混凝土强度回弹法检测成果

现场检测混凝土强度的方法有很多,如钻芯法、拔出法、回弹法、超声波法、超声回弹综合法等。回弹法、超声回弹综合法是应用最广的无损检测方法。混凝土试块的抗压强度与无损检测的参数(超声声速值、回弹值、拔出力等)之间建立起来的关系曲线,称为测强曲线。它是无损检测推定混凝土强度的基础。测强曲线根据来源不同,可分为全国统一测强曲线、地区测强曲线及专用测强曲线三种。

(一)检测原理及特点

1.原理

回弹法是用弹簧驱动重锤,通过弹击杆弹击混凝土表面,并测出重锤被反弹回来的距离,以回弹值(反弹距离与弹簧初始长度之比)作为与强度相关的指标,来推定混凝土强度的一种方法。其测量是在混凝土表面进行的,故应属于表面硬度法的一种。

图4.5-2所示为回弹法原理示意。当重锤被拉到冲击前的起始状态时,若重锤的质量等于1,则此时重锤所具有的势能e为

式中 k——拉力弹簧的刚度系数;

l——拉力弹簧起始拉伸长度(m)。

混凝土受冲击后将会产生瞬时弹性变形,其恢复力使重锤弹回,当重锤被弹回到x 位置时所具有的势能ex 为

式中 x——重锤反弹位置或重锤弹回时弹簧的拉伸长度(m)。

所以重锤在弹击过程中,所消耗的能量Δe为

在回弹仪中,l为定值,所以R 与x 成正比,称R 为回弹值。将R 代入式(4.5-5)中,可得:

由式(4.5-6)可知,回弹值只等于重锤冲击混凝土表面后剩余势能与原有势能之比的平方根。简而言之,回弹值的大小,取决于与冲击能量有关的回弹能量,而回弹能量主要取决于被测混凝土的弹塑性性能,即混凝土塑性变形越大,消耗于产生塑性变形的功越大,弹击锤所获得的回弹功能就越小,回弹距离相应也越小,从而回弹值就越小,反之亦然。而塑性变形越大,混凝土强度则越小。据此,可由实验方法建立“混凝土抗压强度—回弹值”的相关曲线,通过衬砌施工质量检测与验收回弹仪对混凝土表面弹击后的回弹值来推算混凝土的强度值。

2.特点

用回弹法检测混凝土抗压强度,虽然检测精度不高,但是设备简单、操作方便、测试迅速、检测费用低廉,且不破坏混凝土的正常使用,故在现场直接测定中使用较多。但该方法影响因素较多,如操作方法、仪器性能、气候条件等都会影响测定结果,产生较大误差。在《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T23—2011)中规定,回弹法检测混凝土的龄期为7～1000d,不适用于表层及内部质量有明显差异或内部存在缺陷的混凝土构件和特种成型工艺制作的混凝土的检测。这大大限制了回弹法的检测范围,如不适用于既有建筑中混凝土龄期超过3年,以及遭受水灾、冻害、化学腐蚀等混凝土的强度检测。解决这些问题的方法主要是采用钻芯法和回弹法相结合,对这两种方法的检测数据进行适当处理,基本可以满足上述混凝土的强度检测。

(二)仪器

1.回弹仪的构造

如图4.5-3所示,回弹仪的外部有一个金属外壳,内部主要由弹击杆、缓冲弹簧、拉力弹簧弹击锤、导向杆等构成。工作时,随着对回弹仪施压,弹击杆徐徐向机壳内推进,拉力弹簧被拉伸,使连接拉力弹簧的弹击锤获得恒定的冲击能量e,当仪器水平状态工作时,其冲击能量e可由式(4.5-3)计算,其能量大小为2.207J(标准规定拉力弹簧的刚度为785.0N/m,单击弹簧工作时拉伸长度0.075m)。当挂钩与顶杆互相挤压时,使弹击锤脱钩,于是弹击锤的冲击面与弹击杆的后端平面相碰撞。此时,弹击锤释放出来的能量借助弹击杆传递给混凝土构件,混凝土弹性反应的能量又通过弹击杆传递给弹击锤,使弹击锤获得回弹的能量向后弹回,计算弹击锤回弹的距离和弹击锤脱钩前距弹击杆后端平面的距离之比,即得回弹值,它由仪器外壳上的刻度尺示出。

2.类型

国内回弹仪的构造及零部件和装配质量必须符合《回弹仪检定规程》(JJG817—2011)的要求。回弹仪按回弹冲击能量大小可分为重型、中型和轻型。普通混凝土抗压强度不大于C50时,通常采用中型回弹仪;混凝土抗压强度不小于C60时,宜采用重型回弹仪。传统的回弹仪检测是直接读取回弹仪指针所在位置的读数——直读式。目前,已有的新产品有自记式、带微型工控机的自动记录及处理数据等功能的回弹仪。如Digi-Schmidt2000混凝土数显式回弹仪,它是通过液晶显示屏显示,自动删除最大值、最小值,直接读取混凝土强度值f,不仅智能、便捷,还可与计算机连接进行存取数据和打印。

图4.5-3　回弹仪

(a)回弹仪外形;(b)回弹构造1—结构混凝土表面;2—弹击杆;3—缓冲弹簧;4—拉力弹簧;5—弹击锤;6—指针;7—刻度尺;8—指针导杆;9—按钮;10—挂钩;11—压力弹簧;12—顶杆;13—导向法兰;14—导向杆

3.检测性能影响因素

影响回弹仪检测性能的主要因素有以下几项:

(1)回弹仪机芯主要零件的装配尺寸,包括弹簧的工作长度、弹击锤的冲击长度及弹击锤的起跳位置等。

(2)主要零件的位置,包括弹簧刚度、弹击杆前端的球面半径、指针长度和摩擦力、影响击锤起跳的有关零件。

(3)机芯装配质量,如调零螺钉、固定弹簧和机芯同轴度等。

4.钢砧的作用

我国传统的回弹仪率定方法是:在符合标准的钢砧上,将仪器垂直向下率定,其平均值应为80±2,以此作为出厂合格检验及使用中是否需要调整的依据。

由上述影响回弹仪检测性能的主要因素可知,仅以钢砧率定方法作为检验合格与否往往是欠妥的。只有在仪器3个装配尺寸和主要零件质量合格的前提下,钢砧率定值才能够作为检验合格与否的一项标准。

我国规定,如率定试验不在80±2范围内,应对仪器进行保养后再率定,如仍不合格,应送检定单位检定。率定试验不在80±2范围内的仪器,不得用于测试。

(三)检测强度值的影响因素

回弹法是表面硬度法的一种,其基本原理是根据混凝土结构表面约6mm 厚度范围的弹性性能,间接推定混凝土的表面强度,并认为在一般情况下,构件竖向侧面的混凝土表面强度与内部一致,因此,混凝土构件的表面状态直接影响推定值的准确性和合理性。

1.原材料

(1)水泥。水泥品种对回弹法测强的影响还存在争议。一种观点认为,只要考虑了碳化深度的影响,可以不考虑水泥品种的影响。

(2)细集料。已有的研究表明,普通混凝土用细集料的品种和粒径,只要符合《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》(JGJ52—2006)的规定,对回弹法测强的影响就不显著。

(3)粗集料。粗集料品种的影响,目前还没有一致的认识。一般在制定地方测强曲线时,结合具体情况予以考虑。

2.外加剂

在普通混凝土中,外加剂对回弹法测强的影响不显著。掺有外加剂的混凝土测强曲线比不掺者的强度偏高1.5～5MPa。这对于采用统一测强曲线进行的回弹法检测,所得混凝土强度的安全性是可以接受的。

3.成型方法

总体上,不同强度等级、不同用途的混凝土混合物,应有各自相应的最佳成型工艺。但是,只要混凝土密实,其影响一般较小。但是喷射混凝土和表面通过特殊处理、化学方法成型的混凝土,统一测强曲线的应用要慎重。

4.养护方法及湿度

混凝土在潮湿的环境或水中养护时,由于水化作用较好,早期和后期强度均比在干燥条件下养护的高,但表面硬度由于被水软化而降低。不同的养护方法产生不同的湿度,对混凝土强度及回弹值都具有很大的影响。

5.碳化及龄期

水泥已经水化游离出大约35%的氢氧化钙,它对混凝土的硬化起了重大作用。已经硬化的混凝土表面受到二氧化碳作用,使氢氧化钙逐渐变化,生成硬度较高的碳酸钙,即发生混凝土的碳化现象,它对回弹法测强有显著影响。碳化使混凝土表面硬度增加、回弹值R 增大,但对混凝土强度fcu影响不大,从而影响“fcu-R”的相关关系。不同的碳化深度对其影响不同,对不同强度等级的混凝土,同一碳化深度的影响也有差异。消除碳化影响的方法国内外各有不同。国外的做法是磨去混凝土碳化层或不允许对龄期较长的混凝土进行测试。我国的研究表明,用碳化深度作为一个测强参数来反映碳化的影响,虽然回弹值随碳化深度增大,但当碳化深度达到6mm后,这种影响基本不再增长。

6.泵送混凝土

根据福建建筑研究院的试验研究,对于泵送混凝土用测区混凝土强度换算得出的换算强度值,普遍低于混凝土的实际抗压强度(试件强度)值,fcu换算强度值fccu越低,误差越大,且正偏差居多。当fcu在50MPa以上时,影响减小。误差修正值可以按表4.5-10执行。

表4.5-10　泵送混凝土误差影响值K

7.混凝土表面缺陷

根据检测经验,构件混凝土局部表面偶尔会出现异常状态,强度异常低,在分析排除施工或材料异常的情况下,应考虑存在混凝土表面与内部强度差异较大的可能。造成表面强度局部异常的原因有施工振捣过甚、表面离析、砂浆层太厚、局部混凝土表面潮湿软化、构件表面粗糙,以及检测前未按要求认真打磨等操作失误或测区划分错误。混凝土表面强度几乎不影响构件的承载力和刚度,因此,若仍按规程以测区强度最小值推定,必然过于保守,可能导致错误决策,故有必要先进行异常值的判断。当断定属于数据异常时,有条件的可采取钻芯法进一步检测。

8.混凝土结构中表层钢筋对回弹值的影响

采用回弹仪所测得的回弹值只代表混凝土表面层2～3cm 的质量。因此,在实际工作中,钢筋对回弹值的影响要视钢筋混凝土保护层厚度、钢筋直径及疏密程度而定。如果在工程施工中,按规定,混凝土中钢筋保护层厚度普遍大于20mm,用回弹仪进行对比回弹,混凝土回弹值波动幅度不大,可视为没有影响。通常情况下,混凝土保护层厚度基本上大于规范规定值,其波动幅度不大,钢筋的影响可忽略不计。

(四)检测方法

1.收集基本资料

(1)工程名称及设计、施工、监理(或监督)和建设单位名称。

(2)结构或构件名称、外形尺寸、数量及混凝土强度等级。

(3)水泥品种、强度等级、安定性、厂名;砂石种类、粒径;外加剂或掺合料品种、掺量;混凝土配合比等。

(4)施工时材料计量情况,模板、浇筑、养护情况及成型日期等。

(5)必要的设计图纸和施工记录。

(6)检测原因。

2.选择测区

测区选择应遵循以下原则:

(1)按单个构件检测时,应在构件上均匀布置测区,每一构件上测区数应不少于10个;同批构件按批抽样检测时,构件抽样数应不少于构件总数的30%,且应不少于10件;对某一方向上结构尺寸小于4.5m 且另一方向尺寸小于0.3m 的构件,其测区数可适当减少,但应不少于5个。

(2)相邻两测区的间距应控制在2m以内,测区离构件端部或施工缝边缘的距离不宜大于0.5m,且不宜小于0.2m。

(3)测区应选择在回弹仪处于水平方向时检测混凝土浇筑侧面。当不能满足这一要求时,可使回弹仪处于非水平方向检测混凝土构件的浇筑侧面、表面或底面。(www.xing528.com)

(4)测区宜选在构件的两个对称可测面上,也可选择在一个可测面上,且应均匀分布。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。

(5)测区尺寸宜为200mm×200mm,采用平测时宜为400mm×400mm。

(6)检测面应为原状混凝土表面,并应清洁、平整,不应有疏松层、浮浆、油垢、涂层及蜂窝、麻面,必要时可用砂轮清除疏松层和杂物,且不应有残留的粉末或碎屑。

(7)对弹击时产生颤动的薄壁、小型构件应进行固定。

(8)结构或构件的测区应标有清晰的编号,必要时,应在记录纸上描述测区布置示意图和外观质量情况。

3.回弹值测量

(1)回弹仪的操作。将弹击杆顶住混凝土的表面,轻压仪器,松开按钮,弹击杆徐徐伸出,使仪器对混凝土表面缓慢均匀施压,待弹击锤脱钩冲击弹击杆后即回弹,带动指针向后移动并停留在某一位置上,即回弹值。继续顶住混凝土表面并在读取和记录回弹值后,逐渐对仪器减压,使弹击杆自仪器内伸出,重复进行上述操作,即可测得被测构件或结构的回弹值。在操作中,注意仪器的轴线应始终垂直于混凝土构件的检测面,缓慢施压,准确读数,快速复位(图4.5-4)。

(2)测点宜在测区范围内均匀分布,相邻两测点的净距不宜小于20mm;测点与外露钢筋、预埋件的距离不宜小于30mm。测点不应在气孔或外露石子上,同一测点只能弹击一次。每一测区应记取16个回弹值,每一测点的回弹值读数估读至1。

图4.5-4　回弹法检测

4.碳化深度值测量

回弹值测量完毕后,应在有代表性的位置上测量碳化深度值,测点数应不少于构件测区数的30%,取其平均值为该构件每测区的碳化深度值。当碳化深度值大于2.0mm 时,应在每一测区测量碳化深度值。碳化深度值测量方法:采用适当的工具在测区表面形成直径约为15mm的孔洞,其深度应大于混凝土的碳化深度。孔洞中的粉末和碎屑应除净,并不得用水擦洗。同时,采用浓度为3%的酚酞酒精溶液滴在孔洞内壁的边缘处,当已碳化与未碳化界线清楚时,用深度测量工具测量已碳化与未碳化的混凝土交界面到混凝土表面的垂直距离,测量应不少于3次,取其平均值。每次读数精确至0.5mm。

(五)混凝土强度计算

1.回弹代表值计算

从每一个测区所得的10个回弹值中,剔除1个最大值和1个最小值后,将余下的8个有效回弹值按式(4.5-7)计算回弹代表值:

式中 R——测区回弹代表值,精确至0.1;

Ri——第i个测点的有效回弹值。

2.回弹值修正

(1)非水平状态下测得的回弹值,按式(4.5-8)修正:

式中 Ra—— 修正后的测区回弹代表值,精确至0.1;

Raα——测试角度为α时的测区回弹值修正值,按表4.5-11取值。

表4.5-11　非水平状态检测时的回弹值修正值Raα

续表

(2)在混凝土浇筑顶面或底面测得的回弹值,应按下列公式修正:

式中 ——测量混凝土浇筑表面时的测区回弹修正值,可按表4.5-12采用;

——测量混凝土浇筑底面时的测区回弹修正值,可按表4.5-12采用。

表4.5-12　浇筑面的回弹值修正值

若测试时回弹仪处于非水平状态,同时测试面又是非混凝土浇筑方向的侧面,测得的回弹值应先进行角度修正,然后对角度修正后的值再进行表面或底面修正。

3.碳化深度计算

对于抽检碳化深度的计算,用数理统计方法计算,以平均值作为测区碳化深度。

4.测强曲线应用

结构或构件第i个测区混凝土强度换算值,根据每一测区的回弹平均值及碳化深度值,查阅全国统一测强曲线得出,当有地区测强曲线或专用测强曲线时,混凝土强度换算值应按地区测强曲线或专用测强曲线换算得出。对于泵送混凝土还应符合下列规定:

(1)当碳化深度值不大于2.0mm时,每一测区混凝土强度换算值应按表4.5-13修正。

表4.5-13　泵送混凝土测区混凝土强度换算值的修正值

(2)当碳化深度值大于2.0mm时,可采用同条件试件或钻取混凝土芯样进行修正。

5.混凝土强度计算

对于没有可以利用的地区和专用混凝土回弹测强曲线,测区混凝土强度的求取,可以按《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T23—2011)附录中所提供的“测区混凝土强度换算表”换算。当测区数为10个及以上时,应计算强度标准差。

混凝土强度平均值和标准差按式(4.5-11)和式(4.5-12)计算:

式中 ——构件强度平均值(MPa),精确至0.1MPa;

——混凝土强度的平均值(MPa),精确至0.1MPa;

n——被抽取构件测区之和;

Sfccu——构件混凝土强度标准差(MPa),精确至0.1MPa。

6.异常数据分析

混凝土强度不是定值,它服从正态分布。混凝土强度无损检测属于多次测量的试验,可能会遇到个别误差不合理的可疑数据,应予以剔除。根据统计理论,绝对值越大的误差,出现的概率越小,当划定了超越概率或保证率时,其数据合理范围也相应确定。因此,可以选择一个“判定值”去和测量数据比较,超出判定值者即被认定为包含过失而应剔除。

7.混凝土强度值推定

(1)构件的现龄期混凝土强度推定值(fcu,e)应符合下列规定:

1)当构件测区数少于10个时,应按式(4.5-13)计算:

式中 ——构件中最小的测区混凝土强度换算值。

2)当构件的测区强度值中出现小于10.0MPa的时,应按式(4.5-14)确定:

3)当构件测区数不少于10个时,应按式(4.5-15)计算:

4)当批量检测时,应按式(4.5-16)计算:

式中 k——推定系数,宜取1.645,当需要进行推定强度区间时,可按国家现行有关标准的规定取值。

注:构件的混凝土强度推定值是指相应于强度换算值总体分布中保证率不低于95%的构件中的混凝土抗压强度值。

(2)对按批量检测的构件,当该批构件混凝土强度标准差出现下列情况之一时,该批构件应全部按单个构件检测:

1)当该批构件混凝土强度平均值小于25MPa、大于4.5MPa时;

2)当该批构件混凝土强度平均值不小于25MPa且不大于60MPa、大于5.5MPa时。