回弹和弹性波专用测强曲线比较研究

麻江峰

（山西省水利水电科学研究院 山西太原030002）

山西大水网是实现“两纵十横、六河连通，纵贯南北、横跨东西，多源互补、保障应急，丰枯调剂、促进发展”的工程体系。大水网重点工程输水线路总长856 km，输水隧洞长达530 km，为保证主洞正常施工还需增设施工支洞98 km，主洞、支洞合计隧洞长达约630 km。隧洞施工存在许多不定因素，在施工难度非常大的情况下，必须保证施工质量。隧洞衬砌混凝土的强度是保证施工质量的重要前提。现场大规模钻取芯样容易破坏衬砌的整体质量，不利于工程的试验抽检，回弹法国家统一测强曲线只能做为混凝土强度检测的参考依据。在此情况下，通过建立工地现场专用测强曲线尤其重要。本次试验选取大水网东山供水工程的某一标段进行研究。

1 原材料试验结果

试验水泥采用左权金隅水泥有限公司生产的强度等级为42.5 的普通硅酸盐水泥，其试验结果均符合《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）的技术要求。细骨料采用河北邢台生产的天然砂，其试验结果均符合《水工混凝土施工规范》（SL677-2014）的技术要求。粗骨料采用左权石料场生产的石子，其级配为5～20 mm和20～40 mm，其试验结果均符合《水工混凝土施工规范》（SL677-2014）的技术要求。使用的减水剂采用山西华凯伟业科技有限公司生产的高效减水剂，掺量为2.5%，其试验结果均符合《混凝土外加剂》（GB8076-2008）的技术要求。

2 室内配合比试验

混凝土配合比见表1。

表1 混凝土配合比

混凝土拌和物的和易性测试结果:棍度/插捣难易程度为上、黏聚性为上、含砂情况为中、析水情况为无，拌和物的和易性总体为上。混凝土拌和物的表观密度测值为2 360 kg/m3、含气量为5.6%。

3 回弹值与混凝土强度曲线的建立

3.1 室内试验及曲线建立过程

混凝土强度的测试是制作大量的测试试块，在三种养护条件下按龄期进行，以尽量符合工地现场的实际情况，第一种为标准状态养护（温度20℃、湿度95%RH），第二种为模拟状态养护（温度15℃、湿度50%RH），第三种为干燥状态养护（温度15℃、湿度30%RH）。对成型的不同龄期标准试件（150 mm×150 mm×150 mm）置于压力机的上下承压板之间，加压60 kN，并在两个相对面分别弹击8 个点，得出16个测点数据，剔除3 个最大值和3 个最小值，以余下的10 个回弹值进行平均，将试块加荷直至破坏，得出抗压强度值。根据1～90 天龄期不同养护条件下测试数据及公式强度推定值可以绘制出回弹值和抗压强度的关系曲线，见图1。

由图1可以得出专用关系曲线的计算公式（1）:

式中:fccNo1——按公式（1）推定的混凝土强度值，MPa；X——回弹平均值。

3.2 曲线平均相对误差和相对标准差计算

图1 回弹值和强度的关系曲线图

《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T23-2011）中规定:满足地区测强曲线要求的平均相对误差（δ）不大于±14.0%，相对标准差（er）不大于±17.0%；满足专用测强曲线要求的平均相对误差（δ）不大于±12.0%，相对标准差（er）不大于±14.0%。专用曲线（1）强度平均相对误差和相对标准差分别是:11.5%和16.2%，室内试块回弹值和其对应抗压强度建立的关系曲线强度平均相对误差符合专业测强曲线要求，相对标准差符合地区测强曲线要求。

3.3 回弹现场检测及结果

回弹现场检测是在隧洞左右侧墙进行，共检测50 个测区，其中6 个回弹测区进行混凝土芯样钻取，检测情况见表2。

表2 现场芯样抗压强度试验情况

通过公式（1）和芯样压强度值可以计算出两条曲线间的修正距离，修正距离应依据JGJ/T23-2011 第4.1.6 条的规定。由表2可知:6 测区专用公式计算曲线强度值比芯样强度值基本高7.6 MPa 左右，室内专用曲线与实际现场芯样的修正距离为约为7.6 MPa。

3.4 结果分析

通过室内试验建立的回弹值强度关系曲线和现场检测情况可知:现场检测中专用曲线推定的强度值普遍比实际芯样强度要高，这是因为虽然室内试验和现场施工使用的原材料相同，但是由于施工工艺、施工条件、施工环境等因素的不同，造成混凝土强度有所不同。但是在判定现场隧洞衬砌混凝土强度时，应该对统一和专用曲线以及现场取芯结果进行综合考虑，排除偶然因素和不确定因素。

4 弹性波速与混凝土强度曲线的建立

4.1 原理

本次测试采用的测试设备为四川升拓检测技术有限责任公司研发的混凝土多功能无损测试仪。测试方法为“冲击回波法”。首先，通过测试同一强度不同龄期标准试件（150 mm×150 mm×150 mm）的弹性波波速（主要是P 波），并与每个标准试件的抗压强度建立相关关系。然后通过测试试件的弹性波波速，并根据弹性波波速与试块抗压强度的相关关系推算出试件测强度。

4.2 室内试验及曲线建立过程

室内试验试块表面P 波波速分析采用FFT 方法计算，参考经验公式:Vp.cube=0.864VP3和VP3=1.79VR。利用每个试块在不同龄期所得到的P 波转换成的R 波波速值和相对应的抗压强度值，可以建立波速和强度的关系曲线图，见图2。

由图2可以得出专用关系曲线的计算公式（2）:

图2 波速和强度的关系曲线图

式中:fccNo2——按公式（2）推定的混凝土强度值，MPa；Y——R 波波速，m/s。

4.3 曲线平均相对误差和相对标准差计算

按照平均相对误差和相对标准差公式计算专用曲线强度平均相对误差和相对标准差分别为:10.7%和14.7%。室内试块R 波波速值和其对应抗压强度建立的关系曲线强度平均相对误差符合专用测强曲线要求，相对标准差地区符合测强曲线要求。

4.4 冲击弹性波现场检测及结果

冲击弹性波现场检测是在隧洞左右侧墙进行，现场R 波测试采用双通道检测方法进行，在每一个测区的回弹点位置布置三道间隔为10 cm 的测试点，分析数据采用SASW 方法，处理数据借助MATLAB 软件，为了更好的利用室内试验的专用公式，应该在所测区域进行取芯验证，现场对6 个测区进行取样验证，具体数据见表3。

表3 现场芯样R 波波速与抗压强度试验情况

通过公式（2）和芯样压强度值可以计算出两条曲线间的修正距离，由表3可知:6 测区专用公式计算曲线强度平均值比芯样强度平均值基本低3.5 MPa 左右，室内专用曲线与实际现场芯样的修正距离为约为3.5 MPa。

4.5 结果分析

按照专用曲线公式可以计算出当R 波波速大于等于2 162 m/s 时，才能达到C25 的强度要求。这是因为现场施工比室内试验存在着很多影响因素，从而导致室内试验得出的专用公式理论值偏低。最终结合厂家经验和其它地区的测试数据，来进行综合判定混凝土强度。

5 回弹和弹性波专用曲线对比

为了验证修正距离的可靠性，对回弹和弹性波专用曲线进行对比，对比情况见表4。

表4 回弹和弹性波专用曲线进行对比情况

表4 回弹和弹性波专用曲线进行对比情况 续表

由表4可知:回弹专用曲线50 个测区强度修正后推定值的结果平均值为25.1 MPa，弹性波专用曲线50 个测区强度修正后推定值的结果平均值为29.4 MPa，两者相差4.3 MPa。理论上可以认为两种专用曲线可以作为隧洞混凝土衬砌强度推定的参考依据。