiáng)度等級(jí)特別是高強(qiáng)混凝土都不適用(如圖1)。相對(duì)誤差較小的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C15,相對(duì)誤差在20.0%左右;相對(duì)誤差較大的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20及C25,在40.0%～60.0%;強(qiáng)度等級(jí)C30～C60混凝土相對(duì)誤差很大,在80.0%～120.0%之間。國(guó)家超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線對(duì)于早齡期(7 d、14 d、28 d)高強(qiáng)混凝土試塊強(qiáng)度預(yù)測(cè),相對(duì)誤差也較大;對(duì)于長(zhǎng)齡期(60 d、90 d、180 d、365 d)高強(qiáng)混凝土試塊強(qiáng)度預(yù)測(cè),相對(duì)誤差相對(duì)較小。

2.2.2 適用性分析

常見的C25、C30強(qiáng)度等級(jí)的混凝土在合肥地區(qū)使用相當(dāng)廣泛,高強(qiáng)混凝土使用日益增多,而國(guó)家超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線對(duì)C25、C30強(qiáng)度等級(jí)的混凝土檢測(cè)誤差很大,對(duì)高強(qiáng)混凝土使用更是明顯不適用,也不能對(duì)合肥地區(qū)早齡期混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測(cè)。因此,有必要建立合肥地區(qū)超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線;該曲線對(duì)于合肥地區(qū)混凝土包括高強(qiáng)混凝土(C50～C60)的抗壓強(qiáng)度檢測(cè)有明顯適用性,對(duì)早期混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)誤差明顯減小,為合肥地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度檢測(cè)提供依據(jù)。

3 合肥地區(qū)超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線建立及適用性分析

3.1 合肥地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線建立

要確立混凝土試塊抗壓強(qiáng)度fcu與回彈值R及聲速值v之間的相關(guān)關(guān)系,建立地區(qū)超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線,有以下幾種回歸方程可供選擇

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中:Ri為試件回彈值均值;vi為試件平均聲速值(km/s);a、b、c為回歸系數(shù)。

對(duì)式(5)兩邊求對(duì)數(shù),可得

(10)

y'=d+bx+cz

(11)

(12)

解得3個(gè)規(guī)范方程式

(13)

(14)

將式(14)代入式(13),得

(15)

(16)

將式(16)帶入式(15),得

(17)

解得

(18)

將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代入得:L11=1.9619,L22=3.8532,L12=3.8532,L21=11.6005,L1y=13.7779,L2y=31.6031。將其代入式(13)至(17)得:b=4.810,c=1.127,d=-6.710,a=ed=1.218×10-3。合肥地區(qū)超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線(碎石)方程式為

(19)

3.2 合肥地區(qū)超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線適用性分析

根據(jù)合肥地區(qū)超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線方程(碎石)推定混凝土強(qiáng)度的換算值并與實(shí)測(cè)強(qiáng)度比較,得出不同齡期不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土試塊相對(duì)誤差分布如圖2;合肥地區(qū)超聲回彈曲線平均相對(duì)誤差為8.9%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為11.1%,滿足規(guī)范規(guī)定的地區(qū)超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線對(duì)混凝土強(qiáng)度檢測(cè)相對(duì)誤差不超過12.0%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差不超過14.0%的要求,可以用式(19)作為合肥地區(qū)超聲回彈法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線。

合肥地區(qū)超聲回彈曲線在合肥地區(qū)使用相對(duì)誤差、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差總體上比較小。對(duì)于C15強(qiáng)度等級(jí)180 d齡期混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)相對(duì)誤差約15.0%、C20及C25強(qiáng)度等級(jí)混凝土中長(zhǎng)齡期(60 d、90 d)強(qiáng)度預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差超過15.0%,誤差較大,適用性較差;除對(duì)C45強(qiáng)度等級(jí)混凝土試塊7 d齡期強(qiáng)度預(yù)測(cè)相對(duì)誤差超過15%外,對(duì)于其他不同強(qiáng)度等級(jí)7 d早齡期混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差都在10.0%左右,適用性較好;對(duì)于C30強(qiáng)度等級(jí)不同齡期混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差低于10.0%,適用性很好;對(duì)于不同齡期高強(qiáng)混凝土(C50至C60)強(qiáng)度預(yù)測(cè)相對(duì)誤差最大不超過14.0%,也具有很好的適用性。

3.3 合肥地區(qū)超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線驗(yàn)證

為了驗(yàn)證建立的合肥地區(qū)超聲回彈曲線在本地區(qū)使用的適用性,本項(xiàng)目從安徽建筑工業(yè)學(xué)院新建逸夫樓工程、合肥市蜀山區(qū)某建筑工地、合肥市永建混凝土攪拌站、日月混凝土攪拌站及其他建筑工程中選取一批不同強(qiáng)度不同齡期的混凝土試塊對(duì)合肥地區(qū)超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線驗(yàn)證。

實(shí)測(cè)不同條件混凝土試塊超聲波速值、回彈值、強(qiáng)度值,采用合肥地區(qū)超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行推定,結(jié)果表明新建立的合肥地區(qū)超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線推定混凝土強(qiáng)度的相對(duì)誤差為10.3%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為13.2%,相對(duì)誤差及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差大小符合規(guī)定要求。但比實(shí)驗(yàn)室混凝土試塊驗(yàn)證數(shù)據(jù)得出的誤差稍大,究其原因,主要由于驗(yàn)證混凝土試塊取自4個(gè)不同現(xiàn)場(chǎng),配合比不盡相同,養(yǎng)護(hù)方式也不一樣,其中安徽建筑工業(yè)學(xué)院逸夫樓的預(yù)留試塊采用同強(qiáng)度的現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù),攪拌站試塊采用實(shí)驗(yàn)室蒸汽養(yǎng)護(hù),實(shí)驗(yàn)室試塊采用自然養(yǎng)護(hù)。本項(xiàng)目研究得出的超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線對(duì)合肥地區(qū)混凝土包括高強(qiáng)度混凝土檢測(cè)都具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

4 結(jié)束語

(1)國(guó)家超聲回彈曲線在合肥地區(qū)使用平均相對(duì)誤差為66.2%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為77.3% ,遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定的相對(duì)誤差不超過14.0%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差不超過17.0%的要求,國(guó)家超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線在合肥地區(qū)并不適用。

(2)新建立的合肥地區(qū)超聲回彈測(cè)強(qiáng)曲線平均相對(duì)誤差為8.9%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為11.1%,滿足規(guī)范規(guī)定的相對(duì)誤差不超過12.0%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差不超過14.0%的要求。驗(yàn)證數(shù)據(jù)相對(duì)誤差為10.3%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為13.2%,地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線可以在合肥地區(qū)使用。