超声回弹法检测再生骨料混凝土强度的试验分析

基金项目：广东省教育厅2021年广东省本科高校教学质量与教学改革工程建设项目（KCJJD202101）；广东理工学院2024年度校级科研平台项目（2024PZDZK02）

作者简介：王金歌（1991-），男，硕士，讲师。研究方向为高性能混凝土、工程力学。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.21.017

摘" 要：该文探究超声回弹法在再生骨料混凝土强度检测中的应用。采用对照试验法，使用再生骨料和水泥、外加剂等配制再生骨料混凝土，并制作标准试件，经过28 d养护后使用不同方法测定其抗压强度。以压力试验机测定的再生骨料混凝土试块抗压强度作为标准值，将回弹法和超声回弹法测定的抗压强度作为对照值，观察测定误差进而判断2种方法的优劣。分析试验数据可知，使用回弹法测定试块的抗压强度，测量值与标准值的误差为1.45%；使用超声回弹法测定试块的抗压强度，测量值与标准值的误差为0.49%。由此可得，超声回弹法在测定再生骨料混凝土抗压强度方面精度更高，能够为再生骨料混凝土的制备与应用提供参考。

关键词：再生骨料混凝土；超声回弹法；回弹值；抗压强度；标准试件

中图分类号：TU528" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2024）21-0070-04

Abstract： This paper explores the application of ultrasonic rebound method in the strength testing of recycled aggregate concrete. Using the control test method， recycled aggregate concrete was prepared with recycled aggregate， cement and admixture， and standard specimens were made. After 28 days of curing， different methods were used to determine its compressive strength. The compressive strength of recycled aggregate concrete test blocks measured by the pressure testing machine is taken as the standard value， and the compressive strength measured by rebound method and ultrasonic rebound method is taken as the control value to observe the measurement error and judge the advantages and disadvantages of the two methods. The analysis of the test data shows that the compressive strength of the test block is measured by the rebound method， and the error between the measured value and the standard value is 1.45%; the error between the measured value and the standard value is 0.49% when the ultrasonic rebound method is used to determine the compressive strength of the test block. As a result， the ultrasonic rebound method is more accurate in measuring the compressive strength of recycled aggregate concrete， and can provide reference for the preparation and application of recycled aggregate concrete.

Keywords： recycled aggregate concrete; ultrasonic rebound method; rebound value; compressive strength; standard specimen

老旧建筑拆除后的废弃砂石、废弃混凝土，以及砖厂生产的不合格多孔砖、空心砖等，经过回收、破碎、筛分等一系列处理后成为再生骨料。在工程建设中，使用再生骨料制备混凝土，一方面能够实现废弃砖、砂石、混凝土的重复利用，降低了材料成本；另一方面也能解决废弃物随意堆放带来的环境污染问题，符合绿色环保理念。考虑到再生骨料与天然骨料在表观密度、吸水率等性能指标上存在差异，使用再生骨料制备的混凝土，在强度方面能否满足工程建设需要成为必须要考虑的问题。超声回弹法是一种常用的混凝土强度检测方法，本文使用该方法对再生骨料混凝土的强度进行了试验测定。

1" 试验设计

1.1" 再生骨料混凝土的制备

本试验收集某住宅建筑拆除后产生的废弃砖块和废弃混凝土块，使用破碎装置将其破碎后进行筛分，采用2次破碎、2次筛分处理方式得到粒径为5～20mm的骨料。第一次破碎将回收的废弃砖块、混凝土块倒入颚式破碎机中破碎，将杂物清除只保留骨料；对骨料进行第一次筛分，按照粒径的大小筛分出3类，分别是0～5 mm、5～20 mm及20 mm以上；由于试验所用骨料的粒径为5～20 mm，因此，对于粒径在20 mm以上的再次投入破碎机进行破碎；破碎后进行第二次筛选，将粒径在5～20 mm范围内的骨料回收作为再生骨料。再生骨料与天然骨料的指标对比结果见表1。

除了骨料外，本试验中用于制备混凝土的基础材料还有水泥、砂、减水剂和水。水泥选用P.O42.5普通硅酸盐水泥，细度3.2%，比重3.1 g/cm3，初凝时间2 h 30 min，终凝时间6 h 45 min，28 d抗压强度55.7 MPa，28 d抗折强度9.3 MPa；砂选用天然河砂，细度模数2.50，粒径小于5 mm，级配良好；减水剂使用聚羧酸高效减水剂，减水率可达40%；水使用自来水。为了验证超声回弹法在再生骨料混凝土强度测试中的应用效果，将破碎后的废弃砖和废弃混凝土作为再生骨料，制作了强度为C30的再生混凝土，其配合比见表2。

1.2" 试验方案的设计

按照上述配合比制作再生骨料混凝土试件，规格为150 mm×150 mm×150 mm，养护28 d。养护结束后，取出再生骨料混凝土试块并使用相应的设备测定其超声声速与回弹值，对照相关规范可以得到混凝土试块的抗压强度。同时，按照GB 50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》中的规定，使用压力试验机测出抗压强度，并对比普通方法与超声回弹法在再生骨料混凝土试件抗压强度测定结果上的差异。本试验中使用到的设备有颚式破碎机、顶击式标准筛振筛机、搅拌机、混凝土压力试验机，以及回弹仪、非金属超声监测仪等。

在超声回弹综合检测方法中，分别使用超声波检测仪和回弹仪，在混凝土试件的同一测点上分别测量其声时值和回弹值。然后参照“测区混凝土抗压强度换算表”，获得再生骨料混凝土试件的抗压强度。相比于单一的检测方法，超声回弹法可以保证最终的测量结果不受混凝土龄期、含水率等因素的影响，从实际应用情况看表现出测试精度高、适用范围广、可准确反映混凝土结构真实质量等优点，成为混凝土结构建筑中检测强度的常用方法[1]。

1.3" 试块的制作与养护

准备一个尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的正方形木质模具，现场制备混凝土，方法如下：首先向混凝土搅拌器内投入再生骨料，然后加入50%的水泥、砂、水和减水剂，充分搅拌5 min；然后将剩余的50%水泥、砂、水和减水剂加入，再搅拌5 min，搅拌完毕后出料。取适量再生混凝土进行坍落度检测，检测结果显示坍落度在30～50 mm之间为合格，确认合格后将制备好的再生骨料混凝土倒入模具中，为提高试块成型质量，使用插入式振捣器对入模混凝土进行充分振捣，观察到浇筑面不再有气泡冒出后说明已经振捣密实，停止振捣并在静置24 h后拆模，在试块初凝前的1 h内可以进行抹面处理，使用抹子等工具沿着试块模具的边缘抹平，让浇筑面更加平整。将混凝土试块转移到养护室内，以“品”字型堆放，控制养护室内的温度恒定在25 ℃、相对湿度不低于90%，养护28 d。

1.4" 试验准备

取出养护结束后的试块，使用纱布将表面的灰尘等杂物清理干净，选择非浇筑面进行超声声速与回弹值的测量。在2个对称的非浇筑面上标记出回弹测点，每个面上共标记8个，共计16个；在另外2个对称的非浇筑面上标记超声声速测点，每个面上共标记3个，共计6个，试件表面的测点布置如图1所示。为了保证超声声速的测量效果，在每个测点上均匀涂抹一层凡士林，让换能器与测点紧密接触[2]。

布置完测点后，检查试验所用的各类仪器，保证仪器精确度达标、工况良好后，按照顺序依次完成回弹值、超声声速及抗压强度的测量。

2" 试验数据的处理

2.1" 回弹值的测量与计算

再生骨料混凝土试件的回弹值测量方法如下。将试块置于混凝土压力机的下承压板上，调整试块位置使其处于承压板的中间部位。启动混凝土压力机，利用上下承压板向试块施加压力，压力值为混凝土试块最大承载力的40%。保持该压力不变，然后使用回弹仪分别在试块2个侧面上的测点处进行检测。为提高检测结果的准确性，要求每次弹击时都要保证回弹仪的轴线与测点所在平面垂直。每个测点获得一组数据，完成16个测点的测试后，共计得到16组数据。将记录的16组数据分别去掉3个较大值和3个较小值，求剩余10个值的平均值，作为最终的回弹值[3]。计算公式如下

B=Bi，

式中：B为试块的回弹值，Bi为第i次弹击值。

使用钻孔设备在混凝土试块钻出一个直径为15 mm、深度略大于碳化深度的小洞，将孔内粉末掏净后，用胶头滴管吸取少量2%的酚酞酒精溶液，滴加在孔洞内壁的边缘处，可以在碳化区域和非碳化区域形成一条清晰的界限[4]。然后使用专用仪器测量界限到混凝土表面的垂直距离。为减小误差，同一钻孔应当测量3组数据，并取3组数据的平均值作为最终结果。按照上述方法分别求得混凝土试块的回弹值与碳化深度值后，根据JGJ/T 23—2011《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》中提供的“测区混凝土强度换算表”，可以确定混凝土试块的强度。

2.2" 超声声速的测量与声速计算

再生骨料混凝土试件的超声声速测量方法如下。将非金属超声波检测仪的2个换能器分别置于2个对称面的对称测点上，启动仪器并收集当前测点的声时值。为了消除误差，每个试点上分别测量3次，取3次测量结果的平均值作为声时值。每个试块上有3个超声声速测点，可以得到3个声时值，再根据声时值求得超声声速。计算公式如下

V=，

式中：V为试块的超声声速，km/s；t１—t3为3个测点的声时值，μs。

在求得声速值的基础上，结合混凝土试块的回弹值，依据T/CECS 02—2020《超声回弹综合法检测混凝土抗压强度技术规程》中提供的“混凝土抗压强度换算表”，可以得出混凝土试块的抗压强度。

2.3" 抗压强度的计算

完成试块回弹值与超声声速的测试后，松开混凝土试验机的下承压板，卸去压力后将试块取下，使用刷子清理上、下承压板。重新将试块放置到下承压板上，缓慢靠近上、下承压板，观察上承压板能够完全与试块顶面接触后，以0.5 MPa/s的速度均匀加荷直到试块被压坏。观察到试块压坏后立即停止加载，并记录此时混凝土试验机的荷载[5]，然后根据公式求得试件的抗压强度。计算公式如下

F=，

式中：F为试件的抗压强度，MPa；P为试块的破坏荷载，N；A为试块的承压面积，由于所用试块为边长150 mm的立方体，因此，本试验中取22 500 mm2。

3" 试验结果与分析

由于单轴受压作用，再生骨料混凝土试块在施加荷载的初期表面出现了一些细小的裂纹；随着荷载不断增加，裂纹逐渐发育并演变为裂缝，呈现出从四周向中心发展的变化趋势。在邻近破坏荷载时，可以发现试块已经有不同程度的膨胀现象，并伴随有局部混凝土脱落现象。在达到破坏荷载后，再生骨料混凝土试块被完全破坏，呈现出正倒相连的“八”字形态。

3.1" 普通方法测定再生骨料混凝土抗压强度

使用压力试验机测定5个再生骨料混凝土试块的抗压强度，测定结果见表3。

由表3数据可知，再生骨料混凝土试块经过28 d养护后，在压力试验机施加荷载达到816.7 kN后，5#试块最先破坏，对应的抗压强度为35.9 MPa，在5个试块中最低；2#试件在施加荷载达到858.5 kN后也被破坏，对应的抗压强度为37.2 MPa，在5个试块中最高。再生骨料混凝土的平均抗压强度为36.76 MPa。

3.2" 回弹法测定再生骨料混凝土抗压强度

使用回弹仪测定5个再生骨料混凝土试块的回弹值与碳化深度后，通过查表的方式确定抗压强度，结果见表4。

表4" 回弹法测定抗压强度统计表

由表4数据可知，5个再生骨料混凝土试件的回弹值和碳化深度较为接近，抗压强度维持在36.4～38.6 MPa，平均抗压强度为37.30 MPa。与压力试验机测定的平均抗压强度相比，误差为（37.30-36.76）/37.30×100%=1.45%。

3.3" 超声回弹法测定再生骨料混凝土抗压强度

在使用回弹仪测定5个再生骨料混凝土试块回弹值的基础上，再使用非金属超声波检测仪测定试块的超声声速值。全国同一测区混凝土抗压强度换算公式同样适用于再生混凝土，公式如下

F=0.028 6×V1.999×R1.155，

式中：V为声速值；R为回弹值；F为抗压强度。

将测量结果带入上式后，求得F值，统计结果见表5。

由表5数据可知，5个再生骨料混凝土试件的回弹值和声速值较为接近，抗压强度维持在36.5～37.5 MPa，平均抗压强度为36.94 MPa。与压力试验机测定的平均抗压强度相比，误差为（36.94-36.76）/36.94×100%=0.49%。

综上，使用超声回弹法测定再生骨料混凝土的抗压强度，其测定值更接近于实际测量结果（压力试验机测试结果），比单一使用回弹法的测定精度更高，为再生骨料混凝土的制备与应用提供了参考数据。

4" 结论

在节能减排和绿色发展背景下，再生骨料混凝土可以实现废旧材料的重复利用、解决建筑垃圾污染问题，受到了各方的青睐。目前，常用的再生骨料混凝土有废弃砖、废弃混凝土、废弃砂石等若干类型。虽然再生骨料混凝土具有绿色环保、节约成本等优势，但是作为一种建筑材料，首先要保证抗压强度达标。从检测结果来看，相比于单一使用回弹仪，超声回弹法测定混凝土抗压强度的精度更高，是一种更加理想的无损检测方法。

参考文献：

[1] 杨坤，唐晓玲，朱伯文.超声回弹综合法检测堆石混凝土强度的试验研究[J].水利规划与设计，2022（11）：153-157.

[2] 王婷，刘亚楠，李婷，等.小芯样法及其他混凝土抗压强度试验对比研究[J].价值工程，2021（34）：40-42.

[3] 祝帆，王大勇，李志强，等.基于混合优化BP网络的回弹超声角测法检测混凝土抗压强度[J].河北建筑工程学院学报，2021（4）：39-40.

[4] 黄莉.超声回弹综合法检测混凝土强度技术研究[J].交通科技与管理，2021（8）：17-18.

[5] 施鹏.超声回弹综合法及钻芯修正在混凝土强度检测中的应用[J].科学技术创新，2023（10）：122-125.