王大勇

(1 廊坊市陽光建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司河北省混凝土質(zhì)量檢測技術(shù)創(chuàng)新中心， 廊坊 065000；2 廊坊市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心， 廊坊 065000)

0 引言

超聲回彈綜合法廣泛應用于土木工程結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強度現(xiàn)場檢測[1-3]?！冻暬貜椌C合法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程》(T/CECS 02—2020)[4](簡稱超聲回彈檢測規(guī)程T/CECS 02—2020)中提供了以超聲對測法測試立方體試塊混凝土聲速為基礎(chǔ)的國家統(tǒng)一測強曲線，并推薦優(yōu)先選擇超聲對測法對結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強度進行檢測，其次為超聲角測法、平測法。在工程實際檢測中，常遇到受檢構(gòu)件旁邊存在墻體、管道等障礙物的情況，受檢構(gòu)件僅能提供兩相鄰側(cè)面可供檢測，無法將收、發(fā)換能器布置成超聲對測法形式；超聲回彈檢測規(guī)程T/CECS 02—2020附錄D.1中提供了超聲角測法程序，提出了超聲角測法測點處收、發(fā)換能器幾何中心與構(gòu)件邊緣的距離不宜小于300mm，并給出了按直角三角形勾股弦定理計算斜邊長度(即超聲角測法測點處的收、發(fā)換能器幾何中心之間的距離)的計算公式。該規(guī)程上述規(guī)定僅限于超聲角測法所檢測混凝土構(gòu)件角部為直角的情況，未考慮并規(guī)定當受檢混凝土構(gòu)件角部為非直角、圓角以及缺角等特殊情況時，如何測量與計算超聲角測法測點間距的問題。

為能利用超聲對測法建立的超聲回彈綜合法測強曲線去計算超聲角測法測區(qū)混凝土換算強度，目前研究熱點主要集中在對超聲角測法聲速與超聲對測法聲速間的換算關(guān)系方面。超聲回彈檢測規(guī)程T/CECS 02—2020采用在構(gòu)件混凝土有代表性部位測量得到超聲角測法測區(qū)聲速與超聲對測法測區(qū)聲速，給出二者之間的修正系數(shù)，再利用超聲對測法建立的超聲回彈綜合法測強曲線去計算超聲角測法測區(qū)混凝土換算強度，但由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件實體混凝土為非勻質(zhì)體，該方法所得修正系數(shù)較難以全面反映同期澆筑成型的相同混凝土設(shè)計強度等級的多個構(gòu)件實體混凝土強度情況，代表性較差。袁廣州等[5]試驗結(jié)果表明，采用超聲角測法時換能器所激發(fā)超聲波在混凝土中的傳播機理與傳播路徑較為復雜，并給出在相同聲距的前提下，超聲對測法聲時大于超聲角測法聲時的結(jié)論。洪凱[6]對超聲角測法的測距取值進行了探討，提出了采用按同聲時測距相近原理對超聲角測法測距進行修正的方法。但目前未見有直接利用超聲角測法試驗數(shù)據(jù)回歸擬合，建立回彈超聲角測綜合法測強曲線的研究。

本文研發(fā)了角距儀測量裝置，給出了受檢混凝土構(gòu)件角部為非直角、圓角以及缺角等特殊情況時超聲角測法測點間距計算公式，并基于預拌泵送混凝土足尺結(jié)構(gòu)試驗模型柱兩相鄰側(cè)面由單面測區(qū)回彈值測試替代超聲回彈檢測規(guī)程T/CECS 02—2020中雙面測區(qū)回彈值測量、超聲角測法測區(qū)聲速測量采用固定測點間距的提高檢測效率與檢測精度的措施，對應測區(qū)鉆制的直徑100mm標準芯樣抗壓強度代替立方體試塊抗壓強度，以真實反映結(jié)構(gòu)實體混凝土強度。利用試驗數(shù)據(jù)，驗證其他以超聲對測法聲速所建立超聲回彈綜合法測強曲線的適用性與檢測精度，采用最小二乘法對測試得到的數(shù)據(jù)回歸擬合得到標稱能量2.207J回彈儀回彈超聲角測綜合法專用測強曲線，并進行實際工程驗證。

1 試驗設(shè)計

1.1 原材料與混凝土配合比

試驗用原材料為P·O42.5級、P·O52.5級水泥，S95級礦粉，Ⅱ級粉煤灰，中砂，粒徑為5.0～25.0mm碎石，高效泵送減水劑，混凝土拌合及養(yǎng)護用水(均為當?shù)赜米詠硭??；炷僚浜媳仍O(shè)計以強度為目標，采用復摻粉煤灰、礦粉并加入適量高效減水劑方式配置C20，C30，C40，C50，C60，C70共六個強度等級的混凝土，試驗混凝土配合比見表l。

試驗混凝土配合比/(kg/m3) 表1

1.2 足尺結(jié)構(gòu)模型

試驗混凝土由本地區(qū)生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定且產(chǎn)銷量較大的大型商品混凝土公司提供。圖1為泵送澆筑成型的大型足尺結(jié)構(gòu)模型，模型混凝土按《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》(GB 50666—2011)施工，構(gòu)件構(gòu)造配筋，其中試驗用柱幾何尺寸(長×寬×高)為500mm×500mm×2 200mm，縱向受力主筋為820，箍筋為8@200，混凝土保護層厚度設(shè)計值為25mm；澆筑成型24h后拆除柱模板并對混凝土覆膜保濕養(yǎng)護14個晝夜后，再自然養(yǎng)護，裸置備用。

圖1 足尺結(jié)構(gòu)模型

1.3 試驗方法

在足尺結(jié)構(gòu)模型混凝土柱兩相鄰側(cè)面沿高度方向各布置6個200mm×200mm測區(qū)。齡期14，28，60，90，180d時，采用標稱能量2.207J中型回彈儀在已布設(shè)測區(qū)柱的其中一側(cè)面進行單面測區(qū)回彈值測試后，由NM-4A型非金屬超聲波檢測儀進行超聲角測法測區(qū)聲時測量。50kHz厚度式收、發(fā)換能器采用凡士林與混凝土測試面耦合，測點處收、發(fā)換能器幾何中心距柱角部邊緣水平距離(試驗中該水平距離值基本固定在200mm)及其所在平面形成的二面角角度由自制角距儀裝置[7]測量或復核。在對應回彈值測量的測區(qū)鉆制直徑100mm標準芯樣，芯樣抗壓強度按《鉆芯法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 384—2016)試驗。

2 超聲角測法關(guān)鍵測量裝置

圖2為根據(jù)余弦定理原理研制的角距儀裝置示意圖。該測量裝置用于超聲角測法時，對收、發(fā)換能器測點所處位置及形成二面角角度進行測量。當兩個測量尺的管狀水準泡居中時的讀數(shù)為超聲測點距構(gòu)件角部邊緣的水平距離，此時游標角度盤示值為收、發(fā)換能器測點形成的二面角角度，按余弦定理通用式(1)計算的收、發(fā)換能器幾何中心之間的距離即為超聲波傳播路徑的長度。

圖2 角距儀裝置示意圖

(1)

式中：li,j為構(gòu)件第i測區(qū)第j測點收、發(fā)換能器幾何中心之間的距離，精確至1mm；li,j,1，li,j,2分別為構(gòu)件第i測區(qū)第j測點處收、發(fā)換能器幾何中心至構(gòu)件角部邊緣距離，精確至1mm；α為收、發(fā)換能器所處平面形成的二面角，精確至1rad。

當構(gòu)件角部為直角時，α取值π/2，則cos(π/2)=0，此時式(1)與超聲回彈檢測規(guī)程T/CECS 02—2020中計算式(D.1.3)一致。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 參數(shù)計算

(1)單面測區(qū)回彈值

由標稱能量2.207J中型回彈儀按《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 23—2011)進行單面測區(qū)回彈值測試，彈擊16個回彈值，去掉最大值和最小值各3個后，取余下10個回彈值的算術(shù)平均值為該測區(qū)回彈值，測區(qū)回彈值Rm,i按式(2)計算：

(2)

式中Ri,j為構(gòu)件第i測區(qū)第j測點的有效回彈值。

(2)超聲角測法測區(qū)聲速值

考慮收、發(fā)換能器所激發(fā)超聲波覆蓋構(gòu)件范圍更大以獲取足夠多混凝土質(zhì)量信息，并結(jié)合工程檢測實際情況，試驗中取遠離構(gòu)件角部邊緣200mm處的測區(qū)內(nèi)3個測點進行聲時ti,j測試。超聲角測法測區(qū)聲速vi按式(3)計算：

(3)

3.2 數(shù)據(jù)處理

采用《數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理和解釋 正態(tài)樣本離群值的判斷和處理》(GB/T 4883—2008)[8]中Grubbs準則對試驗數(shù)據(jù)進行檢驗。

3.3 國家及地區(qū)測強曲線適用性驗證

式(4)，(5)分別為以超聲對測法為基礎(chǔ)的超聲回彈檢測規(guī)程T/CECS 02—2020中國家統(tǒng)一測強曲線與文獻[9]廊坊地區(qū)超聲回彈綜合法測強曲線。

(4)

(5)

對混凝土強度等級為C20～C60的試驗數(shù)據(jù)按式(4)，(5)計算測區(qū)混凝土強度換算值，再按式(6),(7)計算得到相應測強曲線的平均相對誤差δ與相對標準差er,具體見表2。

(6)

(7)

式中：n為樣本數(shù)量；fcu,cor,i為對應第i測區(qū)標準芯樣抗壓強度，精確至0.1MPa。

由表2知，廊坊地區(qū)測強曲線誤差統(tǒng)計指標δ與er均優(yōu)于統(tǒng)一測強曲線相應指標值，但二者評價指標er值均明顯高于超聲回彈檢測規(guī)程T/CECS 02—2020中地區(qū)測強曲線的相對標準差不大于14%的規(guī)定，因此不能用于超聲角測法檢測結(jié)構(gòu)預拌泵送混凝土抗壓強度，應建立標稱能量2.207J中型回彈儀回彈超聲角測綜合法專用測強曲線。

測強曲線誤差統(tǒng)計結(jié)果 表2

回彈超聲角測綜合法測強曲線及相應統(tǒng)計指標 表3

3.4 回彈超聲角測綜合法測強曲線

圖3為單面測區(qū)回彈值、超聲角測法測區(qū)聲速值與混凝土抗壓強度關(guān)系。由圖3可知，隨著混凝土抗壓強度增加，超聲角測法測區(qū)聲速值與測區(qū)回彈值變大；芯樣抗壓強度50～70MPa對應的試驗數(shù)據(jù)點的離散性較大。

圖3 測區(qū)回彈值、測區(qū)聲速值與混凝土抗壓強度關(guān)系

分別采用線性函數(shù)與復合冪函數(shù)兩種數(shù)學模型作為待回歸測強曲線數(shù)學模型，以單面測區(qū)回彈值、超聲角測法測區(qū)聲速值為自變量，芯樣抗壓強度為因變量，按最小二乘法原理采用Excel軟件對249組有效試驗數(shù)據(jù)進行回歸擬合，得到的回彈超聲角測綜合法測強曲線及其相應統(tǒng)計結(jié)果見表3。

由表3知：1)在各混凝土強度等級區(qū)間，分別由線性函數(shù)與復合冪函數(shù)兩種數(shù)學模型回歸擬合得到的回彈超聲角測綜合法測強曲線的統(tǒng)計指標r，δ，er的數(shù)值相差不多，各相對標準差er值均滿足超聲回彈檢測規(guī)程T/CECS 02—2020中專用測強曲線相對標準差er不大于12%要求，其中復合冪函數(shù)測強曲線略優(yōu)；2)編號為6的測強曲線在混凝土強度等級C20～C70，C20～C60區(qū)間的相對標準差er值滿足超聲回彈檢測規(guī)程T/CECS 02—2020中專用測強曲線相對標準差er限值12%要求，但在混凝土強度等級C50～C70區(qū)間的相對標準差er值滿足地區(qū)測強曲線不大于14%要求，這與圖3結(jié)果一致。

式(8)為本文推薦的標稱能量2.207J中型回彈儀回彈超聲角測綜合法專用測強曲線，當采用式(8)計算強度等級C50～C70預拌泵送混凝土抗壓強度結(jié)果不滿足設(shè)計要求時，可采用式(9)計算測區(qū)混凝土換算強度，以提高檢測精度。

(8)

(9)

3.5 回彈超聲角測綜合法測強曲線檢驗

圖4為采用標稱能量2.207J中型回彈儀回彈超聲角測綜合法專用測強曲線(式(8)，(9))計算得到的測區(qū)混凝土換算強度與芯樣抗壓強度、相對誤差與芯樣抗壓強度的散點圖，其中相對誤差=(測區(qū)混凝土換算強度值-芯樣抗壓強度值)/芯樣抗壓強度值×100%。由圖4(a)可見，根據(jù)式(8)計算的測區(qū)混凝土換算強度的散點基本均勻分布在y=x線兩側(cè)，式(9)較式(8)計算的測區(qū)混凝土換算強度的散點分布相對更為緊湊、對稱。由圖4(b)可見，根據(jù)式(8)計算得到的相對誤差在芯樣抗壓強度的平面散點中間穿過，相對誤差散點分布具有隨機性，不存在明顯偏區(qū)段；根據(jù)式(9)計算得到的相對誤差更為緊湊地圍繞在x軸上下，且在高強混凝土區(qū)段多為負偏差，表明其換算結(jié)果偏于保守。

圖4 混凝土換算強度與芯樣抗壓強度比較及相對誤差分布

3.6 實際工程驗證

對某新建工程中隨機抽取的框架柱或剪力墻構(gòu)件角部進行回彈超聲角測綜合法測試，在每個構(gòu)件布置3個角測區(qū)。由于在框架柱混凝土中鉆取芯樣會給構(gòu)件承載安全帶來隱患，故采取在與其相鄰或相連的剪力墻混凝土中隨機鉆取3個直徑為100mm的標準芯樣進行混凝土抗壓強度試驗。

表4為實際工程構(gòu)件驗證數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，表中構(gòu)件1為混凝土強度等級為C40的框架柱，其所對應的3個標準芯樣取自相鄰的同齡期、同強度等級的混凝土剪力墻；構(gòu)件2為混凝土強度等級為C30框架柱，其所對應的3個標準芯樣取自與其相連的同齡期、同強度等級的混凝土剪力墻；構(gòu)件3為強度等級為C30短肢L形剪力墻，其所對應的3個標準芯樣取自相鄰的同齡期、同強度等級且構(gòu)件長度較大的混凝土剪力墻。構(gòu)件的混凝土齡期均在回彈超聲角測綜合法專用測強曲線適用范圍內(nèi)。

實際工程驗證數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果 表4

由表4知，采用式(9)計算得到的測區(qū)混凝土換算強度均值與芯樣抗壓強度均值之間的相對誤差較小且均為負值，這表明本文所建立的標稱能量2.207J中型回彈儀回彈超聲角測綜合法專用測強曲線具有較高檢測精度且偏安全，能用于實際工程結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強度的現(xiàn)場檢測。

4 結(jié)論

(1)利用超聲角測法試驗數(shù)據(jù)，對以超聲對測法測區(qū)聲速參數(shù)回歸建立的超聲回彈綜合法測強曲線的適用性進行驗證，結(jié)果表明，采用以超聲對測法測區(qū)聲速參數(shù)回歸建立的超聲回彈綜合法測強曲線計算超聲角測法測區(qū)混凝土抗壓強度存在較大誤差。

(2)提出了利用超聲角測法試驗數(shù)據(jù)直接回歸擬合回彈超聲角測綜合法測強曲線技術(shù)理念，并給出了標稱能量2.207J中型回彈儀回彈超聲角測綜合法專用測強曲線，此測強曲線可用于結(jié)構(gòu)預拌泵送混凝土C20～C70抗壓強度檢測，結(jié)果可供結(jié)構(gòu)混凝土強度質(zhì)量檢測與控制參考。

(3)在足尺結(jié)構(gòu)模型混凝土柱兩相鄰側(cè)面進行系統(tǒng)試驗，由單面測區(qū)替代雙面測區(qū)回彈值測試，保持超聲角測法測距基本固定不變得到測區(qū)角測聲速值，沿構(gòu)件高度方向原位鉆取的標準芯樣抗壓強度全面反映結(jié)構(gòu)混凝土質(zhì)量，拓展了建立超聲回彈綜合法測強曲線的思路。

(4)自制的角距儀裝置可準確測量超聲角測法測點所處位置及形成二面角角度，然后可根據(jù)余弦定理精準計算超聲角測法測點間距，適用于混凝土構(gòu)件角部為直角、非直角以及圓角、缺角等情況的測量。