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升拓技术—衬砌混凝土强度检测(四川升拓检测技术有限责任公司,四川成都610045)摘要混凝土强度是混凝土最重要的性能指标,反映的是材料破坏时的承载力,受业主方委托,我公司对尕曲水电站导流隧洞衬砌的强度、厚度以及灌浆质量进行了检测其中,衬砌混凝土强度采用表面波法为了验证测试结果的精度,业主还进行了钻芯取样和压载试验,总数为24个关键词混凝土强度检测,混凝土厚度检测,灌浆质量检测,无损检测,升拓技术在各种混凝土结构中,混凝土质量是非常重要的,直接影响到预应力梁的耐久性和安全性然而,预应力梁体积庞大,形状也较为复杂目前,通常利用混凝土试件(150×150×300的棱形试件)进行压载试验,以便测试混凝土的压缩强度和弹性模量但是,试件与构件在浇筑、振捣、养护等方面均有不小的区别,因此仅仅根据试件的测试结果并不能保证梁构件的质量同时,对于既有混凝土结构,采用钻孔取样的方法显然存在诸多局限长期以来,基于超声波的测试方法得到了一定的应用,然而,其局限性(如测试范围窄、功能单一等)也日益显著,在测试裂缝深度、混凝土模量等方面的精度也因理论方面的缺陷而一直得不到提高为此,自90年代以来,基于冲击弹性波(超声波为其一特例)的测试技术得到了飞速的发展,最广为人知的当为PIT(基桩完整性测试)方法近年来,将冲击弹性波推广并应用于混凝土结构物的材质(强度、模量)、缺陷(裂缝、剥离、内部空洞、蜂窝等)以及几何尺寸(厚度、埋深等)的无损检测和评价已成为国际热门的研究方向,而且逐步进入工程实际应用例如,美国材料学会标准ASTM-C1383-98就规定了利用弹性波测试混凝土厚度和波速的测试方法在日本土木学会也基于冲击弹性波波速,对混凝土结构和试样弹性模量以及强度进行了标准化和规范化我们开发的预应力混凝土梁的无损检测系统SPE-MATS中也包括了针对混凝土质量的测试技术其中,能够准确、快速地测试混凝土的弹性模量、混凝土强度是重要的特点
1.基本原理
3.
2.1基本原理在本系统中,采用冲击弹性波作为测试媒介,通过测试弹性波的波速,据此计算材料的动弹性模量和推算相应的静弹模,进而根据静弹模与抗压强度的相关关系推算混凝土的抗压强度其核心在于精确地测试混凝土材料的弹性模量混凝土的弹性模量不仅影响到结构的变形,而且也是反映混凝土质量、耐久性的重要指标1)可以反映材料的刚性特性,在结构的变形计算中是重要的参数特别是对于高强度混凝土,简单地采用抗压强度反推弹模的方法往往具有较大的误差;2)混凝土材料的老化往往先从弹模的降低开始,而新建结构的施工不良也会在弹模方面有所显现为此,在高铁梁的施工中,不仅要求控制抗压强度(通常为C50),也要求控制弹模在
34.5GPa以上在本系统中,弹模的测试主要是通过对波速的测试对于1维均质弹性体,其弹性模量与弹性波P波波速的关系可以表示为 1-1其中,为材料的密度,对于混凝土,一般为2400kg/m3左右当测试对象为2维或3维时,P波速度有一定的变化2维 1-2 3维 (1-3)而对于表面波(瑞利波),其关系可以表示为 瑞利波 (1-4)一般来说,混凝土的动泊松比为
0.2~
0.25,其不同波速间的比较如下表1-1混凝土弹性模量测试项目一览表动泊松比
0.
201.
051.
020.
5881.
780.
251.
101.
030.
5811.89需要指出的是,上面得到的是材料在小应变条件下的动弹性模量(),而非静弹性模量对于钢材这样的均质弹性材料,与非常接近,而对于混凝土这样的非线性材料而言,与之间则有一定的差异英国钢筋混凝土结构设计规范BS8110(Part2)中,对于高性能混凝土(GPa) (1-5)而根据Neville
[11]的研究成果,有 (1-6)在本系统中,采用了1-6式的计算方法由于测试对象和测试位置的不同,在系统中也集成了多种测试方法主要有1)基于反射特性的测试方法,如冲击回波法;2)基于透过特性的测试方法,如单面传播法和双面透过法表1-2混凝土弹性模量测试项目一览表方法/弹性波测试方案测试对象梁、柱P波冲击回波法在构件的侧面、内面测试构件局部的混凝土质量P波单面传播法P波双面透过法在构件的两端测试较大范围的混凝土质量板、壁、坝体P波冲击回波法在板、壁的上表面测试需预先测出板的厚度P波单面传播法R波表面波法厚度应大于20cm试件P波冲击回波法在试件的一端测试棱形试件、标准试件
2.构件测试构件测试应首先考虑选用P波测试,但在隧道衬砌、挡墙、坝体等仅有一个测试面,以及厚度未知的厚板时,应考虑采用表面波法1)单面(重复)反射法在被测混凝土结构的壁厚既知的前提下,利用弹性波的重复反射,可测出弹性波在被测混凝土试件的传播时间和弹性波波速,从而计算出混凝土的弹性模量,进而能够推算混凝土的强度指标该方法也称“冲击回波法”,具有测试效率高、测试结果客观性强的特点,可优先采用图2-1单面反射(冲击回波)法针对构件(试件)的形状与测试的位置,该方法又可分为纵向测试与横向测试
(1)纵向测试测试弹性波的传播/反射方向与结构的长轴平行(如基桩);
(2)纵向测试测试弹性波的传播/反射方向与结构的短轴平行(如楼板);图2-2单面反射法的种类波速可由板厚与反射时间求出2)单面传播法在混凝土壁厚未知时,可在同一表面测P波并通常可得到2维弹性波波速图2-3单面传播法该方法对测试对象的要求最小,但P波信号一般较为微弱,因此需要采用移动传感器距离多次测试,即VMC(虚拟多频道)技术结合检层技术,还可以对层状结构(如混凝土表面有装饰层、风化层)进行测试图2-4单面传播法测试层状结构此外,由于瑞利波信号能量比P波强,对于面积较大、厚度较厚的板、壁等结构,采用瑞利波测试也是有效的方法3)双面透过法在条件允许时,采用双面透过法的方法测试3维弹性波波速,可测试整个构件的弹性模量图2-5双面透过法(左冲击锤,右打击锤)表2-1混凝土结构弹性模量测试方法比较方法优点缺点冲击回波法测试效率高、精度好要求壁厚既知单面传播法在壁厚未知时也可测试受表面状态(如装饰层)影响小测试效率低,精度稍差双面透过法测试范围广,精度高要求双面作业、对测试条件有一定要求在钢筋混凝土结构中,由于弹性波在钢筋中传播的速度要快于在混凝土中的速度,会给测试带来误差为此,我们开发了相应的钢筋影响修正技术,并申请国家发明专利4)表面波法当厚度大于20cm时,采用表面波法是可行的通过改变激振波长,还可以改变测试影响深度图2-6表面波法
3.测试流程图3-1混凝土材质无损检测流程
4.抗压强度的验证混凝土强度是混凝土最重要的性能指标,反映的是材料破坏时的承载力,因此难以用无损检测的方法进行测试但是,对于配合比相对类似的混凝土,其弹性模量与抗压强度之间有很好的相关关系因此,根据测试的弹性模量和标定的弹性模量~抗压强度关系,可以间接地推算混凝土的抗压强度为此,我们与合作伙伴一道,也在国内外十数个工程,分别对混凝土试件(包括标准立方体、棱柱体、圆柱体等)和构件(采用钻孔取芯验证)进行了弹性模量(由前述的弹性波波速计算)~抗压强度关系的研究表4-1混凝土弹性模量~抗压强度测试验证一览(单面重复反射法)测试地点测试对象测试时间测试单位桂林某隧洞10cm圆柱体芯样2011.03中国水利水电科学研究院山西西龙池电站10cm圆柱体芯样2010.07北京清华大学棱形试件2011.04清华大学水利系北京某混凝土厂10cm圆柱体芯样2011.04冶金建筑设计研究总院河南连霍高速15cm标准件2011.05本公司河南连霍高速15cm标准件2010.10本公司湖南衡阳祁东梁场15cm棱形试件2010.10本公司四川理工学院15cm标准件2011建筑工程系研究结果表明1)对于普通配比的混凝土结构或试件,由单面反射法得到的弹性模量~抗压强度之间有良好的相关关系(图4-1)2)对于普通配比的混凝土结构,由单面传播法得到的弹性模量~抗压强度之间也有比较良好的相关关系(图4-3),但该相关系数低于用单面反射法其原因在于单面传播法测试的范围较大,而作为比较的钻孔则范围小,两者不完全重合而单面反射法则不存在该问题;3)当混凝土中添加剂等有较大变化时(如特种混凝土),上述相关关系则会发生改变此时应做相应的标定4)对于低于C50的普通硅酸盐混凝土,则具有非常高的相关性(相关系数达
0.96)(4-1)在本系统中,采用本回归式对混凝土的强度加以推算图4-1普通混凝土的弹性模量~抗压强度关系(单面反射法)图4-2普通混凝土的弹性模量~抗压强度关系(单面传播法)图4-3普通混凝土的弹性模量~抗压强度关系(强度低于C50)照片4-1不同配比混凝土块的验证测试
5.与规范的对应根据,“公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范”JTGD62-2004和“混凝土结构设计规范”(GB50010-2002),混凝土立方体抗压强度标准值和弹性模量之间有如下的对应关系(5-1)对高强混凝土,计算值需要乘以
0.90换而言之,(5-2)表5-1混凝土弹性模量Ec(GPa)~强度等级的关系强度等级C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60C65C70C75C80Ec
22.
025.
528.
030.
031.
532.
533.
534.
535.
536.
036.
537.
037.
538.0对比图4-1和4-3,可以看出,本技术得到的混凝土强度与模量的关系与静载得到的关系曲线(JTGD62-2004和GB50010-2002)十分接近特别是对于通常的混凝土(C15~C50),考虑到规范中是指混凝土抗压强度的标准值,所以两条曲线几乎完全重合鉴于本技术测得的弹性模量具有很高的精度,因此,可以推断本技术得到的混凝土抗压强度是具有很高可信度的但需要注意的是,在混凝土强度等级超过C50时,Ec与抗压强度间的相关关系的离散有增加的趋势为了提高测试精度,利用混凝土试件或者芯样进行标定是有意义的为此,我们开发了简易标定方法图5-1普通混凝土的弹性模量~抗压强度关系(与规范的对应)
6.现场验证
①龄期及位置的影响(中铁二局湖南祁东制梁场,
2010.09)对不同龄期(龄期为
3.5d、7d、9d、10d、14d、15d、150d)的预制梁,在不同部位(梁顶板中部、腹板)测试了混凝土的材质(浇筑质量)根据测试结果,可以得到
(1)随着龄期的增加,混凝土的弹性模量也相应增加;
(2)腹板下部混凝土的弹性模量Ec明显高于上部其原因在于在浇筑过程中混凝土的分离,即水分上浮,固形物下沉,同时下部混凝土受到压密作用从而密实度有所增加;
(3)尽管并非同一片梁,得到的规律仍然十分明显照片6-1测点布置图图6-1测点位置与弹性模量趋势图
②现场强度测试对比验证(青海尕曲水电站导流隧洞,
2012.10)受业主方委托,对尕曲水电站导流隧洞衬砌的强度、厚度以及灌浆质量进行了检测其中,衬砌混凝土强度采用表面波法为了验证测试结果的精度,业主还进行了钻芯取样和压载试验,总数为24个照片6-2现场检测情景照片6-2压载试验情景根据式(4-1)测试得到的强度与压载强度的对比如下图所示,平均绝对误差为
1.08MPa、误差率为
11.1%考虑到测试范围、位置的偏差,测试精度是十分令人满意的图6-3测试强度对比图纵向测试横向测试双层构造渐变构造(Mirage构造)试件结构单面反射法单面反射法(厚度既知)双面透过法有2个测试面单面传播法动弹模弹性模量抗压强度钢筋修正动弹模波速修正波速修正。