現代混凝土回彈測強曲線影響因素的試驗研究

賈艷濤，楊永敢，趙　寧

(1.河海大學力學與材料學院，南京　211100;2. 東南大學材料科學與工程學院，南京　211189;3.中國鐵路通信信號股份有限公司，北京　100070)

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現代混凝土回彈測強曲線影響因素的試驗研究

賈艷濤1，楊永敢2，趙寧3

(1.河海大學力學與材料學院，南京211100;2. 東南大學材料科學與工程學院，南京211189;3.中國鐵路通信信號股份有限公司，北京100070)

通過回彈法研究了基于不同影響因素下的現代混凝土抗壓強度、回彈值隨齡期發展的演變規律，建立了現代混凝土抗壓強度與回彈值的定量關系。結果表明：養護方法、混凝土表面濕度以及粗骨料粒徑對現代混凝土表層硬度有一定的影響。標準養護下現代混凝土表層硬度大于相同齡期的自然養護；隨著試塊表面濕度的增加，表層硬度在減小但減小幅度在降低；隨著粗骨料粒徑的增加，混凝土表層硬度和強度值增大；基于粗骨料不同粒徑建立的回彈測強曲線滿足地區測強曲線誤差要求。這對控制工程質量、防范工程事故、準確評價工程的質量具有重要的現實意義和工程實用價值。

現代混凝土； 回彈法； 測強曲線； 影響因素

1　引　言

眾所周知，基礎設施是保障國家經濟增長、國防安全、改善人民生活質量的生命線工程。無論是提升人居環境、發展工業建設、還是開發自然資源、改善生存環境等都離不開基建工程，而混凝土材料是基建工程的主體。目前，我國是混凝土用量最多的國家[1,2]。根據我國國土資源部頒布的《2014年中國國土資源公報》顯示，，我國2014年混凝土年用量已超22億立方米,約占全世界的60%。混凝土質量不僅直接影響著整個房屋建筑工程的經濟而且會嚴重威脅人民的生命安全。然而，近年來混凝土結構質量不良的現象時常發生，導致混凝土構建物過早失效，嚴重影響其服役壽命，因此需要加強和完善對混凝土結構的現場檢測用來保障建筑物結構的安全。回彈法通過檢測混凝土表層硬度進而反推抗壓強度已被國際學術和工程界公認為混凝土質量無損檢測的基本方法之一。因回彈法具有儀器構造簡單、攜帶方便、檢測效率高等優點致使其成為混凝土結構強度的現場檢測中最經濟最常用的使用方法[3-6]。我國經過多年研究和大量的試驗室與現場數據的積累，建立了國家統一測強曲線，形成了《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》(JGJ/T23-2011)，這將對控制工程的質量以及對工程質量的評定提供了依據[7]。

然而，首先《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》中建立的曲線是要求自然養護并且混凝土表層為干燥狀態，對于不同養護條件或者混凝土表面濕潤程度的影響，國內至今無人研究。國外對此亦研究較少，波蘭、英國、美國及日本的資料顯示在水中和在空氣中養護對混凝土的表面硬度影響不同。研究表明，當回彈值相同時，在空氣中進行自然養護的混凝土測定的強度要比在水中養護的混凝土測定的強度低；故針對水中養護和空氣中養護測得的回彈值不同這種情況，羅馬尼亞回彈法標準則按不同養護標準相對于標準養護分別乘以不同強度修正系數。另外，美、日、英等國家均研究發現混凝土表面濕度對其表層硬度影響十分顯著。一般來講，對于成型的混凝土在其他各種條件都相同時，當混凝土的表面濕度較高時，其回彈值要比表面干燥的混凝土的回彈值要低得多，并且混凝土經歷干、濕的時間越長，其回彈值的差異就越大[8]。其次，《規程》中對粗骨料的粒徑大小亦沒有具體的規定。國外研究一般認為粗骨料的種類及粒徑對其均有影響。英國標準協會研究稱卵石和碎石對其影響并不明顯，然而，羅馬尼亞標準協會研究表明，當以石英質河卵石骨料為標準時，其他不同種類的粗骨料的影響系數通過試驗確定，進而提高不同粗骨料種類混凝土的回彈測強曲線的準確度。我國經過多年研究對這些結論持一定的懷疑態度，浙江省建筑科學研究院認為卵石和碎石對回彈法測強影響較大，其認為不同種類的粗骨料應分別建立不同的回彈測強曲線或者以某種類型的粗骨料為標準對其他品種的粗骨料進行系數修正；然而，陜西省建筑科學研究院通過大量同等條件的對比試驗及計算分析認為，不同種類的粗骨料對混凝土的回彈值影響并不是特別明顯，其影響可以忽略不計。粗骨料粒徑對混凝土表層硬度的影響，國內一些單位也進行了一些試驗，其分別采用粒徑為5～10 mm和5～40 mm的碎石，結果表明，符合篩分曲線的石子粒徑，對混凝土表層硬度的影響比較小，然而，由于石子的粒徑和形狀間接地影響混凝土的強度，混凝土中石子的粒徑越大，針片狀顆粒所占的比例越大，骨料表面急劇水膜的趨勢就越強，因此消弱了界面過渡區，降低了混凝土的強度。綜上不難看出，不同的養護條件、混凝土表面濕潤程度以及石子粒徑的不同對國家統一測強曲線的影響未知，對于現場檢測混凝土質量檢測和評定存在一定誤差。針對上述問題，通過系統研究現代混凝土不同養護條件、混凝土表面濕潤程度以及粗骨料不同粒徑對表層硬度的影響，建立了標準養護下以及粗骨料不同粒徑下混凝土表層硬度與強度的定量關系，提出了現代混凝土的測強方程，以期對準確評定工程質量、補充混凝土測強曲線研究做出貢獻。

2　試　驗

2.1試驗原材料

中國江南水泥廠P·Ⅱ52.5級水泥；石灰巖碎石，石子的粒徑分別在5～10 mm、10～20 mm和20～26 mm，最大粒徑是26 mm；細骨料為河砂，細度模數為2.80。

2.2方案

試驗研究了粗骨料粒徑對現代混凝土回彈值的影響。詳細的試驗方案如表1所示，其中，標號AS-1和AS-4研究養護條件的影響(標準養護和自然養護)；AS-2、AS-3、AS-4研究混凝土表面濕潤程度的影響(試塊表面干燥、潤濕、浸泡在水中)，AS-2研究不同粗骨料粒徑的影響。試驗所選用的是石灰石，石子的粒徑分別在5～10 mm、10～20 mm和20～26 mm。所有的試塊均在同一天完成，用于研究不同養護方法以及粗骨料粒徑的影響的試塊首先在標準養護室中養護7 d，為了模擬工程應用，然后將試樣在標準養護7 d后進行相同條件的自然養護，分別測量設計齡期的回彈值、抗壓強度和碳化深度值。因混凝土的坍落度對測試結果有一定的影響，為了保證比較的可靠性，試驗時調整混凝土坍落度相近，約在160 mm。

表1　現代混凝土配合比

2.3試驗方法

2.3.1回彈測試與計算

測試回彈值時，分別測量不同強度等級混凝土不同齡期7 d、14 d、28 d、60 d、90 d、120 d以及180 d的回彈硬度。在測量時，將大試塊的兩個相對表面擦凈,分別測量其兩個相對側面，每個面測量8個測點，精確至1，為了減小測量誤差，分別剔除16個數據中的最大的三個值和最小的三個值，余下10個有效回彈值按照下式計算結果作為該試件的平均回彈值，計算精確至0.1 MPa。

2.3.2抗壓強度

按《普通混凝土力學性能試驗方法標準修改》(GBT 50081-2002)進行，每組三個試塊，取其平均值作為抗壓強度。

2.3.3碳化深度測定

在抗壓強度測試后對小試塊進行碳化深度測定，用事先配置好的酚酞酒精溶液噴灑在混凝土斷裂面，到一定的時間后在混凝土紅色與非紅色交界處用碳化深度測量儀測量，精確到0.5 mm。

3　結果與討論

3.1不同養護方法的影響

圖1　標準養護下水灰比對回彈值的影響Fig.1　Effect of water cement ratio onrebound value under standard curing

圖2　標準養護下水灰比對強度的影響Fig.2　Effect of water cement ratioon compressive strength under standard curing

圖1和2分別表示現代混凝土在標準養護條件下水灰比對回彈值和抗壓強度的影響。從圖1中可以看到W/C=0.35時混凝土的表面硬度遠遠大于W/C=0.58時的混凝土，如14 d齡期下0.35水灰比混凝土的表面硬度為48 MPa比同齡期下0.58水灰比混凝土表面硬度多15 MPa；28 d齡期之后二者的回彈值均增長緩慢且趨于穩定。同樣的，圖2中0.35水灰比混凝土抗壓強度亦遠遠大于0.58水灰比。對比標準養護和自然養護，不同養護條件下水灰比對表面硬度的影響如圖3所示。從圖中可以發現0.35水灰比在標準養護條件下的回彈值最高，分別對比相同水灰比相同養護齡期不同養護條件的現代混凝土的表面硬度，在標準養護條件下的回彈值均大于自然養護條件下的回彈值。當水灰比為0.58時，標準養護條件下回彈值分別為33.2 MPa、40.7 MPa、41 MPa和41.6 MPa，然相同齡期自然養護下回彈值只有標準養護的94%、79%、87%和89%；0.35水灰比時，標準養護條件下回彈值分別為48 MPa、49.7 MPa、50.6 MPa和51.6 MPa是相同齡期自然養護條件下回彈值的119%、113%、112%、114%。

圖3　不同水灰比在不同養護條件下對回彈值的影響Fig.3　Influence of different water cement ratio in the different curing condition on the rebound value

圖4　表面濕度對現代混凝土回彈值的影響Fig.4　Influence of surface humidity on the rebound value of Modern concrete

3.2混凝土表面濕潤程度的影響

圖4表示混凝土試塊表面濕度對表層硬度的影響。從圖中可以看到試塊表面處于干燥狀態下其回彈值最大，表面潤濕后回彈值降低，表面浸泡在水中，回彈值最小。當水灰比為0.35時，試塊表面由干燥轉變為表面潤濕和表面浸泡后，回彈值分別減小了3.0%和5.0%；當水灰比為0.42時，試塊表面由干燥轉變為表面潤濕和表面浸泡后，回彈值分別減小了3.9%和6.0%；當水灰比為0.50時，試塊表面由干燥轉變為表面潤濕和表面浸泡后，回彈值分別減小了4%和6.5%。從圖中還可以看到，當試塊表面由干燥轉變為潤濕后，回彈值減小較快，當試塊表面潤濕后再次浸泡在水中，回彈值依舊會減小但減小較為緩慢；當水灰比為0.35時，試塊表面浸泡后回彈值降低了5%，水灰比為0.42時，試塊浸泡后回彈值降低了6%，水灰比為0.50時，試塊浸泡后回彈值降低了6.5%，可知，濕度對回彈值的影響隨著強度的增加而變小。可以從以下方面對以上現象進行解釋：第一，由回彈儀工作原理可知，混凝土回彈儀是用一彈簧驅動彈擊錘并通過彈擊桿彈擊混凝土表面所產生的瞬時彈性變形的恢復力，使彈擊錘帶動指針彈回并指示出彈回的距離。當試塊表面干燥時，產生的瞬時彈性變形的恢復力相比表面潤濕時要大的多，試塊表面吸收的能量較小，反彈到回彈儀的能量較大，因此，回彈值較大；當試塊表面潤濕后，回彈儀彈擊試塊表面，試塊產生的瞬時彈性變形恢復力降低，試塊表面吸收的能量增大，反彈到儀器的能量減小，故回彈值降低。第二，由于水灰比減小，水泥漿體結構變得更加密實，透氣性降低，抗壓強度和表層硬度相應增大，當彈擊桿彈擊混凝土表面時，被試塊表層吸收的能量減小，故反彈到儀器的能量增大，即回彈值增大；當試塊表面潤濕后，由于結構密實，試塊產生的瞬時彈性變形較小，被試塊吸收的能量增長不多，故回彈值減小幅度較小。總之，混凝土試塊表面濕度越大，回彈值就越低，但是這種影響會隨著強度的提高而變小。此結果與英美等國家研究結果一致。

3.3粗骨料粒徑的影響

圖5表示水灰比為0.5時粗骨料不同粒徑在不同齡期下對現代混凝土回彈值影響。從圖中可以看出在同一齡期下粗骨料粒徑為20～26 mm的回彈值最大，10～20 mm的回彈值次之，5～10 mm的回彈值最小， 隨著養護齡期的增加，三者之間的差值逐漸增大，例如14 d齡期下，不同粗骨料粒徑5～10 mm、10～20 mm和20～26 mm的現代混凝土回彈值分別為36.1 MPa、36.3 MPa和36.5 MPa，到180 d齡期時，三者分別為43.2 MPa、43.5 MPa、44.9 MPa。圖6表示不同粗骨料粒徑對現代混凝土抗壓強度的影響，從圖中可以看出

圖5　W/C=0.5不同粒徑粗骨料在不同齡期下對現代混凝土回彈值的影響Fig.5　Influence of different coarse aggregate size on rebound value at water cement is 0.5

圖6　W/C=0.5不同粒徑粗骨料在不同齡期下對現代混凝土強度的影響Fig.6　Influence of different coarse aggregate size on compressive strength at water cement is 0.5

圖7　粗骨料粒徑為20～26 mm時現代混凝土抗壓強度和回彈值在不同齡期下的比較Fig.7　Compared compressive strength with rebound value of modern concrete at coarse aggregate size between 20 and 26 mm

粗骨料粒徑對混凝土早齡期抗壓強度影響較大，5～10 mm、10～20 mm、20～26 mm、粒徑的混凝土在14 d齡期其抗壓強度分別為35.5 MPa 、39 MPa 、41.6 MPa。60 d齡期之后粒徑對其強度影響較小，如在90 d齡期時，抗壓強度分別為46.8 MPa、46.6 MPa及46 MPa，可見粗骨料粒徑對90 d齡期之后的混凝土強度影響較小。對比圖5和6可知，粗骨料粒徑為5～10 mm在14 d齡期下其抗壓強度小于表面硬度，其他齡期下以及其他粒徑在任何齡期下其抗壓強度均大于表面硬度；圖7表示粗骨料粒徑為20～26 mm時，現代混凝土回彈值和抗壓強度在不同齡期下的變化。從圖中可以看到其強度分別為41.6 MPa、43.9 MPa、46 MPa、46.8 MPa、47.5 MPa和49 MPa均大于相同齡期下的表面硬度36.5 MPa、38.5 MPa、40.2 MPa、43.2 MPa、43.5 MPa和44.9 MPa。

4　回彈測強曲線方程的建立

《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》規定地區回彈測強曲線的平均相對誤差δ≤±14%，相對標準差σ≤17%，因此用平均相對誤差和相對標準差作為現代混凝土回彈測強擬合曲線的評定標準[9，10]，其公式分別為(1)和(2)：

(1)

(2)

其中：fcu,i-測得的第i個試件的抗壓強度值(MPa)；

n -試件個數。

在標準養護下的試塊養護至120 d，由于現代混凝土強度高，在標準養護條件下水分充足，在相對濕度較大的潮濕空氣中混凝土較難碳化，這是因為混凝土內部和表面還有大量的水，透氣性小，故標準養護下碳化深度幾乎為零可忽略不計。對標準養護下的混凝土在設計的齡期測量其回彈值和抗壓強度值，將測得的大量數據用Linest函數進行擬合，得到現代混凝土在標準養護下的回彈測強曲線，如公式(3)所示。

(3)

建立的標準養護回彈曲線的相關系數r=0.9192，對該曲線進行回歸方程的誤差計算，《規程》規定地區測強曲線的平均相對誤差≤±14%，相對標準差≤17%。按照上述(1)和(2)對回歸方程進行平均相對誤差計算和平均相對標準差計算，計算結果如表2所示，可知誤差均小于相關規程要求。

表2　標準養護曲線曲線誤差

測量大量粗骨料不同粒徑混凝土不同齡期的回彈值、抗壓強度和碳化深度，利用Linest函數力求找出三者之間的統計相關關系[11-15]，建立了現代混凝土的回彈測強方程如(4)所示。

(4)

Rm-測區平均回彈值精確到0.1 MPa；

dm-測區平均碳化深度值(mm)。

建立的粗骨料粒徑現代混凝土回彈曲線的r=0.867，(r為相關性系數),誤差要求如表3所示，可知這兩個指標明顯低于地區測強曲線的誤差要求，可知該曲線擬合效果較好。

表3　粗骨料不同粒徑混凝土曲線曲線誤差

5　結　論

(1)相同齡期下混凝土在標準養護條件下其回彈值和抗壓強度值均高于在自然養護中的回彈值和抗壓強度值;

(2)現代混凝土試塊表面濕度越大，回彈值就越低，但是這種影響會隨著強度的提高而變小;

(3)粗骨料粒徑對現代混凝土表層硬度有一定的影響，隨著粗骨料粒徑的增加，混凝土表層硬度和強度值增大，這將對控制工程質量、防范工程事故、解決混凝土強度問題、促進混凝土發展、準確評價工程的質量具有重要的現實意義和工程實用價值;

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Experimental Study on the Influence Factors of Rebound Curve of Modern Concrete

JIAYan-tao1,YANGYong-gan2,ZHAONing3

(1.College of Mechanics and Materials,Hohai University,Nanjing 211100,China;2.School of Materials Science and Engineering,Southeast University,Nanjing 211189,China;3.China Railway Communication Signal Limited by Share Ltd.,Beijing 100070,China)

Development rule of compressive strength and rebound value of modern concrete of different influence factors, establish a quantitative relationship between the modern concrete compressive strength and the rebound value. The result shows that the curing method, surface humidity of concrete and coarse aggregate size have a certain influence on surface hardness of modern concrete. The concrete surface hardness is bigger for standard curing than the natural curing; the surface hardness decreased with the surface moisture compressive strength and rebound value of concrete is increased by the increased of coarse aggregate size. The rebound strength curve which based on different size of coarse aggregate meet regional requirement. It has important practical significance and practical value for the project quality control, preventing engineering accidents, accurate assessment of the quality of engineering.

modern concrete;rebound method;strength curve;influence factor

賈艷濤(1979-)，女，工程師.主要從事混凝土無損檢測等方向的研究

TU528

A

1001-1625(2016)06-1934-06