混凝土无损检测超声—回弹综合法实验研究
第一章 概述
1.1普通混凝土
1.1.1普通混凝土的应用
? 由水泥、水和粗细集料按一定比例混合并搅拌均匀而成的混合物，在自身物理化学作用下逐渐凝结硬化而得到的坚硬物体称为混凝土。一个半世纪以来混凝土科学理论与技术的不断进步，使混凝土材料使用范围不断扩大，到目前为止全世界水泥总产量以达13亿吨，混凝土总产量以达到大约30亿立方米，成为建筑工程中最大宗的材料。因此，混凝土从新搅拌状态到凝结硬化后的性能，以及在使用环境下的长期性能受到人们的普遍关注，尤其是混凝土结构质量的控制深受人们关注，由此而促使人们对各种结构质量与控制技术不断进行完善和提高。【3】
1.1.2普通混凝土的无损检测
无论是工业及民用建筑，还是公路、铁路、水利及水电工程等都广泛使用混凝土材料，混凝土的质量关系到整个工程的质量．传统的混凝土结构质量控制主要是在拌合机口取样、制作试件，然后进行物理力学试验。由于这些试验未能反映施工中混凝土运输、浇筑、振实和养护等因素的影响，因而不能完全代表混凝土结构的实际质量。此外，出于对混凝土施工快速成型和使用安全的考虑，还需要对已筑混凝土结构的性能、质量和内部情况进行更为详细的检测。这些检测包括对混凝土的早期强度、内部缺损(如空洞、开裂等)、保护层厚度、钢筋位置和钢筋锈蚀等方面。由于混凝土结构成型后，采用破损法(如开凿、切块等)进行检测，不但费工费时，还可能破坏原结构和影响美观，是很不理想的，于是混凝土无损检测技术就得到了较广泛的应用。
所谓混凝土“无损检测”技术，就是要在不破坏结构构件的情况下，利用测试仪器获取有关混凝土质量等受力功能的物理量，因该物理量与混凝土质量(强度、混凝土缺陷)之间有较好的相关关系，可采用获取的物理量去推定混凝土质量(强度、混凝土缺陷)。用无破损试验方法直接检验结构物的混凝土强度、缺陷及其他物理力学性能指标，可以确保结构质量，节约材料，提高劳动生产率和加快施工进度。特别适用于确定不利条件(火灾、冰冻、超载、地震、各种化学介质的侵蚀等等)下混凝土的损害程度，研究和评价同一试样随时间而变异的各种性能，在这些方面，无破损试验方法的优越性较传统的破损试验方法就更为突出。【4】
1.1.3普通混凝土无损检测的特点
无损检测技术与一般试验方法的不同之处在于：前者只能用间接的物理量反映或推定工程结构物的原位质量指标。这一推定过程存在多种影响因素和不确定性，它涉及材料、结构、应用物理学，信息科学等多种学科，因此要求从无损检测的人员应有较高的素质。为适应不同检测任务的需要，应严格推行资格认证制度，制订明确的资格等级标准，并尽快实施相应的培训和考核计划。总之，随着我们建设工程质量管理力度的加强， 无损检测技术的作用将日益明显，责任也不断加重， 为使无损检测技术发挥应有的作用。除了每一个检测工作者应以十分负责的态度对待每一项检测结果外，还应充分意识到现有无损检测方法的局限性，以创新的精神推进该项技术的发展。【2】
因此，对无损检测这项新技术的研究就具有更大的现实意义和广阔的发展前景。
1.2混凝土无损检测的研究现状
1.2.1 国外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。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”。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指标的方法。1910年，Lembach和Lowy在一项德国专利rf1提出，用埋设在一组钻孔中的极天线探测地下相对高导电性质的区域， 正式提出了探地雷达概念．Hulsenhbeck于1926年第一个提出应用脉冲技术确定地下结构的思路． ??? 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)把共振法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(1．Facaoam)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。60年代声发射技术被引入混凝土检测体系，吕施(H．Ruseh)、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。Cook在1960年用脉冲雷达在矿井中做了试验．探地雷达的初期应用，仅限于对电磁波吸收很弱的冰层、岩盐等介质中．如1970年Harison在南极冰层上， 取得了800．1 200m穿透深度资料．1974年Unterberger R．R．探测了盐矿中夹层等． 随着电子计算机技术的发展以及现代数据处理技术的应用，70年代后， 探地雷达的应用从冰层、盐矿等弱介质扩展到土层、煤层、岩层等有耗介质．探地雷达的应用范围迅速扩大，现已覆盖考古、矿产资源勘探、岩十勘查、无损检测及工程建筑物结构调查等众多领域， 并开发了用于地面、钻孔与航空卫星上的探地雷达技术．探地雷达(Ground Penetrating Radia，GPR方法是一种用于确定地下介质分布的广谱技术．今天， 无论是雷达本身的技术性能还是它的应用范围都有了较大的发展． 目前国内外所使用的探地雷达都属于脉冲反射雷达，通过发射和接收从地下目标反射回来的雷达波脉冲(或称子波)，继而成象或图象重构，达到勘探和检测地下目标的日的． 因此， 子波脉冲是否尖锐乃是分辨率的关键．影响子波波长的因素比较复杂，人致有三个因素；1)主频： 主频越高， 子波的一个单波波长越短；2)频宽： 所占频带越宽， 子波的主峰越突出，旁瓣越少：3)陡度： 频带边界的斜率变缓，子波变得越来越细长．目前，探地雷达的应用十分广泛， 在工程质量检测中，能检测出公路路面厚度，其误差小于lcm； 通过测定路面吸收系数来检测路面密实度； 还可检测路基和路面的缺陷， 如裂缝空洞 等．在工程地质勘查中，能对地下剖面进行连续扫描， 从图像上可以清晰地看到地下岩土的分布状况．在滑坡调研中，从探地雷达图像可清晰地显示出地表层与基岩弱透水层之间相对透水的地层．这种地层可造成地下水沿基岩向斜坡下的流动，雨季在滑坡坡脚常见有水从地层中渗出即证实了这种水流的存在．80年代中期，美国的MarySansalone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。 ??? 随着混凝土无损检测方法日臻成熟，许多国家开始了这类检测方法的标准化工作，其中以ASTM所颁布的有关标准最多，这些标准有《硬化混凝土射人阻力试验方法》(C 803—82)、《结构混凝土抽样与检测方法》(C 823—83)、《混凝土超声脉冲速度试验方法》(C 579---83)、《硬化混凝土回弹试验方法》(C 805—85)、《就地灌注圆柱试样抗压强度试验方法》(C 873—850、《硬化混凝土拔出强度试验方法》(C900--87)、《成熟度估算混凝土强度的方法》(C 1074--87)等。此外还有《硬化混凝土超声脉冲速度的测定》(DIN／BO 8047)俄罗斯的《混凝土超声测强度》(GOSTl7624)，英国的《测试混凝土中超声速度》(BSl881：Part 203)，捷克和斯洛伐克的《用超声脉冲检测混凝土的方法》(STN 73—1371)等。与此同时国际标准化组织(ISO)及材料与结构试验研究国际联合组织(RILEM)也先后提出了若干项相关的国际标准。这些工作对结构混凝土无损检测技术的工程应用起了良好的促进作用。??? ??? 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，测试内容由强度推定、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。??? 。 ??? 混凝土无损检测技术的发展虽然时快时慢，但由于工程建设的实际需要，它始终具有较强的生命力。可以预料，随着科学技术的发展和工程建设规模的不断扩大，无损检测技术的发展前景是广阔的。【1】 1.2.2我国混凝土无损检测技术的发展历程 ??? 我国在这一领域的研究工作始于20世纪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。纵观整个发展历程，我国无损检测技术的发展是非常迅速的，我们可以从下面几个方面叙述这一发展的过程： ? (一) 在测试技术方面的发展 ??? 早在20世纪50年代中期，随着我国基本建设规模的扩大，混凝土无损检测技术就已引起工程界的重视。当时，我国与建设工程有关的主要研究院所及高等院校都开展了这方面的研究工作，并将研究内容列入了我国第一个科技发展十二年规划。 ??? 在早期的研究中值得一提的是同济大学在该领域中作出了开拓性的贡献。当时的同济大学声学研究室与材性研究室在我国著名声学专家魏墨盒教授的带领下，首先开展了混凝土超声检测方法的研究，试验研究了混凝土强度及配合比参数与超声脉冲速度、衰减系数等声学参数之间的相互关系，并于1964年研制出我国第一台非金属超声仪。 ??? 60年代初，我国已能生产回弹仪，并对回弹法的研究日趋成熟。在超声法研究方面，主要是运用超声脉冲法进行裂缝探测及运用专用曲线法进行强度检测，并大量引进前苏联及东欧国家的研究成果和检测经验。与此同时，在国内也有许多新的探索，在测强方面，一些研究者试图消除混凝土中砂石含量对“声速——强度”关系的影响，以便建立一条适应范围较广的基准曲线，在这方面获得一定成果的有建材研究院提出的“水泥净浆声速核算法”，陕西省建筑科学研究院提出的“砂浆声速核算法”，以及湖南大学提出的“声速衰减综合测强法”等。但这些方法都因测试方法或核算方法的烦琐而未能得到广泛应用。但它所提出的问题和思路，至今仍对测强研究有所启示。在测缺方面，南京水利科学研究院提出了用概率法判断缺陷的方法，使原来的经验判断上升为数值判据判断。 ??? 70年代后期，我国混凝土无损检测技术的研究进入了一个新的发展期。1978年，以中国建筑科学研究院、陕西省建筑科学研究院为首组成了以建工系统为主的全国性协作组，其后又吸收其他系统单位参加。协作组的成立加强了各单位间的交流，也就一些共同关心的问题进行了合作研究，例如超声测试中仪器零读数( t )问题。协作组对仪器零读数产生的机理、不同介质仪器零读数的差异及如何进行统一标定曾进行过联合试验和研究。 ??? 20世纪80年代，研究工作得到快速发展，具体如下： ??? 中国建筑科学研究院进行了综合法测强的研究，首次提出了北京地区的超声法测强曲线。 ??? 南京水利科学研究院进行了超声法测强、超声法测量缺陷、裂缝深度的研究。 ??? 同济大学进行了超声测缺、超声法测强、超声法测厚及超声波检测仪的研究。??? ??? 湖南大学进行了超声检测影响因素及混凝土中声波衰减及频谱分析的研究。 ??? 陕西省建筑科学研究院进行了测缺、超声法测量火灾后损伤层厚度的研究。 ??? 这些研究取得了一系列首创性的成果，包括： ??? 测强方面? 超声测强的主要影响因素：石子的品种、粒径、用量；钢筋的影响及修正；混凝土湿度、养护方法的影响及修正；测试距离的影响及修正；测试频率的影响及修正等。 ??? 测裂缝方面? 平测法测裂缝的方法及修正距离的研究；钢筋的影响及修正；钻孔法测裂缝的研究和应用? 斜测法测裂缝的研究及应用等。 ??? 测缺陷方面? 概率判断法的进一步改进和完善；斜测交汇法的研究应用；缺陷尺寸估计；多参数综合判断的应用；波形方面的研究；频率测量方面的研究和应用；衰减系数、频谱分析应用和测定方法的研究；火灾后损伤层厚度的测定方法等。 ??? 在这时期，许多地区通过试验研究，制定了本地区的强度换算曲线，推动了超声回弹综合法的提高和应用。 ??? 随着超声检测技术的发展，应用的范围不断扩大，研究深度不断加深，从20世纪50~60年代主要在地上结构检测发展到地上和地(水)下，包括一些隐蔽工程，如灌注桩、地下防渗墙、水下结构的检测、坝基及灌浆效果的检测等；从一般两面临空的梁、柱、墩结构检测发展到单面临空的大体积检测；探测距离从1—2m发展到10-20m；从以声速一个参数为主发展到声速、振幅、频率、波形多参数的综合运用。特别在超声探测缺陷、裂缝方面，形成了从测试方法、数据处理到分析判断的一整套技术，在实际工程应用中取得了良好效果，许多重大工程都采用了超声检测。 ??? 在应用的发展方面，80年代中期有一个重大发展，这就是超声检测混凝土灌注桩。1984年，湖南大学和河南省交通厅等单位首次运用超声法在灌注桩预埋钢管中进行检测，在郑州黄河大桥的灌注桩检测中取得成功并提出另一种判断桩内缺陷的方法，声参数一深度曲线相邻两点之间的斜率与差值之积，简称PSD判据。其后，还出现了其他一些判断分析方法。随后，许多单位都相继开展超声波检测混凝土灌注桩的研究和应用。由于声波法测桩具有不受桩长桩径的影响，探测结果精确可靠，很快在国内普遍推广应用，特别是大型桥梁的桩基检测中已普遍采用声波法，取得了很好的社会和经济效益，成为超声法检测混凝土的一个新热点。
近20年来，在我国的道桥建设飞速发展的同时，也有大批既有道路与桥梁相继进入老化时期。为此，为了确保道桥结构的安全运营，对道桥检测工作提出了更高的要求，道桥检测工作亦由此愈发显得重要。目前国内外在道桥检测方面继出现了许多现代检测技术与检测方法，其中比较具代表性的，国内外学者关注最多的是桥梁的健康诊断无损检测。道桥的无损检测技术的发展始于20世纪30年代初，目前已形成了一个较完整的无损检测体系。光纤传感技术是利用光纤对某些特定的物理量敏感的特性，将外界物理量转换成可以直接测量的光信号的技术。从20世纪70年代中期至今，光纤传感技术经过20多年的飞速发展已经有了很大的进步，已成功研制百余种光纤传感器。它已涉及到国防军事、航天航空、工矿企业、能源环保、生物医药、计量测试、自动控制和家用电器等各种领域。将光纤传感器应用于桥梁测量中，可实现对桥梁钢索的索力及预应力连续混凝土梁内部应力、应变特性的测量和监测，构成所谓的光纤智能桥梁。光纤传感器与传统的传感器相比主要差别在于：传统的传感器是以应变-电量为基础，以电信号为转换及传输的载体，用导线传输电信号，因而使用时受到环境的限制，如环境湿度太大可能引起短路，特别是高温和易燃、易爆环境中易引起火灾等。光纤应变传感器是以光信号为变换和传输的载体，利用光纤传输信号，它的优点是：光纤是由石英玻璃制成的，是一种介质、绝缘体，且耐高压、耐腐蚀，能在易燃易爆的环境下可靠运行；光纤为无源器件，对被测对象不产生影响； 光纤体积小，重量轻，可做成任意形状的传感器阵列；光纤传感器的载体是光。我国从20世纪90年代开始了对光纤传感技术的应用研究。同济大学、重庆大学、哈尔滨工程大学等院校对光纤传感器应用于桥梁检测进行了理论研究，并已应用于桥梁检测中，取得了较好的效果。其中重庆大学已把其在光纤传感技术方面的研究成果应用在重庆槽坊立交桥的长期在线动态远程健康监测中，证明了其技术的可行性。把光纤传感技术运用到桥梁检测中给桥梁健康监测和安全评价注入了新的活力[3]。利用光纤传感技术进行无损检测虽然有精度高和实用性强，以及对桥梁能进行健康诊断等的独特的优越性能，在桥梁检测中的应用形式比较乐观，然而，因其价格昂贵，针对我国的国情该项技术在我国的桥梁检测中还难以推广。 ??? 80年代，除了超声、回弹等无损检测方法日趋成熟外，中国建筑科学研究院又进行了钻芯法研究，哈尔宾建筑大学进行了后装拔出法的研究，使无损检测的内容进一步扩大。 ??? 作为上述研究成果的必然结果，我国在80年代开始制订了一系列有关混凝土无损检测的技术规程并进行了多次修订，其中包括《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ／T 23—2001)，《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》(CECS02：88)，《超声法检测混凝土缺陷技术规程》(CECS21：2000)，《后装拔击法检测混凝土强度技术规程》(CECS69：94)，《基桩低应变动力检测规程》(JGJ／T93---95)，《水运工程混凝土试验规程》(JTJ 270---98)及《水工混凝土试验规程》(SDl05—82)等行业标准和协会标准。随后，一些省市也编制了相应的地方规程。各项规程的不断完善，大大促进了无损检测技术的工程应用和普及。 ??? 进入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，已有方法更趋成熟和普及，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。2000年1月30 13国务院颁布<< 建设工程质量管理条例>>明确了建设单位，勘察、设计单位、施工单位和监理单位的责任和义务，并提出主体结构工程，地基础工程在设计文件规定的合理使用年限内长期保修和对事故责任人终生追究法律责任。2 0 0 1年，建设部全面贯彻有关标准的强制性条文．进一步完善建设工程的标准体系和明确了质量管理的技术依据。随着这些措施的落实， 无损检测技术在建设工程质量管理中的作用和责任日益明显。这些工程质量是由一系列工程技术指标来体现的，这些指标的标准值又是通过检测来获取的，如果检测结果不准确则必将对工程质量造成误判。目前施工质量控制和验收还仅仅建立在前期材料试件检测和外观检测的基础上，但结构物的原位质量才是实际的工程质量，而原位质量只能通过无损的手段来获取，因此，随着我国建筑工程规模的不断扩大，以及质量管理的不断深入，混凝土无损检测技术应适应新的需要，必将有更大的发展 ? (二)检测仪器方面的发展 ??? 混凝土声测仪器与混凝土声测技术是在相互制约而又相互促进的过程中得到发展的，我国混凝土声测仪器的发展大致经历了4个阶段： ??? 60年代是声波检测技术的开拓阶段，声测仪是电子管式的仪器，如UCT-2型、CIS-10型等，现已被淘汰。 ??? 70年代是超声检测方法研究及推广应用阶段，声测仪是晶体管化集成电路模拟超声仪， 首先推出的是湘潭无线电厂的SYC-2型岩石声波检测仪，之后相继推出的是天津建筑仪器厂的SC-2型和汕头超声电子仪器厂的CTS-25型等，这类仪器一般具有示波及数码管显示装置，手动游标读取声学参量，市场拥有量约有几千台，为推动我国混凝土声测技术的发展发挥了重要作用。在70年代中期我国生产的非金属超声仪及其配套使用的换能器与国外同类仪器相比(如美国CNC公司的Pundit型，波兰的N2701，日本MARUT公司的Min-1150---03型等)，在技术性能方面已达到或超过它们的水平。 ??? 80年代是进一步发展与提高阶段，80年代初期国外推出了电脑控制的声波检测仪(如日 本OYO公司的5217A型等)，混凝土超声仪进入了数字化仪器阶段，数字化声学信号数据处理技术的应用，推动了声测技术的发展，而我国却由于多种原因在计算机的应用方面落后国外水平。80年代末期，我国开始数字化混凝土超声仪的研究，之后以很快的速度发展，整机化的由微机控制的声测仪产生于80年代末到90年代初，这批仪器均采用Z80CPU，通过仪器与微机的联系，实现了不同程度的声参量的自动检测，并具有一定的处理能力，使现场检测及后期数据处理速度大大加快。但由于受到数据采集速度以及存储容量和软件语言等方面的限制，无法实时动态地显示波形变化，难于承担需要大量处理单元和高速运算能力支持的信息处理工作，也不便于软件的再开发。作为初级数字化超声仪的代表型号为CTS-35型，CTS-45型和UTA2000A型。 ??? 90年代是追赶并超过国际水平的阶段，随着声测技术的发展，检测市场的扩大以及计算机技术的深入应用。自90年代中期以来，我国各种型号的数字式超声仪相继问世，首先推出的是北京市市政工程研究院(北京康科瑞公司)的NM-2A型，随后该型仪器不断更新，形成了NM系列。NM系列超声仪的最大特点是在计算机和数据采集系统之间，通过高速数据传输(DMA)方式，实现了波形的动态实时显示，并以软硬件相结合的方式，创造性地解决了声学参量的自动判读技术，从而在高噪声弱信号的恶劣测试条件下，仍然可快速准确地完成自动检测，大大提高了测试精度和测试效率，对超声检测技术的推广是有力的推动。之后相继推出的有岩海公司的RS-UTOIC型、同济大学的U-Sonic型、岩土所的RSM-SY2等等。 ??? 在超声检测仪迅速发展的同时，其他检测方法的仪器也有了很大发展，其中包括各种型号的数显式回弹仪，轻便型钻孔取芯机、拔击仪、射钉仪、贯人仪、钢筋保护层厚度测定仪、钢筋锈蚀仪、脉冲瞬变电磁仪等等。 ??? 总之，各种检测设备的研制和生产，为混凝土无损检测技术提供了良好的物质基础。 ? (三)学术交流的发展 ??? 自20世纪70年代后期，在中国建筑科学研究院的主持下，成立无损检测技术协作组以来，无损检测技术的学术交流活动从未间断。 ??? 1985年，中国建筑学会施工学术委员会下的混凝土质量控制与非破损检测学组成立，挂靠单位为中国建筑科学研究院。其中非破损检测部分后来改为属于中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土学会下的建设工程无损检测委员会。 ??? 1986年，中国水利学会施工专业委员会无损检测学组成立，挂靠南京水利科学研究院。 ??? 中国声学学会下属的检测声学委员会，挂靠同济大学。 这些学术组织都在混凝土声学检测方面作过大量工作，组织多次学术交流会，出版论文集，推动了声波检测技术的发展。例如土木工程学会建设工程无损检测委员会，从1984年起就主持召开过7次全国性的无破损检测学术交流会，出版了多期论文集。委员会还组织委员们翻译国外研究文集，编辑出版了2本国际土木工程无损检测会议论文集。另外，还邀请罗马尼亚、日本等国的专家来华讲学、交流。我国从事混凝土无损检测的工程技术人员也以各种形式参与国际交流，其中包括访问、进修、参加学术会议，参与实际工程检测及仪器展览等。这些交流活动无疑为我国混凝土无损检测技术的发展起了推动作用。【6】
1.3本论文的主要研究对象
1.3.1各种无损检测方法工作原理及其特点评述
（一）回弹法
回弹法是以在混凝土结构或构件上测得的回弹值和碳化深度来评定混凝土结构或构件强度的一种方法，它不会对结构或构件的力学性质和承载能力产生不利影响，在工程上已得到广泛应用．回弹法使用的仪器为回弹仪，它是一种直射锤击式仪器，是用一弹击锤来冲击与混凝土表面接触的弹击杆，然后弹击锤向后弹回，并在回弹仪的刻度标尺上指示出回弹数值．回弹值的大小取决于与冲击能量有关的回弹能量，而回弹能量则反映了混凝土表层硬度与混凝土抗压强度之间的函数关系，即可以在混凝土的抗压强度与回弹值之间建立起一种函数关系，以回弹值来表示混凝土的抗压强度．回弹法只能测得混凝土表层的质量状况，内部情况却无法得知，这便限制了回弹法的应用范围，但由于回弹法操作简便，价格低廉，在工程上还是得到了广泛应用．
（二）超声波法
超声波法检测混凝土常用的频率为20～250kHz，它既可用于检测混凝土强度，也可用于检测混凝土缺陷．超声波在混凝土中的传播速度与混凝土的弹性性质密切相关，而混凝土的弹性性质又可以反映其强度大小，从而可以在混凝土超声波传播速度与其强度之间建立起一种相关关系，这种关系通常为非线性关系，可用经验公式或专用测强曲线来表示．由于混凝土本身是一种复合材料，其内部超声波传播速度受许多因素影响，如钢筋的配置方向、不同骨料及粒径的大小、各组分的比例变化、龄期、养护条件及混凝土的强度等级等，这些影响因素在建立测强关系时均应进行修正，显然这种修正是一项很复杂而又烦琐的工作．超声波法检测混凝土缺陷是根据超声波在混凝土中传播的速度、振幅、相位及主频的变化来判断混凝土内部的缺陷情况．混凝土内部常见的缺陷有：蜂窝状或松散状的不密实区、空洞、杂物或受意外损伤而形成的酥松区等．当超声波遇到以上缺陷时，其速度、振幅等常会发生一定程度的异常变化，分析这种异常变化可推知混凝土内部的缺陷状况．超声波法检测混凝土内部缺陷时常需要进行一定的数据处理及统计计算，且需要测试人员具有一定的检测经验． ’
（三）超声回弹综合法
回弹法只能测得混凝土表层的强度， 内部情况却无法得知，当混凝土的强度较低时，其塑性变形较大，此时回弹值与混凝土表层强度之间的变化关系不太明显；超声波在混凝土中的传播速度可以反映混凝土内部的强度变化，但对强度较高的混凝土，波速随强度的变化不太明显．如将以上两种方法结合，互相取长补短，通过实验建立超声波波速一回弹值一混凝土强度之间的相关关系，用双参数来评定混凝土的强度，即为超声回弹综合法．实践表明该法是一种较为成熟、可靠的混凝土强度检测方法。超声回弹综合法是以声速值、回弹值与混凝土强度之间的相关关系为基本依据，在自然状态下测试出混凝土的某些物理量，进而按相关关系推算出混凝土的特征强度。然而混凝土是一种多相复合材料，均质性较差，应用单一的无损检测方法(如单一回弹法或超声法)推算混凝土强度，因影响因素多，使推算的混凝土强度不能达到一定的精度。如果采用两种或两种以上的无损检测方法，获取多种物理力学参量，并建立混凝土强度与多项物理力学参量的综合相关关系，以便从不同角度综合评价混凝土的强度。由于综合法采用多项物理力学参量，能较全面地反映构成混凝土强度的各种因素，并且还能抵消部分影响强度与物理量相关关系的因素，因而它比单一物理量的无损检测方法具有更高的准确性和可靠性。
（四）与单一法（回弹法和超声法）相比，综合法具有以下特点：
1.减少了岭期和含水率的影响。混凝土的声速值除受粗集料的影响外，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。但是混凝土的含水率对两者的影响有着本质的区别。混凝土含水率大，声速值偏高，而回弹值则偏低；混凝土龄期长，超声声速增长率下降，而回弹值因混凝土碳化程度增大而提高。因此，二者综合起来可以部分抵消龄期和含水率对测试混凝土强度的影响。
2.优势互补。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，单一发可能就不很敏感或者不起作用。例如回弹值主要以表层砂浆的弹性性能来反映混凝土的强度，当强度较低，塑性变形较大或内外质量有较大差异时，很难反映混凝土的实际强度。超声声速是以整个截面的动弹性来反映混凝土强度，而混凝土强度较高，相应声速随强度变化的幅度不大，其声速与实际强度相关性较差。因此采用回弹和超声综合法测定混凝土强度，即可内外结合，又能在较低和较高的强度区间弥补各自的不足，能够较全面的反映混凝土实际强度。
3.提高测试精度。由于综合法能减少一些因素的影响程度，较全面的反映混凝土整体质量，所以对提高混凝土强度的检测精度具有明显的效果。
4.具有更广的适用性。我们知道混凝土强度是一个多因素综合性指标，它与弹性、塑性、材料的非均质性、空隙的量和空结构及试验条件等一系列因素有关，而单一指标往往与某些因素有较好的相关性，而对其他因素的影响却表现的不太显著。因此，采用单一指标与混凝土强度之间建立相关关系，使其局限性增大。例如，混凝土中粗集料用量及品种变化可导致声速值明显变化，而对强度影响却不如此显著。又如龄期对强度的影响不十分显著，而回弹值因碳化程度的增大而提高。实践证明，将回弹和声速值合理综合后，能消除原来影响fcu~V和fcu~R关系的许多因素。例如，水泥品种的影响，构件混凝土含水量及碳化影响等，都不像单一法所造成的影响那么显著。因此，综合法采用多指标反映混凝土强度，比单一法测强具有更广的适用性。
鉴于超声回弹综合法具有上述许多优点，因此，在国内诸多工程的混凝土强度检测中已广泛应用了这一方法，为工程质量事故的处理提高了主要依据。【8】
1.3.2建立地区测强曲线的必要性
目前，测强曲线可按适用范围分为以下三种类型：
通用测强曲线（全国曲线）
通用测强曲线的建立是以全国许多地区曲线为基础，收集全国大量实验数据，经过计算统计的回归结果，具有一定的现场适用性，由于影响因素复杂，误差较大，精确度不高，使用时必须慎重。
地区测强曲线
地区测强曲线是采用本地区常用的有代表性的混凝土材料，成型养护工艺和龄期为基本条件，并针对我国地域辽阔和各地所使用原材料差异较大这一特点，在本地区制作相当数量的试块进行非破损和破损平行实验建立起来的。
专用测强曲线
专用测强曲线是以某一具体工程为对象，采用与被测工程相同的原材料质量、成型养护工艺和龄期，制作一定数量的试块，或现场从结构或构件中钻取一定数量有代表性同条件的混凝土芯样，进行非破损和破损平行测试建立起来的测强曲线。
由于通用测强曲线的建立是以全国许多地区曲线为基础，经过大量的分析研究和计算汇总而成的，使用范围广但精度不高。由于各地环境条件、原材料质地、施工条件等多种因素的差异，为提高测试精度，完善施工质量鉴定，提高经济效益，应该建立一条本地区测强曲线。因而，随着无损检测技术的发展和人们对混凝土结构质量的关注，根据各地环境温度差异和原材料不同建立适合本地区应用的测强曲线势在必行。【11】
1.3.3研究背景
在综合法测强中，混凝土的配合比，水泥品种及用量、粗细集料的性质及粒径、龄期等因素对测强结果都有不同程度的影响，为了解决这个问题，提高测试精度，在如何建立测强曲线这个问题上有两种做法。一种是标准混凝土方法，它是采用标准曲线，然后用多个系数进行修正以确定混凝土强度的一种方法。另一种是最佳配合比（或常用配合比）法，它是采用最佳配合比，配置不同强度等级的混凝土试块，然后在不同龄期进行测试，以建立测强曲线，这样建立的测强曲线针对性强，精确度高，但曲线数量多，目前是我国应用较多的一种建立方法，也是本论文所采用的一种方法。
对超声回弹法来说，既先对一定数量混凝土试块或芯样分别进行超声和回弹测试，然后再把试块或芯样进行抗压强度测试，将测试取得的超声声速值，回弹值R和混凝土抗压强度值，按照相应的数学拟和曲线，采用数理统计方法，确立混凝土试块或芯样抗压强度，声速和回弹值R三者之间的相关关系曲线，即为超声回弹综合法曲线。
在综合测强实际检测中，结构或构件上每个测区的混凝土强度换算值是根据该测区实测并经必要修正的超声声速值和回弹平均值R ，按已建立起来的测强曲线推定出来，因此，必须建立可靠的测强曲线。【5】
1.3.4目的及意义
混凝土是当今社会重要的土木工程材料，在我国各类工程建设中占有极其重要的地位，混凝土的质量直接关系到结构的安全性和耐久性。因此，如何加强混凝土质量控制，保证结构工程质量，避免工程质量事故的发生，是工程界广大工程技术人员长期以来一直在研究、探讨并致力加以解决的重要课题。
针对当前混凝土无损检测技术空前发展，通用测强曲线在一定范围内存在的不足，建立和完善一条本地区测强曲线势在必行的现状，通过一定范围的调查研究，明确本地区常用混凝土强度范围以及原材料性质及产地，充分了解本地区环境和施工偏好及特点，利用实验室模拟技术，将标准状态的混凝土强度发展作为主要研究对象，并通过与施工现场相当的自然状态作为修正，建立一条适合本地区应用的测强曲线。
通过本次实验研究，建立一条本地区测强曲线，为张家口地区测强曲线的建立及其应用研究打下良好的基础，研究成果的推广应用必将对确保张家口乃至周边地区的工程质量，促进地方经济建设和发展起到有力的推动作用，产生良好的经济效益和社会效益。
第二章 试验研究
2.1原材料的选用
选用本地区常用的水泥、粗集料、细集料。具体原材料情况如表2-2所示。
按国家现代标准对水泥进行检验，包括水泥细度、水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性、水泥胶砂强度、水泥密度、水泥蒸压安定性的检验，均符合现代标准的要求。所选用的砂石原材料也均符合现行部颁要求。混凝土各组成材料的基本性能见表2.1～2.5。
表2.1 水泥
强度等级
品种
生产厂家
细度（%）
（负压筛法）
标准稠度用水量
P（%）
体积安定性
（饼法）
28d抗压强度实测值?ce（Mpa）
32.5
普通硅酸盐
宣化水泥厂
6
28.5
合格
50.0
42.5
普通硅酸盐
宣化水泥厂
4
27.4
合格
55.5
表2.2 砂子
品种
产地
表观密度
（g/cm3）
堆积密度
（kg/m3）
空隙率
P′（%）
颗粒级配
粗细程度
河砂
张家口崇礼
2.63
1570
40
2区、级配合格
Mx=2.3中砂
表2.3 石子
品种
产地
表观密度
（g/cm3）
堆积密度
（kg/m3）
空隙率
P′（%）
颗粒级配
最大粒径
D（mm）
碎石
张家口
崇礼
2.47
1350
45
连续粒级
4.75～19mm级配合格
19
表2.4 外加剂
品种
类别
生产厂家
减水率（%）
高效减水剂
萘系UNF-5
天津雍阳
15
2.2混凝土配合比设计
按照混凝土配合比设计公式初步计算配合比及经过试配调整后，最终确定C15～C40六个强度等级的混凝土配合比及拌制混凝土1m3时各原材料的用量（表2.5）
编号
配合比
(C∶S∶G∶W)
各骨料用量（Kg）
水泥
水
砂子
大石子
小石子
外加剂
C15
1∶2.45∶3.99∶0.65
288
187
705
920
230
0
C20
1∶1.54∶2.87∶0.51
392
200
605
899.2
224.8
0
C25
1∶1.95∶3.46∶0.56
327
183
638
906.4
226.6
0
C30
1∶1.43∶2.77∶0.49
404
198
577
896.8
224.2
0
C35
1∶1.51∶3.07∶0.44
401
176
605
982.4
245.6
2.406
C40
1∶1.19∶2.66∶0.38
456
173
543
965.6
241.4
2.736
表2.5 1m3各原料用量
2.3测试仪器的选用
在制订综合法测强曲线的试验中，所选用的仪器设备如表2-6所示，其仪器的各项技术性能符合以下要求：
（一）回弹仪的选用
采用中型回弹仪。回弹仪通过了技术鉴定，具有产品合格证及鉴定证书。
选用的回弹仪符合下列标准的要求：水平弹击时，在弹击锤脱钩的瞬时，回弹仪的标称动能为2.207J；弹击锤与弹击杆碰撞的瞬间，弹击拉簧处于自由状态，此时弹击锤起点位于刻度尺的零线处；在洛氏硬度为HRC602的钢锭上，回弹的率定值为802。具体仪器型号及生产厂家见表2-1。【11】
（二） 超声波检测仪的选用
采用低频超声波检测仪，通过技术鉴定，具有产品合格证及鉴定证书。
仪器的声时范围为0.5-9999，测读精度为0.1。
仪器具有良好的稳定性，声时显示调节在20-30范围内，2h内声时显示的漂移不大于0.2；
仪器的放大频率响应分为10-200、200-500KHZL两频段；
仪器具有示波屏显示及手动游标测读功能，显示清晰稳定，采用整形自动测读时，混凝土超声测距不超过1m；
仪器能适用于温度为-10-60℃、相对湿度不大于80%、电源电压波动为（22022）V的环境中，且能连续4h正常工作。
换能器的选用
换能器宜采用厚度震动形式压电材料。
换能器的频率宜在50-10KHZ范围以内。
换能器频率与标称频率相差应不大于10%。【3】
序号
仪器名称
生产厂家
1
NM-4B型非金属超声检测分析仪
北京康科瑞工程检测技术有限公司
2
Model α-1000cn混凝土回弹仪
贵昌精密仪器（天津）有限公司
3
YAW-200/300型全自动压力试验机
浙江大学流体传动及控制国家重点实验室绍兴市肯特机械电子有限公司联合研制
4
JYE-2000型压力试验机（精度2级）
无锡市锡仪建材仪器厂
5
WAY-600型电液式压力试验机（精度1级）
无锡市锡仪建材仪器厂
6
HJW-30混凝土单卧轴强制式搅拌机
天津建通建筑仪器有限公司
7
振动台（1M2）
无锡建材仪器厂
8
ST-160水泥净浆搅拌机
沈阳市北方测试仪器厂
9
JJ-5型 行星式水泥胶砂搅拌机
无锡锡建
10
ZT-96水泥胶砂体振实台
无锡锡建
11
FSY150-98型水泥细度负压筛析仪
中国建材科研院
12
KZJ-5型 电动抗折仪
沈阳精密仪器厂
13
XSB-92型顶击式振摆仪
天津市建筑仪器制造厂
表2.6 试验仪器设备列表
2.4试块的制作和养护
试块选用边长为100mm的立方体非标准试块，三块为一组。试块的强度等级设置为C15、C20、C25、C30、C35、C40六个强度等级。根据原材料的性质及试块强度要求，设计出符合工程实际且经济的混凝土配合比，并在C35和C40两个等级的试块中加入减水剂，成批打制试块前对每个强度等级进行试配，使混凝土各项指标均达标。
试块的测试龄期分别为28、42、56d，每个龄期分标准养护（温度20℃、湿度95%）和自然养护两种。每个龄期制作12组试块，分标准养护和自然养护各6组，共计216组。
每个龄期的试块按要求装模振捣后均放入标准养护室养护24h，然后编号拆模。拆模后的试块按标准养护和自然养护分别放置。采用标准养护的试块应放在标准养护室内架上，彼此间隔为10-20mm；采用自然养护的试块应放在干燥通风的室内，每块试块之间至少留有10-20mm的间隙。
养护龄期从搅拌加水开始。
图2-1. 试块标的准养护 图2-2 . 试块的自然养护
2.5无损检测与破损测强
到达测试龄期的试块，清除测试面上的粘杂物质后，进行超声、回弹及试块抗压强度的测试。
2.5.1 声时值的测定
使用超声检测仪前应先开机预热10min左右，并在测试前设置好相关参数。为保证换能器与测试面之间有良好的耦合，试块声时测试应选取试块浇注方向的侧面为测试面，采用黄油作为偶合剂。
声时测试采用对测法，按图2-1所示在一个相对面选取空洞较少、表面光洁的表面作为测试点，为了避免不同测距对测试结果的影响，发射和接收换能器轴线应在同一直线上。试块的声时值t为各组三试块的平均值，保留小数后一位小数。试块边长精确至1mm，测量误差不大于1%。超声法测点布置如图2-2所示
超声值的计算:
声速按下式计算
Vi=L/Tmi (1—4)
Tmi(t1+t2+t3)/3 (1—5)
式中 Vi-------测区声速值(km/s);
L -------超声测距(mm);
Tmi------第i个测区平均声时值(μs);
T1,t2,t3----测区中三个测点的声时值。
当在混凝土浇注的顶面与底面测试时,声速应进行修正。【4】
2.5.2 回弹仪的操作、保养及标定
传统的回弹仪因其测试误差较大，因此在回弹法规程实施前一直未能发挥其应有的作用。而回弹仪的质量及其稳定性的差异是影响测试精度的一个关键问题。
（一）操作 将弹击杆顶住混凝土的表面，轻压仪器，按纽松开，弹击杆徐徐伸出。使仪器对构件混凝土测试面缓慢均匀施压，待弹击锤钩冲击弹击杆后即回弹带动指针向后移动并停留在某一位置上，即为回弹值。继续顶住构件混凝土测试面读取并记录回弹值后，逐渐对仪器减压，使弹击杆自仪器内伸出，重复进行上述操作，即可测得被测构件或结构的回弹值，操作中应该注意仪器的轴线应始终垂直于构件混凝土的测试面。
（二）保养 仪器使用完毕后，要及时清除伸出仪器外壳的弹击杆、刻度尺表面和外壳上的污垢、尘土，当测试次数较多，对测试值有怀疑时，应将仪器拆卸，并用清洗剂清洗机心的主要零件特别是中心导杆、弹击杆和弹击锤的冲击面及其内孔，然后在中心导杆上薄薄的抹上一层钟表油，其他零件军不得抹油。要注意检查尾盖的调零螺钉有无松动，弹击拉簧是否钩入拉簧座的原孔位内，否则应送检定单位检定。
（三）标定 当仪器超过标定有效期限（半年），累积弹击次数超过6000次，仪器遭受撞击、损害及零部件损害需要更换零件等情况皆应送检定单位进行标定。
为防止声时测试时所留油污对抗压强度测试产生影响，回弹值测量选用非浇注方向与声时测量时相同的测试面上。 将试块油污擦干净放置在压力试验机上下承压板之间，选用试块的另一相应侧面回弹, 回弹仪的轴线与试块侧面保持垂直, 测点在测区范围内均匀分布, 且相邻两测点的间距及测点离试块边缘的距离一般均不小于30 mm.加压至50KN，并在此压力作用下，用标准状态的回弹仪按规定的操作规程，在每个试块的对应测试面上选测读每点的回弹值取整数值，相邻两测点的间距一般不小于30mm，测点距构件边缘或外露钢筋铁件的距离不小于50mm，且同一测点只 允许弹击一次。回弹仪的轴线方向应与测试面相垂直。但不得打在气孔或外露石子上，二个测试面共弹16次。测试时，如果回弹仪处于非水平状态，同时构件测区又不是混凝土的浇注侧面，则应对测得的回弹值先进行角度修正，后进行浇注面修正。测试点分布如图2-3
2.5.3 回弹值的计算
计算测区平均回弹值时，应从该测区的两个相对测试面16个回弹值中，分别剔除三个最大值和三个最小值，然后将剩余的十个回弹值求平均值,公式如下：
10
Rm=∑Ri/10 （1—1）
i=1
式中 Rm-----测区平均回弹值，计算至0.1；
Ri-------第i个测点的回弹值。
如非处于水平状态测得的回弹值，应按下式进行修正：
Ra=Rm+Raα （1—2）
如顶面或底面测得的回弹值，应按下式进行修正：
Ra =Rm+（Ra +Ra） （1—3）
式中 Ra-------修正后的测区回弹值；表2.2 水泥
Raα------测试角度为的回弹修正值，按表JGJ/T23-92规程表C选用；
Rα- ------测试顶面回弹修正值，按表JGJ/T23-92规程表D选用；
R -------测试底面回弹修正值，按表JGJ/T23-92规程表D选用。【7】
2.5.4抗压强度测定
回弹值测试完毕后,将压力机以每秒6±4KN的速度连续均匀进行,直至试件破坏为止,读取实验机上的压力数据并记录，然后把一组试块的三个数据比较，以中间值为准，如果大小值超过中间值的15%就除掉，剩余两值求平均，如果三值都符合要求就求三个值的平均值，然后用平均值乘以95%即为抗压强度（MPa），并精确至0.1MPa 。
· · ·
· ·
· · ·
发射探头 接收探头
图2-3回弹法测区布置 图2-4超声法测点布置
图2-5 测试过程
2.6 超声回弹综合法测强的影响因素
2.6.1.原材料的影响
（一）水泥品种与标号
试验研究表明，水泥品种与标号对超声回弹综合法测强无明显影响。因此，在制定测强
曲线时，可以不考虑水泥品种与标号的影响。
（二）石子种类与粒径
用卵石和碎石配制的混凝土进行对比试验.结果证明，石子品种对测强曲线有十分明显的影响。当石子用量变化时，声速和回弹值均随含石量的增加而增加。当石子粒径在2cm-4cm范围内变化时，对测强曲线影响不明显，但超过4cm后，其影响可忽视，由此可见，石子种类和粒径的影响应予以重视。
（三）砂子品种与砂率
砂品种对综合法测强无明显影响，且当砂率在3%上下波动时，无明显影响。但当碎石率小于28%或大于44%，明显超出混凝土常用砂率范围时，有明显影响，应另制订专用曲线。;
（四）外加剂
试验研究表明，外加各种对综合法测强影响不显著。
2.6.2 配合比的影响
在相同碳化深度的条件下，不同配合比混凝土因其水泥用量和水灰比等不相同，所得回弹值和抗压强度也不相同，但抗压强度与回弹值之间的相关关系是相同的，可以用一条曲线描述。因此，在制定混凝土超声回弹综合曲线时，可以不考虑混凝土配合比的影响。
2.6.3 成型工艺的影响
(一)模板
由于钢、木模板对混凝土表面回弹值及声速值均无明显影响，因此，钢、木模板对超声回弹综合法测强也无明显的影响。
(二)成型方法
只要混凝土经过密实成型后，人工插振成型与机械振动的混凝土超声回弹综合法测强曲线几乎重叠在一起。因此，制定超声回弹综合法测强曲线时不必考虑成型方法的影响。但不包括离心法、真空法、压浆法、喷射法的影响。
2.6.4. 养护方法的影响
养护方法对超声回弹综合法测强存在非常显著的影响，因此，超声回弹综合法测强曲线必须标明养护方法的限制条件。
2.6.5 龄期的影响
试验表明，不同龄期的试验点符合一条曲线关系，这说明龄期对超声回弹综合法测强无明显影响。
2.6.6 碳化的影响
碳化深度对回弹法测强有一定的影响，对超声法测强有显著的影响，但是碳化深度对超声回弹综合法的影响是否显著，国内学术界有一定的争议，目前普遍倾向于无明显影响。为了研究这个问题，进行试验研究，研究表明，碳化深度对超声回弹综合法测强没有影响。其原因是:混凝土碳化后表面回弹值偏高，混凝土碳化收缩效应使内部微裂缝发生变化。导致声速值降低，这两种现象反映到超声回弹综合法匕的影响相互抵消。‘
2.6.7 含水率的影响
混凝土含水率较高时，表面回弹值降低，而超声声速值有所提高，在超声回弹综合法测强时这两部分可以抵消一部分。但是，混凝土含水率往往与养护方法有关，而养护方法对超声回弹综合法测强有非常显著的影响，因此，制定超声回弹综合法测强曲线时必须统一规定混凝土为干燥状态。
2.6.8 其他因素的影响
（一）测试面
由于测试面非浇注侧面时，对回弹值和声速值都有影响，在超声回弹综合法测强时应尽量选择侧面测试，如测试面不能满足要求时，必须按有关标准规定对回弹值和超声声速值进行修正。
（二）受压状态
受压状态对回弹值和声速值均无明显影响，因此超声回弹综合法测强不必考虑混凝土受压状态的影响。
此外，测试温度、测试技术等对解声仪或回弹仪测定结果有一定程度的影响。工程检测时必须严格执行标准，有关仅器稗于标准状态，测试人员应取得资格证书，力争把超声回弹综合法测强误差降到最低限度。【7】
第三章 实验数据分析
3.1原始数据处理
3.1.1原始数据
本实验所制作的216块试块，通过回弹值、声时值和抗压强度的测定，按照现行标准对数据进行处理，所得的216组数据如表3-1~3-3所示
表3.1 龄期：28天
试件编号
回弹值
R
超声速度
V（km/s）
抗压强度P（Mpa）
试件编号
回弹值
R
超声速度
V（km/s）
抗压强度P（Mpa）
C15-B
1
32.7
4.2017
29.1
C15-Z
1
27.5
4.0000
23.2
2
32.4
4.2553
31.1
2
29.6
4.0322
24
3
33.5
4.1667
33.2
3
29.4
3.9063
22.9
4
33.0
4.2194
32.2
4
26.4
3.9370
25.0
5
35.1
4.1494
34.7
5
26.4
4.0000
23.3
6
35.3
4.2017
31.8
6
28.3
3.9841
22.8
C20-B
1
37.3
4.2735
45.6
C20-Z
1
31.1
4.2070
35.9
2
36.6
4.2919
43.9
2
32.7
4.0933
35.5
3
36.5
4.2608
44.6
3
34.5
4.1615
35.4
4
36.0
4.2608
45.0
4
33.6
4.1546
35.3
5
37.1
4.2974
43.3
5
31.8
4.1494
38.3
6
38.3
4.2863
44.4
6
34.1
4.0766
34.8
C25-B
1
37.6
4.2919
45.4
C25-Z
1
35.0
4.1841
36.2
2
38.4
4.2919
43.7
2
35.8
4.1667
38.5
3
37.9
4.2735
43.1
3
36.0
4.2017
35.0
4
38.2
4.2553
46.4
4
36.2
4.2017
38.7
5
38.4
4.3290
47.5
5
34.8
4.1152
36.6
6
38.1
4.2735
48.6
6
34.3
4.1322
37.9
C30-B
1
39.8
4.2373
45.1
C30-Z
1
38.0
4.2735
45.3
2
38.9
4.2919
49.8
2
37.0
4.1894
45.1
3
39.7
4.2445
47.1
3
39.4
4.2373
44.8
4
39.3
4.2626
45.3
4
37.6
4.2553
45.7
5
40.6
4.2445
51.3
5
36.9
4.2017
42.4
6
40.7
4.2919
51.3
6
35.7
4.2194
43.9
C35-B
1
43.5
4.3422
54.0
C35-Z
1
43.2
4.3422
50.5
2
44.4
4.4189
56.7
2
43.5
4.3668
56.2
3
44.8
4.3860
53.7
3
42.0
4.3535
53.0
4
44.6
4.3995
54.6
4
43.1
4.2919
49.9
5
42.9
4.3535
54.1
5
41.7
4.3048
54.6
6
45.4
4.3860
53.0
6
43.0
4.3346
55.1
C40-B
1
47.2
4.4504
60.3
C40-Z
1
45.2
4.4504
52.3
2
48.4
4.4843
62.7
2
44.4
4.3995
54.2
3
47.0
4.4904
69.1
3
42.3
4.3802
53.2
4
48.8
4.4843
66.5
4
45.3
4.4385
58.9
5
48.3
4.5188
62.1
5
46.3
4.4189
59.9
6
49.1
4.4643
66.2
6
44.9
4.4385
64.3
表3.2 龄期：42天
试件编号
回弹值
R
超声速度
V（km/s）
抗压强度P（Mpa）
试件编号
回弹值
R
超声速度
V（km/s）
抗压强度P（Mpa）
C15-B
1
32.8
4.2735
39.4
C15-Z
1
33.3
3.9683
28.1
2
33.1
4.3668
42.5
2
36.5
3.9526
28.3
3
34.1
4.2194
36.3
3
34.1
3.9841
27.2
4
35.2
4.3103
40
4
35.3
4.0816
29.8
5
33.9
4.2735
38.8
5
33.1
3.9841
27.6
6
35.2
4.2919
39.6
6
34.9
4.0486
30.2
C20-B
1
38.6
4.3290
49.3
C20-Z
1
36.6
4.2373
41.5
2
39.0
4.3860
52.7
2
36.9
4.2553
42.1
3
40.9
4.3478
50.0
3
36.7
4.2194
45.8
4
39.9
4.4053
51.1
4
35.7
4.1494
43.6
5
39.7
4.3478
50.8
5
35.6
4.1152
38.8
6
39.8
4.3478
51.4
6
35.9
4.2017
43.7
C25-B
1
40.3
4.3103
49.8
C25-Z
1
36.5
4.2373
40.9
2
41.8
4.3478
52.3
2
37.3
4.2735
52.2
3
39.8
4.3478
52.3
3
36.8
4.2373
44.5
4
40.5
4.3668
49.8
4
35.4
4.2373
43.0
5
38.9
4.3103
46.8
5
35.0
4.2194
39.6
6
40.5
4.3103
48.8
6
34.8
4.2017
40.9
C30-B
1
42.0
4.3048
51.3
C30-Z
1
37.6
4.3048
46.6
2
40.8
4.2863
51.1
2
39.3
4.2735
51.6
3
42.0
4.2680
51.5
3
39.6
4.279
51.3
4
40.9
4.3048
54.3
4
38.5
4.2499
48.9
5
42.0
4.3535
53
5
38.5
4.2427
47.5
6
41.9
4.3048
54.6
6
39.2
4.2553
47.7
C35-B
1
46.3
4.4248
62.7
C35-Z
1
43.8
4.3478
61.8
2
47.7
4.4444
61.1
2
44.5
4.3290
58.9
3
47.1
4.4643
61.1
3
43.5
4.3860
57.6
4
47.4
4.4248
62.1
4
43.0
4.3860
57.6
5
48.0
4.4644
60.6
5
42.9
4.4053
57.2
6
46.6
4.4053
60.5
6
44.0
4.3860
55.6
C40-B
1
47.1
4.5045
63.2
C40-Z
1
49.7
4.4783
70.0
2
45.4
4.5188
62.9
2
49.8
4.3917
66.0
3
46.2
4.4984
74.7
3
49.0
4.3802
61.3
4
46.0
4.5106
70.3
4
49.8
4.3290
65.2
5
45.0
4.4904
69.5
5
50.0
4.3611
64.0
6
46.1
4.5455
72.8
6
37.6
4.3048
46.6
表3.3 龄期：56天
试件编号
回弹值
R
超声速度
V（km/s）
抗压强度P（Mpa）
试件编号
试件编号
超声速度
V（km/s）
抗压强度P（Mpa）
C15-B
1
32.5
4.2918
39.3
C15-Z
1
35.6
4.0323
29.5
2
32.6
4.2553
39.6
2
34.4
3.9841
31.7
3
33.7
4.2735
38.3
3
35.3
3.9370
31.2
4
32.6
4.2735
40.9
4
34.8
4.0323
30.4
5
33.7
4.2553
41.4
5
35.6
3.8760
29.5
6
33.1
4.3103
37.8
6
36.1
3.9683
31.5
C20-B
1
41.5
4.3478
49.3
C20-Z
1
37.7
4.2017
47.6
2
40.8
4.3290
51.6
2
37.4
4.2194
48.5
3
40.1
4.3478
51.9
3
36.4
4.1667
44.5
4
40.4
4.2735
51.3
4
38.6
4.2918
48.9
5
41.1
4.2735
50.4
5
36.0
4.2553
48.4
6
40.1
4.2735
50.5
6
37.0
4.2017
46.9
C25-B
1
41.3
4.3860
49.4
C25-Z
1
37.7
4.2918
46.1
2
41.6
4.4053
53.5
2
37.0
4.2017
45.8
3
41.4
4.3478
48.0
3
38.4
4.3103
46.2
4
39.4
4.3478
45.6
4
37.1
4.2918
42.0
5
39.6
4.2918
47.9
5
36.2
4.2918
43.2
6
40.1
4.3860
49.2
6
36.2
4.2017
42.0
C30-B
1
45.0
4.3346
51.1
C30-Z
1
43.0
4.2918
46.0
2
43.8
4.3422
50.6
2
42.7
4.2918
49.3
3
44.7
4.3103
52.3
3
42.2
4.2319
49.4
4
44.2
4.2992
52.5
4
40.5
4.1894
50.0
5
42.7
4.3234
54.3
5
41.6
4.3234
51.3
6
43.5
4.2790
54.7
6
40.8
4.2070
51.9
C35-B
1
45.2
4.4643
61.6
C35-Z
1
46.1
4.4307
66.7
2
45.8
4.5045
61.1
2
45.4
4.4444
63.8
3
46.4
4.2918
62.5
3
43.7
4.4307
55.7
4
47.0
4.2918
58.7
4
44.3
4.4843
57.9
5
46.2
4.2918
58.9
5
47.1
4.4248
56.7
6
45.9
4.4444
66.3
6
45.4
4.3995
60.8
C40-B
1
49.6
4.5662
70.5
C40-Z
1
46.4
4.3478
69.4
2
50.1
4.5455
69.2
2
47.4
4.4444
70.4
3
48.4
4.5662
61.1
3
47.0
4.4444
67.0
4
48.4
4.5045
63.8
4
44.7
4.4053
69.8
5
47.5
4.5662
59.6
5
48.3
4.4643
67.8
6
48.0
4.5249
65.6
6
47.4
4.5045
66.0
3.2测强曲线的拟合
3.2.1超声测强曲线的拟合
将标准养护的108组声速和抗压强度值的数据代如分析软件，按规定得出线形曲线、抛物线和幂函数曲线，得到的相关曲线如图3-1—3-3所示
图 4-1 线性回归曲线
图4-2 抛物线回归曲线
图4-3 幂函数回归曲线
根据分析结果，提取相应的回归曲线及相关参数如表3-4~3-6所示
表3-4 公式回归结果
系列
回归模式
回归方程式
回归公式
1
线性回归
= a+bV
=-267.38+73.36V
2
抛物线回归
= a +bV+c
=-1057.84+439.45V-42.37
3
幂函数回归
=
=0.0074
表3-5 线性回归曲线的效果及精度
系列
回归模式
相关系数R
标准误差
参数
参数值
参数标准误差
1
线性回归
0.9248
2.6214
a
-267.38
12.76
b
73.36
2.93
2
一元二次回归
0.8553
3.03551
a
-1057.84
554.02
b
439.45
253.74
c
-42.37
29.04
表3-6 非线性回归曲线的效果及精度
系列
回归模式
相关指数
标准误差
参数
参数值
参数误差
3
幂函数回归
0.8519
3.11265
a
0.0074
0.00265
b
6.02
0.24205
3.2.2 回弹超声测强曲线的拟合
将数据表中标准养护的108组回弹、声速和抗压强度值进行拟合，按规定得出线形曲线、抛物线和幂函数曲线，得到的相关曲线如图3-4~3-6所示
图3-4幂函数方程回归曲面
图3-5 线性方程回归曲面
图3-5 对数函数方程回归曲面
根据分析结果，提取相应的回归曲线及相关参数如表3-7~3-8所示
表 3-7方程回归结果
系列
回归模式
回归方程
幂函数方程
线性方程
对数函数方程
表3-8 回归效果及精度
回归方程
相关指数
相关指数
标准误差
参数
参数值
参数标准误差
幂函数方程
0.9109
2.38
0.7051
0.076
2.91
0.38
0.05
0.012
线性方程
0.9118
2.37
141.70
16.70
0.8715
0.094
36.24
4.58
对数函数方程
0.91
2.39
-319.70
18.30
77.35
8.55
386.71
44.72
3.2.3结果分析
《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》规定:专用测强曲线，相对标准差小于等于12%;地区测强曲线，相对标准差小于等于14%【9】
根据相对标准误差公式：
由上述图表可知，线性方程回归效果最好，按公式计算此方程的相对标准误差为7.3%，符合标准规程≤14%的要求。
平均相对误差公式：
由表（4-4）可知，线性方程回归效果最好，按公式计算此方程的相对标准误差为4.6%，符合标准规程≤14%的要求；按公式计算此方程的相对平均误差为3.6%,符合标准规程≤12%的要求.
3.2.4回归公式的确定【12】
以上采用的是由标准试件测得的基准数据，由于混凝土实际使用状态与标准试件的使用条件有很大不同，因此，应采用同条件试件对回归公式进行修正，试件数量与标准试件同为108块。修正系数应按下式进行计算：
式中： ——修正系数，精确至0.01
——第i个立方试件抗压强度（Mpa）
——对应于第i个立方试件按线形回归公式计算的强度换算值（Mpa）
根据修正系数的计算公式，按所选的超声测强线性回归方程=-267.38+73.36V，得出的与所对应的抗压强度代入修正系数计算公式得出相应的修正系数=0.978118由此可得出经修正的超声测强曲线为=-261.55+71.75V 。
此公式即本次试验所得超声测强公式。
根据修正系数的计算公式，按所选的超声测强线性回归方程得出的与所对应的抗压强度代入修正系数计算公式得出相应的修正系数为=0.98336由此可得出经修正的超声回弹综合测强线性回归方程为=-139.34+0.85699824R+35.64V
此公式即本次试验所得超声——回弹综合法测强公式。
第四章 结论与展望
4.1结论
4.1.1 实验结论
（一）通过将标准试块的声时值度值进行分析，得出的超声测强曲线后选择最佳回归曲线为=-267.38+73.36V。
通过将标准试块的声时值、回弹值和抗压强度值进行分析，的出的超声—回弹综合测强曲线为。
（二）通过使用自然养护的试块相应的数据按照公式进行验证，的出的最终超声测强曲线为=-261.55+71.75V。
通过使用自然养护的试块相应的数据按照公式进行验证，的出的最终的超声—回弹综合测强曲线为=-139.34+0.85699824R+35.64V。
（三）本次实验所得的测强曲线是通过规定的实验程序和合理的数据分析所得，基本上能够作为本地区测强曲线予以应用。
（四）由于时间紧任务重，本次实验所制作的混凝土试块强度等级教少，龄期较短，所以本次所得测强曲线只能在一定范围内应用不能用于外推法测强。
（五）通过本次实验研究，建立一条本地区测强曲线，为张家口地区测强曲线的建立及其应用研究打下良好的基础，研究成果的推广应用必将对确保张家口乃至周边地区的工程质量，促进地方经济建设和发展起到有力的推动作用，产生良好的经济效益和社会效益。
4.1.2本次实验客观条件的局限性
（一）试块强度等级较低
由于本次实验只针对本地区最常用的几个强度等级进行测试，强度等级间隔较小，从而本次实验建立的地区测强曲线对C40以上等级的混凝土结构测试不适应，不适合进行较高强度混凝土结构的测试，适用范围较窄。
（二）试块龄期较小
由于本次实验时间紧张，只能对试块28d 42d 56d龄期进行测试，测试龄期范围较小，代表性不是很强，所以，本次测强曲线的精度有一定局限性。
（三）试块表面平整度较差，气孔较多
由于试块在制作过程中振捣不够充分，以及养护过程中水分的散失，尤其是强度等级较小的试块，水分散失量更多，从而导致表面气孔较多，使得在超声测试过程中探头不能与试块很好的耦合，使声时测试精度不够高。
4.2.2人为因素
（一）数据收集人员的操作规范性及技术水平
本次实验所有测试设备都由学生亲自动手操作，由于没有经过专业培训，在操作的规范上可能会出现差错，技术水平也不能达到仪器测试规范要求。
（二）数据收集人员对工作的责任心
由于本次实验数据收集周期较长，劳动量大，后期数据收集过程中可能会出现仪器的不规范使用，回弹仪不按时率定，数据读取不够精确等都会造成差错。
数据收集人员的心理和生理状况
由于本次实验劳动量大，工作周期长，从而会导致人员疲劳过度及思想不集中，都会对数据收集产生不利影响。
4.2混凝土无损检测技术的展望
无损检测技术在很大程度上是一种信息技术，它是一个获取信号、提取信息、导出结论的过程。因此，发展新型高性能的发射或接收器，采用先进的信号处理技术是主要的发展方向。各种模拟信号在数字化后，其处理方法是大同小异，数字信号处理必将发展成为无损检测技术必不可少的常规手段。人工智能、神经网络、模式识别和图相识别等将获得更广泛的应用。信号和信息的综合处理和分析将起到关键作用。当然，先进的电子仪器和机械设备也十分重要。计算机对无损检测技术的发展是至关重要的，计算机已渗透到无损检测技术中，并进一步冲击着现有的无损检测技术。除了对公式做计算外，数字处理的综合化、改革显示方式更易于理解和做数字模拟使实际无损检测操作之前就对该问题有一个透彻的了解等四方面发挥更大作用。
随着计算机技术的发展，检测仪器逐步向高、精、尖方向发展。例如超声仪的智能化、超声成相技术、雷达反射波成相技术及冲击反射等方法的发展与应用均依赖于计算机技术的进步。在采用了计算机技术之后，才可能从单一的参数检测到多参数综合分析，从简单的参数检测到多参数综合分析，从简单的检测数据到直观的检测结果表达。计算机技术还为一机多用开辟了途径。例如将超声仪器和冲击反射仪合为一体，增加了仪器的使用价值。今后计算机技术必将越来越多的用于工程质量的检测和鉴定。
随着我国工程对新技术、新材料的应用，对检测技术提出了新的要求，如高强高性能混凝土的应用，使要求能准确检测C60以上的混凝土强度，以及混凝土的稳定性等指标。许多性能是我们目前无法检测的，有待我们今后去开发研究。
从单一质量指标检测向综合鉴定方向发展，这是工程鉴定的需要。随着新的结构形式及混合结构的不断出现，如劲性混凝土的结构，钢管混凝土的结构等。在进行鉴定时不仅仅要检测不合格的施工质量，也涉及到钢筋施工质量、钢结构施工质量、砌体施工质量等。在进行既有建筑物的质量检测，以及遭受化学腐蚀、火灾等建筑物质量检测时，还要对建筑物损伤程度及剩余使用寿命和结构安全性进行评估。目前已从工程质量检测向结构评估方向发展。除此之外，还要对非结构质量进行检测。如装修工程中的外墙饰面砖施工质量、玻璃幕墙施工质量和防水工程施工质量等。
无损检测技术在建筑工程领域有广泛的应用前景，它可以用较少的人力和开支对建筑物和结构进行静态或动态的、短期的或长期的检测和监测。所以。对无损检测技术的需求正在不断的增长。建筑工程无损检测中提出许多问题及具挑战性，它将会激励起人们更大的热情和更多的投入，而研究成果也必然反过来促进无损检测技术的发展。【10】
参考文献
[1]谢清良. 超声波仪、回弹仪在混凝土无损检测运用中的探讨红水河，2002，第2期 P42
[2]国家建筑工程质量监督检验中心主编.混凝土无损检测技术.北京:中国建材工业出版社，
1996 P55
[3]中国建筑科学研究院《混凝土结构工程施工及验收规范》(GB50204-2002)，2002 P20
[4]姚锋，廖烈奎. 无损检测技术在混凝土工程中的应用.铁道技术监督，2002，第1期 P92
[5]尹荣.商品混凝土强度无损检测的分析与研究，建筑施工，1999，第3期 P104
[6]刘西拉结构工程学科的现状与展望.北京:人民交通出版社，1997，P98-99
[7]张荣成，邱平，高强混凝土回弹法及超声回弹综合法的测强技术研究.施工技术，1998,
第11期 P19
[8]中华人民共和国行业标准.《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》0G.1723-2001),20 01 P47
[9]王占林，尹淑琴等.超声回弹综合法检测商品硷抗压强度.河南建材，2000，第4期 P32
[10]潘伟行.超声回弹综合法测强度及影响因素的研究.混凝土，2002，第8期 P57
[11]张荣成，邱平，高强混凝土回弹法及超声回弹综合法的测强技术研究.施工技术，1998,
第11期 P67
[12]崔土超，孔旭文等.山东省超声回弹综合法检测混凝土强度地区曲线试验研究.无损检测，1999，第8期 P88
[13]《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T17671-1999）
[14]《普通硅酸盐水泥》（GB175-1999）
[15]《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T50080-2002）
[16]《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》
致 谢
尊敬的各位老师：
你们好！
时光如水、日月如梭，四年的大学生活即将结束，回顾过去的四年，感慨颇多：入学时我们还是一个充满理想的、无所畏惧的学生，而四年过去后自己已经经历了一些再也不会像入学时那样浮躁，感觉成熟了很多，这也许就是成长的感觉吧！
在这四年中，我的每一步成长都离不开老师们教育，是老师们的耐心教导为我们的进步提供了土壤，是老师们通过各科目的讲授为我们开启了一扇扇科学之门，使我们学习到了大量的基础及专业知识。在学校期间，老师们无私的把他们的宝贵知识与实践经验倾囊而授，我们学生们从中获益匪浅。
我们的毕业论文面临着时间短任务重的问题，我们的论文指导老师薛斌老师为我们做了许多前期工作，为我们提供了许多的有关论文的资料并提供了一些论文题目供我们参考，这使我对论文的把握多了很多参照，没有老师的这些帮助我的论文是不可能在这么短的时间内得到很大改进的。另外，薛老师还在繁忙的教学和研究工作中抽出宝贵的时间带我们这些同学去北京的一些工程现场进行参观实习，为我们今后的学习工作提供了参考。
除此之外，薛老师还同我们一同进行论文需要做的试验帮助我们打试块、压试块，其实这些本应是我们同学自己应该完成的工作，但薛老师还是帮我们分担了一部分。
在我们毕业论文试验阶段，材料实验室的马老师和李老师也为我们提供了大量帮助，我们的试验如果没有老师们的帮助是不可能进行的那么好的，实验室老师们使我们这些材料试验的门外汉学会了使用各种试验仪器和一些试验方法，并教会了我们珍爱试验用的仪器与如何保养它们，实验室两位老师虽然年纪都比较大了但他们对工作认真负责的态度很让我钦佩，他们耐心细致的工作作风给我们每一位论文组的同学都留下了深刻印象。
最后让我再一次感谢那些帮助过我的老师和同学们，谢谢你们对我的关心与帮助，祝愿你们身体健康、永远快乐！
学生：李文
2006年6月15日
| 课件名称： | 混凝土无损检测超声—回弹综合法 |
| 课件分类： | 材料 |
| 课件类型： | 其他 |
| 文件大小： | 16.06MB |
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