（水利工程专业论文）码头建筑物中素混凝土构件破坏机理及修复技术研究.pdf

中文摘要 进入2 1 世纪后，世界范围的建筑工业重心正在从大规模新建转向新建与维 修、加固并举。就我国的情况而言，五六十年代建造的大量码头己经接近或超过 设计基准期，许多老码头均出现了不同程度的破损，而构件破损后如何进行原因 分析鉴定以及如何进行维修加固问题一直是码头管理部门十分关心的问题。而目 前，针对码头建筑物中素混凝土构件开裂机理的研究很少，而构件开裂后如何进 行有效的修复加固又是困扰港工界的难题，在这种背景下，对码头建筑物中素混 凝土构件关键技术问题进行研究是十分必要的，将对新建港口节约投资和提高性 能方面意义重大。 本文以大连新港1 j f j 码头维修工程为背景，对抛石基床上的圆沉箱墩台压顶 方块的开裂原因进行检测、诊断分析，并对素混凝土构件的修复加固关键技术进 行了深入研究。主要工作包括以下几个方面： l 、混凝土无损检测技术研究。阐述了混凝士无损检测新技术、新方法及其 存在的问题。结合实际工程，采用自研发的超声波无损检测方法来检测混凝土裂 缝，采用回弹法检测混凝土表面强度。通过实验研究和数据处理与分析，得到混 凝土构件缺陷的具体情况。 2 、有限元模型评估技术研究。介绍了有限元法的要点、特性以及有限元法 的发展、现状和未来。以现场实测数据为输入参数，运用a n s y s 有限元软件建 立三维立体数学模型，采用最大拉应力理论对模型进行后处理分析，通过与现场 调查结果进行对比，最终确定垫层砂浆支撑劣化造成码头建筑物中素混凝土由原 来均匀受压状态变为局部受拉状态，过大的拉应力超过混凝土抗拉极限是导致其 开裂破坏的机理。 3 、修复加固技术研究。浅议我国码头建筑物维修加固行业的现状和发展， 总结了现有混凝土结构的加固方法，针对在役码头建筑物中素混凝土构件的受损 状况，开发研究出一套维修加固技术，该技术具有方案设计及结构计算简单、对 原构件外形尺寸影响很小、对原构件损伤小，施工方法简单、对码头正常作业影 响小、结构耐久性好等特点。运用该技术对码头的素混凝土受损构件加固后，恢 复了其构件原设计受力状态和结构整体的工作性能。 关键词：码头素混凝土无损检测支撑劣化有限元后张预应力 a b s t r a c t i nt h et i m eo f21s tc e n t u r y , t h ec e n t r a la c t i v i t i e so fb u i l d i n gi n d u s t r yo ft h e w o r l di ng e n e r a lh a ss h i f t e df r o ml a r g es c a l eo fc o n s t r u c t i o no fn e wi n f r a s t r u c t u r e f a c i l i t i e si n t oac o m b i n a t i o no fn e wc o n s t r u c t i o na n dm a i n t e n a n c eo ft h ee x i s t i n g f a c i l i t i e s i nc a s eo fc h i n a ，m a n yp o r tw h a r v e sc o n s t r u c t e di nt h e19 5 0 sa n d19 6 0 s h a v ea p p r o a c h e do rp a s s e dt h ee n do fd e s i g n e ds e r v i c el i f e w i t hm a n yo l dw h a r v e s d a m a g e d o rw o r no u tt od i f f e r e n te x t e n t ，i th a sa l w a y sb e e nac r i t i c a lc o n c e mf o rp o r t m a n a g e m e n td e p a r t m e n t sa sh o w t oa n a l y z e ，r e p a i ro rc o n s o l i d a t et h ed a m a g e dw h a r f s t r u c t u r a lm e m b e r s a tp r e s e n t ，a sl i t t l es t u d yh a sb e e nd o n eo nt h em e c h a n i s mo f c r a c k i n gi np l a i nc o n c r e t em e m b e r so fw h a r fs t r u c t u r e ，t h ee f f e c t i v er e p a i ra n d c o n s o l i d a t i o no ft h ec r a c k e dm e m b e r sh a sb e c o m eac o n u n d r u mt h a th a sb e e np u z z l e d t h ee n g i n e e r i n gc o m m u n i t y i nt h i sb a c k g r o u n d ，i ti sv e r ye s s e n t i a lt oc o n d u c tt h e s t u d yo nc r i t i c a l t e c h n i c a li s s u e sc o n c e r n i n gp l a i nc o n c r e t em e m b e r si nw h a r f s t r u c t u r e s t h es t u d yr e s u l tw i l lh a v ef a rr e a c h i n gm e a n i n gi nc o s ts a v i n ga n d p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n tf o rt h en e w l yc o n s t r u c t e dp o r tf a c i l i t i e s o nt h eb a s i so ft h ew o r ko fr e p a i r i n g 挣lw h a r fo fd a l i a np o r t , t h ep r e s e n tp a p e r d i s c u s s e so nt h ed i a g n o s i so fc a u s e so ft h ec r a c k si nt h et o pb l o c k so nc i r c u l a rc a i s s o n d o l p h i n sa n de x p l o r e si nd e t a i l st h et e c h n i q u e sf o rr e p a i ra n dc o n s o l i d a t i o no ft h e p l a i nc o n c r e t es t r u c t u r a lm e m b e r s t h ed i s c u s s i o ni se v o l v e dm a i n l yi nt h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： 1 r e s e a r c hi nt e c h n i q u eo fn o n d e s t r u c t i v et e s t i n go nc o n c r e t e e x p a t i a t i o nh a s b e e n g i v e nt o t h en e wt e c h n i q u e s ，n e wm e t h o d sa n de x i s t i n g p r o b l e m s i n n o n d e s t r u c t i v et e s t i n go nc o n c r e t e i ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，an e w l yd e v e l o p e d u l t r a s o n i cn o n d e s t r u c t i v et e s t i n gm e t h o dh a sb e e nu s e dt od e t e c tt h ec r a c k si n c o n c r e t ea n dr e b o u n dm e t h o dh a sb e e na p p l i e dt od e t e r m i n et h es u r f a c es t r e n g t ho f c o n c r e t e t h r o u g ht e s t i n ga n dd a t ap r o c e s s i n g & a n a l y s i s t h ea c t u a ls t a t eo fd e f e c t si n c o n c r e t em e m b e r sa r eo b t a i n e d 2 r e s e a r c hi nt e c h n i q u eo fa s s e s s m e n tb yl i m i t e de l e m e n tm o d e l i n 订o ( 1 u c t i o ni sg i v e nt ot h el i m i t e de l e m e n tm e t h o di nt h ea s l ：i e c t so fi t se s s e n t i a l p o i n t s ，f e a t u r e s ，d e v e l o p m e n tb a c k g r o u n d ，p r e s e n ts t a t u s a n df u t u r ea p p l i c a t i o n p o t e n t i a l s w i t l lt h ef i e l dt e s td a t au s e da st h ei n p u tp a r a m e t e r s 。as o f t w a r eo f l i m i t e d e l e m e n t a n s y s ，i su s e dt oe s t a b l i s h3 - ds p a t i a lm a t h e m a t i cm o d e l t h em o d e li s h i n d - p r o c e s sa n da n a l y z e db yu s i n gt h em a x i m u m t e n s i l es t r e s st h e o r y b yc o m p a r i n g w i t ht h eo n s i t ei n v e s t i g a t i o nr e s u l t s ，t h em e c h a n i s mo fc r a c k i n gf a i l u r ei np l a i n c o n c r e t eo fw h a r fm e m b e r sh a sb e e n f i n a l l yd e t e r m i n e d t ob et h ep r o c e s so f d e t e r i o r a t i o no ft h es a n dc u s h i o n ，w h i c hc h a n g e st h es t a t eo fc o n c r e t ef r o mb e i n g u n i f o r m l yc o m p r e s s e dt ob e i n gp a r t i a l l yt e n s i o n e d ，w i t ht h er e s u l to f t e n s i l es t r e s si n e x c e s so ft h et e n s i l el i m i to ft h ec o n c r e t e ，t h u sc a u s i n gt h ec r a c k i n gf a i l u r e 3 s t u d yo nt h et e c h n i q u e so fr e p a i ra n dc o n s o l i d a t i o n t h ep a p e rh a sd e s c r i b e d i no u t l i n e st h ep r e s e n ts t a t ea n dd e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r yo fw h a r fs t r u c t u r er e p a i r a n dc o n s o l i d a t i o n t h ee x i s t i n gm e t h o d sf o rc o n s o l i d a t i o no fc o n c r e t es t r u c t u r e sa r e a l s os u m m a r i z e d a d d r e s s i n gt h ed a m a g e st ot h es t r u c t u r e so fe x i s t i n gw h a r v e ss t i l li n s e r v i c e ，an e wo ft e c h n i q u ef o rr e p a i ra n dc o n s o l i d a t i o no fw h a r fs t r u c t u r e sh a sb e e n d e v e l o p e d ，w h i c hf e a t u r e st h es i m p l ed e s i g n ，s i m p l e s t r u c t u r ec a l c u l a t i o n ，m i n o r i m p a c to nt h es h a p ea n dd i m e n s i o n so ft h eo r i g i n a ls t r u c t u r e ，l e s sd a m a g et ot h e o r i g i n a ls t r u c t u r e ，e a s yo p e r a t i o n ，l e s si n f l u e n c eo nt h en o r m a lo p e r a t i o no f t h ew h a r f , a n dt h ed u r a b l es t r u c t u r ea f t e rr e p a i r b yu s i n gt h i st e c h n i q u ei nt h ea c t u a lr e p a i ro fa d a m a g e dp l a i nc o n c r e t em e m b e r o faw h a r fs t r u c t u r e ，t h er e p a i r e ds t r u c t u r a lm e m b e r h a sr e s t o r e di t so r i g i n a l l yd e s i g n e df o r c et a k i n gs t a t u sa n dt h es t r u c t u r eh a sr e s u m e d i t si n t e g r a lo p e r a t i o n a lp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：w h a r f , p l a i nc o n c r e t e ，n o n d e s t r u c t i v et e s t ，d e t e r i o r a t i o no fs u p p o r t ， l i m i t e de l e m e n t ，p o s t - t e n s i o n e dp r e s t r e s s i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得基鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 一鹤专。宠鸯辩嗍： 坤年乡月二厶 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞态堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名甚 签字嗍：2 。哆年彦月 导师签名： 签字日期：等 年 写膨 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论帚一早珀下匕 ( 1 ) 素混凝土构件的优缺点 码头是供船舶系靠泊用的建筑物，在此进行货物装卸、旅客上下或其它专 业性作业，是港口主要水工建筑物之一。码头建筑物多为钢筋混凝土结构，但也 有部分构件为素混凝土结构。所谓素混凝土结构是指以普通混凝土材料制作的结 构，主要用于承受压力而不承受拉力的结构。和其他材料的结构相比，素混凝土 结构的主要优点是：整体性好，可灌筑成为一个整体；可模性好，可灌筑成各种 形状和尺寸的结构；耐久性和耐火性好；工程造价和维护费用低。主要缺点是： 混凝土抗拉强度低，容易出现裂缝；结构自重比钢、木结构大；室外施工受气候 和季节的限制；新旧混凝土不易连接，增加了补强修复的困难。由于素混凝土抗 拉强度低，制作的构件在受弯、受拉时很容易断裂，使素混凝土结构应用范围受 到限制，但是与钢筋混凝土结构相比，由于其节约钢材、耐久性更加突出，在码 头建筑物的抗压构件的设计和使用中仍有用武之地。 ( 2 ) 素混凝土构件在码头建筑物中的分布 码头结构形式有重力式、高桩式和板桩式。主要根据使用要求、自然条件 和施工条件综合考虑确定。重力式码头是靠建筑物自重和结构范围的填料重量保 持稳定，结构整体性好，坚固耐用，损坏后易于修复，有整体砌筑式和预制装配 式，适用于较好的地基；高桩码头由基桩和上部结构组成，桩的下部打入土中， 上部高出水面，上部结构有梁板式、无梁大板式、框架式和承台式等。高桩码头 属透空式结构，波浪和水流可在码头平面以下通过，对波浪不发生反射，不影响 泄洪，并可减少淤积，适用于软土地基。近年来广泛采用长桩、大跨结构，并逐 步用大型预应力混凝土管柱或钢管柱代替断面较小的桩，而成为管柱码头；板桩 码头由板桩墙和锚碇设施组成，并借助板桩和锚碇设施承受地面使用荷载和墙后 填土产生的侧压力。板桩码头结构简单，施工速度快，除特别坚硬或过于软弱的 地基外，均可采用，但结构整体性和耐久性较差。一般情况下，各结构型式码头 第一章绪论 主要构件组成及材料构成见表1 - 1 。 表1 1码头结构主要构件组成及材料构成表 重方块沉箱扶壁大直径圆筒浆砌石 胸墙基础 力 钢筋砼 式 素砼钢筋砼钢筋砼钢筋砼块石 块石 或素砼 板板桩墙 导梁帽梁拉杆锚碇结构 桩 钢筋砼 式 钢或钢筋砼 钢筋砼圆钢钢筋砼 或钢板 高桩桩帽 梁板 靠船构件 胸墙挡土墙 桩 钢筋砼 钢筋砼 式 钢筋砼钢筋砼钢筋砼钢筋砼 钢筋砼 或钢管 或素砼 从表1 - 1 中可见，码头建筑物中，重力式码头的方块结构和高桩承台式码头 中的胸墙结构多为素砼构件。其中，以重力式码头中的块体码头和七、八十年代 建造的沉箱墩台式码头素砼构件居多，可占码头构件数量的7 0 以上。可见， 素砼构件在该类型码头中的重要性非常突出，构件一旦损坏，码头整体的安全性 很难得到保证。 ( 3 ) 研究工作的重要性和必要性 近几十年来，世界范围的建筑工业重心正在从大规模新建转向新建与维修、 加固并举。就我国的情况而言，五六十年代建造的大量码头己经接近或超过设计 基准期，有的由于种种原因，在不同程度上受到了破损，因结构破坏造成严重的 人员伤亡及财产损失在国内3 , t - 都不乏其例。近年来对在役码头的素混凝土构件的 检测中发现，由于某种原因造成素混凝土构件发生开裂，刚度降低，极限承载力 降低，结构的整体抗震性能减弱，给建筑物的安全带来了隐患。在这种工程背景 下，如何及时发现码头建筑物中受损构件并找出病因? 构件受损以后如何进行维 修补强? 如何科学的判定、解决结构的安全可靠性问题是一个很有意义的研究课 题，要实现这一目标，对码头建筑物中素混凝土构件破坏机理和修复技术的研究 就显得尤为重要和必要。 第一章绪论 1 2 国内外的研究概况 自二十世纪初混凝土诞生以来，对其破坏机理和修复技术的研究始终没有 停止，五十年代末和六十年代，对结构混凝土的研究相当普遍。在这一时期，研 究工作的特色是重点解决材料的行为特性【1 1 ；到了七十年代末期和八十年代，国 外不少国家对结构混凝土进行大规模研究的途径基本上都已停止，其原因很多， 但最主要的因素是大学和其他研究机构的经费日益紧缩；混凝土行业界认为，所 有他们所需的混凝土结构行为特性，都已研究清楚；研究基金的投入方向，已从 结构研究转移到更应优先考虑的耐久性研究，其中以高性能混凝土研究为代表的 一批研究成果不断涌王见【z j 【卅。随着耐久性问题的逐渐解决，人们把关注的目光又 逐渐投入到建筑物结构可靠性研究中来。随着计算机技术和无损检测技术的发 展，对在役老码头受损检测评估以及维修加固技术是一个新的研究方向。在国内， 已有专家开始注意到码头建筑物中素混凝土构件存在的问题和不足，并开展了一 些研究工作，如1 9 9 7 年王铁梦编写的工程结构裂缝控制【4 】一书，该书总结了作 者4 0 余年来的经验和研究成果，运用综合的分析方法，结合大量工程实践开展 现场观测试验研究，提出有条件的取消伸缩缝理论与实践依据；2 0 0 3 年河海大 学的武清玺和江泉开展的码头结构的健康诊断及安全性评价研究【5 】，采用回弹法 检测混凝土强度，应力波法测混凝土质量和完整性，动力法测码头结构的整体工 作状态，得到的测试结果为评价码头结构的安全性和制定维修加固方案提供了科 学依据。2 0 0 6 年混凝土研究协会编著的混凝土裂缝检测、控制与修补新技术【6 】 一书，对混凝土裂缝产生的机理做了详细的分析，对混凝土裂缝检测、试验、数 值模拟进行了深入研究，同时对混凝土裂缝的各个环节控制技术、修补技术做了 全面论述。这些研究工作提高了认识，促进了行业的发展，一定程度上弥补了港 口工程中对素混凝土构件检测诊断和设计施工中的不足，但是这些探索中的检测 方法都只针对当前结构的当前状态，未考虑环境的作用，也没有提出针对性强的 维修加固手段和切实可行的指导设计和施工的方法。 1 3 主要研究内容 本文针对码头建筑物中素混凝土构件破坏的机理和损坏后如何修复入手展 第一章绪论 开研究工作。为完成该研究内容，需进行以下几方面的工作： ( 1 ) 混凝土无损检测技术 综合讨论了码头建筑物中素混凝土构件无损检测的主要方法及其特点，总 结了国内外混凝土无损检测的发展概况及存在问题，阐述了在对混凝土进行无损 检测所采用的新技术、新方法及其在工程中的应用情况。结合工程实践，采用超 声波来检测混凝土表面裂缝，采用回弹法检测混凝土强度，测试方法简单，适用 性强。从中获取了大量的实验数据，通过实验研究和数据处理与分析，得到混凝 土构件缺陷的具体情况，效果较理想，为推定素混凝土破损机理积累了数据。 ( 2 ) 有限元模型评估技术 介绍了有限元法的要点、特性以及有限元法的发展、现状和未来。结合工 程实际问题，运用a n s y s 有限元软件建立三维立体数学模型，以现场实测数据 为模型输入参数，确保模型的真实可靠。采用最大拉应力理论对模型计算结果进 行分析，通过与现场调查结果进行对比，最终确定码头建筑物中素混凝土结构破 坏的机理。 ( 3 ) 修复加固技术 浅议我国码头建筑物维修加固行业的现状和发展，总结了现有混凝土结构 的加固方法，针对在役码头建筑物中素混凝土构件的受损状况，开发研究出一套 维修加固技术，该技术具有方案设计及结构计算简单、对原构件外形尺寸影响很 小、对原构件损伤小，施工方法简单、对码头正常作业影响小、结构耐久性好等 特点。运用该技术对码头的素混凝土受损构件加固后，恢复了其构件原设计受力 状态和结构整体的工作性能。 第二章混凝土无损柃测技术 2 1 引言 第二章混凝土无损检测技术 混凝土结构无损检测技术是多学科紧密结合的高技术产物，现代材料科学、 应用物理学及固体力学的发展都为混凝土无损检测技术奠定了理论基础，现代电 子技术和计算机科学的发展为其提供了现代化的测试工具，同时现代土木工程中 迅速发展的新设计、新材料、新工艺又对无损检测技术不断提出新的更高要求。 无损检测已经成为混凝土测试技术体系中一个重要的组成部分，是建筑工程测试 技术现代化的重要发展方向。 近年来，该领域的研究工作成果显著。现从以下两个方面对无损检测技术的 研究现状及存在问题作简要的论述。 ( 1 ) 无损检测基本理论 无损检测技术必须建立在混凝土的某些性能指标与适当物理量之间的相互 关系的基础上。为寻找与该性能指标密切相关，而且又能在结构上用无损检测的 方法直接测量的物理量，往往采用两种方法。一种是归纳法，就是在大量试验的 基础上，用回归分析的方法确定它们之间的经验关系。这种方法工作量比较大， 而且由于试验条件及原材料等众多因素对试验结果有一定的影响，所得的经验关 系往往只局限于某种条件或某一地区，而没有广泛的适用性。另一种方法是演绎 法，就是根据性能指标与某些物理量的理论联系进行逻辑推演，从理论上确定它 们之间的关系，然后再通过适当的试验进行验证。这种方法所得的关系往往是以 基本科学的基本原理为理论依据，因而具有较好的适用性。由于混凝土材料的特 殊性，这方面的理论依据较少，而且往往建立在假设的基础之上。同时，要在混 凝土结构现场检测的各种试验方法中，都采用演绎法建立基本关系是非常困难 的。因此，目前在上述两种方法中使用较多的仍是第一种方法。近年来随着基础 科学的发展，为混凝土性能与相关物理量之间理论关系的研究奠定了基础。目前， 混凝土结构无损检测基础理论方面的研究主要集中在两个方面，其一是混凝土强 度理论及无损检测常用物理量的关系；其二是混凝土结构中波的传播机理。 第二章混凝土无损榆测技术 总之，混凝土结构无损检测技术是一门多学科综合的应用技术，只有将基础 理论与工程实践结合起来，才能完善现有方法和开辟新的途径。 ( 2 ) 无损检测方法概述 混凝土无损检测是指在不破坏混凝土内部结构和使用性能的情况下，利用 声、光、热、电、磁、和射线等方法，测定与混凝土力学性能有关的物理量，来推 定混凝土的强度、缺陷等。混凝土无损检测与常规的标准试块破坏试验方法相比， 具有下列特点： 不破坏构件或者建筑物的组织结构，不影响其使用性能，而且简便快速。 可直接在混凝土结构上作全面检测，能比较真实地反映混凝土的实际质 量和强度，可以避免标准试块不能真实反映工程质量的缺点。 能获得破坏试验不能获得的信息，如能检测内部空洞、疏松、开裂、不均 匀性、表层烧伤、冻害及化学腐蚀等，这些都是标准试块破坏试验无法代替的。 标准试块破坏试验只能用于新建结构工程的混凝土质量检测，而无损检 测方法，对在建和现役建筑物都适用。 可以进行非接触检测，如用红外线法、摄影法等，无需接触建筑物，减少了 搭建脚手架等过程和人为误差。 可以进行连续测试和重复测试，使测试结果具有良好的可比性。 由于是间接检测，检测结果要受到其他多种因素的影响，检测精度要比直 接检测差。 目前，用于混凝土无损检测的方法很多，除了几种常规的方法( 超声、回 弹、射线) 外，还有红外线、电磁波、声发射等方法，表2 - 1 列出了目前混凝土无 损检测的常用方法。 第二章混凝土无损检测技术 表2 - 1 混凝土无损检测常用方法 检测 方法测试量检测分析原理 目的 钻芯法 芯样的抗压强度 拔出法拔出力局部区域的抗压、抗拔或抗 压痕法压力及压痕直径或深度冲击强度换算成混凝土标 射击法探针射入深度准强度的换算值 嵌注试件法嵌注试件的抗压强度 回弹法回弹值 超声脉冲法超声脉冲传播速度 根据混凝土应力应变性质 超声回弹综与强度的关系，将声速、回 混凝土 合法 回弹值和声速 弹、衰减等物理量换算成混 声速衰减综 凝土标准强度推算值 强度 声速和衰减系数 合法 根据振动参数和强度的关 脉冲回波法 振动参数 系，推算混凝土标准强度 根据吸收和散射强度与混 射线法射线的吸收和散射强度凝土密实度的关系，推算混 凝土标准强度 根据度、时、积与强度的关 成熟度法度、时、积系，推算混凝土标准强度换 算值 声时、波高、波形、频 超声脉冲法波的绕射、衰减、叠加等 率、反射回波 声发射法 声发射信号、事件记数、声发射源的定位，声发射的 混凝土 幅值分布能谱等凯塞效应 内部缺 脉冲回波法应力波的时域、频域图 从时域、频域的综合分析确 陷与损 定回力波的反射位置 伤程度射线法 穿透缺陷区域后射线强不同介质对射线吸收的差 度的变化 异 不同反射物的雷达波发射 雷达法雷达发射波 强度的差异 红外热谱法热发射缺陷区域发射强度的变化 第二章混凝土无损检测技术 2 2 回弹法检测混凝土强度 2 2 1 基本原理 回弹法是以在混凝土结构或构件上测得的回弹值和碳化深度来评定混凝土 结构或构件强度的一种方法，它不会对结构或构件的力学性质和承载能力产生不 利影响，在工程上己得到广泛应用。回弹法使用的仪器为回弹仪，它是一种直射 锤击式仪器，是用一弹击锤来冲击与混凝土表面接触的弹击杆，然后弹击锤向后 弹回，并在回弹仪的刻度标尺上指示出回弹数值。回弹值的大小取决于与冲击能 量有关的回弹能量，而回弹能量则反映了混凝土表层硬度与混凝土抗压强度之间 的函数关系，即可以在混凝土的抗压强度与回弹值之间建立起一种函数关系，以 回弹值来表示混凝土的抗压强度。回弹法只能测得混凝土表层的质量状况，内部 情况却无法得知，这便限制了回弹法的应用范围，但由于回弹法操作简便，价格 低廉，在工程上还是得到了广泛应用。 2 2 2 精度影响因素 回弹法检测混凝土抗压强度在我国使用已达四十余年，因其方便、灵活、准 确、可靠、快速、经济等特点而倍受工程检测人员的青睐，是我国目前工程检测 中应用最为广泛的检测仪器之一。当对工程结构质量有怀疑时，均可运用回弹法 进行检测。但回弹法在使用过程中还是出现了较多的操作不规范、随意性大、计 算方法不当等问题，造成了较大的测试误差。如何保证检测精度，使其在检验结构 工程和混凝土质量中发挥应有的作用，已成为众多工程建设者所关注的话题。要 提高回弹法的检测精度，应综合考虑以下几个方面因素。 ( 1 ) 注意回弹法检测的适用条件 回弹法是通过回弹仪检测混凝土表面硬度从而推算出混凝土强度的方法， 当出现标准养护试件数量不足或未按规定制作试件；对构件的混凝土强度有怀 疑；或对试件的检验结果有怀疑时，可按回弹法检测混凝土抗压强度技术规程 j g j t 2 3 - 2 0 0 1 ( 以下简称规程) 进行检测。必须注意回弹法的使用前题是要求 被测混凝土的内外质量基本一致，当混凝土表层与内部质量有明显差异，如遭受 第二章混凝土无损柃测技术 化学腐蚀、火灾、冻伤，或内部存在缺陷时，不能直接采用回弹法检测混凝土强度。 ( 2 ) 测试前必须进行回弹仪的率定试验 回弹仪的质量及测试性能直接影响混凝土强度推定的准确性，只有性能良 好的回弹仪才能保证测试结果的可靠性。回弹仪的标准状态应是在洛氏硬度h r c 为6 0 2 的标准钢砧上，垂直向下弹击三次，其平均率定值应为8 0 2 ，否则回弹 仪必须进行调整或校验。在单个构件检测中，一般只需测试前进行率定即可。但在 大批量检测时，由于受现场灰粉及回弹仪自身稳定性等因素的影响，随着工作时 间的延长，回弹仪的工作状态逐渐低于标准状态。有时一个批量检测项目检测前 后回弹仪率定值的差异较大，从而导致测试结果偏低。因此，在大批量检测时，应 随身携带标准钢砧，以便随时进行率定检测，适时更换，从而保证检测结果的精确 性。 ( 3 ) 测区选择要正确 检测构件布置测区时，相邻两测区的间距应控制在2 m 以内，测区离构件端部 或施工缝边缘的距离不宜大于0 5 m 且不宜小于0 2 m ；测区应选在使回弹仪处于 水平方向检测混凝土浇筑面，并选在对称的两个可测面上，如果不能满足这一要 求时，也可选在一个可测面上，但一定要分布均匀，在构件的重要部位及薄弱部位 必须布置测区，并应避开预埋件。当遇到薄壁小构件时，则不宣布置测区，因为薄 壁构件在弹击时产生的振动，会造成回弹能量的损失，使检测结果偏低。如果必须 检测，则应加以可靠支撑使之有足够的约束力时方可检测。 ( 4 ) 测试动作要规范，切忌随意操作 回弹法本身是一种科学的操作方法，国家也专门制定了相应的规程，不容许 操作人员随意操作。回弹的精度也取决于操作人员用力是否合适和均匀，是否垂 直于结构或构件的表面，是否规范操作。但实际检测中却很少有人严格按照标准 规定的技术要求进行检测操作，责任心不强，敷衍了事，这样的检测将带来较大的 测试误差，无法保证回弹质量，为此，应加强检测人员的职业道德素养，提高检测 责任心，也只有如此，才能真正提高回弹法的检测精度。 ( 5 ) 消除测试面因素的影响 规程规定：用于回弹检测的混凝土构件，表面应清洁、平整，不应有疏松 层、浮浆、油垢、蜂窝、麻面。我们在检测时经常遇到麻面或有浮浆的构件，回 第二章混凝土无损检测技术 弹前必须有砂轮磨平，否则结果偏低。在测试面达到清洁、平整的前提下，还需注 意混凝土表层是否干燥，混凝土的含水率会影响其表面的硬度，混凝土在水泡之 后会导致其表面硬度降低。因此，混凝土表面的湿度对回弹法检测影响较大，对于 潮湿或浸水的混凝土，须待其表面干燥后再进行测试。建议采用自然干燥的方式。 禁止采用热火、电源强制干燥，以防混凝土面层被灼伤，影响检测精度。 ( 6 ) 注意碳化深度的测试取值 碳化深度值的测量准确与否与回弹值一样，直接影响推定混凝土强度的精 度。在碳化深度的测试中，注意其深度值应为垂直距离，而非孔洞中呈现的非垂直 距离。孔洞内的粉末和碎屑一定要清除干净之后再测量，否则将难以区分已碳化 和未碳化的界线，造成较大的测试误差。测量碳化深度值时最好用专用测量仪器， 不能采用目测方法。还有一种情况应特别注意，在检测已用粉刷砂浆覆盖的构件 碳化深度时，由于测试面受水泥砂浆的充填渗透影响，其表层含碱量较高，而用于 碳化测试的酚酞酒精溶液遇碱即变红，极易使人产生视觉误差，认为其碳化深度 值很小。如果认真观察测试孔，可发现外表层颜色较深，而孔内混凝土所变的颜色 较浅，这颜色较浅部分的厚度即为混凝土实际的碳化深度。这一点细微的差别， 检测人员一定要注意区分。 ( 7 ) 注意混凝土回弹值的修正 近年来，随着城市泵送混凝土使用的普及，采用回弹法按测区混凝土强度换 算值表推定的测区混凝土强度值将明显低于其实际强度值。这是因为泵送混凝土 流动性大，粗骨料粒径较小，砂率增加，混凝土的砂浆包裹层偏厚，表面硬度较低 所致。因此在运用回弹法检测混凝土强度时，必须要事先了解到施工单位浇注混 凝土的方式，并注意修正。另外，当检测时回弹仪为非水平方向且测试面为非混凝 土侧面时，一定要先按非水平状态检测时的回弹值进行修正，然后再按角度修正 后的回弹值进行不同浇筑面的回弹值进行修正，这种先后修正的顺序不能颠倒， 更不能用分别修正后的值直接与原始值相加或相减，否则将造成计算错误，影响 对混凝土强度的推定。 ( 8 ) 测试异常时，需与钻芯法配合使用 现行的工程施工中，普遍采用胶合板面的大模板，此种模板密闭性能极好但 不透气，振捣过程中产生的气泡聚集在混凝土表面和大模板之间，不易排出，致使 第二章混凝土无损检测技术 拆模后在混凝土表面存在大量的微小气孔，使混凝土表面不是很密实，如果混凝 土养护跟不上，混凝土表面将不能有效地进行水化反应，不仅有粉化现象，而且混 凝土碳化深度较大，造成混凝土表面强度低。一般情况下，认为只要能取芯样的 结构，最好进行取芯对回弹推定强度值进行校正，取样位置应该选在回弹强度高、 中、低不同的测区，校正系数一般为0 8 - 1 2 ，多数情况下大于l 。 ( 9 ) 建立本地区的专用测强曲线 国家标准虽给出了全国通用回弹法检测的测强曲线并由此得到测定混凝土 强度值换算表，但全国统一曲线仅综合考虑到全同各地的原材料使用情况，没有 把碎、卵石普通混凝土区分开来，而实际上回弹法检测碎、卵石普通混凝土强度 是有很大差异的。而地区测强曲线正是充分考虑本地区的混凝土原材料、气候条 件和成型养分护工艺，通过试验、校核、修正所建立的曲线，与通用测强曲线相 比较，该曲线比通用测强曲线更接近实验数据，能更好的推算本地区混凝土的实 际强度。因此，建立本地区的专用测强曲线，能有效地提高回弹法的检测精度。 2 2 3 成果分析 选取具有代表性的码头建筑物中素混凝土构件进行检测。检测时，对处于 设计高潮位以上和以下的混凝土( 干区和湿区) 分别进行检测，每个测区弹击 1 6 个测点，剔除3 个最大值和3 个最小值后，剩余1 0 个回弹值，计算平均回弹 值，代入相应的混凝土强度相关公式进行换算，通过炭化深度修正，推定出目前 的混凝土强度。回弹法推定混凝土强度公式如下： m 矗= 坍r 口+ 欲口 ( 2 1 ) 厶o = 0 0 2 4 9 7 m 子0 1 6 ( 2 2 ) 厶o 。= 厶o ( 2 3 ) 无r c = 厶o 。( 1 一皖) ( 2 4 ) 式中，m r 。为回弹仪与水平方向成q 角测试的测区平均回弹值；欲。为不同 测区角度q 的回弹值修正值，查表计算至0 1 ；厶。为回弹法的混凝土换算强度 值( m p a ) ；厶。为经碳化深度修正后回弹法的混凝土换算强度值( m p a ) ；r 。 1 1 第二章混凝土无损检测技术 为碳化深度修正值，查表；厶k 为回弹法的混凝土强度推定值；t 为正态分布概 率度。疋为剩余变异系数。 2 3 超声波检测混凝土裂缝深度 2 3 1 基本原理 超声振动在介质中的传播过程称为超声波。超声波的实质是机械波，是由 于机械振动在弹性介质中引起的波动过程，与声波并无本质上差异。超声波在介 质中传播时有多种波型，常见的有纵波、横波、表面波。在混凝土超声波检测中， 超声仪发生换能器所发射的超声波是脉冲超声波，该波是一种重复间断发射的的 复频波。目前混凝土超声检测主要采用所谓“穿透法”，即用一发射换能器重复 发射超声脉冲波，让超声波在所检测的混凝土中传播，然后由接受换能器接收。 被接收到的超声波转化为电信号后再经超声仪显示在示波屏上，用超声仪测量直 接收到的超声信号的声学参数：声速、振幅、频率以及波形等。准确测定这些参 数的大小变化，可以推断混凝土的性能、内部结构及其组成情况。 混凝土是由多种材料配制而成的非均质材料，对超声脉冲波的吸收、散射 衰减较大，其中高频成份衰减更大。因此，超声波检测混凝土缺陷一般采用较低 的探测频率。当混凝土的组成材料、工艺条件、内部质量及测试距离一定时，超 声波在其中传播的速度、首波的幅度和接收信号的频率等声学参数的测量值应该 基本一致。如果某部分混凝土存在空洞、不密实或裂缝，便破坏了混凝土的整体 性，其中空气所占的体积比相应增大，而空气的声阻抗率远小于混凝土的声阻抗 率，脉冲波在混凝土中的“固一气”界面传播时几乎产生全反射，只有一部分脉 冲波绕过空洞或其他缺陷区，才能传播到接收换能器。与无缺陷混凝土相比，可 用如下的方法判断混凝土的损伤：根据声时或声速的变化，可判断缺陷的存在和 估算缺陷的大小；混凝土存在缺陷时，超声波在传播过程中将发生反射、折射， 相对而言，其高频成份比低频成份衰减快，分析其接收信号频率产生的变化，根 据这一变化也可作为判断混凝土缺陷存在的参量；超声波在缺陷的界面上的复杂 反射、折射同时也使声波传播的相位发生叠加，叠加的结果导致接收信号的波形 发生不同程度的畸变，根据波形畸变，也可判别缺陷的存在。 第二章混凝土无损检测技术 2 3 2 超声波平测法 ( 1 ) 方法介绍 对于大型建筑的大体积混凝土结构，一般都体积庞大、结构复杂，在结构 的裂缝部位，通常只有一个可测的临空界面。此时可采用单面平测法进行检测。 单面平测法是在裂缝的被测部位，以不同的测距，用跨缝和不跨缝布置测点进行 检测。先将t 、r 换能器( t 为激发端，r 为接收端) 置于裂缝的同一侧，以2 个换能器不同内边缘间距了分别读取声时值f ，通过平测“时一距”坐标图， 采用直线回归法计算出该直线的斜率，即为超声波在该处混凝土中的时速值v 。 也可用统计法求得t 与，之间的回归直线式为，= a + b t ，a 、b 为待求的回归系数， 求得的回归系数b 即为混凝土时速值1 ，。平测时的裂缝深度可按以下公式计算： 办：三 2 ( 2 - 5 ) 式中，h 为垂直裂缝深度( m m ) ；为绕缝的传播时间( p s ) ；t 2 为无缝 平测的传播时间( a s ) ：，为换能器内边缘问距( m m ) ( 2 ) 存在的问题 在实际测试中，经常碰到在不同的测距下，由所测声时计算出的裂缝深度 差异较大，其主要原因有以下几个方面： 平测法计算裂缝深度时采用的声速是对不跨缝条件下不同测距的声时进 行回归计算得出的混凝土平均声速，但由于混凝土是一种非均匀的弹塑性材料， 即使是正常混凝土，各点的声速值也必然存在差异； 平测法是基于裂缝中充满空气，脉冲波智能绕过裂缝末端到达接收换能 器，当裂缝中充满水或泥浆，脉冲波便经水耦合层穿过裂缝直接到达接收器，不