合肥地区混凝土超声回弹测强曲线建立及验证

刘杭杭, 吴德义

(1.安徽省建筑科学设计研究院安徽省绿色建筑与装配式建造安徽省重点实验室 安徽 合肥 230031;2.安徽建筑大学土木工程学院 安徽 合肥 230022)

0 引言

回弹法通过弹击混凝土表面,并根据表面硬度与混凝土抗压强度的关系,测定混凝土的强度[1]。超声法则是利用超声波在混凝土中传递速度来推算混凝土抗压强度[2-3]。20世纪60年代,弗格瓦洛等[4]首次提出采用超声回弹综合法测定混凝土强度,解决了超声法和回弹法单独使用时的固有不确定性问题,具有侵入性较小,探测范围广的优势[5]。

超声回弹综合法是对混凝土强度全面检测的一种方法,通过回弹法测量表面强度和利用超声波探测内部情况[6-8]。为便于工程应用,制定了国家超声回弹测强曲线[9],取得了明显效果。但由于各地区原材料、配合比、气候条件等差别明显,国家超声回弹测强曲线在各地区使用的适用性必须进行验证,国家超声回弹法检测混凝土强度技术规程规定国家超声回弹测强曲线检测混凝土强度相对误差不应超过12%,相对标准差不应超过14%,否则需另立地区测强曲线对混凝土强度进行推定[10]。本文根据有关规定在实验室制作了不同龄期不同强度等级混凝土试块,根据测定的混凝土试块回弹值、超声波速值以及抗压强度值,采用国家超声回弹测强曲线对混凝土强度进行了推定,在分析国家超声回弹测强曲线适用性基础上建立了合肥地区超声回弹测强曲线,并对其使用适应性进行了验证。

1 方案设计

依据合肥地区常用原材料和混凝土配合比,选择制作混凝土原材料(如表1),常用混凝土配合比如表2。

表2 不同强度等级混凝土配合比

结合合肥地区实际,选用C15至C60常用混凝土强度等级。制作C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45 、C50、C55、C60不同强度等级试块,每一强度等级制作7 d、14 d、28 d、60 d、90 d、180 d、365 d共7个龄期的混凝土试块各1组,自然养护。C15至C45等级混凝土采用MC225型回弹仪,C50至C60等级混凝土采用HT-1000型回弹仪测定混凝土回弹值;碳化深度测定仪测混凝土碳化深度;SYE-3000型压力实验机测定不同强度混凝土试块强度。

2 国家回弹测强曲线在合肥地区使用适用性验证

2.1 验证方法

国家超声回弹测强曲线(碎石)为[10]

(1)

可以采用实验测得的不同强度等级混凝土试块的强度及国家曲线推定强度相对误差和相对标准误差的大小来反映国家超声回弹统一测强曲线在合肥地区适用情况。

相对误差mδ为[11]

(2)

式中,fcu为混凝土的实测强度(MPa)。

相对标准误差Sr为[11]

(3)

2.2 验证结果

2.2.1 验证结果及分析

国家超声回弹测强曲线在合肥地区使用时不同强度等级不同龄期混凝土试块相对误差分布如图1,平均相对误差为66.2%,相对标准差为77.3%,远远超过了国家超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程中规定的相对误差不超过12.0%,相对标准差不超过14.0%的要求。

图1 国家超声回弹曲线平均相对误差分布图

实测结果表明:国家超声回弹测强曲线(碎石)在合肥地区使用相对误差、相对标准差总体上很大,对不同龄期不同强度等级特别是高强混凝土都不适用(如图1)。相对误差较小的混凝土强度等级为C15,相对误差在20.0%左右;相对误差较大的混凝土强度等级为C20及C25,在40.0%～60.0%;强度等级C30～C60混凝土相对误差很大,在80.0%～120.0%之间。国家超声回弹测强曲线对于早龄期(7 d、14 d、28 d)高强混凝土试块强度预测,相对误差也较大;对于长龄期(60 d、90 d、180 d、365 d)高强混凝土试块强度预测,相对误差相对较小。

2.2.2 适用性分析

常见的C25、C30强度等级的混凝土在合肥地区使用相当广泛,高强混凝土使用日益增多,而国家超声回弹测强曲线对C25、C30强度等级的混凝土检测误差很大,对高强混凝土使用更是明显不适用,也不能对合肥地区早龄期混凝土抗压强度进行预测。因此,有必要建立合肥地区超声回弹测强曲线;该曲线对于合肥地区混凝土包括高强混凝土(C50～C60)的抗压强度检测有明显适用性,对早期混凝土强度预测误差明显减小,为合肥地区的混凝土结构的抗压强度检测提供依据。

3 合肥地区超声回弹测强曲线建立及适用性分析

3.1 合肥地区测强曲线建立

要确立混凝土试块抗压强度fcu与回弹值R及声速值v之间的相关关系,建立地区超声回弹测强曲线,有以下几种回归方程可供选择

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中:Ri为试件回弹值均值;vi为试件平均声速值(km/s);a、b、c为回归系数。

对式(5)两边求对数,可得

(10)

y'=d+bx+cz

(11)

(12)

解得3个规范方程式

(13)

(14)

将式(14)代入式(13),得

(15)

(16)

将式(16)带入式(15),得

(17)

解得

(18)

将实测数据代入得:L11=1.9619,L22=3.8532,L12=3.8532,L21=11.6005,L1y=13.7779,L2y=31.6031。将其代入式(13)至(17)得:b=4.810,c=1.127,d=-6.710,a=ed=1.218×10-3。合肥地区超声回弹测强曲线(碎石)方程式为

(19)

3.2 合肥地区超声回弹测强曲线适用性分析

根据合肥地区超声回弹测强曲线方程(碎石)推定混凝土强度的换算值并与实测强度比较,得出不同龄期不同强度等级混凝土试块相对误差分布如图2;合肥地区超声回弹曲线平均相对误差为8.9%,相对标准差为11.1%,满足规范规定的地区超声回弹测强曲线对混凝土强度检测相对误差不超过12.0%,相对标准差不超过14.0%的要求,可以用式(19)作为合肥地区超声回弹法检测混凝土强度地区测强曲线。

合肥地区超声回弹曲线在合肥地区使用相对误差、相对标准差总体上比较小。对于C15强度等级180 d龄期混凝土强度预测相对误差约15.0%、C20及C25强度等级混凝土中长龄期(60 d、90 d)强度预测的相对误差超过15.0%,误差较大,适用性较差;除对C45强度等级混凝土试块7 d龄期强度预测相对误差超过15%外,对于其他不同强度等级7 d早龄期混凝土强度预测的相对误差都在10.0%左右,适用性较好;对于C30强度等级不同龄期混凝土强度预测的相对误差低于10.0%,适用性很好;对于不同龄期高强混凝土(C50至C60)强度预测相对误差最大不超过14.0%,也具有很好的适用性。

3.3 合肥地区超声回弹测强曲线验证

为了验证建立的合肥地区超声回弹曲线在本地区使用的适用性,本项目从安徽建筑工业学院新建逸夫楼工程、合肥市蜀山区某建筑工地、合肥市永建混凝土搅拌站、日月混凝土搅拌站及其他建筑工程中选取一批不同强度不同龄期的混凝土试块对合肥地区超声回弹测强曲线验证。

实测不同条件混凝土试块超声波速值、回弹值、强度值,采用合肥地区超声回弹测强曲线对混凝土强度进行推定,结果表明新建立的合肥地区超声回弹测强曲线推定混凝土强度的相对误差为10.3%,相对标准差为13.2%,相对误差及相对标准差大小符合规定要求。但比实验室混凝土试块验证数据得出的误差稍大,究其原因,主要由于验证混凝土试块取自4个不同现场,配合比不尽相同,养护方式也不一样,其中安徽建筑工业学院逸夫楼的预留试块采用同强度的现场养护,搅拌站试块采用实验室蒸汽养护,实验室试块采用自然养护。本项目研究得出的超声回弹测强曲线对合肥地区混凝土包括高强度混凝土检测都具有较强的实用性。

4 结束语

(1)国家超声回弹曲线在合肥地区使用平均相对误差为66.2%,相对标准差为77.3% ,远大于规范规定的相对误差不超过14.0%,相对标准差不超过17.0%的要求,国家超声回弹测强曲线在合肥地区并不适用。

(2)新建立的合肥地区超声回弹测强曲线平均相对误差为8.9%,相对标准差为11.1%,满足规范规定的相对误差不超过12.0%,相对标准差不超过14.0%的要求。验证数据相对误差为10.3%,相对标准差为13.2%,地区测强曲线可以在合肥地区使用。