基于超声回弹综合法探索双侧加固砼的测强方法*

摘　要：为了分析超声回弹综合法检测经双侧加固后混凝土构件强度的可行性，研究了混凝土构件中钢筋对超声波速的影响，运用超声回弹综合法，剔除试件中旧混凝土部分对试件整体强度的影响，配合回弹值对经过双侧加固的混凝土试件进行强度检测.结果表明：辽宁地区测强曲线优于全国测强曲线；探索出的新检测方法对试件强度进行检测时，其结果能够达到规范要求的检测精度；混凝土构件中的钢筋能够使超声检测的声时值变小；该方法能够准确地检测出双侧加固混凝土试件的强度，拓宽了超声回弹综合法在工程中的应用范围.

关　键　词：双侧加固混凝土；超声回弹综合法；测强曲线；混凝土龄期；无损检测；超声声速；测区；强度

在我国，混凝土以其众多的优点，仍然是多种建筑结构主要采用的建筑材料.而且，在今后很长一段时期内，建筑结构上仍是以混凝土为主.随着时间的推移，越来越多的混凝土建筑物进入“老龄期”，加之自然以及各种人为因素的侵袭，许多建筑物急需或已经进行了相关的加固改造.增大截面加固法在混凝土结构加固中被广泛采用.在桥梁墩台和柱子等关键部位，通常采用混凝土进行双侧甚至外包的加固形式[1].混凝土强度的无损检测方法有很多，但既能保证较高的检测精度，又能在实际工程中进行广泛推广的方法却只有回弹法和超声法等为数不多的几种.目前，由于超声回弹综合法具有完善的规范和相对较高的检测精度，技术上也相对成熟，在工程实践中应用最为广泛，但此种方法一般适用于检测材质单一的混凝土.在对经过外包混凝土加固后的构件或部位进行检测时，由于新旧混凝土在强度和配合比上的差异，直接运用超声回弹综合法进行检测，不能反映出构件的真实强度.在超声回弹综合法检测混凝土强度的基础上，探索出一种对经过外包混凝土加固后的构件进行检测的方法，目前却缺乏相关研究.

对于超声回弹综合法在检测混凝土强度方面的研究已进行了很多.国外最早的超声回弹测强规范由罗马尼亚于1971年颁布，此后世界各国开始对超声回弹综合法进行了深入的研究.我国于20世纪50年代着手相关研究工作，目前，我国在常规领域已达到或领先了世界水平，并引进了新的参数以增加测强的精度.在理论和检测设备上，超声回弹综合法检测混凝土的强度均已发展得相当成熟[2-4].然而针对外包混凝土加固后构件的无损强度检测，在检测方法或相关理论研究上尚未见到相关文献的发表.

本文通过浇筑旧混凝土两侧外包新混凝土的试件来模拟混凝土增大截面加固.其中，旧混凝土设计强度等级为C20，两侧新浇筑混凝土设计强度等级为C30.在试件养护达到强度要求后，运用超声回弹综合法进行检测，以此探究超声回弹综合法在检测双侧加固混凝土强度时的可行性.在超声回弹综合法测强曲线[5]的选用上，根据《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》(CECS02：2005)[6]中的相关要求，经由同龄期、同条件下标准试块的抗压强度值来分别对全国测强曲线和辽宁地区测强曲线进行校核，以此选择本文试验的测强曲线.

1　超声回弹综合法的测强原理

超声法和回弹法是两种可以独立测得混凝土强度的无损检测方法.超声法测强的基本原理是：超声波传播速度与混凝土弹性性质密切相关，而混凝土弹性性质预期力学强度之间存在内在联系，因此可以建立超声在混凝土中的声速v与混凝土强度fcu之间的关系.回弹仪测强的基本原理是：通过回弹仪的冲击动能与混凝土的弹性性能相关来获得回弹值R与混凝土强度的关系.

由于单一方法的检测精度较差，而采用综合方法可以避免各自的缺陷，使结果更接近真实情况.超声回弹综合法通过在混凝土同一测区分别测得声时值和回弹值，然后利用已建立起来的测强公式测算该区域内混凝土的强度.

2　试验概况

本文共有9个试件，24个立方体抗压强度标准试块.试件的命名选用ultrasonic-reboundcombinedmethod的缩写URC，第二项为试件最大尺寸，第三项为编号分别对应素混凝土、三片钢筋网、四片钢筋网.试件的命名及尺寸如表1所示.

表1　试件的命名及尺寸

Tab.1　Denominationanddimensionsofspecimens

混凝土C20的配合比为mc0∶ms0∶mg0∶mw0=1∶1.100∶3.420∶0.550，C30配合比为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).试件形状为长方体，共分三部分，分两次浇筑完成.试件中间部分为旧混凝土，第一批次浇筑；在中间部分混凝土达到设计强度后，先凿毛，然后在其两侧浇筑C30等级的新混凝土.试件采用钢模板，在实验室中养护成型.

试件共分为三个测区，测点具体位置如图1所示，其中，O表示旧混凝土部分，N表示新加固的混凝土.

立方体标准试块分两个批次浇筑，即第一批次C20、第二批次C30强度等级标准试块分别浇筑12个，浇筑完成后进行与试件同条件下的养护.试块的测点布置如图2所示，其中，b为立方体试块的边长.

图1　试件测点位置布置图
Fig.1　Positionarrangementformeasuringpointsofspecimens

图2　标准试块声时、回弹测点布置图
Fig.2　Arrangementofsoundtimeandreboundtestingpointsforstandardtestingblock

超声发生器采用NM-4A非金属超声检测分析仪.回弹仪选用ZC3-A型中型回弹仪.压力机选用HYC-2000型电液式压力机.

对已经脱模完毕的试件画线标明测区和测点，按照试件的编号顺序逐个进行检测并记录数据.图3为试件的超声检测现场图.

在同一试件的同一测区，首先进行超声波速的检测，采用超声对测法按照预先划定的测点进行检测.在超声检测结束后进行回弹值的测定，回弹仪均沿水平方向测试混凝土试件的侧面.同龄期、同条件下的标准试块，在测量完其超声声速值和回弹值之后，放在压力机上进行加载，检测其抗压强度.试验中所有试件及试块由于龄期较短，在检测方式上所有检测均按照(CECS02：2005)中的常规方式进行，因此不考虑碳化对回弹值的影响.

3　试验结果及分析

图1中测区一和测区二超声对测距离为300mm.测区三所在部分为试件两端，进行超声波的对测时，对测距离随试件尺寸而定，超声波穿透顺序依次为：新—旧—新.运用超声回弹综合法检测混凝土抗压强度时，规范给定的全国混凝土测强曲线表达式为

辽宁省交通厅重点科研项目《辽宁区域超声回弹综合法检测混凝土强度的应用研究》中给出的辽宁地区专用测强曲线表达式[7]为

与试件同批次、同养护条件的立方体抗压标准试块，在龄期28d时，先经过超声回弹法检测其强度，然后用压力机加载至破坏，读取其实测强度值.表2为试块检测数据.根据(CECS02：2005)中的规定，分别对全国测强曲线及辽宁地区专用测强曲线进行校核，并选用精度最高的曲线作为此次试验的测强曲线.

经过计算，使用全国测强曲线时相对标准误差er=22.82%>15%；使用辽宁地区测强曲线时相对标准误差er=8.83%<14%.在辽宁省交通工程质量与安全监督局相关研究人员的研究中，全国曲线的相对标准误差为er=20.64%>15%，使用辽宁地区测强曲线时相对标准误差er=13.59%<14%.因此，辽宁地区测强曲线精度更高，能够满足使用要求.

图4为试块各强度值对比，其中，编号1～12试块为C20试块.可见运用辽宁地区测强曲线得出的试块强度值与试块实测值更为接近，全国测强曲线下试块强度值离散性较大.因此，辽宁地区测强曲线在辽宁地区有较好的适用性，能够满足规范的使用要求，在辽宁地区运用综合法测强时应优先选用.

表2　试块检测数据汇总表

Tab.2　Summaryofdetectiondatafortestingblock

图4　试块各强度值对比图
Fig.4　Comparisoninstrengthvaluesoftestingblock

在运用超声回弹综合法检测外包混凝土加固构件的强度时，为了快捷而精确地得到加固部位混凝土的强度，根据超声波的实际传播路线，需要在检测结果中考虑旧混凝土对实测结果的影响[8-10].

试件纵向尺寸长为Sa，试件中间部分旧混凝土纵向尺寸长为So，声速值vo、回弹值Ro均已知.在旧混凝土的两侧为新浇筑混凝土，其尺寸Sn已知，利用超声回弹综合法检测时，可以测得整个试件的声速值va，新浇筑混凝土部分的回弹值Rn.由于双侧加固混凝土试件是由三部分，两种强度组成，计算外包混凝土的强度时应剔除旧混凝土部分对超声声速的影响.

本文旨在探索只对测区三(见图1)进行检测的情形下，计算试件的强度值(测区二在加固前已知).根据试件的尺寸及声速比例关系可得

式中，

为新混凝土中的声速值.分别将试验检测得到的声速值及回弹值代入

，将

代入辽宁地区专用测强曲线后得到检测用推导公式，即

将试验得到的相关数据代入式(4)，并将试验得到的强度值和同龄期同条件标准试块的实测抗压值进行对比，分析相对误差.

由于新浇筑混凝土强度通常大于旧混凝土，在检测中剔除旧混凝土的影响，使得结果更接近真实值.表3为新浇筑混凝土强度检测值.由表3可知，剔除旧混凝土的影响后，外包混凝土的检测强度与实测强度之间的相对误差为9.8%<14%；若不剔除，则其相对误差为19.4%，无法满足规范要求.因此，在测试外包混凝土强度时应考虑中间混凝土的影响，用式(4)剔除旧混凝土影响后，所得检测结果能够满足检测精度的要求，适用范围更广.

表3　新浇筑混凝土强度检测值

Tab.3　Strengthmeasurementforfreshconcrete

对于旧混凝土部分，由于其整体设计强度均一，在运用超声回弹综合法检测其强度时可以直接使用辽宁地区专用测强曲线进行检测，将试验测得的相关数据代入式(2)得到各试件的检测强度值，将其与同龄期同条件的C20试块的抗压实测值进行对比.

图5为试件旧有部分检测强度与试块实测值对比图.由图5可知，利用超声回弹综合法检测旧混凝土部分的强度与试块实测抗压强度间的相对误差为11.08%<14%，能够满足规定的精度要求.

图5　试件旧有部分检测强度与试块实测值对比
Fig.5　Comparisoninmeasuredstrengthofoldpartofspecimenandmeasuredvalueoftestingblock

3.3　超声回弹综合法测强时钢筋对双侧加固混凝土强度影响分析

由于超声波在钢筋中的传播速度约为5 300m/s，在混凝土中的传播速度在3 000～5 000m/s之间，因此，在利用超声回弹综合法检测混凝土强度时，应考虑钢筋对超声声速的影响[11-12].试验中同一尺寸的三个试件根据有无钢筋以及钢筋网片的不同数量分别进行了对比.在测量方式上分为两种情形：超声传播方向平行于钢筋轴向和垂直于钢筋轴向.本文试验采用的混凝土声速值相对较低，对于平行钢筋轴向时的超声声速检测值明显偏大，易于剔除，因此，本文试验只考虑了超声传播方向垂直于钢筋轴向时的情形.

图6为超声波的检测方向，其中，钢筋的轴线垂直于声通路，L为混凝土试件的宽度，di为钢筋的直径，TT与Tn为超声波发射探头和接收探头.当超声波完全经过钢筋的每个直径时，检测得到的声时值将不能作为混凝土的准确声时值，需要对声时加以修正，然后计算超声声速值.为了排除钢筋对超声声时的干扰，声时值的计算公式为

式中：L为两探头之间的距离；Ls为钢筋直径的总和，即∑di；vc、vs分别为超声在混凝土和钢筋中的传播速度.

图6　超声波的检测方向
Fig.6　Testingdirectionofultrasonicwave

表4为钢筋网对超声声速的影响.由表4可知，有着三片钢筋网的混凝土试件与素混凝土试件相比，声速增加了0.7%，有着四片钢筋网的混凝土试件与三片钢筋网混凝土试件相比，超声声速增加了1.1%，在垂直钢筋轴向的检测中，钢筋对超声声速影响较小，可以忽略.

表4　钢筋网对超声声速的影响

Tab.4　Effectofsteelbarmeshonultrasonicvelocity

4　结　论

1) 根据试验结果对全国规范回弹测强曲线及辽宁地区测强曲线进行了精度分析，结果表明，辽宁地区测强曲线跟试验结果更加吻合，适用于在辽宁地区推广应用.

2) 建立超声回弹综合检测外包加固混凝土的计算公式，能够扩大原规范的适用范围，测试结果精度较高，能够达到工程应用的要求，可以推广到实际工程检测中.

3) 钢筋网对超声在混凝土中的传播速度有一定的影响，在实际检测中应尽量避免超声传播方向平行于钢筋轴向的检测，如无法避免，超声测点应尽量远离钢筋轴线，必要时应对声速值进行修正.在声波垂直钢筋轴向的检测中，由于超声综合回弹法的参数不唯一，声速变化较小，可以忽略钢筋的影响.

4) 超声回弹综合法检测经双侧加固后的混凝土，在原理与实际检测中都是可行的，降低了单一因素带来的影响，结果更加可靠，且便捷性与检测精度都能满足工程实际需要.

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Strength-measuring method for bilateral reinforced concrete basedoncombinedultrasonic-reboundmethod

(SchoolofTransportationEngineering,ShenyangJianzhuUniversity,Shenyang110168,China)

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

Key words：bilateralreinforcedconcrete;combinedultrasonic-reboundmethod;strength-measuringcurve;ageofconcrete;nondestructiveexamination;ultrasonicvelocity;detectionregion;strength

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51178279/E080801)；辽宁省高速公路管理局基金资助项目(201408)；住房与城乡建设部基金资助项目(2015-K5-021).

作者简介：宋福春(1971-)，男，辽宁辽阳人，副教授，博士，主要从事组合结构桥梁、车桥耦合振动等方面的研究.

*本文已于2016-09-07 16∶08在中国知网优先数字出版. 网络出版地址：http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160907.1608.036.html

基于超声回弹综合法探索双侧加固砼的测强方法*

1 超声回弹综合法的测强原理

2 试验概况

3 试验结果及分析

4 结 论

Strength-measuring method for bilateral reinforced concrete basedoncombinedultrasonic-reboundmethod

1　超声回弹综合法的测强原理

2　试验概况

3　试验结果及分析

4　结　论