基于回弹法的水利工程混凝土检测方法

王 静，魏玉升，赵 晋

（山东省水利工程试验中心有限公司,山东 济南 250220）

0 引言

混凝土作为一种常见材料大量应用于水利工程中[1]。由于混凝土表面硬度较高,抗压能力较强,一般方法对于混凝土的抗压评价指标的检测能力比较片面[2]。而回弹法检测混凝土质量强度时,具有轻便快捷、成本较小、检测全面等优势,逐渐成为混凝土检测中最广泛的检测方法。因此,本文提出基于回弹法的水利工程混凝土检测方法,确保混凝土的表面干度在合适范围之内。与其他方法相比,此方法可以在不破坏混凝土内部构造的同时,将检测精度最大化。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

采用150 mm×150 mm×150 mm 的立方体混凝土试块,表面积较大,强度等级在C15～C60 的范围内,实际强度在25 MPa～98.5 MPa 范围内,根据水利工程的实际应用情况,将混凝土强度的富余系数控制在0.1 之内,初始坍落度范围为150 mm～210 mm,其中搅拌物含水量不能超过5%[3]。水泥、细骨料、外加剂、掺合料、水等材料均符合国家相关标准,部分材料指标见表1。

表1 部分材料指标

如表1 所示,混凝土试块的强度在C15～C60 范围内,水泥型号为PO52.5 等级；粗骨料为石子,粒径为5 mm～25 mm,细骨料为砂径小于2.5 mm 的碎石；将水与胶混合形成水胶混合物即为水胶比；选用矿粉、硅粉作为本次试验的掺合料；添加减水剂和某地采集的饮用水作为试验的其他材料[4]。

1.2 试件制作

根据回弹法检测方法的相关规定,水泥的性能指标见表2。

表2 水泥性能指标

如表2 所示,本次试验用的水泥细度、初-终凝结时间、抗压强度、抗折强度均在标准范围内。细骨料的中砂表面密度ρ为2.700 kg/m3,设置标准Wc为70%,将细度模数设置为3.0,此时,Wc即转化为Wc1,在标准范围内。石子的表面密度ρ为2.719 kg/m3,堆积密度ρ为1.63 kg/m3,空隙为0.4,Wc为30%,Wc1为10%,压碎值为10.8%[5]。掺合料中的矿粉指标见表3。

表3 矿粉指标

如表3 所示,矿粉指标实测值均在标准值的范围内,通过以上指标,制作出150 mm 的正方体标准混凝土试块共336块,试件制作见表4。

表4 试件制作表 单位：块

如表4 所示,强度相同的混凝土试件采用同一种混凝土制作方式,在模板中装匀并振动成形,混凝土试件制作见图1。

图1 混凝土试件

如图1 所示,成形的试块与水利工程现场施工、养护条件一致,对试块作出标号,标养拆模后,试块的底面朝下,4个侧面均暴露在空气中,但是要采取一定措施,防止暴晒或雨淋,在自然养护14 天后试压[6]。

1.3 试验方法

首先,利用回弹仪对混凝土的回弹值进行测定。首先,对回弹仪进行率定试验,将钢砧放在混凝土表面,保证混凝土的表面干净,避免表面油污、灰尘对强度检测产生影响,测点应避开气孔或外露粗骨料,弹击时,回弹仪的轴线应垂直于结构或构件的混凝土表面,缓慢均匀施压,不宜用力过猛或突然冲击；记录回弹仪的稳定回弹值时,对试块进行预应力控制,使压力载荷控制为120 kN～160 kN[7]。此外,混凝土试块的两个侧面也需要测定,每个侧面布置8 个测试点,共16 个回弹值, 各个测试点到混凝土试块边缘的距离在30 mm 左右,在布设测试点时,避开混凝土骨料气泡处,防止气泡对回弹值产生影响[8]。此时,计算回弹平均值,从测区的16 个回弹值中去除3 个最大和3 个最小值,对剩余10 个回弹值进行平均计算,计算公式如下：

式中：Qm为平均回弹值；Qi为第i 个测试点的回弹值。

其次,测试试件的抗压强度。在测试过程中,液压式试验机除了要满足施压机的常规要求以外,混凝土试件的破坏载荷在测力量程的20%～80%范围内[9]。试块的抗压强度计算公式为：

式中：fu为试件的抗压强度；F 为试件的破坏载荷；A 为混凝土试件的承受力。

在压力测试后,得出混凝土试件的抗压强度,进而利用酚酞指示剂深度测试混凝土的碳化程度[10]。回弹值测量完毕后,应在有代表性的测区上测量碳化深度值,测点数不应少于构件测区数的30%,应取其平均值作为该构件每个测区的碳化深度值。当碳化深度值极差大于2.0 mm 时,应在每一测区分别测量碳化深度值。采用工具在测区表面形成直径约为15 mm 的孔洞,其深度应大于混凝土的碳化深度；清除孔洞中的粉末和碎屑,且不得用水擦洗；采用浓度为1%～2%的酚酞酒精溶液滴在孔洞内壁的边缘处,当已碳化与未碳化界线清晰时,采用碳化深度测量仪测量已碳化与未碳化混凝土交界面到混凝土表面的垂直距离,并测量3 次,每次读数精确至0.25 mm。并取三次测量的平均值作为检测结果,并精确至0.5 mm。

最后,通过测定混凝土试件的回弹值、抗压强度、碳化值,得出试验数据见表5。

表5 试验数据

如表5 所示,回弹值Qm的范围在20 MPa～70 MPa,抗压强度fu的范围为＞60 MPa,同一批混凝土试件的抗压强度与回弹值不是一个定值,经过多次试验,回弹值与抗压强度属于正态分布[11]。由于此检测方法中,观察数值或记录方面可能会存在误差,导致与实际数值相差较大,本文将存在误差的数值消除,消除后的回弹区间与强度区间见表6。

表6 消除离群值后的回弹区间与强度区间分布 单位：MPa

如表6 所示,误差值也就是离群值,将离群值剔除后,剩余有效试件的回弹区间为28.2 MPa～68.5 MPa,强度区间为

13.0 MPa～84.0 MPa。

2 试验结果

基于回弹法的水利工程混凝土检测方法,在检测过程中往往会因为观察数值、记录数值,以及计算数值的失误而导致最终结果的偏差,除消除离群值的方法以外,回归分析法是操作更加便捷的消除误差方法,回归分析法是根据统计的相关原理,在检测混凝土时,设计自变量与因变量,在此基础上,对统计到的数据进行数学处理,回归方程的建立是回归分析法的基本原理,不仅可以消除误差值,还可以对其中某项指标进行预测,本文根据两种型号（HT266、HT1111）回弹仪对试验中不同强度等级的混凝土试件作回弹测试,将所得数据进行回归分析,通过建立线性模型,计算混凝土试件测试的平均误差,公式如下：

式中：δ为抗压强度平均误差；为i 个试件的抗压强度；n 为混凝土试件数；er为抗压强度标准差。此时得出的两种型号回归方程式及误差关系见表7。

表7 两种型号的误差关系

如表7 所示, Q、μ均为回归方程中的相关系数,得出的型号HT266 的混凝土试件平均误差δ为±7.7,抗压强度标准差er为±10.9；型号为HT1111 的混凝土试件平均误差δ为±5.2,抗压强度标准差er为±7.2。本文对误差结果进行拟合回归,得出相关系数Q为0.0482 Qm1.8485；μ为0.1526 Qm1.5726。此时,本文设计的方法中抗压强度实测值见表8。

表8 抗压强度实测值

如表8 所示,本文设计的检测方法实测值与计算标准值相差±0.001,误差较小,符合本文研究目的。

3 结论

针对常规检测方法中检测效果比较片面的问题,提出基于回弹法的水利工程混凝土检测方法,利用现场实验的实测数据,得出如下结论：

（1）基于回弹法的水利工程混凝土检测方法精度较高,与计算标准值仅有0.001 的差距,实用价值较高。

（2）此方法操作简单,轻便,检测角度等原因对检测效果的影响较小,可以对现场检测环境提供帮助。