CN105842076A - 一种公路桥梁预应力混凝土超声回弹双参数无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种公路桥梁预应力混凝土超声回弹双参数无损检测方法。本发明主要针对C50≤f_cu.k≤C55的公路桥梁预应力混凝土，通过超声‑回弹法测试出超声值、回弹值，建立超声回弹与抗压强度及弹性模量的无损检测模型，并得出了适用于公路桥梁预应力混凝土的超声回弹特征值与高性能混凝土抗压强度、弹性模量的相关公式。本发明为预应力混凝土的“双控”技术的施工以及相关规范的编制提供重要的理论依据和实验数据，即同时控制抗压强度和弹性模量两个指标；同时对于建筑行业技术进步以及社会经济发展具有重要意义。

Description

一种公路桥梁预应力混凝土超声回弹双参数无损检测方法

技术领域

本发明涉及一种公路桥梁预应力混凝土超声回弹双参数无损检测方法，具体涉及一种公路桥梁预应力混凝土抗压强度和弹性模量双参数无损检测方法，属于混凝土技术领域。

背景技术

在现代桥梁工程特别是桥梁上部结构预应力混凝土施工中，由于任务重，工期紧，通常预应力钢筋张拉时混凝土龄期短，一般为5d或更短，并且均要求混凝土强度和弹性模量双重控制。即要求不仅早龄期的混凝土强度要达到设计指标，而且混凝土弹性模量也必须达到或超过规范的要求，以确保桥梁结构的强度、工作稳定性和耐久性。因此，采用超声回弹无损检测的方法，快速准确地检测桥梁混凝土的抗压强度和弹性模量，对于桥梁预应力混凝土的“双控”技术施工具有重要的工程意义和应用价值。

目前国内外对采用超声、回弹无损检测方法检测混凝土抗压强度、弹性模量等力学性能指标和物理性能指标的研究成果如下：郝恩海、刘杰、王忠海等在“混凝土超声声速与强度和弹性模量的关系研究[J].天津大学学报(自然科学与工程技术版),2002,35(3):380-383.”中得出了抗压强度、弹性模量和超声声速之间的函数关系式；张玉敏、王忠海在“混凝土抗压强度和弹性模量与其超声声速之间关系的试验研究[J].混凝土,2002,(12):40-42,52.”由试验数据经回归分析得到了抗压强度、弹性模量和超声声速之间的函数关系,为用超声法测试混凝土抗压强度和弹性模量提供了一定的试验数据和参考依据；朱文献在“应用无损检测技术预测混凝土、水泥的强度[D].同济大学材料科学与工程系”中表明运用早期无损检测参量超声波声速V和动力弹性模量Ed预测水泥胶砂强度(包括3天或7天早期强度以及28天强度)是可行的；Vincent Garnier,Bogdan Piwakowski等在“Acoustictechniques for concrete evaluation:Improvements,comparisons and consistency[J].Construction and Building Materials 43(2013)598–613”中用超声波推算了混凝土的孔隙率，饱和度，弹性模量和抗压强度；E.Sideridis等在“Mechanical properties ofold concrete using destructive and ultrasonic non-destructive testing methods[J].InternationalJournal of Microstructure and Materials Properties,v 6,n 1-2,p 157-179,May2011”中通过无损超声检测测得混凝土的抗压强度；肖建庄在“回弹法检测再生混凝土抗压强度研究[J].四川建筑科学研究2004,Vol.30,No.4”中采用普通混凝土回弹仪对再生混凝土进行了抗压强度检测试验研究；季光耀在“超声回弹综合法检测再生混凝土抗压强度试验研究[J].混凝土Number 1 in 2008(Total No.219)”中建议了再生混凝土抗压强度与超声声速的关系、抗压强度与回弹值的关系、以及抗压强度与超声声速和回弹值三者之间和的综合关系；阎继红等在“回弹法和超声回弹综合法判定高温后混凝土抗压强度的试验研究[J].工业建筑2001,Vol.31,No.12”中通过大量试验建立了利用回弹法和超声回弹综合法判定火灾后混凝土抗压强度的专用测强曲线及计算公式,为编制火灾后混凝土结构检测鉴定技术规程提供试验依据和数据。

上述文献主要是采用超声法检测混凝土的抗压强度和弹性模量，采用回弹法或超声回弹综合法检测混凝土的抗压强度，对混凝土抗压强度与弹性模量“双控”的无损检测技术研究较少。在《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》(CECS 02：2005)中规定，检测结构或构件强度时，应优先采用专用或地区测强曲线；当缺少该类曲线时，经过验证证明符合要求后方可采用该规程通用测强曲线，而该规程主要针对普通混凝土7d以上龄期的抗压强度推定，对于预应力混凝土早龄期3d、5d不适用，且未建立超声、回弹双参数与混凝土弹性模量的关系。因此，采用无损检测方法，快速、准确推定混凝土抗压强度与弹性模量，特别是早龄期预应力混凝土抗压强度与弹性模量及其发展规律，对预应力混凝土施工具有重要的工程意义和广阔的应用前景。

发明内容

本发明旨在提供一种公路桥梁预应力混凝土超声回弹双参数无损检测方法，采用超声回弹综合法对公路桥梁预应力混凝土早龄期及后期抗压强度和弹性模量进行检测，建立回弹超声双参数与抗压强度、弹性模量的无损检测模型，这对控制施工进度、解决施工中的实际问题，推进行业技术进步具有重要作用和意义。

本发明提供了一种公路桥梁预应力混凝土超声回弹双参数无损检测方法，包括以下步骤：

(1)建立无损检测模型：

①混凝土原材料

混凝土采用与工程中相同的原材料，混凝土和易性根据施工工艺要求确定：

水泥：选取普通硅酸盐水泥P.O 52.5级水泥、P.O 42.5级水泥；

骨料：砂、石使用符合国家标准的质地坚硬、级配良好、洁净的中砂和碎石；石灰石碎石5-20mm连续级配，5-10mm掺量30％，10-20mm掺量70％；

矿物掺合料：采用符合现行国家或行业标准的I级粉煤灰、S105或S95矿粉；

外加剂：采用聚羧酸高效减水剂；

拌合水：符合《混凝土用水标准》JGJ 63-2006规定；

②混凝土配料比例：

水胶比：(0.24～0.38)∶1；

水泥用量：400kg/m³～500kg/m³；

矿物掺合料总用量：70kg/m³～95kg/m³，可单掺矿粉或掺矿粉和粉煤灰；其中，矿粉的添加比例为99.4～100wt％，粉煤灰的添加比例为0～0.6wt％；

中砂用量：580kg/m³～700kg/m³；

碎石用量：1000kg/m³～1200kg/m³；

减水剂掺量：1.0wt％～1.5wt％。

(2)测试

实验技术路线：

步骤一：试件制作，采用满足上述要求的混凝土原材料和配合比，在商品混凝土搅拌楼中搅拌，制作C50和C55两个强度等级的混凝土。在两个强度等级下，分别制作5个龄期(3d、5d、7d、28d、56d)的试件，每一个龄期制备15个标准立方体(150mm×150mm×150mm)试件和30个标准棱柱体(150mm×150mm×300mm)试件，立方体试件用于测量混凝土抗压强度，15个棱柱体试件用于测试混凝土轴心抗压强度，另外15个测试混凝土弹性模量，同一龄期的试件要求在同一天内制作完成；

步骤二：试件采取同条件养护，即与工地上混凝土的养护条件相同；

步骤三：试件达到龄期后，根据《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》(CECS02：2005)超声回弹测试方法，利用混凝土回弹仪对回弹值进行测试。具体操作如下：对测抗压强度的75个棱柱体试件或75个立方体试件进行超声值和回弹值测试，在试件浇筑方向的两个相对侧面上各取8个点，并进行编号，把试件浇筑面置于压力机承压板之间，加压80kN，弹击这16个点得回弹值，从16个回弹值中剔除3个较大值和3个较小值，其余10个有效值求平均值得到每个测点回弹代表值；

步骤四：超声值测试：根据《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》(CECS 02：2005)超声回弹测试方法，利用非金属超声检测仪对试件进行声时值测试。具体操作如下：采用对测法测试试块非成型面，在两个相对测试面对角线上分别取相对应的上、中、下3个测试点进行测试，取其平均值作为该试件的超声声速值；

步骤五：强度测试：用电液伺服万能试验机测量混凝土标准立方体试件的抗压强度和混凝土标准棱柱体试件的轴心抗压强度；

步骤六：弹性模量测试：用电液伺服万能试验机测量混凝土标准棱柱体试件的弹性模量。

(3)结果与分析

①数据处理

在试验或测试时，因为各种不确定的因素，使实验数据呈现一定随机分布的现象。通常采用统计判别法判断一些异常数据的取舍。对混凝土的抗压强度、弹性模量试验数据根据肖维勒(Chauvel)准则和格拉布斯(Grubbs)准则进行处理，从每个龄期15个试件中选取10个作为有效试件，其对应的回弹值、超声值作为有效数据；对混凝土试件的超声值以及回弹值根据《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》(CECS 02：2005)进行处理。

②试验结果与分析

通过数理统计理论与方法，对有效数据进行回归分析，采用回归方程式如下。

$f_{cu,d}/f_{cu,28}=A\·V_m^B\·R_m^C---\left(1\right)$

式中：f_cu,d——不小于3天龄期的混凝土抗压强度(MPa)

f_cu,28——28天龄期的混凝土抗压强度(MPa)

A、B、C——系数

V_m——声时值

R_m——回弹值

$E_{c,d}/E_{c,28}=A\·V_m^B\·R_m^C---\left(2\right)$

式中：E_c,d——不小于3天龄期的混凝土弹性模量(MPa)

E_c,28——28天龄期的混凝土弹性模量(MPa)

A、B、C——系数

V_m——声时值

R_m——回弹值

回归拟合建立超声-回弹综合检测预应力混凝土抗压强度、弹性模量的曲线。

本发明的有益效果：

(1)本发明针对公路桥梁上部结构常用C50≤f_cu，k≤C55预应力混凝土，建立了适合公路桥梁上部结构常用C50≤f_cu，k≤C55预应力混凝土超声回弹双参数综合法与抗压强度、弹性模量的无损检测模型，填补了本研究领域的空白。

(2)混凝土桥梁无损检测精准、快捷，为预应力混凝土的双控施工提供依据；实体验证回归模型的准确性、适用性，为回归模型的推广应用提供依据。

(3)回弹-超声与抗压强度及弹性模量的无损检测模型等研究成果为解决交通建设施工中的实际问题以及为编制相关规范提供实验依据，对行业技术进步以及社会经济发展具有重要意义和作用。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例：

本发明公路桥梁预应力混凝土超声回弹双参数无损检测方法的步骤如下：

按照上述公路桥梁预应力混凝土抗压强度和弹性模量分析无损检测方法，针对C50≤f_cu.k≤C55的公路桥梁预应力混凝土，测出了超声值、回弹值、抗压强度和弹性模量，并按照上述方法进行数据处理，采用回归方程式拟合出了适用于公路桥梁预应力混凝土的超声回弹特征值与高性能混凝土抗压强度、弹性模量的关系公式。

1.采用的混凝土原材料和上述原材料相同，采用如下配合比制备试件。

表1混凝土配合比

采用山西黄河新型化工HJSX-A型聚羧酸高效减水剂，减水率29％；

2.技术路线如下：

步骤一：试件制作，采用满足上述要求的混凝土原材料和配合比，在商品混凝土搅拌楼中搅拌，制作C50和C55两个强度等级的混凝土。在两个强度等级下，分别制作5个龄期(3d、5d、7d、28d、56d)的试件，每一个龄期制备15个标准立方体(150mm×150mm×150mm)试件和30个标准棱柱体(150mm×150mm×300mm)试件，立方体试件用于测量混凝土抗压强度，15个棱柱体试件用于测量混凝土轴心抗压强度，另外15个测量混凝土弹性模量，同一龄期的试件要求在同一天内制作完成；

步骤二：试件采取同条件养护，即与工地上混凝土的养护条件相同；

步骤三：试件达到龄期后，根据《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》(CECS02：2005)超声回弹测试方法，利用混凝土回弹仪对回弹值进行测试。具体操作如下：对测抗压强度的75个棱柱体试件或75个立方体试件进行超声值和回弹值测试，在试件浇筑方向的两个相对侧面上各取8个点，并进行编号，把试件浇筑面置于压力机承压板之间，加压80kN，弹击这16个点得回弹值，从16个回弹值中剔除3个较大值和3个较小值，其余10个有效值求平均值得到每个测点回弹代表值；

步骤四：超声值测试：根据《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》(CECS 02：2005)超声回弹测试方法，利用非金属超声检测仪对试件进行声时值测试。具体操作如下：采用对测法测试试块非成型面,在两个相对测试面对角线上分别取相对应的上、中、下3个测试点进行测试，取其平均值作为该试件的超声声速值；

步骤五：强度测试：用电液伺服万能试验机测量混凝土标准立方体试件的抗压强度和混凝土标准棱柱体试件的轴心抗压强度；

步骤六：弹性模量测试：用电液伺服万能试验机测量混凝土标准棱柱体试件的弹性模量。

按照上述技术路线，测出超声值、回弹值、抗压强度和弹性模量，处理后的有效数据分别如下表所示。

表2 C55混凝土抗压强度(MPa)

表3 C50混凝土抗压强度(MPa)

表4 C55混凝土弹性模量(×10⁴MPa)

表5 C50混凝土弹性模量(×10⁴MPa)

表6 C55混凝土回弹值

表7 C50混凝土回弹值

表8 C55混凝土超声值

表9 C50混凝土超声值

3.采用回归方程式拟合出了适用于公路桥梁预应力混凝土C50≤f_uu.k≤C55的超声、回弹特征值与高性能混凝土抗压强度、弹性模量的关系公式。

表10超声回弹特征值与高性能混凝土抗压强度、弹性模量的关系

式中：Y₁——f_cu,d/f_cu,28

Y₂——E_cd/E_c,28

V_m——声时值

R_m——回弹值

R²——相关系数，用以反映变量之间相关关系密切程度，越接近1，相关性越强。

下面内容属于对上述公式的验证：

本发明内容在实体工程里必沁水河特大桥项目中试用，详述如下：

里必沁水河特大桥项目基本情况如下：

里必沁水河特大桥，桥长1347m，本桥主桥跨径组成为80+3×150+80米C50、C55预应力混凝土连续刚构，该桥主桥上部结构采用直腹板预应力混凝土箱梁，箱梁为单箱单室断面，采用纵向、竖向、横向三向预应力混凝土结构，箱梁顶面、底面横坡与路线横坡一致，桥面纵坡为1.3％。

根据《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》(CECS 02：2005)超声回弹测试方法，对里必沁水河特大桥预应力混凝土箱梁实体进行了龄期为3d、5d、7d、14d、28d时的超声值、回弹值测试，同时测试了相应龄期混凝土同条件养护混凝土试件的抗压强度、弹性模量，运用本发明建立的系列模型推定了里必沁水河特大桥预应力混凝土箱梁实体混凝土抗压强度、弹性模量，并与试块实测值进行了对比校核，验证了本发明所得模型的正确性。

具体如下：

(1)在施工场地采用与项目相同的混凝土配合比制备5个龄期(3d、5d、7d、14d、28d)的试件,每一个龄期制备15个标准立方体(150mm×150mm×150mm)试件和30个标准棱柱体(150mm×150mm×300mm)试件，同一龄期的试件在一天内完成；具体混凝土配合比如表11所示；

表11混凝土配合比(kg/m³)

(2)试件采取同条件养护，即同施工现场混凝土养护方式一样；

(3)试件到达相应龄期(3d、5d、7d、14d、28d)后，测试混凝土试件的抗压强度、弹性模量，对相应龄期混凝土箱梁实体进行超声值、回弹值测试；

(4)把所测超声值、回弹值带入超声回弹特征值与高性能混凝土抗压强度、弹性模量的关系式，得到高性能混凝土的抗压强度和弹性模量与相应的实测值对比，具体数值见表12、表13。

表12箱梁抗压强度实测值和推定值

表13箱梁实体弹性模量实测值和推定值

通过对箱梁抗压强度、弹性模量的实测值和超声回弹推定值进行比较，可以得出：

(1)根据《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》(CECS 02：2005)中规定，采用专用测强曲线时，专用测强曲线相对误差为e_r≤12％，经计算，抗压强度曲线的相对误差为5.39％，弹性模量曲线的相对误差为7.64％，符合要求。

(2)本发明所给出的超声、回弹特征值与高性能混凝土抗压强度、弹性模量的关系公式适用于公路桥梁C50≤f_cu.k≤C55预应力混凝土早龄期及后期的超声回弹双参数无损检测；实际工程中所用混凝土配合比在本发明所述的配合比范围之内的可以直接应用本发明所给的公式；为了得到适用于具体工程的更高精度的抗压强度值和弹性模量值，可根据本发明所述步骤自行得出相关公式。

Claims (6)

1.一种公路桥梁预应力混凝土超声回弹双参数无损检测方法，适用于C50≤f_cu.k≤C55公路桥梁预应力混凝土，其特征在于，采用超声回弹综合法检测混凝土强度和弹性模量，通过实验和数据统计分析建立超声回弹综合法检测公路桥梁预应力混凝土抗压强度和弹性模量的曲线，得出超声回弹特征值与混凝土抗压强度、弹性模量的回归公式，包括以下步骤：

步骤一：试件制作，采用满足要求的混凝土原材料和配合比，在商品混凝土搅拌楼中搅拌，制作C50和C55两个强度等级的混凝土；在两个强度等级下，分别制作不同龄期的试件，每一个龄期制备15个标准立方体试件和30个标准棱柱体试件，立方体试件用于测试混凝土抗压强度，15个棱柱体试件用于测试混凝土轴心抗压强度，其余15个棱柱体试件用于测试混凝土弹性模量，同一龄期的试件要求在同一天内制作完成；

步骤二：试件采取同条件养护，即与工地上混凝土的养护条件相同；

步骤三：试件达到龄期后，利用混凝土回弹仪对回弹值进行测试；具体操作如下：对抗压强度的棱柱体试件或立方体试件进行超声值和回弹值测试，在试件浇筑方向的两个相对侧面上各取8个点，并进行编号，把试件浇筑面置于压力机承压板之间，加压80kN，弹击这16个点得回弹值，从16个回弹值中剔除3个较大值和3个较小值，其余10个有效值求平均值得到每个测点回弹代表值；

步骤四：超声值测试：利用非金属超声检测仪对试件进行声时值测试；具体操作如下：采用对测法测试试块非成型面，在两个相对测试面对角线上分别取相对应的上、中、下3个测试点进行测试，取其平均值作为该试件的超声声速值；

步骤五：强度测试：用电液伺服万能试验机测量混凝土标准立方体试件的抗压强度和混凝土标准棱柱体试件的轴心抗压强度；

步骤六：弹性模量测试：用电液伺服万能试验机测量混凝土标准棱柱体试件的弹性模量。

2.如权利要求1所述的公路桥梁预应力混凝土超声回弹双参数无损检测方法，其特征在于，混凝土配合比如下：

水胶比：(0.24～0.38)∶1；

水泥用量：400kg/m³～500kg/m³；

矿物掺合料总用量：70kg/m³～95kg/m³，其中，矿物掺合料中矿粉的添加比例为99.4～100wt％，粉煤灰的添加比例为0～0.6wt％；

中砂用量：580kg/m³～700kg/m³；

碎石用量：1000kg/m³～1200kg/m³；

减水剂掺量：1.0wt％～1.5wt％。

3.如权利要求2所述的公路桥梁预应力混凝土超声回弹双参数无损检测方法，其特征在 于，所述混凝土采用与工程中相同的原材料，混凝土和易性根据施工工艺要求确定；

水泥：选取普通硅酸盐水泥P.O 52.5级水泥、P.O 42.5级水泥；

骨料：砂、石使用符合国家标准的质地坚硬、级配良好、洁净的中砂和碎石；

石灰石碎石5-20mm连续级配，5-10mm掺量30％，10-20mm掺量70％；

矿物掺合料：采用符合现行国家或行业标准的I级粉煤灰、S105或S95矿粉；

外加剂：采用聚羧酸高效减水剂；

拌合水：符合《混凝土用水标准》JGJ 63-2006规定。

4.如权利要求1所述的公路桥梁预应力混凝土超声回弹双参数无损检测方法，其特征在于，所述不同龄期选择3d、5d、7d、28d、56d五个龄期；标准立方体试件的尺寸为：150mm×150mm×150mm；标准棱柱体试件的尺寸为150mm×150mm×300mm。

5.如权利要求1所述的公路桥梁预应力混凝土超声回弹双参数无损检测方法，其特征在于，

对于公路桥梁预应力混凝土C50≤f_uu.k≤C55的超声、回弹特征值与高性能混凝土抗压强度、弹性模量的关系，满足以下公式：

超声回弹值与抗压强度：

超声回弹值与弹性模量：

上述公式中：

Y₁——f_cu,d/f_cu,28

Y₂——E_c,d/E_c,28

f_cu,d——不小于3天龄期的混凝土抗压强度(MPa)

f_cu,28——28天龄期的混凝土抗压强度(MPa)

E_c,d——不小于3天龄期的混凝土弹性模量(MPa)

E_c,28——28天龄期的混凝土弹性模量(MPa)

V_m——声时值

R_m——回弹值

R²——相关系数，用以反映变量之间相关关系密切程度，越接近1，相关性越强。

6.如权利要求4所述的公路桥梁预应力混凝土超声回弹双参数无损检测方法，其特征在于，该方法适用于混凝土3d～28d早龄期。