回弹法和超声回弹综合法在水利工程建设中的应用

薛翔骏

(桓仁世元工程质量检测有限公司，辽宁 本溪 117200)

0 引 言

水利工程建设中大量使用的混凝土材料在很大程度上决定了工程质量等级，其中最重要、最基本的综合性能为混凝土抗压强度，可对构筑物使用耐久性和安全性产生直接的影响。为准确判断某水利枢纽工程的质量等级和安全性能，质量监督机构开展了一系列现场试验和理论研究，现结合工程建设相关资料和实践经验，探讨分析了较为常用的混凝土强度检测方法[1]。

1 现浇混凝土强度检测方法

目前，超声回弹综合法、试块抗压检测法、钻芯法和回弹法等为水利工程混凝土强度检测的4种常用方法。

1.1 试块检测法

采用150mm立方体试模装入混凝土拌和物，经震动插捣成型及标准养护28h后检测其抗压强度，该方法即为试块检测法，工程中可按规定的尺寸折算系数换算200mm、100mm等其它尺寸立方体试件强度。混凝土实体质量评定的重要依据为、抗压强度，该方法目前最经济、最直观、最为常见的检测手段，其优缺点如下：

1)优点分析。试块检测法是直接了解混凝土强度状况最为有效的方法，在等效养护、制作条件相同的情况下，通过对试块抗压强度的检测可为构筑物实体强度等级复验提供科学依据，在质量验收检验中这一方法发挥着重要作用[2]。

2)缺点分析。对于混凝土自身强度能够采用试块检测法直接反映，但检测试块必须标准养护28d，强度检测无法及时、客观的体现施工后的质量状况。虽然试块检测能够满足强度要求，但施工单位的工作态度、操作方法及业务水平等因素均可对混凝土实体质量产生影响，一般很难确定实体质量情况，对项目安全施工和建设质量构成潜在威胁；另外，若养护环境和试块制作不符合要求，使得实体混凝土质量和试块质量存在较大的偏差，检测结果也就无法准确体现实体质量情况。因此，若未能按照要求在施工现场随机抽取一定数量的混凝土样本，则缺乏代表性的样本也就无法真实反映混凝土质量状况[3]。

1.2 回弹法

混凝土的碳化深度及其表面硬度为回弹法测定抗压强度的重要依据，其中硬度值利用测定的回弹值获取，而材料强度又与材料硬度相关，按照专用测强曲线和回弹值可获取检测点的强度值，其检测方法为：采用抽检法选定测区，各个测点均匀分布于20cm×20cm范围，测区应尽可能的避免出现裂纹、麻面、蜂窝、裂缝、层裂和剥落等问题，满足平整、清洁等要求；在每个测区内严格按照规定要求合理选取16组回弹值，测点间距≥2cm，杆件边缘距测点的距离不宜低于3cm，检测过程中应始终保持混凝土构件被测平面与回弹仪的轴线垂直。采用回弹法检测混凝土抗压强度的计算方法如下：

步骤一：计算方法。对于同一测区获取3个最小和3个最大回弹值删去，取剩余10组数据的平均值作为回弹值最终结果，数学公式为：

(1)

式中：Ri、Rm为测点i的回弹值和整个测区的回弹值平均值。

步骤二：回弹值的修正。混凝土浇筑表面(底面)利用回弹仪测定的水平方向修正系数，利用下式计算：

Rm=Rmb+Rab

(2)

Rm=Rmt+Rat

(3)

式中：Rmt、Rmb为混凝土构件水平方向上的回弹值平均值；Rat、Rab为修正的回弹值，整个测区回弹值平均值。

步骤三：碳化深度的修正。设碳化深度为kd，运用式mfcu,cc=0.034488Rm1.94×10-0.0173kd求解修正的碳化深度。测量碳化值过程中选取的测区应具有代表性，且应满足30%测区数小于等于测区点数，每个测区的碳化值即为各测点的平均值。在碳化值超过2.0mm的条件下，应测量每个测区的碳化值。

步骤四：混凝土强度测定。一般情况下，采用专用、地区和统一测强曲线为混凝土强度换算的重要依据，不同测强曲线的成型养护工艺、混凝土材料等存在一定差异，应结合具体情况选择合适的测强曲线。

根据每一测区的强度换算值求解测区构建的混凝土强度平均值，若测区数超过10，则利用下式确定强度标准差，即：

(4)

(5)

混凝土强度推定值fcu,e应结合构件的现龄期满足4个方面要求：②若混凝土构件或结构测区数<10，则fcu,e=fcu,minc；②混凝土构件或结构存在强度值低于10.0MPa的情况，则fcu,e<10.0MPa；③若混凝土构件或结构测区数>10，则fcu,e=mfcuc-1.645sfcuc；④对于批量检测的情况，利用式fcu,e=mfcuc-ksfcuc求解混凝土强度推定值，一般条件下k值取1.645，根据国家现行规范推定强度区间。

根据统一测强曲线换算测区混凝土强度时，其误差值应满足的条件为：相对标准差er≤18.0%；平均相对误差δ≤±15.0%。

1)优点分析。回弹法检测费用低、速度快且操作灵活简单，通过随机抽取检测能够较为准确及时的掌握现浇混凝土整体水平和混凝土强度实际情况，同时对构件或结构承载力及力学性质不会产生不利作用，现已广泛应用于水利工程、道路桥梁等领域[4]。

2)缺点分析：该方法需要借助测强曲线完成强度输出，因此其精准度较差，若混凝土内部和表面存在较大的差异，如受到冻融循环、火灾及化学腐蚀等作用，则回弹法检测效果较差。

影响回弹法检测精准度的因素有工作环境气候、设备性能指标、仪器操作方法等，因此提高检测效率和准确度的主要措施有：选择内部无较大缺陷或内部及表面质量无明显差异的构件；选择的测区混凝土强度处于10.0-60.0MPa且龄期为7d-1000d以内；注意对仪器参数的校准、定期保养及仪器操作技巧的正确使用。同时，针对高强混凝土而言存在15%误差时，因其基础较大也灰对强度检测的实际情况造成影响[5]。

虽然，回弹法的检测范围有限且精度相对较低，但由于实时检测性好、费用低、携带方便、操作灵活及无损坏结构构建等，基本能够全面掌握混凝土强度规律，因此实际工程中也具有一定的适用范围[6]。

1.3 超声回弹检测法

1966年研究者首次提出了超声回弹综合法，2005年我国修订完善了该方法的检测技术规程，采用超声仪、回弹仪进行数据检测，然后结合测强曲线获取混凝土抗压强度，其主要流程如下：

步骤一：测点方法。首先要回弹测试每一测区的混凝土构件或结构，其中测试面的修正、回弹角度、计算及测试等流程类似于回弹法。然后开展超声测试，两相对结构测试面对称布置8个测点，在同一回弹测区内工布设16个测点。

步骤而：测点检测。在同一测区内回弹测试各个超声测点，将3个测点分别布设于测区的两个相对测面，且同一轴线上安设接受与发射转化器；为了使得混凝土表面与换能器紧密接触应确保测点处表面平整，为避免形成短路及避免声波沿钢筋传播，应避开平行于钢筋的方向设置测点。

步骤三：声波耦合。一般选用黄油作为耦合剂涂抹于超声测点处，换能器在测试过程中能够挤出黄油并保持与混凝土的良好耦合。

步骤四：测度声时。测试的声速值和声时值精确值0.01km/s、0.1μs，以误差≤±1%作为超声测距的精确度。采用公式v=l/tm、tm=(t1+t2+t3)确定波速，其中l、v为超声测距和测区声速值，单位为mm、km/s；tm为平均声速值，μs；t1、t2、t3为测区3个测点的声速值。

步骤五：波速的修正。测试混凝土浇筑底面与顶面过程中，利用下式修正声速值，即：

va=βv

(6)

式中：β、va为超声测试面修正系数和修正后的测区声时值；其中，测试混凝土侧面、底面及浇筑顶面时，β值取1、1.034和1.034。

根据规定的修正后的声速值vai和回弹值Rai确定测区第i个构件的混凝土强度换算值fcu,1c，其中地区或专用测区曲线为优先选用的推定公式。在此类测强曲线不存在的情况下，分别利用下式确定粗骨料为卵石、碎石的换算值，即：

fcu,1c=0.056Vai1.439Rai1.769

(7)

fcu,1c=0.0162Vai1.656Rai(1.410)

(8)

在不考虑碳化深度的情况下采用多项物理参数，最大限度的体现混凝土强度各类要素，同时还可规避部分物理量及强度相关要素，因此较超声法、回弹法等单一物理量检测具有更高的可靠性和准确性；混凝土强度检测最早时间为浇筑7d后，所以能够较为准确、快速的判断混凝土强度在该时间段能否达到规范要求。

采用回弹法检测标养的混凝土试件，被检测表面受外界的影响程度随混凝土龄期的不同而发生改变，回弹值在碳化结硬的条件下偏高，而在潮湿条件下明显偏低。针对此类情况，超声法检测结果存在明显差异，随着龄期的延长混凝土内部的干燥程度逐渐增大，介质中超声的传播速度不断下降，较干燥状态下潮湿环境的传播速度下降更快[7]。为抵消湿度环境和混凝土龄期的相互作用，可综合应用以上两种方法。由此以来，从混凝土表面硬度和构件内部物理性能2个方面选用对构件损伤最小的两种方法，更加客观、准确的反映混凝土强度，在混凝土强度无损检测技术中超声波脉冲速度-回弹值法具有广泛的应用前景。

1.4 钻芯法

钻芯法是一种利用人工金刚石空心薄壁钻头和专用钻机的半破损混凝土强度检测方法，通过压力试验机测量钻取的高径比为1∶1、直径为100mm的圆柱芯样，从而反映混凝土结构或构建的质量缺陷及强度。

1)优点分析。混凝土强度利用钻芯法取样后检测确定，能够用于混凝土结构火灾损伤、受冻深度及分层处接缝质量状况，准确判断混凝土空洞、离析和裂缝宽度等缺陷。混凝土内部质量状况可利用该方法直接判断，较试块检测法能够更加真实、客观的体现构件的情况。然而，该方法一般不适用于强度<10MPa或龄期过短的混凝土。

2)缺点分析。钻芯取样法对样本的加工和取样工艺有较高的要求，同时对根柱边垂直度和两端面平整度具有更高要求，混凝土构件强度在表面不平整情况下偏低，强度测量对钻芯数量、位置有所要求且劳动强度较大[8]。另外，检测费时较长、费用较高且易对构件产生局部损伤，在钢筋较为稠密的情况下无法采样，在实际工程中存在一定的局限。

实践表明，综合采用钻芯法和超声无损检测法，能够减少钻芯数量，可为提高检测可靠性、准确性及验证超声无损检测方法的准确性等提供依据[9]。

2 水利工程实际检测结果分析

采用综合法和回弹法检测某水利工程浇筑7-15d内的混凝土结构，综合检测C30实体结构的混凝土强度，由此得到的综合法和回弹法检测数据存在较大偏差，排除其它因素作用后检测数据仍存在一定偏差。据此，通过对比测试同条件下试块进一步确定结构强度参数，将综合法与回弹法检测数据利用试块压力试验数据进行对比，经数据分析和现场试验后有效解决了质量检测中存在的难点问题，完善和丰富了混凝土质量检测方法[10]。对混凝土立方体试件利用超声回弹综合法、回弹法和试块抗压强度检测等方法，结果见表1。

表1 基于不同方法的混凝土强度检测结果

从表1可知，回弹法检测的混凝土强度能够基本反映构件的表面情况，检测获取的数据偏差较少，但该方法无法体现构件内部的缺陷和强度情况；超声波回弹综合法的相对误差处于20%-35%左右，检测的数据值总体偏小且超过15%的误差允许范围，因此在该地区不宜选取同一测强曲线，混凝土强度计算比较适用的方法为地区或专业测强曲线。

3 结 论

对于混凝土构件强度利用超声回弹综合法现场检测，可反映结构或构建的内部构造、表层状况及混凝土的弹塑性。二元物理量检测法相对回弹法能够更加系统、准确的体现混凝土力学性能，较单一回弹法具有更高的数据检测精度，但地域因素对统一测强曲线的影响较为明显，其普遍适用性较低。因此，进一步普及和推进超声回弹综合法的重要环节是建立健全专业或地区测强曲线。水利行业的快速发展和质量检测制度的滞后，使得作业人员专业技术和施工队伍整体水平仍需要进一步提升，层层分包、违法转包和市场混乱等问题依旧存在，做好水利工程混凝土强度检测工作对于促进水利行业持续健康发展和工程质量的提升具有重要意义。