回弹法-结构检测与鉴定

回弹法的基本原理是,使用回弹仪对普通混凝土结构构件表面硬度进行测试,通过回弹值获得混凝土结构构件表面硬度的信息,并经由预先建立的混凝土表面硬度、碳化深度与混凝土抗压强度之间的函数关系来获得混凝土抗压强度推定值。 该方法不适用于表层和内部质量有明显差异或内部存在缺陷的混凝土。 当混凝土表面遭受了火灾、冻伤、受化学物质侵蚀或内部有缺陷时,不能直接采用回弹法检测。

1)相关技术标准

从全国范围来看,回弹法的相关规范、标准主要有:《混凝土结构现场检测技术标准》(GB/T 50784—2013)、《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T 23—2011)、《高强混凝土强度检测技术规程》(JGJ/T 294—2013)等。 由于混凝土所用粗集料、细集料等一般就近取材,因此各地往往结合本地材料性能编制有地方规范、标准,例如:深圳市地方规程《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(SJG 28—2016)、重庆市规程《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(OBJ 50—057—2006)等。

上述规范、标准的适用条件有一定差异,在实际选用时可以优先选择符合适用条件的地方标准或企业标准。

为了避免混淆,以下仅介绍《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T 23—2011)的相关规定。

2)适用范围

由于回弹法是通过弹击构件表面所获得的回弹值来推定混凝土的强度指标的,因此主要适用于普通混凝土抗压强度的检测,不适用于表层与内部质量有明显差异或内部存在缺陷的混凝土强度检测。

如果采用JGT/T 23—2011 附录A、附录B 给出的统一测强曲线计算混凝土抗压强度换算值,则应满足以下条件:

①混凝土采用的水泥、砂石、外加剂、掺合料、拌合用水符合国家现行有关标准。

②采用普通成型工艺。

③采用符合国家标准规定的模板。

④蒸汽养护出池经自然养护7 d 以上,且混凝土表层为干燥状态。

⑤自然养护龄期为14 ～1 000 d。

⑥抗压强度应为10.0 ～60.0 MPa。

当有下列情况之一时,不能按照该规程的附录A、附录B 进行强度换算:

①非泵送混凝土粗骨料最大公称粒径大于60 mm,泵送混凝土粗骨料最大公称粒径大于31.5 mm。

②特种成型工艺制作的混凝土。

③检测部位曲率半径小于250 mm。

④潮湿或浸水混凝土。

另外,如果检测时混凝土的龄期已超过1 000 d,经委托方同意后可以参照《民用建筑可靠性鉴定标准》附录K 进行修正,但应注意满足其适用条件。

3)回弹法的主要仪器

回弹仪是回弹法检测结构构件混凝土抗压强度的主要仪器。

普通混凝土的强度一般可使用中型回弹仪。 传统的中型回弹仪是一种指针直读的直射锤击式仪器,型号一般为HT-225,冲击动能为2.207 J,其构造如图3.7 所示,其外观如图3.8所示。 其工作原理是:用弹簧驱动弹击锤,并通过弹击杆弹击混凝土表面时产生的瞬时弹性变形的恢复力,使弹击锤带动指针指示出弹回的距离。 以回弹值(弹回的距离与冲击前弹击锤至弹击杆的距离之比,按百分比计算)作为与混凝土抗压强度相关的指标之一,来测定混凝土的抗压强度。

图3.7　指针式回弹仪构造和主要零件名称

1—尾盖；2—壳体；3—挂钩；4—压簧；5—按钮；6—中心导杆；7—弹击锤；8—拉簧座；9—盖帽；10—密封毡圈；11—弹击杆；12—混凝土构件试面；13—卡环；14—缓冲弹簧；15—弹击拉簧；16—指针轴座；17—弹簧片；18—指针滑块；19—指针轴；20—刻度牌；21—导向法兰；22—挂钩弹簧；23—调整螺钉；24—调整螺母

在指针式回弹仪基础上增加数字显示、数据存储与导出等功能后,即为数字式混凝土回弹仪,如图3.9 所示。

回弹法检测所用回弹仪必须符合《回弹仪》(JJG 817)等相关规范的要求,同时还应具有制造厂的产品合格证及检定单位的检定合格证,并在回弹仪的明显位置上具有下列标志:名称、型号、制造厂名(或商标)、出厂编号、出厂日期和中国计量器具制造许可证标志CMC 及许可证证号等。

图3.8　指针式混凝土回弹仪

图3.9　数字式混凝土回弹仪

为了确保回弹仪处于适检的标准状态,应注意检定、保养和检测前后的率定。

(1)检定

在具有下列情况之一时,回弹仪应进行检定:

①新回弹仪启用前。

②超过有限期限为半年的检定周期。

③数字式回弹仪数字显示的回弹值与指针直读示值相差大于1。

④经常规保养后钢钻率定值不合格。

⑤遭受严重撞击或其他损害。

(2)保养

回弹仪具有下列情况之一时,应进行常规保养:

①弹击超过2 000 次。

②对检测值怀疑。

③在钢钻上的率定值不合格。

保养后应进行率定。

(3)率定

图3.10　钢砧

为了在使用过程中及时发现和纠正回弹仪的非标准状态,回弹仪在检测前、后均应在钢砧(图3.10)上做率定试验。

回弹仪率定试验应在室温为5 ～35 ℃的条件下进行,钢砧表面应干燥、清洁,并稳固地平放在刚度大的物体上。 率定试验应分四个方向进行,每个方向弹击前应将回弹仪的弹击杆旋转90°,然后取连续向下弹击3 次的稳定回弹结果的平均值,各方向上的回弹平均值均应为80 ±2。

回弹仪使用时的环境温度应为-4 ～40 ℃。

4)回弹法检测前应收集的资料

采用回弹法检测结构混凝土强度前,需要收集下列资料:

①工程名称及设计、施工、监理(或监督)和建设单位的名称。

②检测原因。

③混凝土结构或构件名称、外形尺寸数据。

④混凝土强度等级。

⑤砂石粒径。

⑥必要的设计图纸和施工记录、环境或灾害对混凝土的影响等信息。

5)抽样

单个检测适用于单个结构或构件。

批量检测适用于强度等级、生产工艺、原材料及配合比、成形工艺、养护条件相同的构件,所抽取的构件数量不得少于同批构件总数的30%,且不少于10 件。 应随机抽取并使所抽取的构件具有代表性。

6)测点布置

回弹法的测点布置采用测区、测面的概念。 一个测区相当于一个试块,一个测面相当于混凝土试块的一个面。 回弹法的测区布置应满足下列要求:

①每一结构或构件测区数不应少于10 个。 对某一方向尺寸小于4.5 m 且另一方向尺寸小于0.3 m 的构件,其测区数量可适当减少,但不应少于5 个。

②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。

③测区宜选在使回弹仪处于水平方向检测混凝土浇筑侧面。 当不能满足这一要求时,可选在使回弹仪处于非水平方向检测混凝土浇筑侧面、表面或底面。

④测区宜选在构件的两个对称可测面上,也可选在一个可测面上,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测区的面积不宜大于0.04 m2。

⑥检测面应为混凝土表面,并应清洁、平整,不应有疏松层、浮浆、油垢、涂层以及蜂窝、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对于泵送混凝土,测区应选在混凝土浇筑侧面。

⑨各测区应标有清晰的编号,宜在检测记录纸上绘制测区布置示意图,并描述外观质量情况。

7)回弹检测

检测时,回弹仪的轴线应始终垂直于结构或构件的混凝土检测面,缓慢施压,准确读数,快速复位,待弹击杆反弹后测度回弹值。 操作时需要注意:

①不能冲击,否则回弹值读数将不准确。(www.xing528.com)

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20 mm；测点距构件边缘或外露钢筋、预埋件的距离不宜小于30 mm。

③测点不应在气孔或外露石子上。

④同一测点只应弹击一次。

⑤每个测区弹击16 点(当一个测区有两个测面时,则每一测面弹击8 点),每一测区应计取16 个回弹值,每一测点的回弹值读数估读至1。

8)碳化深度的测量

碳化深度是指混凝土表面至混凝土碳化层的最大厚度。 由于混凝土碳化后在构件表面形成硬壳层,导致回弹法检测所得的回弹值增大,进而影响检测结果,因此,在回弹法中应注意碳化深度的测量。 具体要求为:

①碳化深度值测量应在有代表性的位置上测量。 测点布置在构件的回弹测区内,数量不应少于回弹测区数的30%。

②在选定的测点处,采用适当的工具(如铁锤和尖头铁凿),在测区表面形成直径约为15 mm的孔洞,其深度应大于混凝土的碳化深度。

③采用橡皮吹等工具除净孔洞中的粉末和碎屑,注意不得用水擦洗。

④将浓度为1% ～2%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,再用深度测量工具(如碳化深度测量仪、碳化尺或其他工具),测量已碳化与未碳化混凝土交界面到混凝土表面的垂直距离,该距离即为混凝土的碳化深度值。

⑤每孔测量3 次,每次读数精确至0.25 mm。 取3 次测量的平均值作为检测结果,并应精确至0.5 mm。 需注意的是,测量碳化深度值时应为垂直距离,并非孔洞中显现的非垂直距离。

⑥以每个构件各测点的碳化深度平均值dm 作为该构件的碳化深度值。

⑦如果同一构件各测点之间的碳化深度值极差大于2.0 mm,则应对每一回弹测区测量碳化深度值。

上述的1% ～2%的酚酞酒精溶液是将1 g 酚酞溶于100 mL 的95%乙醇中制备而成的。未碳化的混凝土呈碱性,遇酚酞酒精溶液后显示粉色；已碳化的混凝土失去碱性,遇酚酞酒精溶液后不变色。

需要强调的是,碳化深度应随凿随测,以免影响回弹法检测结果的准确性。

9)回弹值计算

(1)测区平均回弹值

在测区的16 个回弹值中,剔除3 个最大值和3 个最小值,根据余下的10 个回弹值Ri 按下式计算单个测区的平均回弹值Rm,精确到0.1:

(2)角度修正

对混凝土表面进行弹击时,回弹仪的弹击杆应垂直于被弹击的构件表面。 在实际检测时,由于构件所处位置并非水平状态,或受检测条件的限制,并不是始终保持回弹仪处于水平状态。 如图3.11 所示,有时候需要将回弹仪置于非水平状态去弹击混凝土构件表面。 为了便于叙述,将弹击杆与水平面之间的角度称为检测角度,则检测角度可能向上也可能向下。 以下约定:回弹仪竖直向上弹击水平被测面的底面时的检测角度为+90°,回弹仪水平弹击竖直被测面为0°,回弹仪竖直向下弹击水平被测面的底面为-90°。 回弹检测角度可能为+90° ～ -90°的任意角度。

图3.11　回弹检测角度

与0°角(即水平状态)使用回弹仪相比,非0°的检测角度将引起回弹仪中弹击锤与中心导杆之间摩擦力的变化,所测得的回弹值随之改变。 对于相同强度的混凝土,-90°检测将使回弹值变大,+90°检测将使回弹值变小。

因此,非水平状态检测且所弹击的构件表面为混凝土浇筑的侧面时,需要对所测得的测区平均回弹值进行修正,称为角度修正。 修正后的测区平均回弹值按下式计算,精确至0.1:

式中:Rmα——非水平状态检测时的测区平均回弹值,精确至0.1；

Raα——非水平状态检测时回弹值的修正值,可按附录A.1 采用。

(3)浇筑面修正

在振捣等因素作用下,混凝土中的骨料容易向浇筑时的底面积聚,而水泥浆则容易浮在浇筑时的表面。 这就使得即便如图3.12 所示,将回弹仪保持在水平状态进行检测,但是弹击构件浇筑表面、底面所得到的回弹值也不同于浇筑侧面所得到的回弹值。 与弹击侧面所得到的回弹值相比,弹击顶面所得到的回弹值将偏小,而弹击底面所得到的回弹值将偏大。

图3.12　回弹仪水平检测构件浇筑的表面、底面

因此,用回弹仪水平检测浇筑表面或浇筑底面时,需要对所测得的测区平均回弹值进行修正,称为浇筑面修正或测面修正。 修正后的测区平均回弹值按下式计算,精确至0.1:

式中:、——水平方向检测混凝土浇筑表面、底面时,测区的平均回弹值,精确至0.1；

、———混凝土浇筑表面、底面回弹值的修正值,可按附录A.2 采用。

需要注意的是,JGJ/T 23—2011 规定:对于泵送混凝土,测区应选在混凝土浇筑侧面,即不适用于弹击泵送混凝土的底面或顶面。

同时,对于日益广泛使用的装配式结构,在回弹时需要特别注意其测面是浇筑侧面、底面还是顶面。

(4)非水平方向检测非浇筑侧面时的修正

接下来的问题是,当以非水平状态使用回弹仪去弹击构件的非浇筑侧面时,应该如何进行修正? 例如:+90°弹击梁底或-90°弹击梁顶,以及弹击坡屋面中倾斜放置的梁板底面或顶面。

《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》规定,此时应先按式(3.9)对回弹值进行角度修正,再对修正后的回弹值按照式(3.10)或式(3.11)进行浇筑面修正。

10)测强曲线

目前,回弹法测定混凝土强度均采用试验归纳法,即事先建立起混凝土强度与回弹值R之间的一元回归公式,或建立混凝土强度与回弹值R 及主要影响因素(如混凝土表面的碳化深度d)之间的二元回归公式,称之为测强曲线；在实际检测时,则根据测强曲线由所测得的回弹值R 求出混凝土强度的换算值。

混凝土强度换算值可采用以下三类测强曲线计算:

①统一测强曲线:由全国有代表性的材料、成型养护工艺配制的混凝土试件,通过试验所建立的曲线。

②地区测强曲线:由本地区常用的材料、成型养护工艺配制的混凝土试件,通过试验所建立的曲线。

③专用测强曲线:由与结构或构件混凝土相同的材料、成型养护工艺配制的混凝土试件,通过试验所建立的曲线。

对于有条件的地区和部门,可以制定地区测强曲线或专用测强曲线,经地方行政主管部门组织审定和批准后实施。 各检测单位应按专用测强曲线、地区测强曲线、统一测强曲线的次序选用测强曲线。

附录A.3、附录A.4 分别为JGJ/T 23—2011 的非泵送混凝土(附录A)和泵送混凝土(附录B)的统一测强曲线。

11)混凝土强度计算

(1)测区混凝土强度换算值

构件中某一测区的混凝土强度换算值,可以根据修正后的该测区平均回弹值Rm,以及该构件各测点的碳化深度平均值dm(每一回弹测区均需要测量碳化深度值时则为该测区的碳化深度平均值dm),由专用测强曲线、地区测强曲线或统一测强曲线(例如附录A.3、附录A.4),查表或计算得到该测区的混凝土强度换算值。

(2)构件的测区混凝土强度平均值及标准差

构件的测区混凝土强度平均值根据各测区的混凝土强度换算值按下式计算,精确至0.1 MPa:

当测区数为10 个及以上时,应按下式计算强度标准差,精确至0.01 MPa:

式中:n——对于单个检测的构件,取该构件的测区数,对批量检测的构件,取所有被抽检构件测区数之和。

(3)构件的现龄期混凝土强度推定值fcu,e

本节所称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%的构件中混凝土抗压强度值。

①当构件测区数少于10 个时,则该构件的现龄期混凝土强度推定值为:

式中——构件中最小的测区混凝土强度换算值。

②当该构件的测区强度值中出现小于10.0 MPa 时,应按下式确定:

③当该构件的测区数不少于10 个时,应按下式计算:

(4)批量检测时的现龄期混凝土强度

①当批量检测时,如果未出现下列第②款的情况时,可按下式计算检测批的现龄期混凝土强度推定值fcu,e:

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。

②全部需要按单个构件检测的情况。 对按批量检测的构件,有时会出现检测批混凝土强度标准差过大的情况。 这种情况通常表明有某些偶然因素起作用,例如构件不是同一强度等级、龄期差异较大等,此时的被测构件实际上并不属于同一母体,因此不能按批进行推定,而是需要按单个构件检测评定。

因此,JGJ/T 23—2011 规定: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,则该批构件应全部按单个构件检测:

a.当该批构件混凝土强度平均值小于25 MPa,大于4.5 MPa 时。

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