回弹法检测混凝土强度的探究

刘欣欣 马 骁

(商洛学院城乡规划与建筑工程学院，陕西 商洛 726000)

回弹法检测混凝土强度的探究

刘欣欣 马 骁

(商洛学院城乡规划与建筑工程学院，陕西 商洛 726000)

从混凝土本构关系及强度与硬度的关系两方面，探讨了回弹法检测混凝土强度中，“回弹值—碳化深度—强度”这种推断方法的不准确性，并指出如果回弹法测量结果离散性较大时，应选择其他更合适的方法进行混凝土强度测试。

混凝土，回弹法，硬度，抗压强度

0 引言

众所周知，工程中混凝土强度的检测常用的方法主要有半破损检测法；微破损检测法和非破损检测法三种。非破损检测即在不破坏待检结构构件的情况下获得混凝土相关参数，然后利用测得的数据对混凝土的质量进行评价，该检测方法有如下优点[1]：

1)对结构构件不造成破坏；2)设备便于携带、操作简单；3)不受构件形状尺寸限制，可重复进行；4)实验费用低廉。

因此，在国内和国外的工程扩建及事故处理、质量检验以及质量监督中得到了更广泛的应用。其中美、德、日、波兰等国际化组织都已将该法规范化[1]。回弹法在我国的应用开始于20世纪50年代，当时主要用于施工中现场测定混凝土的强度，直到1987年混凝土无损检测技术才被住房和城乡建设部列入建筑可选发展计划，逐渐形成了具有符合我国实际情况的“回弹值—深度—强度”对应关系的回弹标准。1985年8月颁布的《回弹法评定混凝土抗压强度技术规程》[2](以下简称回弹法规程)是我国第一部混凝土无损检测技术标准。自此，回弹法在测定混凝土强度方面才转入正规。

但是，在用回弹法的实际应用过程中，仍存在一些影响其精度及结果的可靠性的问题。为此，本文将从结构硬度与强度的区别及混凝土的本构关系两方面展开讨论。

1 强度与硬度的关系

所谓强度是指材料或结构抵抗破坏的能力，是衡量材料承载能力的重要指标，同时也是结构构件首先应满足的基本要求。也可以将强度简单的理解为材料抵抗破坏的能力。

但是材料的硬度指的是其在局部表面上抵抗硬物压入的能力，它强调的是侵入与反侵入能力，是比较不同材料软硬的指标。

硬度主要分为以下几个：

1)划痕硬度，是法国著名科学家列奥米尔于1722年提出的主要用于比较不同矿物软硬程度的指标。将待检测材料划过一根两端软硬程度不同的检测棒，依据该棒出现划痕的位置来确定材料软硬，是一种极粗糙的划痕硬度测定法；

2)压入硬度，是指规定的压头在一定荷载作用下被压入待检测材料，在材料表面会产生塑性变形，根据该变形的大小来确定材料的软硬程度，此方法主要用于金属材料的硬度检测；

3)回跳硬度，测试过程是将一特制的小锤在某一高度处自由下落，冲击测试材料，然后以被测材料在冲击过程中存储的应变能(由小锤回跳高度确定)来确定该材料的软硬程度。同压入硬度一样主要用于金属材料。这种测量设备携带和使用都比较方便，但是精确度不高。工程中用的回弹仪在测量混凝土强度时，仪器的显示值是混凝土肖氏硬度(回跳硬度的一种)的直接反映，经过“回弹值—碳化深度—强度”转换后才得到了混凝土的强度。

硬度与强度所衡量的是材料不同方面的性质，而且两者并没有直接相关性，在应力状态方面，硬度试验与强度试验是不同的，即应力状态软性系数a值不同。a=t/s，其中，t为最大切应力；s为最大正应力。混凝土抗压试验中a=2，试验时材料先产生弹性变形，直到屈服而后产生塑性变形，最后在正应力超过最大承载力后发生构件破坏；而在压入式硬度试验中a>2，试验时也是材料首先出现弹性变形，接着会产生塑性变形，如果压入荷载控制得当，材料将只产生弹性变形和比轴压下大得多的塑性变形，但不会发生破坏。正是由于抗压实验与压入式硬度试验之间存在的这些类似特点，硬度值与强度值才存在一定的联系，但它们仍然是两种不同类型的试验，且应力状态软性系数a也不同，对于不同的材料来说两者的联系并不具有普遍适用性。

从国家标准GB/T 1172—1999[3]来看，金属类的抗拉强度和其硬度有较好的相关性，由GB/T 1172—1999给出的换算表可以用硬度换算出相应的强度。沈保罗等人[4]指出：钢铁材料抗拉强度和硬度之间呈正相关关系，在许多时候存在线性关系，用强度与硬度之间的关系监控产品质量简单快捷。

对于混凝土来说，它是由较简单的工艺制作出的复杂体系。因为其制作工艺简单、材料来源广泛，所以成为了广泛使用的建筑材料，但是体系的复杂性也是很明显的。

1)原材料多样且来源广泛，材料成分波动较大，组成的结构在微观层面上不同层次的多相性、非均质性与其配合比关系较为密切；2)内部结构的形成过程与温度、湿度等环境有较大关系，同时在时间上具有依赖性；3)水泥水化过程中形成的凝胶较为复杂，在当前科技发展的情况较难测定。

因此使得这种复杂的形体有性能的不稳定性以及微结构的不确定性，混凝土就有了非线性体系的特征。另外回弹仪的工作原理[5]是使用一个由弹簧驱动的重锤来弹击待测混凝土结构的表面，然后再获取重锤的回弹距离，将重锤的反弹距离和设备弹簧原始长度的比值当作衡量强度的量化数值，由此来确定混凝土强度。

由于测量过程均在混凝土表面进行，回弹法测得的数据仅仅代表混凝土表面的软硬程度，然后依据此表面硬度来推断混凝土的强度。庞超明[6]指出回弹法的误差在14.0%～18.0%，由此可见这种通过“回弹值—碳化深度—强度”的方法存在较大误差。

依据《回弹法规程》中对于相同碳化深度下不同回弹值对应的混凝土强度做出了如图1所示的回弹值—强度曲线。

从图1中可以看出，同样碳化深度下，回弹值与混凝土强度基本呈线性关系，但是这种线性关系并没有相应的理论支持也不具有稳定性，从碳化深度为2 mm的表格可以看出，当回弹值大于44～46之间混凝土强度增长趋势明显变大，46以后增长趋势变缓。工程测量中由于各种不确定因素(测量人员，操作方法等)，极有可能使测得的数据不能正确反映混凝土的真实强度。因此当用硬度来反映强度时，对于一些特殊的材料(如金属)来说简单、方便，但是对于混凝土来说，仍需要慎重，特别是检测数据离散性较大时，应参考其他检测方法的数据。

2 混凝土的本构关系

尽管《回弹法规程》详细给出了回弹法检测技术的应用标准和使用条件,但仍有一些有待探讨的问题。刘兴远等从混凝土龄期、混凝土厚度等方面指出了回弹法检测混凝土强度还存在一些影响测量准确性的问题。本人将从以下两个方面进一步阐述回弹法中存在的不准确性。

2.1 骨料的影响

《回弹法规程》中有如下规定：

当有下列情况之一时，测区混凝土强度不得按照本规程附录A或附录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。

董亚男等人[7]指出：“粗骨料在混凝土中的相对含量将直接影响混凝土的性能,在一般情况下砂浆强度要小于粗骨料的强度,因此一定范围内,混凝土的强度会随着骨料比重的增加而增加,但骨料比重到一定比例后,砂浆含量的减少、骨料含量的增加会使水泥的胶凝作用下降,将直接导致混凝土的强度下降。”

不难看出，《回弹法规程》中对于骨料的粒径的要求，也考虑到了骨料本身对于混凝土强度的影响。由此我们可知当两种构件的混凝土强度等级相同但配合比和骨料粒径不同时，正常情况下(回弹仪应打到混凝土原浆上)，回弹法测得的结果不会相差太大。但是工程中由于各种不确定性因素如：浇筑工人经验不足，模板松动，模板缝隙进水冲刷未凝固的混凝土等因素，会导致骨料外面原浆厚度太薄甚至可能会有骨料裸露。另外由于回弹仪弹击杆端部球面半径为(25±1.0) mm，该半径与骨料限制粒径相比小许多。如果工程中出现某一部分混凝土由于浇筑问题原浆厚度明显小于其他部分，那么用回弹法测试时，测得的回弹值已经偏离了该混凝土正确的硬度值。虽然《回弹法规程》中要求从回弹值中剔除3个最大值和3个最小值，但是仍不能保证所测数值都来自混凝土原浆。这点对于回弹值来说可能是不够准确的。

2.2 碳化对硬度的影响

混凝土的碳化指的是周围空气中的二氧化碳与混凝土中水化物相互作用，产生碳酸钙和其他物质的现象，是一个较为繁杂的多相物化反应过程。

一般意义上的硅酸盐水泥作为胶凝材料制成的混凝土中，铝酸三钙、铁铝酸四钙、硅酸三钙、硅酸二钙及石膏是水泥熟料的主要矿物成分，以上成分的水化产物为占绝大部分的水化硅酸钙和氢氧化钙、水化硫酸钙、水化铝酸钙等物质，充分水化以后，氢氧化钙的饱和溶液将会填满混凝土的孔隙。这时混凝土的pH约为12～13，呈强碱性。在混凝土凝固的过程中，由于自由水的蒸发以及体积的收缩等原因，会在混凝土内部形成大小不一的气泡和空隙，空气中的二氧化碳会通过这些空隙向混凝土内部渗透，并与空隙内的液体形成空隙溶液，然后同在水化过程中形成的可碳化物质进行反应，最终生成碳酸钙。

混凝土碳化的主要化学反应公式如下：

CO2+H2O→H2CO3

Ca(OH)2+H2CO3→CaCO3+2H2O

3CaO·2SiO2·3H2O+3H2CO3→3CaCO3+2SiO2+6H2O

2CaO·SiO2·4H2O+2H2CO3→2CaCO3+SiO2+6H2O

可以看出碳酸钙是这种碳化反应的主要产物，这种物质属于非溶解性盐类，会使得原物体的体积产生略微的膨胀，因此，碳化物将会填充水泥水化过程中产生的空隙和部分毛细空隙，此过程会在不同程度上提高混凝土的密实度和强度，在一定程度上对空气中二氧化碳和氧气向混凝土中的扩散起到了阻碍作用；另一方面，碳化会拉低混凝土的pH值，牛荻涛[8]指出完全碳化的混凝土pH值约为8.5～9.0。可以看出碳化后混凝土pH变化是很大的。

《回弹法规程》对于不同的碳化深度进行了修正，碳化深度越大其修正折减也会越大。张海燕[9]指出：

1)影响碳化深度的一个重要因素就是混凝土的水灰比。只要水灰比降低，碳化深度会随着水灰比的降低而降低，且两者在一定程度上呈线性关系；

2)碳化深度与混凝土强度也有关系，会随着混凝土强度的增大逐渐减小。混凝土碳化深度与抗压强度成直线关系，且相关性较好，但有一定的适用范围。从图2可以看出《回弹法规程》对于碳化深度的折减与张海燕得出的结论基本吻合。从图2中也可以看出碳化深度对混凝土强度影响非常大。

从《回弹法规程》的强度换算表来看，平均回弹值为35.0，碳化深度的测量出现1 mm误差时，强度的误差在7.43%左右，碳化深度出现2 mm时，会得到不同的强度等级。对于一般工程的测

量来说，这种误差还是很可观的。另外，从混凝土内部未碳化部分(pH在12以上)到碳化部分(pH在8.5～12之间)，存在过渡。《回弹法规程》中进行碳化深度测量使用的是浓度为1%～2%酚酞酒精溶液[10]，其显色范围见表1。

表1 酚酞显色范围

从表1中可以看出，完全碳化部分(pH在8.5以上)应该是粉红色的，未碳化部分(pH在12以上)应该是紫红色的。但是pH在10～12之间的部分在酚酞作用下也应表现出紫红色，也就是说紫红色部分并不完全是混凝土内未碳化部分的标志，所以，碳化与未碳化部分的界线并不能很明显的确定，若用粉红色和紫红色的分界线作为碳化深度的测量边界，并不是十分准确的，若以此值来进行后续的混凝土强度判定，结果的真实性及其误差大小是否满足要求，仍需要进一步的研究。

3 结语

混凝土结构构件抗压强度的检测、评定是施工和检测人员关心的重点问题之一，回弹法所具有的各种优点，使得其成为无损检测中最方便、常用的检测方法。但是其“回弹值—碳化深度—强度”的推测方法以及混凝土这种特殊的材料各种不确定性，应当引起相关检测技术人员的重视，特别是检测值出现较大离散性时，继续用此方法推断混凝土的强度，极有可能产生较大的误差。因此，当遇有特殊情况的混凝土(表面经特殊处理、掺加其他掺合料等)时，应当选择正确的测量和分析方法，以避免造成不必要的争议。

[1] 李 珂.商品混凝土强度非破损检测方法的研究[D].郑州:郑州大学,2002.

[2] JGJ/T 23—2011,回弹法检测混凝土抗压强度技术规程[S].

[3] GB/T 1172—1999,黑色金属硬度及强度换算值[S].

[4] 沈保罗,李 莉,岳昌林.钢铁材料抗拉强度与硬度关系综述[J].现代铸铁,2012(1)：3-6.

[5] GB/T 4341—2001,金属肖氏硬度试验方法[S].

[6] 庞超明.试验设计与混凝土无损检测技术[M].北京：中国建材工业出版社，2006.

[7] 董亚男,刘 欣.粗骨料对混凝土性能影响的研究现状及存在的问题[J].河南城建学院学报,2009,18(6):16-19.

[8] 牛荻涛.混凝土碳化研究综述[J].混凝土,2010(10):40-43.

[9] 张海燕.混凝土碳化试验研究[J].中国农村水利水电,2006(8):78-80.

[10] 王俊伟.回弹法检测评定矿物掺和料混凝土强度需注意问题[J].住宅科技,2014(11):35-37.

The research of rebound method to detect concrete strength

Liu Xinxin Ma Xiao

(CollegeofUrban,RuralPlanningandArchitectcuralEngineering,ShangluoUniversity,Shangluo726000,China)

This paper discusses the rebound method(from springback value and carbonation depth to strength) to measure concrete intensity is not accuracy from the constitutive relation of concrete and the relationship of strength and hardness, and it is pointed out that if the springback value have a large discreteness, we should choose another more suitable method.

concrete, rebound method, hardness, compression strength

1009-6825(2017)05-0074-03

2016-12-08

刘欣欣(1989- )，男，硕士，助教

TU528

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