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基于超声回弹法的混凝土结构质量无损检测

2023-08-29 155 上传者：管理员

摘要：为改变目前传统检测方法在处理房屋混凝土质量检测时易出现准确性较低的问题，提出基于超声回弹法的混凝土结构质量无损检测方法。检测方法以准备工作及试件养护为基础，对混凝土试件进行质量检测；布置测试波速与回弹数据的区域，开启超声波检测器进行声时检测；测量声时数值与回弹值，得出数据后，计算混凝土抗压强度数据，最终完成质量无损检测。实验结果显示：本文使用的基于超声回弹法的混凝土结构质量无损检测方法所检测出的抗压强度与实际数值趋近一致，因此能够准确测试出混凝土结构的质量。

关键词：
工程结构
房屋
检测
混凝土
超声回弹
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引言

在房屋混凝土结构质量检测领域常用的方法有超声回弹综合法、综合法、超声波法、回弹法等。其中超声回弹综合法是检测混凝土结构强度无损方法之一。综合法是一种基于超声波在混凝土中的传播速率和混凝土表面回弹力两个指标，综合判断结构与混凝土强度的一种非破坏性检测方法[1]。综合模拟是指以测取的建筑材料的超声波波速和反弹数值为基础,通过在测量前所设定的建筑物强度推定数值、超声波波速与回弹数值间的测强曲线关系,推测整体建筑结构和元件混凝土强度的一种技术。超声波法试样的强度可以很好地反映出其内在的总体质量,而回弹法试样的回弹则可以反映出其表面的总体强度。本文基于超声法和回弹法，对房屋混凝土结构质量无损检测方法展开研究。

1、房屋混凝土结构质量无损检测

超声回弹法（超声波法结合回弹法的新型算法）以房屋建筑施工中的混凝土结构的抗压强度与应力关系为基础，回弹法对混凝土结构表面的硬度进行测试，表现出混凝土的弹性性能，进而表现出混凝土的塑性性能。超声波法是使用超声脉冲波通过混凝土内部传送，根据频率和声时参数判断结构的好坏，弹性性质与声速的理论计算公式如下：

式（1）中：ρ为密度，kg/m3;v为波速，m/s；μ为泊松比；E为弹性模量，Pa。声速与弹性模量的平方根成正比，如果弹性模量高，那么混凝土的强度也高，表现出超声波声速与混凝土的强度质量具有一定相关性[2]。

1.1准备工作及试件的养护

以铜量约75%的黄铜为电极，将1 m2的铜电极分为（10×11)cm2的长方形电极，将铜电极表面打磨抛光，依次用无水乙醇、丙酮将其表面油污擦净，贴在试块的侧面。将钢模中的残余材料清理干净，然后开始组装，对钢模的尺寸进行检查，在确保尺寸没有偏差，并符合有关规范要求之后，在钢模的内表面上薄而均匀地涂上脱模剂，使试块在成型后更容易脱模且不会对试块造成损伤。同时，检查各项仪器是否正常工作[3]。

在搅拌混凝土时，要求在20℃左右的温度下进行，其所需的物料按重量计算，并对其精度进行严格控制，即：骨料为1%，水泥为0.5%，水为0.5%。采用人工振捣，将拌制好的混凝土分2次～3次装入到钢模中，在钢模的一对侧面上，紧贴着钢模内表面，将铜电极放置在钢模的一对侧面上。捣插和加料应该同步进行，或者采取分层振捣的方式，捣插的位置要均匀，从钢模的边缘向内部振捣，当每层的混凝土表面捣插至水平，出现均匀不冒泡的水泥砂浆时，可以停止捣插。在进行捣插时，要用刮板在钢模板的内壁上多次进行捣插，以防止低流动性的混凝土试件产生“坑洞”。振捣完毕后，不能马上将试块上表面与钢模上口处抹平，而应使试块上表面比钢模上口高1 mm～5 mm，等待2 h～3 h后，再对其进行平整，直至达到规定要求。

不同强度级别的混凝土试块的回弹值会随着龄期的增加而增加，在同龄期下，混凝土试块的强度级别越高，其回弹值越大，但其水胶比越小。在其它因素一致时，当水泥浆体的水胶比越小时，则其回弹越大。所制备的试块要用水养护，为防止水分挥发，在试块成型后，所制备的试块都要将其表面覆盖，放在20℃环境下静置1 d，然后对试块进行拆模并对其进行编号，再将试块放在20℃的养护池中进行养护，要求混凝土试块的外观良好、棱角完整、表面无明显的缺陷[4]。

1.2测点布置方法

换能器的布置有以下几种方法。

1）斜测法：2个传感器设置在一个互相垂直的试验表面，以1个直角三角形的斜边作距离，要求改变距离以获得稳定的声音速度；需要结合实际情况选择合适的高程差，如果高程差过大可能造成测试结果不准确。

2）平测法：2个传感器被安排在相同的测试平面上，通常使用波动测距来获得基本稳定的声音速度[5]；探头尽量放置在离型面上，以对角线布置为宜，以获得较高精度的内力信息。可以确定统一平面上缺陷的大小及严重程度，但对水平方向上缺陷的部位不能确定。

3）对测法：将传感器直接放置在2个平行的试验平面上，确保换能器中心在同一直线上；对测法进行超声检测时可避开钢筋，检测结果较为灵敏。因此，本文选择对测法进行混凝土的声时值测量。

测量点必须在元件的被测量表面上均匀布置,并且表面必须清洁、干燥，不应有接缝、饰面层、粉刷层、浮浆、油垢和蜂窝；尽可能减短板边角处距离，以减少靠近钢筋保护层处的钢筋长度；区域大小最好是在试样的2个对置面间设置2个大小相等的试验面；各部件测区最少10块，每一块测区的尺寸为200 mm×200 mm，两块测区间的间隔为2 m，每一块测区最多可测量16个，两块测点之间的间隔为3 cm，测点与面板边缘之间的距离为5 cm[6]，测点不能设置在有空气的孔隙或裸露的石头上。

在检测回弹数值的相同区域中，设置3个测量点，为探头设置区域，并在每一区域中，在相应的检测表面上，分别设置3个探头，探头轴线在一条直线上；在每个检测区域的相应检测表面上，分别设置8个回弹检测点和3个超声波检测点，分别进行前一次回弹检测和后一次超声波检测。在传感器上涂布耦合剂，使传感器与混凝土形成良好的耦合性，最后开启超声波检测器进行声时的检测。

1.3测量声时数值与回弹值

取表面沿混凝土浇筑方向的边沿的一对侧面为测试面，以凡士林为粘结剂[7]。在测试点处涂抹适量的凡士林，使超声换能器与测试面良好的接触，并在布置的3个测量点处进行测试，测点的布置见图1。

图1测点布置示意图（mm)

通过将发送、接收传感器平行于一条线，并将其放在2个测点之间，使其测量结果的误差最小化，并对3个测点的声时值进行测量。测区混凝土的波速值计算公式如下：

式（2）中：z为混凝土的波速值，m/s;li为第i个测点的测距，mm;ti为第i个测点混凝土的声时读数，μs/in;t0为声时初次读数，μs/in。

直流测试具有方便快捷、测试成本低的优势，而交流试验则不存在极化效果，因交流电流是正弦波，不会在电极上产生极化层[8]。因此在测试过程中，使用了直流、交流两种方式[9]。

直流测试过程：当将万用表设为电压档时，不会发生偏振。将万用表的正、负极分别与水泥试件的2个电极相连，并在同一时间内实时测量出该时刻的电位值；将万用表中的电压档迅速转换为电阻档，并快速按动万用表上的保持按钮，记录电阻值，然后将万用表的电阻档重新转换，从而完成对混凝土试件的电阻性试验；当电压档的示数回归到开始记录的电压值时，重新进行第二步的测试，如此重复测量3次，这是由于在测试完电阻值后，电压档的示数回归到刚开始记录的电压值时，可以尽量减少极化现象对测试过程的影响[10]。

交流测试过程：使用外接交流电源的电化学工作站进行测量，当电流经过时，在两电极之间产生低于2.5 V的电压，交流电频率50 Hz，因为交流电流频率低，而混凝土的电容又很小，因此阻抗与其实际误差较小，可以将测试电阻视为混凝土的电阻。电阻率的计算公式如下：

式（3）中：α为混凝土的电阻值，Ω；S为电极面积，m2;L为电极之间的距离，m;R为混凝土的电阻率，Ω·m。

无论是混凝土的强度还是电阻率的增长，都与其内部的空隙有关。在水化作用下，混凝土中的空隙对其电阻率有很大的影响。但其强度与空隙率有一定的关系，低水胶比时，空隙率越低，其密度越高，其强度增长速度越快。利用钢砧对反弹仪进行率定，并把钢砧均匀置于混凝土上，使混凝土结构保持足够刚度，从而保持反弹仪的弹击动能恒定。在反弹仪向下探击的同时,要转动弹击杆,每一次都可以旋转90°左右,弹击杆每转动一次的率定数值都要和R=80相一致，弹击3次，计算3次的回弹值的平均值，并计算出回弹仪是否符合规定。

首先，将样品在超声检测表面的耦合剂擦净，将其放置在压力机上承压板的中央，使其一对侧面朝向便于回弹试验的方向，然后将其加压至40 kN，并维持其固定选择试块的一对侧面展开回弹试验，在测试面上均匀划分测点（相邻的2个测点间距>20 mm，试块边缘的测点距离应为试块边长的1/5，而回弹仪的轴线要与测试面垂直）。共计对测试面进行16次弹击，每个测试面弹击8次，获得16个回弹值，将这16个回弹值中的3个最小值和3个最大值去掉，将剩余的10个回弹值取平均值，即试块的回弹代表值，计算公式如下：

式（4）中：R为回弹值，mm;Ri为第i个测点的回弹值，mm。图2为回弹测点的示意图。

图2回弹测点示意图（mm)

1.4计算抗压强度

当回弹测试结束后,在卸荷的同时,将回弹测试表面置于压力机承压面正中,并按照国家有关规定，以一定速度均匀加荷至破坏：当强度水平低于C20的混凝土取0.2 MPa/s～0.6 MPa/s的加荷速度。当强度水平高于C20且低于C50时，加荷速度为0.6MPa/s～0.9 MPa/s；当混凝土试件损坏时，应注意所受的载荷。测量的压缩强度计算公式如下（精度达到0.1 MPa):

式（5）中：f0cu为混凝土立方体的抗压强度，MPa;F为试验块的破坏荷载，N;A为试验块的承压面积，m2。

在施工现场对建筑物进行超声回弹综合测试时应严格按照国家标准要求执行,尽量避免由于工作人员、仪器设备、场地等因素所产生的测量误差。应保证仪器设备的使用完善度和对测试环境的适应性，以及测试手段的可靠性、试验资料的真实性、工作人员的公正性等,以提升测试结论的准确度与可信度,进而为确定混凝土的内在品质提供保障。

2、实例验证与分析

为测试基于超声回弹法的房屋混凝土结构质量无损检测方法的准确性，以贵州省贵阳市某绿色住宅小区三期建设工程项目为实例。为了规范试验程序，以达到客观公正的试验效果，试验要求如下：选用此房屋所属地区常用的混凝土原材料，按照配合比制造强度等级为C30的混凝土，制造边长为200 mm的立方体试件，潮湿养护后进行5 d自然养护，混凝土试件见图3。

超声波法测定混凝土的强度，其基础是超声波的传播速率和其弹性特性之间存在着紧密的联系。由于超声脉冲在骨料中的传递速率高于在混凝土中的传递速率，因此不同的粒径对超声脉冲的传递速率有很大的影响。通常情况下，一个材料的密度越大，强度越大，其测试出的声速也就越快。选用龄期为30 d的试件分别进行超声回弹法与传统方法对抗压强度的检测。表1为测试所选用试件样本的各项数据。

图3混凝土试件

表1样本数据

表2为通过试验计算得出的5个试件的抗压强度数值。

表2抗压强度数值

经过试验的测试与计算，在此次房屋建筑项目中分别使用传统方法与基于超声回弹法的房屋混凝土结构质量无损检测方法测试出来的抗压强度数值见表3（表3中试验方法即基于超声回弹法的房屋混凝土结构质量无损检测方法）。

表3两种方法抗压强度数据

通过上述数据可以看出，本文所使用的检测方法在项目施工过程中所检测出的混凝土抗压强度与实际数值趋近一致，因此能够说明基于此处房屋的混凝土结构质量与本文选用的超声回弹法检测出的混凝土结构质量相同，而传统方法与实际数值相差较大。

3、结语

在工程建筑施工过程中，如果混凝土结构发生质量问题，应采用基于超声回弹法的质量无损检测方法，通过对回弹数值、波速等数据进行综合评价，检测混凝土强度和内部结构的缺陷，对其性质和范围进行有效评估。控制好混凝土结构的质量有益于消除房屋建筑施工中的隐患，为工程提供安全保障，对房屋检测也起到重要作用。随着科技和社会的进步，超声回弹法检测技术得到了长足发展，但某些方法还存在着问题，应继续进行完善，提高测试精度，从而提高混凝土超声回弹法的技术水平。

参考文献:

[1] 杨坤,唐晓玲,李友彬,等.超声回弹综合法检测堆石混凝土强度的试验研究[J].水利规划与设计,2022(11):153-157.

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[3] 陈伟.回弹法和超声回弹综合法在水利工程混凝土强度检测中的应用[J].四川水利,2021,42(6):106-108,121.

[4]陈瑜,孙补.既有钢纤维混凝土超声回弹综合法的试验研究[J].四川建筑,2020,40(1):276-278.

[5]范飞,王英子,曾蓉均.对超声回弹综合法检测桥梁结构混凝土抗压强度的分析[J].散装水泥,2020(1):17-18.

[6]丁同华.浅谈影响超声回弹综合法检测混凝土的因素[J].四川水泥,2019(12):10.

[7]刘情,刘京红,刘婷,等.超声回弹综合法检测再生砖骨料混凝土强度[J].混凝土,2019(11):174-177.

文章来源:罗洋.基于超声回弹法的混凝土结构质量无损检测[J].北方建筑,2023,8(04):31-35.