DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.05.028

瓯越大桥混凝土超声回弹综合法专用测强曲线

刘汉勇^{1, 2}，赵尚传¹，江力财³

 (1. 交通运输部公路科学研究院  桥梁技术研究中心，北京，100088；

2. 清华大学  土木工程系，北京，100084；

3. 大连理工大学  土木工程学院，辽宁 大连，116024)

摘要：为解决瓯越大桥混凝土强度无损检测技术，通过试验系统研究单掺、双掺粉煤灰和矿粉对混凝土回弹值、声速代表值与抗压强度关系的影响，分别建立使用普通回弹仪和高强回弹仪时的瓯越大桥混凝土超声回弹综合法专用测强曲线，并通过现场试验验证所建立专用测强曲线的可靠性。研究结果表明：当粉煤灰最大掺量为取代35%的水泥用量，矿粉最大掺量为取代50%的水泥用量时，掺合料类型和掺加方式对混凝土回弹值和声速代表值与抗压强度的关系均无显著影响；使用普通回弹仪和高强回弹仪建立的超声回弹综合法专用测强曲线公式分别适用于对强度等级为C35~C80和C50~C80的同类混凝土进行强度无损检测，使用方便，且具有较高精度。

关键词：桥梁工程；测强曲线；试验研究；瓯越大桥；超声回弹综合法

中图分类号：U446.3          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)05-1668-07

Special strength curve of ultrasonic-rebound combined method for concrete of Ouyue River Bridge

LIU Hanyong^{1, 2}, ZHAO Shangchuan¹, JIANG Licai³

 (1. Research Center of Bridge Technology, Research Institute of Highway Ministry of Transport, Beijing 100088, China;

2. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;

3. School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Abstract: In order to develop the non-destructive test technology of concrete strength for Ouyue River Bridge, a series of experiments were carried out to investigate the influences of mixing ways (single-mixed and double-mixed) of fly ash and ground slag on the relationship of concrete rebound values and representative value of ultrasonic velocity with compressive strength. Then, the special strength curves of ultrasonic-rebound combined method for concrete of Ouyue River Bridge were established based on the test results with normal rebound instrument and high-strength rebound instrument, respectively. The reliability of special strength curves was verified by the field test. The results show that mixing ways of fly ash and ground slag have no influences on the relationship of concrete rebound values and representative value of ultrasonic velocity with compressive strength when the content of fly ash is less than 35% and the content of ground slag is less than 50%. The strength curve equation of ultrasonic-rebound combined method with normal rebound instrument and high-strength rebound instrument can be used to carry out non-destructive test to the concrete with a strength grade of C35~C80 and C50~C80, respectively.

Key words: bridge engineering; special strength curve; experimental study; Ouyue River Bridge; ultrasonic-rebound combined method

回弹法是非破损检测技术检测混凝土抗压强度的一种常用方法，是利用混凝土的表面硬度(回弹值)与混凝土抗压强度之间的关系来推定混凝土抗压强度的一种间接检测混凝土抗压强度的方法^[1]。但对于内部存在缺陷，或表层与内部质量存在明显差异的混凝土构件，回弹法难以很好地反映混凝土的质量^[2]。超声回弹综合法可根据测得的回弹值和声速代表值，基于已建立的测强曲线公式推算混凝土抗压强度，由于使用了2种非破损检测手段，该方法在一定程度上弥补了单一检测方法的不足。目前，超声回弹综合法逐渐成为结构无损检测领域中用于推定混凝土抗压强度的最常用的方法之一^[3-4]。我国公路交通行业一直沿用中国工程建设标准化协会制定的“超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程”(CECS 02)中的混凝土超声回弹综合法测强曲线。由于我国幅员辽阔，材料分散，混凝土品种繁多，加之生产工艺又不断改进，全国统一测强曲线很难适应全国各地的情况。现行行业标准“超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程”(CECS 02: 2005)^[5]指出：“凡有条件的省、自治区、直辖市，可采用本地区常用的有代表性的材料、成型养护工艺和龄期为基本条件，建立本地区测强曲线或大型工程专用测强曲线。为提高混凝土强度换算值的准确性和可靠性，进行混凝土强度无损检测时，应优先采用专用或地区测强曲线。”当前，国内许多地区通过试验建立了地区测强曲线或专用测强曲线^[6-9]，这些测强曲线公式大都采用CECS 02: 2005附录A提供的三参数幂函数的形式进行拟合。部分研究人员认为，三参数幂函数拟合公式并不是超声回弹综合法测强曲线的最佳拟合公式，这些研究人员提出了五参数幂函数拟合公式、多项式拟合公式、指数函数拟合公式、组合测强曲线公式等多种不同的公式形式，在一定程度上提高了超声回弹综合法测强曲线公式的拟合精度^[10-12]。另外，为提高测试精度，张竞男等^[13-14]在超声回弹综合法的基础上又引入了钻芯法，形成了超声-回弹-钻芯综合测强法。这些研究提升了超声回弹综合法的测试精度，为该方法的推广应用奠定了基础。也有学者专门针对超声回弹综合法在检测桥梁结构中的应用进行了专门研究^{[9, 15]}，为该方法更好的应用于桥梁结构检测奠定了基础。瓯越大桥为连接温州市与永嘉县的交通枢纽，主桥桥跨布置为(84+200+84) m=368 m，采用三孔一联的钢-混凝土混合梁连续刚构桥。为解决瓯越大桥混凝土强度无损检测技术，本文作者进行了专门的试验研究，根据测试结果建立了瓯越大桥混凝土超声回弹综合法专用测强曲线。测强曲线的建立，既可服务于瓯越大桥后期的检修、养护管理，也可为该地区的其他工程提供参考。

1  试验

1.1  试验设备

ZC3-A型普通回弹仪(标准能量2.207J)和H450 (GHT450)高强混凝土回弹仪(标准能量4.50J)，前者用于对所有批次混凝土试块进行回弹测试，后者用于对C50及以上强度等级的混凝土试块进行回弹测试；ZBL-U510非金属超声检测仪；300 t压力试验机。

1.2  试验材料

试验试件的成型和测试工作均在瓯越大桥施工现场进行，试验所用原材料均取自现场，与瓯越大桥所用原材料相同。

水泥：安徽海螺水泥股份有限公司生产的P.II 52.5硅酸盐水泥，其物理力学性能见表1。

表1  P.II 52.5水泥性能指标

Table 1  Performance indexes of P.II 52.5 cement

掺合料：粉煤灰为温州电厂的I级粉煤灰，其技术指标见表2；矿粉选用张家港恒昌产矿粉，其技术指标见表3。

集料：细集料为福建产中砂，细度模数2.7；粗集料为温州产碎石，5~25 mm连续级配。

减水剂：选用南京凯迪产PC聚羧酸高性能减水剂，经测试，混凝土坍落度为200 mm时，减水率为25.8%，掺加PC聚羧酸高性能减水剂后，混凝土泌水率比为8.3%。

拌合用水：普通自来水。

表2  粉煤灰技术指标

Table 2  Performance indexes of fly ash

表3  矿渣性能指标

Table 3  Performance indexes of ground slag

1.3  试验试件

针对瓯越大桥承台、墩柱所采用的掺加了大掺量掺合料和外加剂的海工混凝土，设计了5个强度等级的混凝土试块：海工C35，C40，C50，C60和C70；针对瓯越大桥箱梁所采用的高强混凝土，设计了5个强度等级的混凝土试块：箱梁C40，C50，C60，C70和C80；针对瓯越大桥钢混结合段所采用的微膨胀混凝土，设计了微膨胀C60混凝土试块；为研究掺合料类型对超声回弹综合法测强曲线的影响，选取海工C50混凝土的配合比作为基准配合比，调整掺合料用量，分为单掺粉煤灰、单掺矿粉和二者复掺3种情况。以上每种情况每个龄期制作9个边长为150 mm的立方体试块，全部试验共计制作了1 530个混凝土试验试块。

试验所用混凝土采用施工现场的搅拌站搅拌，试验试块采取室外自然养护。

1.4  测试过程

参照CECS 02: 2005中的相关规定，于7 d，14 d，28 d，60 d，90 d，180 d和365 d龄期，分别依次测试每一混凝土试块的超声值、回弹值和抗压强度。超声测点布置见图1，回弹测点布置见图2。

图1  超声测点布置图

Fig. 1  Ultrasonic point layout diagram

图2  回弹测点布置图

Fig. 2  Rebound point layout diagram

2  测试结果分析

2.1  掺合料对测强曲线的影响

为分析掺合料类型对测强曲线(回弹值、超声值与抗压强度的关系)的影响，本文共设计了3种掺合料掺加方式的混凝土试块，分别为单掺粉煤灰(15%，25%和35%)、单掺矿粉(15%，35%和50%)和双掺粉煤灰与矿粉。这里对使用不同掺合料的混凝土试块的测试结果进行分析，明确掺合料类型对回弹值、超声值与抗压强度关系的影响，为建立超声回弹综合法专用测强曲线奠定基础。

2.1.1  掺合料类型对回弹值与抗压强度关系的影响

根据测试结果，3类试验试件的回弹值(R_m)与抗压强度(f_cu)的关系如图3所示。从图3(a)可以看出：使用ZC3-A型普通回弹仪测得的3类试验试件的回弹值与抗压强度之间的关系点大致分布在相同的条带范围内，且回弹值随抗压强度的增长呈现出相同的发展规律，均接近线性关系，使用ZC3-A型普通回弹仪测得的回弹值与抗压强度之间的关系并未受到掺合料类型的影响。

图3  回弹值与抗压强度的关系

Fig. 3  Relationship between rebound value and compressive strength

从图3(b)可以看出：使用H450型高强回弹仪测得的3类试验试件的回弹值与抗压强度之间的关系均呈现出二次抛物线关系，且数据点分布在大致相同的条带范围内，也未明显受到掺合料类型的影响。

2.1.2  掺合料类型对超声值与抗压强度关系的影响

根据测试结果，3种掺合料掺加方式的试验试件测得的声速代表值(v)与抗压强度的关系如图4所示。由图4可以看出：3类试验试件测得的声速代表值与抗压强度之间的关系点大致分布在相同的条带范围内，且声速代表值随抗压强度的增长呈现出大致相同的发展规律，未明显受到掺合料类型的影响。

综上所述，可以认为：在本文所采用的掺合料用量范围内(粉煤灰最大掺量为取代35%的水泥用量，矿粉最大掺量为取代50%的水泥用量)，掺合料类型对试验试件的回弹值和声速代表值与抗压强度的关系无明显影响。经分析，掺合料用量对回弹值、超声值与抗压强度的关系也无明显影响。因此，可将测得的所有数据综合在一起，以便回归得到瓯越大桥混凝土超声回弹综合法专用测强曲线。

图4  超声波速与抗压强度的关系

Fig. 4  Relationship between ultrasonic velocity and compressive strength

2.2  普通回弹仪超声回弹综合法测强曲线

将所测得的所有试验试件的回弹值(ZC3-A型普通回弹仪)、声速代表值以及抗压强度绘于坐标系中，如图5所示。选取不同的函数形式对测试结果进行拟合，经试验，使用多项式函数、三参数幂函数及五参数幂函数进行拟合时具有较高的拟合精度，3种函数形式的拟合结果及相对误差如表4所示，3种函数的回归曲面见图5。从表4可以看出：3种回归公式的相对误差e_r均满足CECS 02: 2005要求的超声回弹综合法专用测强曲线相对误差e_r≤12.0%的要求，其中，五参数幂函数公式的相对误差最小，因此，本文建议使用五参数幂函数公式作为瓯越大桥混凝土超声回弹综合法专用测强曲线公式：

f_cu^c=11.276(v-3.278)^0.776(R_m-25.58)^0.461     (1)

式中：f_cu^c为混凝土立方体抗压强度换算值；v为测区混凝土声速代表值；R_m为ZC3-A型普通回弹仪测得的测区平均回弹值。

2.3  高强混凝土回弹仪超声回弹综合法测强曲线

将使用H450型高强回弹仪所测得的回弹值、声速代表值以及抗压强度绘于坐标系中，如图6所示，同样选取多项式函数、三参数幂函数及五参数幂函数对测试结果进行拟合，拟合结果及相对误差如表5所示，3种函数的回归曲面见图6。从表5可以看出：3种回归公式的相对误差e_r均满足CECS 02: 2005要求的超声回弹综合法专用测强曲线相对误差e_r≤12.0%的要求，五参数幂函数公式的相对误差最小，因此，本文建议使用五参数幂函数公式作为瓯越大桥混凝土超声回弹综合法专用测强曲线公式：

f_cu^c=1.436(v-4.341)^0.361(R_m2+44.349)^0.873    (2)

式中：R_m2为H450型高强回弹仪测得的测区平均回弹值。

对比测强曲线公式(1)和(2)可以看出：2个测强曲线公式均满足CECS 02: 2005要求超声回弹综合法专用测强曲线相对误差e_r≤12.0%的要求，且式(1)和式(2)的精度相当。故本文建立的普通混凝土回弹仪超声回弹综合法测强曲线可用于对强度等级C35~C80的同类混凝土进行强度无损检测，高强混凝土回弹仪超声回弹综合法测强曲线可用于对强度等级C50~C80的同类混凝土进行强度无损检测。

表4  回归公式比较(ZC3-A型普通回弹仪)

Table 4  Comparison of regression equation (ZC3-A rebound instrument)

图5  数据点及回归曲面(ZC3-A型普通回弹仪)

Fig. 5  Data point and regression surface (ZC3-A rebound instrument)

图6  数据点及回归曲面(H450型高强回弹仪)

Fig. 6  Data point and regression surface (H450 rebound instrument)

表5  回归公式比较(H450型高强回弹仪)

Table 5  Comparison of regression equation (H450 rebound instrument)

3  测强曲线验证

为验证本文所建立的瓯越大桥混凝土超声回弹综合法专用测强曲线的可靠性，在瓯越大桥施工现场成型了2个箱型混凝土试件，其一采用瓯越大桥承台、墩柱所采用的海工C40混凝土，另一试件采用瓯越大桥箱梁所采用的C60混凝土，试件外边缘的长×宽×高为1 500 mm×1 500 mm×1 500 mm。

于不同龄期(28 d，78 d和90 d)分别对2个箱型试件进行超声测试和回弹测试，并钻取芯样(直径100 mm、高径比1:1)，测试芯样的抗压强度。测试结果见表6~8。其中表6和表7中的回弹值为使用ZC3-A型普通回弹仪测得，表8中的回弹值为使用H450型高强回弹仪测得。

从表6和表7可以看出：使用测强曲线公式(1)推定C40箱型试件的混凝土抗压强度时，最大相对误差为5.3%，推定C60箱型试件的混凝土的抗压强度时，最大相对误差为6.3%。从表8可以看出：使用本文建立的测强曲线公式(2)推定C60箱型试件的混凝土抗压强度时，其最大相对误差为7.8%。可见，本文建立的普通回弹仪测强曲线公式(1)和高强回弹仪测强曲线公式(2)均具有较高的精度，可用作对瓯越大桥混凝土进行强度无损检测。

从表6和表7还可以看出：当使用CECS 02: 2005中的全国统一测强曲线公式推定C40箱型试件和C60箱型试件的混凝土抗压强度时，其最大相对误差分别为29.2%和29.0%，使用统一测强曲线公式计算得到的2个箱型试件混凝土抗压强度远低于芯样抗压强度。可见，本文建立瓯越大桥混凝土超声回弹综合法专用测强曲线是十分必要的。

表6  C40箱型混凝土试件测试结果

Table 6  Test results of C40 box-type specimen

表7  C60箱型混凝土试件测试结果(ZC3-A型普通回弹仪)

Table 7  Test results of C60 box-type specimen (ZC3-A rebound instrument)

表8  C60箱型混凝土试件测试结果(GHT450型高强回弹仪)

Table 8  Test results of C60 box-type specimen (GHT450 Rebound Instrument)

4  结论

1) 在本文所采用的掺合料用量范围内(粉煤灰最大掺量为取代35%的水泥用量，矿粉最大掺量为取代50%的水泥用量)，掺合料类型和用量对混凝土超声回弹综合法测强曲线无明显影响。

2) 根据试验结果分别建立了瓯越大桥混凝土普通回弹仪超声回弹综合法专用测强曲线和高强回弹仪超声回弹综合法专用测强曲线，测强曲线公式采用五参数幂函数形式，具有较高的精度。

3) 本文建立的普通混凝土回弹仪超声回弹综合法测强曲线可用于对强度等级C35~C80的同类混凝土进行强度无损检测，高强混凝土回弹仪超声回弹综合法测强曲线可用于对强度等级C50~C80的同类混凝土进行强度无损检测。

4) 通过现场试验对本文所建立的瓯越大桥混凝土超声回弹综合法专用测强曲线公式进行了验证，结果表明本文所建立的专用测强曲线公式具有较高的精度，可以作为瓯越大桥混凝土强度无损检测的依据。而使用CECS 02: 2005中的全国统一测强曲线推定瓯越大桥混凝土抗压强度时会造成抗压强度推定值远低于实际抗压强度。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2015-05-12；修回日期：2015-07-25

基金项目(Foundation item)：浙江省交通运输厅科技计划项目(2012H24) (Project(2012H24) supported by the Science and Technology Program of Zhejiang Provincial Department of Transportation)

通信作者：刘汉勇，博士，副研究员，从事桥梁长期性能研究；E-mail: hy.l@rioh.cn