宋福春， 劉帥偉， 康　寧

(沈陽建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院， 沈陽 110168)

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基于超聲回彈綜合法探索雙側(cè)加固砼的測強(qiáng)方法*

宋福春， 劉帥偉， 康寧

(沈陽建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院， 沈陽 110168)

為了分析超聲回彈綜合法檢測經(jīng)雙側(cè)加固后混凝土構(gòu)件強(qiáng)度的可行性，研究了混凝土構(gòu)件中鋼筋對(duì)超聲波速的影響，運(yùn)用超聲回彈綜合法，剔除試件中舊混凝土部分對(duì)試件整體強(qiáng)度的影響，配合回彈值對(duì)經(jīng)過雙側(cè)加固的混凝土試件進(jìn)行強(qiáng)度檢測.結(jié)果表明：遼寧地區(qū)測強(qiáng)曲線優(yōu)于全國測強(qiáng)曲線；探索出的新檢測方法對(duì)試件強(qiáng)度進(jìn)行檢測時(shí)，其結(jié)果能夠達(dá)到規(guī)范要求的檢測精度；混凝土構(gòu)件中的鋼筋能夠使超聲檢測的聲時(shí)值變?。辉摲椒軌驕?zhǔn)確地檢測出雙側(cè)加固混凝土試件的強(qiáng)度，拓寬了超聲回彈綜合法在工程中的應(yīng)用范圍.

雙側(cè)加固混凝土； 超聲回彈綜合法； 測強(qiáng)曲線； 混凝土齡期； 無損檢測； 超聲聲速； 測區(qū)； 強(qiáng)度

在我國，混凝土以其眾多的優(yōu)點(diǎn)，仍然是多種建筑結(jié)構(gòu)主要采用的建筑材料.而且，在今后很長一段時(shí)期內(nèi)，建筑結(jié)構(gòu)上仍是以混凝土為主.隨著時(shí)間的推移，越來越多的混凝土建筑物進(jìn)入“老齡期”，加之自然以及各種人為因素的侵襲，許多建筑物急需或已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)的加固改造.增大截面加固法在混凝土結(jié)構(gòu)加固中被廣泛采用.在橋梁墩臺(tái)和柱子等關(guān)鍵部位，通常采用混凝土進(jìn)行雙側(cè)甚至外包的加固形式[1].混凝土強(qiáng)度的無損檢測方法有很多，但既能保證較高的檢測精度，又能在實(shí)際工程中進(jìn)行廣泛推廣的方法卻只有回彈法和超聲法等為數(shù)不多的幾種.目前，由于超聲回彈綜合法具有完善的規(guī)范和相對(duì)較高的檢測精度，技術(shù)上也相對(duì)成熟，在工程實(shí)踐中應(yīng)用最為廣泛，但此種方法一般適用于檢測材質(zhì)單一的混凝土.在對(duì)經(jīng)過外包混凝土加固后的構(gòu)件或部位進(jìn)行檢測時(shí)，由于新舊混凝土在強(qiáng)度和配合比上的差異，直接運(yùn)用超聲回彈綜合法進(jìn)行檢測，不能反映出構(gòu)件的真實(shí)強(qiáng)度.在超聲回彈綜合法檢測混凝土強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，探索出一種對(duì)經(jīng)過外包混凝土加固后的構(gòu)件進(jìn)行檢測的方法，目前卻缺乏相關(guān)研究.

對(duì)于超聲回彈綜合法在檢測混凝土強(qiáng)度方面的研究已進(jìn)行了很多.國外最早的超聲回彈測強(qiáng)規(guī)范由羅馬尼亞于1971年頒布，此后世界各國開始對(duì)超聲回彈綜合法進(jìn)行了深入的研究.我國于20世紀(jì)50年代著手相關(guān)研究工作，目前，我國在常規(guī)領(lǐng)域已達(dá)到或領(lǐng)先了世界水平，并引進(jìn)了新的參數(shù)以增加測強(qiáng)的精度.在理論和檢測設(shè)備上，超聲回彈綜合法檢測混凝土的強(qiáng)度均已發(fā)展得相當(dāng)成熟[2-4].然而針對(duì)外包混凝土加固后構(gòu)件的無損強(qiáng)度檢測，在檢測方法或相關(guān)理論研究上尚未見到相關(guān)文獻(xiàn)的發(fā)表.

本文通過澆筑舊混凝土兩側(cè)外包新混凝土的試件來模擬混凝土增大截面加固.其中，舊混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20，兩側(cè)新澆筑混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30.在試件養(yǎng)護(hù)達(dá)到強(qiáng)度要求后，運(yùn)用超聲回彈綜合法進(jìn)行檢測，以此探究超聲回彈綜合法在檢測雙側(cè)加固混凝土強(qiáng)度時(shí)的可行性.在超聲回彈綜合法測強(qiáng)曲線[5]的選用上，根據(jù)《超聲回彈綜合法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(CECS02：2005)[6]中的相關(guān)要求，經(jīng)由同齡期、同條件下標(biāo)準(zhǔn)試塊的抗壓強(qiáng)度值來分別對(duì)全國測強(qiáng)曲線和遼寧地區(qū)測強(qiáng)曲線進(jìn)行校核，以此選擇本文試驗(yàn)的測強(qiáng)曲線.

1　超聲回彈綜合法的測強(qiáng)原理

超聲法和回彈法是兩種可以獨(dú)立測得混凝土強(qiáng)度的無損檢測方法.超聲法測強(qiáng)的基本原理是：超聲波傳播速度與混凝土彈性性質(zhì)密切相關(guān)，而混凝土彈性性質(zhì)預(yù)期力學(xué)強(qiáng)度之間存在內(nèi)在聯(lián)系，因此可以建立超聲在混凝土中的聲速v與混凝土強(qiáng)度fcu之間的關(guān)系.回彈儀測強(qiáng)的基本原理是：通過回彈儀的沖擊動(dòng)能與混凝土的彈性性能相關(guān)來獲得回彈值R與混凝土強(qiáng)度的關(guān)系.

由于單一方法的檢測精度較差，而采用綜合方法可以避免各自的缺陷，使結(jié)果更接近真實(shí)情況.超聲回彈綜合法通過在混凝土同一測區(qū)分別測得聲時(shí)值和回彈值，然后利用已建立起來的測強(qiáng)公式測算該區(qū)域內(nèi)混凝土的強(qiáng)度.

2　試驗(yàn)概況

2.1試件設(shè)計(jì)

本文共有9個(gè)試件，24個(gè)立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試塊.試件的命名選用ultrasonic-reboundcombinedmethod的縮寫URC，第二項(xiàng)為試件最大尺寸，第三項(xiàng)為編號(hào)分別對(duì)應(yīng)素混凝土、三片鋼筋網(wǎng)、四片鋼筋網(wǎng).試件的命名及尺寸如表1所示.

表1　試件的命名及尺寸

混凝土C20的配合比為mc0∶ms0∶mg0∶mw0=1∶1.100∶3.420∶0.550，C30配合比為mc0∶ms0∶mg0∶mw0=1∶1.500∶2.915∶0.561(c表示水泥；s表示砂；g表示石；w表示水).試件形狀為長方體，共分三部分，分兩次澆筑完成.試件中間部分為舊混凝土，第一批次澆筑；在中間部分混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，先鑿毛，然后在其兩側(cè)澆筑C30等級(jí)的新混凝土.試件采用鋼模板，在實(shí)驗(yàn)室中養(yǎng)護(hù)成型.

試件共分為三個(gè)測區(qū)，測點(diǎn)具體位置如圖1所示，其中，O表示舊混凝土部分，N表示新加固的混凝土.

立方體標(biāo)準(zhǔn)試塊分兩個(gè)批次澆筑，即第一批次C20、第二批次C30強(qiáng)度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)試塊分別澆筑12個(gè)，澆筑完成后進(jìn)行與試件同條件下的養(yǎng)護(hù).試塊的測點(diǎn)布置如圖2所示，其中，b為立方體試塊的邊長.

圖1　試件測點(diǎn)位置布置圖Fig.1　Position arrangement for measuringpoints of specimens

圖2　標(biāo)準(zhǔn)試塊聲時(shí)、回彈測點(diǎn)布置圖Fig.2　Arrangement of sound time and reboundtesting points for standard testing block

2.2試驗(yàn)設(shè)備及檢測方式

2.2.1試驗(yàn)設(shè)備

超聲發(fā)生器采用NM-4A非金屬超聲檢測分析儀.回彈儀選用ZC3-A型中型回彈儀.壓力機(jī)選用HYC-2000型電液式壓力機(jī).

2.2.2檢測方式

對(duì)已經(jīng)脫模完畢的試件畫線標(biāo)明測區(qū)和測點(diǎn)，按照試件的編號(hào)順序逐個(gè)進(jìn)行檢測并記錄數(shù)據(jù).圖3為試件的超聲檢測現(xiàn)場圖.

圖3　試件的超聲檢測Fig.3　Ultrasonic examination of specimen

在同一試件的同一測區(qū)，首先進(jìn)行超聲波速的檢測，采用超聲對(duì)測法按照預(yù)先劃定的測點(diǎn)進(jìn)行檢測.在超聲檢測結(jié)束后進(jìn)行回彈值的測定，回彈儀均沿水平方向測試混凝土試件的側(cè)面.同齡期、同條件下的標(biāo)準(zhǔn)試塊，在測量完其超聲聲速值和回彈值之后，放在壓力機(jī)上進(jìn)行加載，檢測其抗壓強(qiáng)度.試驗(yàn)中所有試件及試塊由于齡期較短，在檢測方式上所有檢測均按照(CECS02：2005)中的常規(guī)方式進(jìn)行，因此不考慮碳化對(duì)回彈值的影響.

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1中測區(qū)一和測區(qū)二超聲對(duì)測距離為300mm.測區(qū)三所在部分為試件兩端，進(jìn)行超聲波的對(duì)測時(shí)，對(duì)測距離隨試件尺寸而定，超聲波穿透順序依次為：新—舊—新.運(yùn)用超聲回彈綜合法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度時(shí)，規(guī)范給定的全國混凝土測強(qiáng)曲線表達(dá)式為

(1)

遼寧省交通廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目《遼寧區(qū)域超聲回彈綜合法檢測混凝土強(qiáng)度的應(yīng)用研究》中給出的遼寧地區(qū)專用測強(qiáng)曲線表達(dá)式[7]為

(2)

3.1使用立方體抗壓標(biāo)準(zhǔn)試塊對(duì)測強(qiáng)曲線校核

與試件同批次、同養(yǎng)護(hù)條件的立方體抗壓標(biāo)準(zhǔn)試塊，在齡期28d時(shí)，先經(jīng)過超聲回彈法檢測其強(qiáng)度，然后用壓力機(jī)加載至破壞，讀取其實(shí)測強(qiáng)度值.表2為試塊檢測數(shù)據(jù).根據(jù)(CECS02：2005)中的規(guī)定，分別對(duì)全國測強(qiáng)曲線及遼寧地區(qū)專用測強(qiáng)曲線進(jìn)行校核，并選用精度最高的曲線作為此次試驗(yàn)的測強(qiáng)曲線.

經(jīng)過計(jì)算，使用全國測強(qiáng)曲線時(shí)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差er=22.82%>15%；使用遼寧地區(qū)測強(qiáng)曲線時(shí)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差er=8.83%<14%.在遼寧省交通工程質(zhì)量與安全監(jiān)督局相關(guān)研究人員的研究中，全國曲線的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差為er=20.64%>15%，使用遼寧地區(qū)測強(qiáng)曲線時(shí)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差er=13.59%<14%.因此，遼寧地區(qū)測強(qiáng)曲線精度更高，能夠滿足使用要求.

圖4為試塊各強(qiáng)度值對(duì)比，其中，編號(hào)1～12試塊為C20試塊.可見運(yùn)用遼寧地區(qū)測強(qiáng)曲線得出的試塊強(qiáng)度值與試塊實(shí)測值更為接近，全國測強(qiáng)曲線下試塊強(qiáng)度值離散性較大.因此，遼寧地區(qū)測強(qiáng)曲線在遼寧地區(qū)有較好的適用性，能夠滿足規(guī)范的使用要求，在遼寧地區(qū)運(yùn)用綜合法測強(qiáng)時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用.

表2　試塊檢測數(shù)據(jù)匯總表

圖4　試塊各強(qiáng)度值對(duì)比圖Fig.4　Comparison in strength values of testing block

3.2雙側(cè)加固混凝土試件強(qiáng)度檢測分析

在運(yùn)用超聲回彈綜合法檢測外包混凝土加固構(gòu)件的強(qiáng)度時(shí)，為了快捷而精確地得到加固部位混凝土的強(qiáng)度，根據(jù)超聲波的實(shí)際傳播路線，需要在檢測結(jié)果中考慮舊混凝土對(duì)實(shí)測結(jié)果的影響[8-10].

試件縱向尺寸長為Sa，試件中間部分舊混凝土縱向尺寸長為So，聲速值vo、回彈值Ro均已知.在舊混凝土的兩側(cè)為新澆筑混凝土，其尺寸Sn已知，利用超聲回彈綜合法檢測時(shí)，可以測得整個(gè)試件的聲速值va，新澆筑混凝土部分的回彈值Rn.由于雙側(cè)加固混凝土試件是由三部分，兩種強(qiáng)度組成，計(jì)算外包混凝土的強(qiáng)度時(shí)應(yīng)剔除舊混凝土部分對(duì)超聲聲速的影響.

本文旨在探索只對(duì)測區(qū)三(見圖1)進(jìn)行檢測的情形下，計(jì)算試件的強(qiáng)度值(測區(qū)二在加固前已知).根據(jù)試件的尺寸及聲速比例關(guān)系可得

(3)

整理可得

(4)

將試驗(yàn)得到的相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(4)，并將試驗(yàn)得到的強(qiáng)度值和同齡期同條件標(biāo)準(zhǔn)試塊的實(shí)測抗壓值進(jìn)行對(duì)比，分析相對(duì)誤差.

由于新澆筑混凝土強(qiáng)度通常大于舊混凝土，在檢測中剔除舊混凝土的影響，使得結(jié)果更接近真實(shí)值.表3為新澆筑混凝土強(qiáng)度檢測值.由表3可知，剔除舊混凝土的影響后，外包混凝土的檢測強(qiáng)度與實(shí)測強(qiáng)度之間的相對(duì)誤差為9.8%<14%；若不剔除，則其相對(duì)誤差為19.4%，無法滿足規(guī)范要求.因此，在測試外包混凝土強(qiáng)度時(shí)應(yīng)考慮中間混凝土的影響，用式(4)剔除舊混凝土影響后，所得檢測結(jié)果能夠滿足檢測精度的要求，適用范圍更廣.

表3　新澆筑混凝土強(qiáng)度檢測值

對(duì)于舊混凝土部分，由于其整體設(shè)計(jì)強(qiáng)度均一，在運(yùn)用超聲回彈綜合法檢測其強(qiáng)度時(shí)可以直接使用遼寧地區(qū)專用測強(qiáng)曲線進(jìn)行檢測，將試驗(yàn)測得的相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(2)得到各試件的檢測強(qiáng)度值，將其與同齡期同條件的C20試塊的抗壓實(shí)測值進(jìn)行對(duì)比.

圖5為試件舊有部分檢測強(qiáng)度與試塊實(shí)測值對(duì)比圖.由圖5可知，利用超聲回彈綜合法檢測舊混凝土部分的強(qiáng)度與試塊實(shí)測抗壓強(qiáng)度間的相對(duì)誤差為11.08%<14%，能夠滿足規(guī)定的精度要求.

圖5　試件舊有部分檢測強(qiáng)度與試塊實(shí)測值對(duì)比Fig.5　Comparison in measured strength of old part ofspecimen and measured value of testing block

3.3超聲回彈綜合法測強(qiáng)時(shí)鋼筋對(duì)雙側(cè)加固混凝土強(qiáng)度影響分析

由于超聲波在鋼筋中的傳播速度約為5 300m/s，在混凝土中的傳播速度在3 000～5 000m/s之間，因此，在利用超聲回彈綜合法檢測混凝土強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)考慮鋼筋對(duì)超聲聲速的影響[11-12].試驗(yàn)中同一尺寸的三個(gè)試件根據(jù)有無鋼筋以及鋼筋網(wǎng)片的不同數(shù)量分別進(jìn)行了對(duì)比.在測量方式上分為兩種情形：超聲傳播方向平行于鋼筋軸向和垂直于鋼筋軸向.本文試驗(yàn)采用的混凝土聲速值相對(duì)較低，對(duì)于平行鋼筋軸向時(shí)的超聲聲速檢測值明顯偏大，易于剔除，因此，本文試驗(yàn)只考慮了超聲傳播方向垂直于鋼筋軸向時(shí)的情形.

圖6為超聲波的檢測方向，其中，鋼筋的軸線垂直于聲通路，L為混凝土試件的寬度，di為鋼筋的直徑，TT與Tn為超聲波發(fā)射探頭和接收探頭.當(dāng)超聲波完全經(jīng)過鋼筋的每個(gè)直徑時(shí)，檢測得到的聲時(shí)值將不能作為混凝土的準(zhǔn)確聲時(shí)值，需要對(duì)聲時(shí)加以修正，然后計(jì)算超聲聲速值.為了排除鋼筋對(duì)超聲聲時(shí)的干擾，聲時(shí)值的計(jì)算公式為

(5)

式中：L為兩探頭之間的距離；Ls為鋼筋直徑的總和，即∑di；vc、vs分別為超聲在混凝土和鋼筋中的傳播速度.

圖6　超聲波的檢測方向Fig.6　Testing direction of ultrasonic wave

表4為鋼筋網(wǎng)對(duì)超聲聲速的影響.由表4可知，有著三片鋼筋網(wǎng)的混凝土試件與素混凝土試件相比，聲速增加了0.7%，有著四片鋼筋網(wǎng)的混凝土試件與三片鋼筋網(wǎng)混凝土試件相比，超聲聲速增加了1.1%，在垂直鋼筋軸向的檢測中，鋼筋對(duì)超聲聲速影響較小，可以忽略.

表4　鋼筋網(wǎng)對(duì)超聲聲速的影響

4　結(jié)　論

本文通過分析得出以下結(jié)論：

1) 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)全國規(guī)范回彈測強(qiáng)曲線及遼寧地區(qū)測強(qiáng)曲線進(jìn)行了精度分析，結(jié)果表明，遼寧地區(qū)測強(qiáng)曲線跟試驗(yàn)結(jié)果更加吻合，適用于在遼寧地區(qū)推廣應(yīng)用.

2) 建立超聲回彈綜合檢測外包加固混凝土的計(jì)算公式，能夠擴(kuò)大原規(guī)范的適用范圍，測試結(jié)果精度較高，能夠達(dá)到工程應(yīng)用的要求，可以推廣到實(shí)際工程檢測中.

3) 鋼筋網(wǎng)對(duì)超聲在混凝土中的傳播速度有一定的影響，在實(shí)際檢測中應(yīng)盡量避免超聲傳播方向平行于鋼筋軸向的檢測，如無法避免，超聲測點(diǎn)應(yīng)盡量遠(yuǎn)離鋼筋軸線，必要時(shí)應(yīng)對(duì)聲速值進(jìn)行修正.在聲波垂直鋼筋軸向的檢測中，由于超聲綜合回彈法的參數(shù)不唯一，聲速變化較小，可以忽略鋼筋的影響.

4) 超聲回彈綜合法檢測經(jīng)雙側(cè)加固后的混凝土，在原理與實(shí)際檢測中都是可行的，降低了單一因素帶來的影響，結(jié)果更加可靠，且便捷性與檢測精度都能滿足工程實(shí)際需要.

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(責(zé)任編輯：鐘媛英文審校：尹淑英)

Strength-measuring method for bilateral reinforced concrete basedoncombinedultrasonic-reboundmethod

SONGFu-chun,LIUShuai-wei,KANGNing

(SchoolofTransportationEngineering,ShenyangJianzhuUniversity,Shenyang110168,China)

Inordertoanalyzethefeasibilityofcombinedultrasonic-reboundmethodindetectingthestrengthofconcretemembersafterbilateralreinforcement,theinfluenceofsteelbarontheultrasonicvelocitywasstudied.Withthecombinedultrasonic-reboundmethod,theeffectofoldconcretepartontheoverallstrengthofspecimenswasremoved,andthestrengthmeasurementfortheconcretespecimensafterbilateralreinforcementwasconductedincombinationwiththereboundvalue.Theresultsshowthatthestrength-measuringcurveinLiaoningareaissuperiortothatinthenationwidearea.Whenthenewdetectionmethodisusedtodetectthestrengthofspecimens,theresultscanmeettherequirementsinthespecification.Thesteelbarintheconcretemembercanmakethesoundtimevaluebecomesmaller.Theproposedmethodcanaccuratelydetectthestrengthofconcretespecimenswithbilateralreinforcement,whichbroadenstheapplicationrangeofcombinedultrasonicreboundmethodinengineering.

bilateralreinforcedconcrete;combinedultrasonic-reboundmethod;strength-measuringcurve;ageofconcrete;nondestructiveexamination;ultrasonicvelocity;detectionregion;strength

2015-12-24.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51178279/E080801)； 遼寧省高速公路管理局基金資助項(xiàng)目(201408)； 住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部基金資助項(xiàng)目(2015-K5-021).

宋福春(1971-)，男，遼寧遼陽人，副教授，博士，主要從事組合結(jié)構(gòu)橋梁、車橋耦合振動(dòng)等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.05.17

TU528

A

1000-1646(2016)05-0573-06

*本文已于2016-09-07 16∶08在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160907.1608.036.html