混凝土质量检测技术.docx
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混凝土质量检测技术
混
凝
土
质
量
检
测
技
术
目录
1测试的意义2
2混凝土质量测试方法和原理3
2.1基本原理3
2.2构件测试4
2.3试件测试6
2.4测试波速修正6
2.5测试流程7
3模型及现场验证7
3.1弹性模量的验证7
3.2抗压强度的验证10
3.3与规范的对应12
3.4龄期及位置的影响（某梁场，2010.09）13
4特点和适用范围14
4.1特点14
4.2适用范围15
4.3与超声波相比的优越性15
4.4与回弹仪相比的优越性17
1测试的意义
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是重要的特点。
混凝土多功能检测仪（SPC-MATS）S型
2混凝土质量测试方法和原理
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：
（3-1）
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：
（3-2）
3维：
（3-3）
而对于表面波（瑞利波），其关系可以表示为：
瑞利波：
（3-4）
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32-1混凝土弹性模量测试项目一览表
动泊松比
0.20
1.05
1.02
0.588
1.78
0.25
1.10
1.03
0.581
1.89
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）：
（3-5）
而根据Neville[11]的研究成果，有：
（3-6）
在本系统中，采用了3-6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31混凝土弹性模量测试项目一览表
方法
测试方案
测试对象
梁、柱构件
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
单面传播法
双面透过法
在构件的两端测试
较大范围的混凝土质量
板构件
冲击回波法
在板的上表面测试
需预先测出板的厚度
单面传播法
试件
冲击回波法
在试件的一端测试
棱形试件、标准试件
2.2构件测试
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32-1单面反射（冲击回波）法
对于板、壁结构，波速
可由板厚
与纵向共振频率
求出。
（3-7）
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32-2A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32-2B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32-3双面透过法
表32-1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。
2.3试件测试
采用单面（重复）反射法（即冲击回波法），但其波速的修正方法与构件不同。
2.4测试波速修正
表32-1混凝土结构测试波速比较（取泊松比为0.25）
对象
梁、柱、块体、厚板
薄板
棱形试件
标准试件
方法
冲击回波法
单面传播法
双面透过法
冲击回波法
单面传播法
冲击回波法
冲击回波法
波速
1.05×0.96
1.05
1.08
1.03×0.96
1.03
1
0.93
2.5测试流程
图32-4混凝土材质无损检测流程
3模型及现场验证
3.1弹性模量的验证
3）金属材料的验证
对于钢材等金属材料，其材质均匀，动、静弹性模量之间基本一致（低碳钢的弹性模量在200～210GPa之间，平均为206GPa）。
因此，利用对金属材料弹性模量的测定，可以验证我们开发的测试方法和设备。
表3-3-1和图3-2-1表示了我们利用不同方法对钢筋弹性模量的测试的结果。
表3-3-1钢筋弹性模量测试结果（单位：
GPa）
钢筋长度（m）
单面反射法
双面透过法（打击）
双面透过法（冲击
测试值
相对误差
测试值
相对误差
测试值
相对误差
0.5
206.6
0.29%
174.4
-15.34%
180.9
-12.18%
1.0
209.1
1.50%
206
0.00%
208.3
1.12%
2.1
207.8
0.87%
207.8
0.87%
206.7
0.34%
3.5
206.5
0.24%
206.1
0.05%
205.8
-0.10%
5.5
205.5
-0.24%
205.2
-0.39%
208.7
1.31%
图3-2-5钢筋弹性模量测试结果图
可以看出，当钢筋长度较短（如小于1m），由于波的到达时刻的读取误差，使得用透过法测得的误差较大，建议采用单面反射法测试。
对于钢筋长度大于1m时，各种测试方法均能够很好的测试，充分说明了本技术测试的可靠性和精度。
此外，我们也对钢柱及钢绞线进行了验证试验。
表33-2金属验证测试结果一览
测试对象
钢柱
钢绞线
直径/长度
D140、厚4mm/1.5～2.5m
D7、3～60m
模量/密度
200～210GPa、7800kg/m3
196GPa、7800kg/m3
理论波速（km/s）
5.06～5.19
5.01
实测波速（km/s）
5.18（±1%）
5.00（±1%）
4）混凝土材料的验证
我们在国内外不同单位也进行了弹性模量验证试验。
试验条件如下：
表33-2混凝土梁弹性模量验证测试条件一览
测试单位
测试对象
本系统检测方法
验证方法
（株）セントラル技研.
大型试块
圆柱体试件
单面传播法
静载+应变片
中铁二局祁东梁厂
棱形试件
单面重复反射法
静载+位移计
清华大学水利系
棱形试件
单面重复反射法
共振法试验
照片33-1混凝土梁弹性模量验证测试
图33-1混凝土弹性模量验证结果图
从图中可以看出：
1）测试精度高：
本系统测出的Ec/Ed与现行方法测出的值的之间的标准偏差小于5%；
2）适用范围广：
不仅适合于试件（棱形、圆柱），还可以适合于现场结构。
3.2抗压强度的验证
混凝土强度是混凝土最重要的性能指标，本系统可以方便并且较高精度地测试混凝土结构的强度。
但是，强度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，根据前述直接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33-2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，即：
图3-3-2普通混凝土的弹性模量～抗压强度关系（单面反射法）
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3-3-4），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；
图3-3-3普通混凝土的弹性模量～抗压强度关系（单面传播法）
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）：
（3-5）
图3-3-4普通混凝土的弹性模量～抗压强度关系（强度低于C50）
照片33-2不同配比混凝土块的验证测试
3.3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：
（3-6）
对高强混凝土，计算值需要乘以0.90。
换而言之，
（3-7）
表33-3混凝土弹性模量Ec（GPa）～强度等级的关系
强度
等级
C15
C20
C25
C30
C35
C40
C45
C50
C55
C60
C65
C70
C75
C80
Ec
22.0
25.5
28.0
30.0
31.5
32.5
33.5
34.5
35.5
36.0
36.5
37.0
37.5
38.0
对比图3-3-2和3-3-4，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，将另行说明。
图3-3-4普通混凝土的弹性模量～抗压强度关系（与规范的对应）
3.4龄期及位置的影响（某梁场，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33-3测点布置图图3-36测点位置与弹性模量趋势图
4特点和适用范围
4.1特点
1）测试精度高：
尽管利用超声波/弹性波测试混凝土的弹性模量的方法由来已久，但一直未能广泛应用，其原因有多种，包括波长的影响、钢筋的影响以及动、静模量间的差别等。
本公司在大量试验验证的基础上，开发了相应的对应和修正方法。
经过大量的试验验证，表明本系统的测试精度和可靠性完全可以媲美一般的静载试验。
2）功能齐全：
不仅可精确测试混凝土的弹性模量，而且可以推算混凝土的抗压强度、蜂窝等浇筑缺陷以及壁厚等尺寸；
3）测试盲区少、适用范围广
（1）位置：
本套测试系统可以对应铁道预应力混凝土梁的绝大部分位置；
（2）尺寸：
可对从0.1m的混凝土试样，到长达100m的桥梁进行测试；
（3）龄期：
可对不同龄期的混凝土进行测试。
不仅可以对新建混凝土结构的浇筑质量进行检测，还可以对已有的结构的健康状况进行检测和评价；
（4）种类：
我们标定的弹模～强度标准曲线可以适用于大多数普通混凝土。
同时，当配比不明或者需要进一步提高测试精度时，仅需要少数几个钻芯取样即可自动对曲线进行修正。
4）具备丰富的图形处理机能：
具有弹性波雷达扫描（EWR）、计算机层析解析（CT）和自动快速处理机能、快速成像和虚拟多频道技术（VMC）；
5）丰富的工程经验和大量的验证：
针对混凝土结构的检测，本系统在国内外数百个工程中得到了应用。
4.2适用范围
1）弹性模量的测试
适用于各类混凝土和各类构件、试件。
2）抗压强度的测试
适用于各类构件、试件，但注意区分普通混凝土和高强混凝土。
对于高强混凝土，其模量～抗压强度的关系与普通混凝土的模量～抗压强度关系往往有较大的不同。
4.3与超声波相比的优越性
作为相似技术，超声波（或非金属超声波）作为混凝土结构无损检测的方法也有较为广泛的应用。
但是，由于精度、测试范围等原因，其在实际使用中存在很多局限。
（1）测试范围窄：
由于超声波的发射能量的限制，使得其测试范围一般在几十cm之内，难以适用于混凝土结构。
（2）功能单一：
由于发射、接收装置的构造上的限制，超声波装置一般仅适用于透过法，需要两个平行的测试作业面；
（3）受钢筋影响大：
由于超声波发生的信号在钢筋中的传播速度快于其在混凝土中的传播速度，因此其测试结果很容易受到钢筋的影响；
（4）测试精度低；由于波长、测试方法等原因，超声波装置对混凝土的测试精度长期以来都未能得到有效的提高。
从理论上讲，利用超声波波速也可以测试混凝土的弹性模量。
对此，学者们做了大量的研究工作。
孙丛涛等（2010）通过实验发现，混凝土动弹模与超声波声速间的关系可以表示为：
（3-2）
但其相关系数只有0.78。
同样，张玉敏等（2002）采用非金属超声波测试得到的超声波波速、换算得到的Ed与弹性模量Ec间的关系如下图所示。
可以看出，超声波声速换算得到的Ed要远大于混凝土的Ec，而且不同试验得到的关系并不一致。
图34-1超声波波速与混凝土弹性模量间的关系
下图是日本建筑学会所作的超声波声速与混凝土抗压强度间的相关关系，可以看得出，其相关系数仅为0.4左右，从而难以实用。
图34-2超声波波速与混凝土抗压强度（圆柱体）间的关系
此外，超声波对铁棒、管测试得到的波速往往在5.3～5.8km/s左右，比1维理论值也要快5～10%。
尽管其原因常常被解释成管波、分散等原因的影响，但其严重影响了测试结果的稳定性也是不争的事实。
尽管弹性波的测试与超声波相比有很多类似之处，但由于其具有频谱响应特性好、能量大等特点，使得其在测试范围、精度、功能等方面均得到了大幅度的提高。
同时，我们开发的针对钢筋的修正方法很好地解决了钢筋影响的问题。
其中，弹性波波长较长，使得其测试的稳定性方面较超声波有很大的提高。
根据学者的研究[11]，当弹性波的波长大于混凝土中骨料直径的10倍以上时，骨料颗粒对弹性波的散射影响将大大降低。
图34-3弹性波波长/骨料直径与散射影响的关系
上图中，相关系数（coherentcoefficient）越小，表示弹性波在混凝土中传播时的扭曲越大，骨料的影响越明显。
4.4与回弹仪相比的优越性
回弹仪具有结构简单、操作方便等优点，长期以来是最主要的现场检测设备之一。
然而，其缺陷和问题一直无法得到很好的解决：
（1）测试范围浅：
一般测试的深度范围只有数cm，无法对内部结构进行检测；
（2）测试精度低；回弹仪的测试受表面状况（凹凸、湿度等）的影响很大。
当表面有装修、涂层时需要凿除；
（3）无法测试弹模：
由于回弹仪测试完全根据相关关系，目前一般无法测试混凝土的弹性模量。
而本技术则很好地解决了上述问题。
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