超声回弹钻芯综合法测强初探.docx

超声2回弹2钻芯综合法测强初探张竞男 ,王浩 ,乔建东( 中南大学土木建筑学院 , 湖南 长沙 410075)【摘 要】 基于超声2回弹综合法和钻芯法检测结构混凝土强度的原理及优缺点分析 ,对采用超声2回弹综合法和钻芯取样法联合测强的方法 :超声2回弹2钻芯综合法进行了理论研究 ,并结合统计理论给出了其中相关参 数的确定方法 。工程实例证明 ,该测试方法费用合理 、损伤较小 ,且结果可靠 、精度高 、可在桥梁 、基础等工程中推 广应用 。【关键词】 超声 ; 回弹 ; 钻芯 ; 检测 ; 混凝土强度中图分类号 : TU528 ,TU502文献标识码 :APreliminary Investigation on Stregnth Testing Method withCombined Ultrasonic2rebound and Core2drilling TechniqueZHANG Jing2nan , WANG Hao , QIAO Jian2dong( School of Civil and Architectural Engineering , Central South University , Changsha 410075 , China)【Abstract】 Based on the principle of ultrasonic2rebound and core2drilling technique for structural concrete strength testing ,a newstrength testing method with the combination of ultrasonic2rebound and core2drilling technique is presented and investigated. The values of correlative parameters are achieved based on theoretical analysis and statistic method. Practical examples prove that the proposed method has characteristics of high accuracy , little damage and low expenses , so the method can be popularized in civil engineering such as bridge , foundation ,etc .【Key words】 ultrasonic ; rebound ; core2drilling ; testing ; concrete strength为此本文对目前较为常用的超声2回弹综合法 、钻芯法测强的原理 、影响因素 、修正方法及优缺点等进行了简明阐 述 ,在此基础上结合数理统计知识对超声2回弹2钻芯综合 测强法进行了初步探讨 。采用该法对贵州省关兴公路北盘 江大桥锚碇混凝土强度进行测试分析 ,结果证明了该法的 准确性和可靠性 。引言1结构混凝土强度的检测己有钻芯法 、回弹法 、超声法 、超声2回弹综合法 、射钉法 、针贯入法 、后装拔出法 、压剪法 和冲击回波法等 。这些方法都具有各自的特点 ,可以在一 定程度上解决结构混凝土的检测问题 ,但众所周知 ,混凝土 是一种多相复合材料 ,其内部各相随机地结合在一起 ,形成 性质复杂的结构体系 。而且 ,混凝土强度还受测试条件的 制约 ,是一个多因素的综合指标 。故采用传统的试块抗压 强度来评定结构物的性能是不全面的 ,用单一的测试指标 建立与混凝土强度之间的相关关系也难以反映多因素的影 响 。因此 ,如何采用较多的指标 ,在对结构造成尽量小损伤 的基础上 ,综合反映混凝土强度成为目前的研究方向 ,这也 就是综合测试法的基本设想 ,即采用两种或两种以上的检 测手段 ,获得多个测试指标 , 从各方面综合评定混凝土强 度 。超声2回弹综合测强法简述2为避免对结构造成不必要的损伤 ,目前国内检测结构或构件混凝土强度大多采用非破损方法 ,其中超声2回弹综 合法较为常用 。211 超声2回弹综合法测强原理回弹法是一种利用材料表面硬度与回弹值 N 有相关 关系 ,通过混凝土表面硬度与强度 R 的间接关系来测算回 弹值并推算出混凝土的强度关系 。回弹法仅反映深度不超 过 30mm 表层混凝土的状态 ,而混凝土内部的非匀质性 、孔收稿日期 :2003203202 ;修订日期 :2003204225作者简介 :张竞男 (1979 - ) ,女 ,浙江衢州人 ,硕士研究生 ,主要从事桥梁结构的研究工作 。887 第 21 卷第 6 期张竞男 ,等. 超声2回弹2钻芯综合法测强初探隙量和孔结构等则无法反映 。超声波检测法的测试原理可概括为 : 超声波在混凝土 中传播遇到缺陷时 ,将发生反射 、折射 、绕射和衰减等现象 , 其正常传播的某些声学参数如声时 、波形 、能量和频谱等将 发生变化 ,根据这些改变 ,判断混凝土内部的密实度 、弹性 性能及结构状况等 。超声2回弹综合测强法综合了二者的优点 ,可同时反映 混凝土表面硬度 、内部密实度和匀质性 。声速 V 和回弹值 N 合理综合后所建立的 R - N - V 关系能够消除原来 R - N 和 R - V 关系中的许多因素 ,例如含水量的影响及碳化深 度等的影响都不象原来单一测试指标那么显著 。而且混凝 土湿度状态与龄期等因素对单一测强法的影响得到了相互 补偿 ,提高了测试精度 , 不同测试条件下的修正也大为简 化 。212 超声2回弹综合法测强公式由于影响混凝土表面硬度 、内部密实度和匀质性的因素很多 ,应根据其影响程度分别对超声 - 回弹综合法测强结果进行修正 。研究结果表明 : 影响因数主要包括水泥品 种 、粗骨料品种及粒径 、细骨料用量 、外加剂类型 、混凝士龄期 、碳化以及测距和测试面等 。其修正方法详见文献2 。 修正后的超声 - 回弹综合测强曲线通常采用回归方程式表 示 。根据研究结果 :对无碳化混凝土 ,其回归方程可采用下 列形式 :R = aV b Nc ; R = a + bV + cN对碳化深度为 L 的混凝土 ,其回归方程式通常采用以 下两种形式 :R = aV b Nc L d ; R = aV b Nc 10 d式中 ,a 、b 、c 、d 为待定系数 ,与粗骨料种类 、混凝土配合比 、 测试时混凝土状态等因素有关 ;N 为回弹值 ;V 为超声声速(km/ s) ;L 为碳化深度 ( mm) 。常用各种超声 - 回弹测强曲 线表达式见表 13 。表 1 超声2回弹测强公式Ta ble 1 Formula of strength testing with combined ultrasonic and rebound technique编号使用范围测强公式粗骨料品种强度等级全国全国 铁道部 铁道部 铁道部 铁道部 铁道部R = 010038V1123 N1195R = 010080V1172 N1157R = 01004985V312253 N110856R = 01002764V214426 N115624R = 01005446V312681 N110423R = 017815V019562 N017270R = 417445V017837 N013225卵石碎石 碎、卵石 卵石 碎石 卵石 碎石C10C50C10C50C5C80C5C80C5C80C50C80C50C801234567上述公式均为采用大量数据计算而得 ,故具有较高的可靠性 ,但均为经验公式 , 相互之间的计算结果尚存在差 异 ,并且由于现场混凝土的原材料 、配合比以及施工条件不 可能与 R - N - C 基准曲线的制定条件完全一致 ,因此 ,在使用上述公式时 ,一定要先验证再使用 ,以免误差太大 。度 ,即参考强度或现场强度 , 它与立方体试件抗压强度之间 ,除了需进行必要的形状修正外 ,无需进行某种物理量与 强度之间的换算 。因此 ,普遍认为这是一种直观 、可靠 、准 确的方法 ,已为较多国家所采用 。312 钻芯法测强公式依照钻芯法检测混凝土强度技术规程( CECS03 :88) ,芯样的抗压强度可按下式计算4 :钻芯取样测强法简述3f c= 4Fd2cu311 钻芯法测强原理钻芯测强法是利用专用钻机直接从结构上钻取圆柱体 混凝土芯样 ,并根据芯样的抗压强度评定结构混凝土质量的一种微破损现场检测方法 ,适用于混凝土强度等级 C10的结构 。由于钻芯法的测定值就是圆柱状芯样的抗压强式中 : f c 为芯样混凝土强度换算值 (MPa) ,精确至 011MPa ;cuP 为芯样抗压试验测得的最大压力 ( N) ; d 为芯样直径(mm) ;为高径比修正系数 ,不同高径比的芯样试件混凝 土强度换算系数按表 2 选用 。表 2 高径比修正系数Ta ble 2 Modif ication coeff icient f or height2dia meter ratio高径比( hd)118119110111112113114115116117 210修正系数1100110411071110111311151117111911211122 1124注 :当实际检测中遇到芯样高径比 hd 1 的情况时 ,值建议采用右式确定 := - 010265 + 11111 ( hd) ,其中 ,0125 hd 01925 。然而 ,由于取芯工作费用较高 ,而且会对结构造成一定程度的破坏 ,故芯样位置 、数量受到一定的限制 。但芯样过 少反映不出混凝土的匀质性 ,而且混凝土在结构中处于复杂的应力和约束状态 ,其强度当然不可能与取出芯样的强度一样 ,所以检测强度只具有参考意义 ,仅凭芯样强度单一 指标难以对结构混凝土质量作出评定 。材料科学与工程学报888 2003 年 12 月超声2回弹2钻芯综合测强法概述综上所述 ,无论是超声2回弹综合法还是钻芯法都有明 显的优缺点 。但是将二者结合起来形成的综合法 ,不仅能 取得较为准确的测试结果 ,最大限度地减少芯样数量 。411 超声2回弹2钻芯综合法测强基本原理在对结构混凝土强度进行检测时 ,将超声2回弹综合法 与钻芯法结合使用 。其中先采用超声2回弹综合法对结构 混凝土强度进行全方位测试 ,再采用钻芯法对 R2N2C 基准 曲线作适当修正 ,其修正方法如下 :从结构或构件上综合法测区处非关键截面钻取芯样 , 用标准方法测定这些试样的超声值 、回弹值 、抗压强度值 , 并用基准曲线 (该现场准备采用的专用曲线 、地区曲线或通 用曲线) 推算出试块的计算强度 ,然后按下式求出修正系 数 :4图 1 t 分布示意图Fig. 1 Plot of t distributing同时 ,当值固定 , n 值增大时 , t ( n - 1) 值减小 , ( Sn) t a ( n - 1) 值也减小 ,这就涉及到估计精度的问题 。通 常对估计精度控制如下 : ( S n ) t ( n - 1) 215MPa6 , 因 此就从理论上确定了应取芯样数量 n 值 。值得一提的是 ,不同结构或不同的检测要求 ,对置信度 和估计精度的要求也不同 ,故应根据实际情况进行适当调整 。n1 = R Ri in i = 1式中 :为修正系数 ,精确至 0101 ; n 为所取芯样数量 ; Ri 为第 i 个芯样的实测抗压强度 ,精确至 011MPa ; Ri 为第 i 个 芯样按拟修正的基准曲线所推算的强度 , 精确至 011MPa 。 修正系数置入拟修正的基准曲线公式即为修正后基准曲线 公式 。412 芯样数量的估计超声2回弹2钻芯综合法的关键是确定合理的芯样数 量 ,使得采用芯样强度修正后的基准曲线推算出的混凝土 强度值与混凝土强度真值比较接近 ,在这种前提下 ,尽量减少钻芯数量 。为此需要引进统计学和误差理论中的检验显 著性水平 、置信度 、置信区间等概念 。根据数理统计知工程实例5北盘江大桥是贵州省镇兴公路关岭至兴仁段的控制性工程 ,该桥锚座底部和锚室采用 C30 混凝土 , 其余均采用 C40 混凝土 , 详见文献7 。采用上述超声2回弹2钻芯综合 法对贵州省关兴公路北盘江大桥锚碇混凝土强度进行测试 分析 ,其过程简要介绍如下 :511 芯样数量的确定现以该桥兴仁岸锚碇 C40 混凝土芯样为例说明本试 验中芯样数量的确定方法 。由于从结构综合法测区钻取的28 识 ,设 X1 , X2 , X3 , , Xn 是正态总体 N (, ) 的样本 , X ,S2 分别是样本均值和样本方差 ,则有 5 :芯样数量一般不少于 6 个 ,故采用 HZ2160 型抽芯机 ,从该岸锚体 40 号混凝土区抽取 2 组 (6 个) 芯样作为混凝土的 抗压强度试件 。鉴于悬索桥锚碇是主缆的锚固体 ,承受着 主缆的拉力 。因此 ,芯样的抽取位置选在非关键截面 ,远离索股及锚碇架部位 ,同时考虑便于安装钻机等因数 。芯样强度试验结果列于表 3 。根据表 3 计算可得 ,该岸锚体 40 号混凝土芯样平均试 压强 度 R 为 4314MPa , 其 置 信 度 为 95 % 的 置 信 区 间 为(4119 , + ) , ( S n) t ( n - 1) = 115MPa 215MPa ,说明芯 样数量为 6 时 ,置信度和控制精度都满足要求 ,无需再钻取 更多的芯样 。512 超声 2回弹综合法测试混凝土强度采用 ZC3 - A 型回弹仪对各测区混凝土弹击 16 个点 ,计算平均回弹值时 ,从 16 个回弹值中去掉 3 个最大值和 3个最小值 ,然后用余下的 10 个回弹值计算算术平均值 。测( X - ) ( S n) t ( n - 1)(1)nn其中 : X = 1 X ; S2 =1( X - X ) 2iin i = 1n - 1i = 1对于 (1) 式 ,其右边的分布 t ( n - 1) 不依赖于任何未知参数 。可得 (参见图 1) :X - t ( n - 1)= 1 - , X -= 1 - 。即n于是得 的置信度为 1 - 的单侧置信区间为S t ( n - 1) , +X -n按照统计学的常规和建筑结构的要求 ,混凝土强度均值的置信度宜为 95 % ,即显著性水平 = 01056 。 值确 定之后 ,根据所取芯样数量 n 及以上公式可求出混凝土强 度真值的单侧置信区间 。强度均值 X 落在该区间内的 置信度为 1 - 。这就对混凝土强度均值的置信度有了一 个定量的估计 。试时 应使回弹化处于水平状态 相邻两测点的间距一般不,小于 30mm ,测点距构件边缘或铁件的距离不小于 50mm ,且同一测点只允许弹击一次 。889 第 21 卷第 6 期张竞男 ,等. 超声2回弹2钻芯综合法测强初探表 3 兴仁岸锚碇 C40 混凝土芯样强度Stregnth of C40 concrete core from the anchorTa ble 3芯样序号123456实测强度 RMPa411342194318461742154312超声测试采用 RS2ST01C 型非金属超声波检测仪 ,换能器为平面纵波换能器 ,耦合剂采用黄油 。其测点应布置在 回弹测试同一测区的回弹值测试面上 ,但探头安放位置不 宜与弹击点重叠 。测量超声声速时在每个测区的相对测试 面上各应布置 3 个测点 ,且发射和接收换能器的轴线应在 同一直线上 。测区声速按下式计算 :C = l t ,其中 t = ( t1 + t2 + t3 ) 3根据上述芯样实测强度计算出修正系数,建立修正后的 R2C2N 关系曲线 。采用文献 2 的测区混凝土强度换算表推算混凝土强度 R , 再对每组 10 个 R 值求其平均值R 。由于该岸锚碇结构采用满槽灌注法进行施工 , 故只能 对锚体前墙及右侧墙进行测试 。现将兴仁岸锚碇 C40 混凝 土综合法测试结果列于表 4 。可以看出 , 该岸锚体前墙测 区 R 为 41102MPa ,右侧墙测区 R 为 41182MPa ,与芯样强度 相比 ,误差分别为 5148 %和 3164 % ,都具有一定的精度 。表 4 兴仁岸锚碇 C40 混凝土综合法测强结果Strength2testing results of C40 concrete anchor with the combined methodTa ble 4锚体前墙测区12345678910平均回弹值 N 声速 C/ kms - 1 推算强度 R/ MPa 强度均值 R / MPa441541532401245194146541194514414454018441741504401247164145844194110243164146737194614415164314451041489401645154152441184317415083815锚体右侧墙测区123456