考虑碳化因素修正的福建地区混凝土超声回弹测强曲线研究

盛海洋

(福建船政交通职业学院道路工程系， 福建 福州 350007)

考虑碳化因素修正的福建地区混凝土超声回弹测强曲线研究

盛海洋

(福建船政交通职业学院道路工程系， 福建 福州 350007)

经过前期大量标准试块的试验研究得到福建地区混凝土超声回弹综合法的测强曲线， 但其中并未考虑碳化的影响. 而实际工程中混凝土难免会受到不同程度的碳化影响， 碳化也将使得超声和回弹测量值发生变化而影响预测精度. 为此， 本文对若干实际工程进行超声回弹测试并测定碳化值， 最后对混凝土构件取芯并测得芯样混凝土强度， 在考虑碳化影响下给出了修正后的福建地区混凝土超声回弹综合法测强曲线. 研究表明， 修正后的曲线与实测值吻合较好， 预测的相对误差也满足了规范误差限值要求.

混凝土； 超声回弹综合法； 测强曲线； 碳化深度； 信赖域优化算法

0 引言

目前， 福建地区的主要无损检测方法为回弹法和超声回弹综合法， 回弹法凭借其灵活、 方便快捷等优势在实际工程当中得到了广泛的应用， 相关的规定和研究也比较成熟[1]. 现行的《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》[2](以下简称《回弹规程》)对回弹法测量精度的影响因素作了规定， 这些因素包括仪器本身的稳定性、 检测方法、 外界环境因素以及碳化深度等[3-5]. 其中， 碳化深度是保证回弹仪精度的最重要的因素之一， 相关研究表明， 适量的碳化会增大回弹值， 而过量碳化则会造成混凝土强度的急剧下降[6-7]. 《回弹规程》从碳化深度值的测量以及对混凝土回弹测强曲线的修正这两个方面着手， 考虑碳化深度对预测强度的影响， 而在利用超声回弹法进行强度预测时， 碳化深度对测量结果的影响并没有相关规范. 虽然有部分城市针对各自的情况制定相应的地方性标准， 但是从中也可以看出， 碳化深度等因素对测强曲线精度的影响随不同地区有着较大差异， 因此并不能将其直接用于预测福建地区的混凝土强度[8-10]. 此外， 对于碳化深度大于6 mm的老旧工程和长龄期的混凝土结构， 《回弹规程》中没有进一步区分碳化深度的影响， 是否在超声回弹法中有类似的规律也有待验证.

基于前期研究中所建立的福建地区超声回弹综合法测强曲线， 对某实际工程中的梁、 柱构件进行钻芯取样， 同时进行混凝土抗压强度检测. 通过对比福建地区测强曲线所推算抗压强度和实际芯样的抗压强度， 分析了过量碳化深度对福建地区测强曲线的影响， 并对其进行了修正.

1 地区超声回弹测强曲线

作者在前期研究中依据福建地区常用的混凝土配合比， 并且选用地区常用的原材料制作不同龄期混凝土试块， 并由此建立考虑福建地区的超声测强曲线并进行相关验证. 参考《回弹规程》的规定， 根据福建地区常用的配合比浇筑不同龄期的C15、 C20、 C25、 C30、 C35、 C40共6个强度等级的立方体混凝土试块， 按照《回弹规程》的相关养护规定进行养护. 依据试验结果， 首先利用《回弹规程》中的测强曲线进行强度预测， 发现全国测强曲线所得到的结果的相对误差er=24.04%, 远大于《回弹规程》的限值15%， 因此有必要为福建地区建立地区测强曲线.

图1 测强曲线强度预测结果与实测结果比较Fig.1 Strength curve of strength prediction results compared with the measured results

将试验测得的大量数据利用基于信赖域的优化方法对曲线进行进一步拟合， 得到地区测强曲线如下式：

将所测得的数据代入， 龄期为28 d， 部分数据及预测强度与实际强度的比较如表1和图1所示， 从结果中可以明显看出， 福建地区测强曲线的精度相比全国测强曲线有了明显的提高. 进一步计算得到的地区测强曲线的相对误差值er=12.02%， 小于《回弹规程》所规定的14%的地区测强曲线限值.

表1 部分测试结果及试块预测强度(地区测强曲线)

2 基于实测结果的碳化修正研究

由于以上地区测强曲线的建立过程是在材料实验室中进行， 无法考虑混凝土碳化深度的影响， 因此在这一部分研究中将利用实际工程的检测结果， 对建立的测强曲线进行修正.

2.1 试验概况

图2 现场测试及取芯Fig.2 Field test and coring

实测中采用的仪器是由北京海创高科科技有限公司生产的HT-225T一体式数显回弹仪和HC-U81系列超声波混凝土检测仪， 在进行测试前按照《回弹规程》进行了相应标定. 试验首先针对某外国语学校学生宿舍楼的部分梁、 柱表面进行超声回弹测试， 共抽取22个， 按照《钻芯法检测混凝土强度技术规程》(以下简称《钻芯规程》)， 对梁、 柱构件进行钻芯取样， 梁、 柱设计强度等级范围为C30～C45， 现场测试及取芯如图2所示. 每个芯样试件都符合《钻芯规程》的标准芯样的规定， 每个构件分2个测区， 部分测量数据如表2所示. 现场经过超声和回弹测试后对相应构件进行取芯， 以芯样强度测试结果作为预测目标值进行相应的曲线修正.

表2 部分构件芯样混凝土抗压强度检测结果

2.2 碳化数据分析

本次试验按照《回弹规程》的规定， 在测区表面形成15 mm的孔洞， 清除孔洞内的杂物后， 将浓度为1%～2%的酚酞酒精滴入孔洞内壁， 待分界线清晰后， 测量3次取平均值作为最终结果， 碳化深度对相同设计强度混凝土的回弹值、 超声值以及实测强度的影响见图3. 从图中可以看出， 总体上3个变量都随碳化深度的增加而有所降低， 这充分说明碳化是造成构件强度降低的主要影响因素之一.

需要指出的是， 本文中通过取芯测得的混凝土强度是依据《钻芯法检测混凝土强度规程(CECS03-2011)》[11]规范中的7.0.5条规定对混凝土强度fcu进行计算后与预测值进行比较.

图3 碳化深度对测试结果的影响Fig.3 Influence of carbonization depth of the test result

2.3 测强曲线对强度推测结果的精度分析

将所测得的44组数据代入式(1)， 所得的部分结果如图4所示. 从图中可以明显看出， 未考虑碳化深度影响的福建地区测强曲线所预测的强度值明显偏离实际芯样强度值， 进一步计算相对误差er=32.96%， 不符合《回弹规程》的限制， 必须加以修正.

2.4 考虑碳化深度的福建地区测强曲线修正

在原有曲线中加入碳化深度这一变量， 以芯样强度作为目标值对式中的参数进行回归分析. 计算通过Matlab运行， 为保证相关参数不发生过大的偏差， 采用基于信赖域优化计算方法对每个计算参数的上下限进行限制， 本文采用的信赖域方法可以对参数优化过程的每个参数的取值范围进行分别设定， 在修正过程也可以有效避免优化陷入局部最优解而非全局最优解的情况出现， 同时该方法也具有更快的收敛速度. 整个拟合过程在MATLAB程序中编程加以实现， 拟合后的公式如下:

将所测数据代入经过碳化深度修正的测强曲线， 绘制预测误差柱状图， 进一步将不同测强曲线的预测结果绘制在同一个坐标系上加以比较， 如图5及图6所示. 由图中可见， 修正后的福建地区测强曲线与芯样强度的拟合度较好， 所得数据的平均相对误差er=11.81%， 不仅远小于未修正的测强曲线， 并且符合《回弹规程》规定的14%的限值.

图4 强度预测值与芯样实测值比较Fig.4 Strength of the predicted values and the measured values for core samples

图5 考虑碳化修正前后福建地区测强曲线误差比较Fig.5 Consider carbide Fujian area measurement curves before and after correction error comparison

图6 修正后的预测值与实际芯样强度的比较Fig.6 The revised comparison of the predicted values and the actual strength of core samples

2.5 修正后福建地区测强曲线的验证

为了验证修正后福建地区曲线的准确性， 进一步选取另外两个检测工程的实测数据， 包括某教学楼的6组芯样数据， 以及某楼盘53#楼的17组芯样数据. 将2个地区共23组芯样数据代入式(2)， 所得到的两种曲线的精度结果如图7、 图8所示， 表3进一步比较了考虑碳化影响修正前后测强曲线的误差分布规律. 从这些结果也可以看出， 修正后的曲线的强度明显优于未修正曲线的强度， 其平均相对误差为11.27%， 符合《回弹规程》的标准， 而且正负误差的个数均衡， 有着较高的可靠度.

图7 考虑碳化修正前后的福建地区测强曲线误差比较Fig.7 Consider carbide Fujian region before and after correction curves measurement error

图8 修正后的预测值与实际芯样强度的比较Fig.8 The revised comparison of the predicted values and the actual strength of core samples

表3 拟合数据误差分析

3 结语

1) 对于长龄期的混凝土而言， 碳化深度对混凝土强度有着不可忽略的影响， 因此在应用超声回弹综合法预测混凝土强度时有必要考虑其对预测精度的影响.

2) 在前期建立的福建地区超声回弹测强曲线的基础上进一步考虑碳化深度的影响对曲线进行了修正， 经过在实际工程中的测量结果与取芯强度的比较， 证明修正后的测强曲线能够较为准确地预测构件的混凝土强度， 其值相对较小, 符合《回弹规程》的要求.

[1] 刘汉勇， 赵尚传， 王建生. 瓯江大桥混凝土回弹法专用测强曲线研究[J]. 土木工程学报， 2015， 48(1): 41-48.

[2] 中国工程建设标准化协会． 超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程： CECS02—2005[S]. 北京： 中国计划出版社, 2005.

[3] 李宝成， 刘晓铮. 对天津地区实体混凝土强度的探讨[J]. 工程质量， 2016， 34(2): 10-13.

[4] 李梦冉， 杨超， 余晓彦， 等. 碳化深度对混凝土强度影响的研究[J]. 湖北工业大学学报， 2015， 30(1): 103-105.

[5] 王从章， 许金余， 罗鑫， 等. 信阳地区混凝土超声回弹测强曲线研究[J]. 混凝土， 2015(2): 136-138.

[6] 谢信江， 常显勇， 李龙华， 等. 钻芯取样的混凝土强度检验评定探析[J]. 施工技术， 2015， 44(增刊2): 528-529.

[7] 陈海彬， 卢建勇， 李凯. 钻芯法检测混凝土强度芯样尺寸效应的研究[J]. 混凝土， 2014(3): 141-143.

[8] 李梅， 许金渤. 浅谈两种检测方法评定混凝土强度时产生的差异[J]. 混凝土， 2015(4): 144-146.

[9] 熊静， 宿文姬， 罗旭辉. 超声回弹综合法在混凝土强度检测中的应用[J]. 无损检测， 2014， 36(10): 58-60.

[10] 向洪， 袁铜森. 钻芯法检测桥梁混凝土强度的评定方法探讨[J]. 公路工程， 2013， 38(3): 180-183.

[11] 中国工程建设标准化协会. 钻芯法检测混凝土强度规程： CECS03—2011[S]. 北京： 中国计划出版社， 2011.

(责任编辑： 蒋培玉)

Modifiedregionalpredictioncurvesofconcretestrengthconsideringcarbonationdepththroughultrasonic-reboundcombinedmethod

SHENG Haiyang

(Department of Road Engineering， Fujian Chuanzheng Communications College， Fuzhou， Fujian 350007， China)

In the previous study, a regional prediction curve to predict the strength of concrete in Fujian province has been provided based on the experimental results. However, the carbonation effect was neglected. For a particular concrete component, the carbonation effect is considered to be an inevitable factor which has a great influence on the strength, as well as the measured rebound and ultrasonic values. Therefore, the ultrasonic-rebound combined method is applied to some real projects, and the carbonation depth and the core strength of the components are measured. A modified regional prediction curve is proposed by taking into account different levels of carbonation depth. The comparison results show that the modified curve has great agreement with the measured core strength. Limit error is found in the proposed modified curve and the maximum error meet the specification requirements for maximum error on the current code.

concrete; ultrasonic-rebound combined method; prediction curve; carbonation depth； trust-region method

TU502. 4

A

10.7631/issn.1000-2243.2017.04.0572

1000-2243(2017)04-0572-05

2016-06-09

盛海洋(1963-)， 教授、 理学博士， 主要从事交通土建工程质量检测的研究， 2437509522@qq.com

国家自然科学基金资助项目(51578159)； 福建省交通运输厅交通运输科技发展重点项目(201209); 福建船政交通职业学院科技服务团队项目(闽交院科2016-2)