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粗骨料与粒径对混凝土的检查原理

前言

混凝土是当代建筑工程中最主要的结构材料之一。

由于混凝土通常是在工地或搅拌站进行配料、搅拌、成型、养护，所以每一个环节稍有不慎都将影响其质量，危及整个结构的安全。

因此，加强混凝土的质量监测与控制成为当今建筑工程技术中的重要课题，作为结构工程质量检测，其中主要的内容之一就是现场检测混凝土的强度[1]。

众所周知，混凝土的主要质量指标历来是以标淮试件的抗压强度为依据的。

试件抗压强度试验在全世界已延用80多年，成为混凝土与钢筋混凝土结构的设计、施工及验收的基本依据。

我国所制定的《普通混凝土力学性能试验方法》（GBJ181-85）及《混凝土强度检验评定标准》（GBJl07—87），对这一试验法作出了明确的规定，为按试件强度进行混凝土质量监控奠定了基础。

但必须看到，混凝土标准试件的抗压试验对结构混凝土来说，毕竞是一种间接测定值。

由于试件的成型条件、养护条件及受力状态都不可能和结构物上的混凝土完全一致，因此，试件测量值只能被认为是混凝土在特定的条件下的性能反映，而不能代表结构混凝土的真实状态，至少在下述情况下，混凝土试件抗压强度不可能如实反映结构混凝土的性能：

（1）当混凝土施工中发现某一施工环节存在问题，对结构混凝土强度产生怀疑时；

（2）当试件的取样、制作、养护等未按规定进行，对其可信度产生怀疑时；

（3）当结构混凝土受自然环境的侵蚀或受灾害性因素而损害时。

我国《混凝土强度检验评定标准》（GBJl07—87）中规定：

“当对混凝土强度试件的代表性有怀疑时，可用从结构中钻取试样的方法或采用非破损检验方法，按有关标准的规定对结构或构件中混凝土的强度进行推定”，这里所说的非破损检验方法，就是指在不影响结构或构件受力性能或其他使用功能的前提下，直接在结构或构件上通过测定某些适当的物理量，并通过这些物理量与混凝土强度的相关性，进而推定混凝土强度、均匀性、连续性、耐久性等一系列性能的检测方法[2]。

混凝土测定强度的技术按其对混凝土结构的影响程度分为破损法和非破损法。

破损法以不影响结构或构件的承载能力为前提，在结构或构件上直接进行局部破坏性试验，或直接钻取芯样进行破坏性试验。

主要方法有：

钻芯法、拨出法、射击法等。

此类方法较直观可靠，测试结果易为人们接受，但对混凝土结构造成局部破坏，不宜大范围检测且费用较高，因而受到种种限制[3]。

非破损（无损）法以混凝土强度与某些物理量之间的相关性为基础，检测时在不影响结构或构件混凝土任何性能的前提下测试这些物理量，然后根据相关关系推算被测混凝土的强度推定值。

其主要方法有：

回弹法、超声法、超声回弹综合法、射线法、成熟度法等。

此类方法所用仪器简单、操作方便、费用低廉，同时便于大范围检测，在有严格的测强曲线的条件下，其测试精度较高[4]。

1国内混凝土无损检测技术的发展概况

混凝土作为一种最重要、用量最大的工程材料，自19世纪初问世以来，已有近200年的历史。

在这一漫长的发展过程中，如何赋予它一些明确的性能指标，以及如何获得和控制这些性能，一直是人们在应用中不断探索的问题之一。

对于如何测定这些性能，则是上述探索的基础。

首先被采用的混凝土性能试验方法是“试件试验”[5]。

早在1911年英国皇家建筑学院（RIBA）的研究报告中，就已把立方体抗压强度试验列为推荐方法，此后迅速被各国采用，并一直延用至今。

这类方法以试件破坏时的实测值代表混凝土的性能指标。

“试件试验”方法已延用近一百年，已成为混凝土结构设计、施工及验收规范的基本依据。

但由于试件中的混凝土与结构物中的混凝土：

质量、受力状态，混凝土成型和养护条件都不可能完全一致，所以试件实测值只能被认为是混凝土在特定条件下的性能反映，而不能完全确切地代表结构物原位混凝土的质量状况。

尤其是对已建成的老建筑及受灾害因素影响的建筑物需要对其安全性作出评估时，“试件试验”就更无法满足要求。

因此，人们一直希望找到一种能在建筑物原位直接测量混凝土各项性能的方法[6]。

早在20世纪30年代初，人们就已开始探索和研究混凝土无损检测方法，致使该方法取得了迅速的发展。

1930年首先出现了表面压痕法。

1935年格里姆（G．Grimet）、艾德（J．M．Ide）把共振肤用于测量混凝土的弹性模量。

1948年施米特（E．Schmid）研制成功回弹仪。

1949年加拿大的莱斯利（Leslie）和奇斯曼（CHeesman）、英国的琼斯（R.Jones）等运用超声脉冲进行混凝土检测获得成功。

接着，琼斯又使用放射性同位素进行混凝土密实度和强度检测，这些研究为混凝土无损检测技术奠定了基础。

随后，许多国家也相继开展了这方面的研究。

如前苏联、罗马尼亚、日本等国家在50年代都曾取得许多成果。

60年代，罗马尼亚的弗格瓦洛（L．Facaoaru）提出用声速、回弹法综合估算混凝土强度的方法，为混凝土无损检测技术开劈了多因素综合分析的新途径。

70年代声发射技术被引入混凝土检测体系，吕施（K．Rusch）、格林（A．T．Green）等人先后研究了混凝土的声发射特性，为声发射技术在混凝土结构中的应用打下了基础。

80年代中期，美国的ManSansalone和NicholasJ．Carino实现了在水泥混凝土等集结型非金属、复合材料中采用机械波反射法进行无损检测的目标。

此外，无损检测的另一个分支——钻芯法、拔出法、射钉法等半破损法也得到了发展，从而形成了一个较为完整的混凝土无损检测方法体系[7]。

近年来，国外在这方面的研究工作方兴未艾，尤其值得注意的是，随着科学技术的发展，无损检测技术也突破了原有的范畴，涌现出一批新的测试方法，包括微波吸收、雷达扫描、红外热谱、脉冲回波等新技术。

而且，测试内容由强度报定、内部缺陷探测等扩展到更广泛的范畴，其功能由事后质量检测，发展到了事前的质量反馈控制。

我国在这一领域的研究工作始于20出纪50年代中期，开始引进瑞士、英国、波兰等国的回弹仪和超声仪，并结合工程应用开展了许多研究工作。

60年代初即开始批量生产回弹仪，并研制成功了多种型号的超声检测仪；在检测方法方面也取得了许多进展。

70年代以后，我国曾多次组织力量合作攻关，80年代着手制订了一系列技术规程，并引进了许多新的检测技术，大大推进了结构混凝土无损检测技术的研究和应用。

随着电子技术的发展，仪器的研制工作也取得了新的成就，并逐步形成了自己的生产体系。

90年代以来，无损检测技术继续向更深的层次发展，许多新技术得到应用，检测人员队伍不断壮大，素质迅速提高[8]。

进人90年代以来，我国建设工程质量管理引起广泛关注并提出一系列重大举措，从而进一步加强了无损检测技术在建设工程质量管理中的作用和责任，也进一步推动了检测方法方面的蓬勃发展，已有力法更趋成熟和普及，同时新的方法不断涌现。

其中，雷达技术，红外成像技术，冲击回波技术等都进入了实用阶段，在声学检测技术方面的最大进展，则体现在对检测结果分析技术方面的突飞猛进，例如在测缺技术方面，其分析判断方法由经验性判断上升为数值判据判断，又由数值判据上升为成像判断，测试仪器也由模拟型仪器发展成为数字型仪器，为信号分析提供了物质基础。

2回弹法检测混凝土强度

回弹法检测混凝土强度的基本原理是利用混凝土强度与表面硬度之间的关系，用一定的弹力将钢锤的冲击力传到混凝土表面上，其初始动能发生再分配，一部分能量以塑性变形或残余变形的形式为混凝土所吸收，而另一部分与表面硬度成正比的能量传给重锤，使钢锤回弹一定的高度，根据回弹高度与混凝土强度成正比的关系推算混凝土强度[12]。

回弹法检测是指以在结构或构件混凝土上测得的回弹值和碳化深度来评定结构或构件混凝土强度的方法。

通常，在对试块试验有疑问时，作为混凝土强度检验的依据之一。

采用回弹法检测不会对结构和构件的力学性质和承载能力产生不利影响，因而被广泛应用于工程验收的质量检测。

回弹法现场检测混凝土结构强度的方法是1948年瑞士工程师斯密特发明了回弹仪后发展起来的。

我国从70年后期开始，组织了协作攻关，在大量研究工作的基础上，提出了具有我国特色的回弹仪标准状态和考虑混凝土碳化因素的测强曲线，编制了《回弹法评定混凝土抗压强度技术规程》（JGJ23—2001）。

使得回弹法测强方法在我国得到了全面推广应用。

3.1回弹法仪器简介

混凝土回弹仪是用一弹簧驱动弹击锤并通过弹击杆弹击混凝土表面所产生的瞬时弹性变形的恢复力，使弹击锤带动指针弹回并指示出弹回的距离。

以回弹值（弹回的距离与冲击前弹击锤至弹击杆的距离之比，按百分比计算）作为混凝土抗压强度相关的指标之一，来推定混凝土的抗压强度。

它是用于无损检测结构或构件混凝土抗压强度的一种仪器。

回弹仪具有轻便、灵活、价廉、不需电源、操作简单，适合于现场建筑工程使用等特点。

相应的回弹仪检定规程及回弹法检测抗压强度技术规程的制定实施《混凝土回弹仪》（JGJ817—2001）、《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ／T23—2001）、《回弹法检测高强度混凝土技术规程》（Q／TYl7—2000），保证了它的检测精度[13]。

目前，回弹仪类型较多。

常用的有HT225A型回弹仪（如1）和2001年新研制的ZCX型智能数字回弹仪（在原大量使用的机械回弹仪基础上配置相应的传感器，将机械位移转化成电信号，以数字形式直接显示与存储），均属N型[14]。

图1回弹检测仪

回弹法是国内进行现场检测使用较多的一种方法,针对混凝土的现状，在使用回弹法时应注意以下几点：

（1）应建立地区长期测强曲线，以提供可靠的经验数据。

（2）不同的湿度环境下的混凝土强度问题，需要经过一系列试验获取不同湿度修正系数。

（3）碳化深度对回弹推定值影响很大，而实际中混凝土掺合料、脱模剂、粉刷层等因素会影响碳化深度的测定,要加以甄别，防止“假碳化”而产生误判。

对有些检测单位先磨去表面碳化层，然后再进行回弹做法有异议，认为由于磨去表面碳化层，其表面呈多相组分状态，因而回弹点不易确定；并根据试验数据，建议对早期龄期碳化深度超过0.5mm的混凝土构件，采用钻芯回弹综合法进行检测。

（4）对于龄期超过1d～1000d范围的混凝土，不能直接采用JGJ/T232—2003回弹法检测混凝土抗压强度技术规程附录A的强度换算表进行换算，回弹后采用同条件试件或钻取混凝土芯件进行修正。

（5）规程指出,结构或构件的混凝土强度定值是指相应于强度换算值总体分布中保证率不低于95%的结构或构件的混凝土抗压值。

实际检测中，不能直接将混凝土强度推定值与混凝土设计强度等级的数值做对比，应注意现场混凝土构件的回弹强度值往往低于混凝土设计强度等级这一事实，根据检测的目的和实际情况来综合判定结构或构件的强度情况[15]。

3.2提高回弹法检测精确度的方法

3.2.1测试操作规范化

回弹法本身是一种科学的操作方法，操作规范与否直接影响测试的准确度。

在回弹仪检测全过程中，都应注意保持仪器操作姿势的正确：

一手握住回弹仪中前部位，另一手握住仪器尾部的尾盖。

操作基本要领是：

用力推压均匀缓慢，扶正垂直对准测面，不晃动，准确读数，快速复位。

但实际检测中却很少有人按照标准规定的技术要求进行检测操作，责任心不强，敷衍了事，这样的检测将带来较大的测试误差，无法保证回弹质量。

因此，应加强检测人员的责任心，只有这样，才能真正提高回弹法的检测精度[16]。

3.2.2注意碳化深度的测量

碳化深度值的测量准确与否与回弹值一样，直接影响混凝土强度的精度。

在碳化深度的测试中，应注意以下几点：

一是深度值应为垂直距离，而非孔洞中呈现的非垂直距离；二是测孔中的粉末和碎屑一定要清除干净并不得用水擦洗；三是测试前应采用酚酞质量分数为1%的酒精溶液滴在孔内壁的边缘处，当已碳化与未碳化界线清楚时，再进行测量,测量不应少于3次，取其平均值，每次读数精确至0.5mm。

另外还需特别注意，由于现在所用水泥掺和料品种繁多，有些水泥水化后不能立即呈现碳化与未碳化的界线，需等待一段时间才能测量，这一点检测人员一定要注意[17]。

3.2.3注意混凝土回弹值的修正

在运用回弹法检测混凝土强度时，必须要事先了解到施工单位浇筑混凝土的方式，并注意修正。

这是因为泵送混凝土使用的普及，由于其流动性大，粗骨料粒径较小，砂率增加，混凝土的砂浆包裹层偏厚，导致表面硬度降低。

另外，当检测时回弹仪为非水平方向且测试面为混凝土侧面时，一定要先按非水平状态检测时的回弹值进行修正，然后再按角度修正后的回弹值对不同浇筑面的回弹值进行修正，这种先后修正的顺序不能颠倒，更不能用分别修正后的值直接与原始值相加或相减，否则将造成计算错误，影响对混凝土强度的推定[18]。

3.2.4合理采用测强曲线

JGJ/T23—2001规程中的统一测强曲线并不一定适合于所有地区的所有工程，规程中提出对有条件的地区和部门，应制定本地区的测强曲线，经上级主管部门组织审定和批准后实施。

各检测单位应按专用测强曲线，地区测强曲线，统一测强曲线的次序选用测强曲线[19]。

4超声-回弹综合法检测混凝土强度

4.1基本概念

结构混凝土强度的综合法检测，就是采用两种或两种以上的单一方法或参数（力学的、物理的或声学的等）联合测试混凝土强度的方法。

由于综合法，比单一法测试误差小和较宽的适用范围。

因此在混凝土的质量控制与检测中的应用愈来愈多。

一般来说，在合理选择各种单一方法组合的前题下，所采用的非破损测试方法越多，混凝土强度的测试精度也越高。

图2非金属超声波检测仪

采用综合法测量混凝土强度时应符合以下原则：

（1）单一法的仪器性能、测试技术和测试误差都应满足规定的要求；

（2）在已查明单一法测强影响因素的基础上，应当采取对测强影响较大且相反的单进行综合，以便抵消或减少一些影响因素；

（3）综合法比单一法应具有较小的测试误差和较宽的适应范围；

（4）综合法适用于确定内部无缺陷部位的混凝土强度。

综合法测定混凝土强度的方法是较多的，如“超声波传播速度—回弹值”、“超声波传播速度—表面硬度”、“超声波传播速度—超声波衰减值”、“超声波传播速度—回弹值—碳化深度”以及“砂浆超声波传播速度—回弹值—碳化深度”等等综合法。

面声速—回弹综合法是国内外研究最多，应用最广的一种方法[20]。

4.2超声回弹综合法的原理和依据

超声和回弹法都是以材料的应力应变行为与强度的关系为依据的。

但超声速度主要反映材料的弹性性质；同时，由于它穿过材料，因而也反映材料内部构造的某些信息。

回弹法反映了材料的弹性性质，同时在一定程度上也反映了材料的塑性性质，但它只能确切反映混凝土表层（约3cm）的状态。

因此，超声与回弹值的综合，既能反映混凝土的弹性，又能反映混凝土的塑性；既能反映表层的状态，又能反映内部的构造，自然能较确切地反映混凝土的强度。

超声－回弹综合法可以抵消或减少某些因素的影响，提高测试精度。

单一方法都是通过某一物理参数推定混凝土强度R的。

各物理参数的测定精度及所受影响因素是不同的。

如混凝土的声速V除受粗骨料的影响外，还受混凝土含水量的影响；回弹值N除受表面状态影响外，也受混凝土含水量的影响。

当混凝土含水量较大时，其内部孔隙和微裂缝被水填充，使声速V偏高；但在水的作用下，混凝土的表面硬度降低导致回弹值N偏低。

碳化的混凝土表面硬度增大，因此在碳化后的混凝土表面测得的回弹值N偏高。

采用超声-回弹综合法后，这些因素的影响可以减少或抵消，从而提高了曲线结果的可信度，降低了测试误差，提高了测试精度[21]。

超声回弹综合法测定混凝土强度，是1966年由罗马尼亚建筑及建筑经济科学研究院首次提出的，并编制了有关技术规程，曾受到各国科技工作者的重视。

1976年我国引进了这一方法，在结合我国具体情况的基础上，许多科研单位进行了大量的试验。

近年来曾完成了多项科研成果，在结构混凝土工程的质量检测中已获得了广泛的推广应用。

1988年由中国工程标准化委员会批准了我国第一本《超声回弹法检测混凝土强度技术规程》（CECS02：

88）。

超声—回弹综合法是指采用超声仪和回弹仪，在混凝土同一测区分别测量声速值及回弹值，通过校准测强公式推算该测区混凝土的强度值，其原理是综合了回弹法和超声法的探测综合判断混凝土的强度。

这种方法较简单和便于操作，是一种非破损检测法。

检测结果考虑了混凝土表面和内部质量两个因素，既有回弹法检测的优点，又能反映混凝土内部质量情况，因而提高了混凝土强度的准确性，被广泛地采用。

回弹法是根据泥凝土表面硬度的回弹值；来推算混凝土强度值，它只能反映混凝土表层2至3cm深度的质量情况；而超声法则能反映混凝土内部密实度和弹性性质，通过超声声速值来推算混凝土的强度值。

显然，采用超声—回弹综合法的不同物理参量推算混凝土强度值，可以由表及里、全面地反映混凝土的质量情况[22]。

与单一回弹或超声法相比综合法具有以下特点：

（1）减少龄期和含水率的影响

混凝土的声速值除受粗骨料的影响外，还受混凝土的龄期和含水率等因素的影响。

而回弹值除受表面状态的影响外，也受混凝土的龄期和含水率的影响。

然而，混凝土的龄期和含水率对其声速和回弹值的影响有着本质的不同。

混凝土含水率大，超声的声速偏高，而回弹值则偏低；混凝土的龄期长，超声声速的增长率下降，而回弹值则因混凝土碳化程度增大而提高。

因此，二者综合起来测定混凝土强度就可以部分减少龄期和含水率的影响。

（2）弥补相互不足

一个物理参数只能从某一方面，在一定范围内反映混凝土的力学性能，超过一定范围，它可能不很敏感或者不起作用，例如回弹值R主要以表层砂桨的弹性性能来反映混凝土中强度，当混凝土强度较低，塑性变形较大时，这种反映就不太敏感。

当构件截面尺寸较大或内外质量有较大差异时，就很难反映结构混凝土的实际强度。

超声声速是以整个断面的动弹性来反映混凝土强度，而强度较高的混凝土，弹性指标变化幅度小。

相应其声速随强度变化的幅度也不大，其微小变化往往被测试误差所掩盖，所以对于强度大于35MPa以上的混凝土，其