CN108362580A - 冲击弹性波法检测结构实体混凝土强度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种冲击弹性波法检测结构实体混凝土强度的方法，其按与结构实体混凝土相同配合比预先制作标准立方体试块和圆柱体试块，并进行不同龄期的抗压强度试验和P波速度测试，得到强度推定曲线；对结构实体混凝土进行冲击弹性波速度测定，并进行泊松比影响系数修正，代入强度推定公式即可得到推定强度值；计算混凝土成熟度，进行国家规定的日平均温度逐日累积达到600℃·d时所对应龄期的结构实体混凝土基准抗压强度(fc,600℃·d)的修正，即可与设计强度进行对比，做出结构实体混凝土强度检验和评定。本发明可采用无损检测的方法检测结构实体混凝土强度，提高测试准确度和精度，实现了建设工程混凝土强度的快速、简便和准确的检测。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土建设工程领域，具体是一种冲击弹性波法检测结构实体混凝土强度的方法。
背景技术
我国已经进入了大建设的时期，大量的混凝土被使使用到各种建筑物里。混凝土作为主要的建筑材料，其质量如何，直接关系到建筑物的安全和寿命。一方面，由于混凝土是多相体材料，由水泥、水、砂、碎石、掺合料和添加剂经拌合后发生水合反应硬化而成，影响混凝土质量的因素具有多样性和复杂性，既有原材料的因素，也有施工浇掏和养护的影响因素；另一方面，混凝土优质原材料逐渐枯竭，工期紧张，这些因素都加剧了结构实体混凝土的质量风险。
《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB50204-2015)中，把同条件养护试件检验作为结构实体混凝土强度检验方法。由于同条件养护试件是一种间接检验方法，它不具有可重复性(即不具有可溯源性)，试件也极易受到人为干扰，因此，建立一套科学的具有可操作性的结构实体混凝土强度检验与评定标准已经刻不容缓。
回弹法检测混凝土强度(JGJ/T23-2011)，方法简单，在我国应用最为广泛，但在GB50204-2015规范中，回弹法只是用来发现相对回弹低值的混凝土。回弹法检测混凝土强度，具有以下缺点：1)适宜检测的混凝土强度等级范围不宜超过40Mpa，强度超过越大时，误差增大；2)适宜的检测龄期较短，日本新造建筑物的回弹法检验龄期规定为28d～91d，因为抗压强度随龄期的变化会发生变化，即使进行龄期修正，也不能保证推定强度的更好精度；3)要测碳化深度，碳化深度值本身具有离散性，表面碳化深度与表面硬度关系不明确，因此增加了检测结果的不确定性；4)推定强度值不考虑混凝土成熟度的影响和修正，所测强度值在成熟度条件下不具有可比性，因此也不具备检验评定条件。
GB50204-2015规范中的结构实体混凝土回弹-取芯法强度检验，规定了回弹构件抽取最小数量，但对同一强度等级的混凝土，在最小的3个回弹测区各钻取1个芯样，根据3个芯样抗压强度值进行判定。该法方便易用，但判定所用的取芯数量太少，检测结果不具有检验统计性质，其检验法实质仍然属于回弹法范畴。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是，提供一种冲击弹性波法检测结构实体混凝土强度的方法，可采用无损检测的方法检测结构实体混凝土的强度，提高测试准确度和精度，并对任意龄期的检测值进行国家规定的日平均温度逐日累积达到600℃2d时对应龄期的结构实体混凝土基准强度(fc,600℃2d)的修正，实现了建设工程混凝土强度的快速、简便和准确的检测，给出了检测的技术方法和步骤，首次发明了强度推定曲线做成方法，结构实体测定波速修正方法和无损检测的基准成熟度修正方法。
一种采用冲击弹性波法对混凝土抗压强度实行无损检测的方法，包括如下步骤：
步骤一、获得与待测结构实体相同配合比的抗压强度-p波速度推定曲线公式：用至少4组圆柱体试块测定圆柱体试块p波速度，同配合比同条件浇掏，同条件标准养护标准立方体试块4组进行抗压强度试验，按不同龄期分别进行测试，用最小二乘法2次抛物线方程回归分析的方法，做成相同配合比的抗压强度-p波速度推定曲线公式；
步骤二、对结构实体混凝土进行冲击弹性波速度测定，得到结构实体混凝土p波波速Cp；
步骤三、对所测结构实体的p波速度Cp进行泊松比影响系数k值修正，得到修正后的结构实体的p波速度Cp'；
步骤四、结构实体混凝土强度推定：将步骤三中所得修正后的结构实体的p波速度Cp'代入强度-波速推定曲线公式，得到结构实体混凝土的强度推定值fc,v；
步骤五、计算结构实体混凝土成熟度；
步骤六、采用成熟度修正得到结构实体混凝土基准强度。
进一步的，所述步骤一具体包括：
制作试块：在结构实体的混凝土配合比确定后，制作与结构实体相同配合比的标准立方体试块和圆柱体试块，其中圆柱体试块尺寸要求：高径比≥2，按不小于最大粗骨料粒径3倍确定圆柱体直径；试块数量各≥4组；试块制作方法，按国家标准执行；试块养护方法：标准养护；
试块波速测定和抗压强度试验：按计划检测评定实体混凝土强度龄期，确定涵盖预定检测龄期的最少4个龄期，分别进行立方体试块抗压强度(fc,cube)试验和圆柱体试块P波速度(Cp,cyl)测定；
确定强度-波速推定曲线公式：按最小二乘法，对得到的立方体试块抗压强度(fc,cube)和圆柱体试块P波速度(Cp,cyl)进行2次抛物线方程拟合，得到强度-波速推定曲线公式：
fc,v＝k1Cp,cyl 2+k2Cp,cyl+k3 (1)
其中fc,v为根据p波速度推定的混凝土抗压强度，即抗压强度推定值，Cp,cyl为圆柱体试块P波速度，k1、k2、k3为系数。
进一步的，所述步骤二具体为：用校准合格的冲击弹性波检测仪，对结构实体混凝土测p波速度，按与纵横钢筋成45°角度布置测线，固定接收传感器，按每次增加10cm移动敲击锤，对不同距离30cm-100cm进行多点测定，按距离加权平均值作为该测线的波速代表值，计算公式：Cp＝∑(Li*Cpi)/∑Li，Cpi＝Li*/Δti，其中Cpi为测点波速值，Cp为测线的波速代表值，即结构实体混凝土p波波速，Li为每一测点的弹性波传播距离，Δti为每一测点的弹性波传播时间。
进一步的，步骤三中波速修正公式：Cp'＝k·Cp，
其中k为修正系数，根据泊松比υ得到，具体公式为
Cp'为修正后所测结构实体的p波速度；
或者k按修正系数实测公式得到：k＝Cp,core/Cp
Cp,core为测线处混凝土芯样(芯样高径比≥2)实测p波速度。
进一步的，步骤五中凝土结构实体的成熟度的计算公式为：M(t)＝∑(Ta+10)Δt，
其中Ta为Δt时间段的混凝土平均温度，单位为℃，Ta没有实测值时，按当地气象部门公布的日最低和日最高温度两者的平均值代入计算，Δt为时间段，单位为天。
进一步的，所述步骤六采用修正A法修正抗压强度的方式得到结构实体混凝土基准强度，
修正A法公式为：fc,600℃·d＝a·ln(900/M(t))+fc,M(t)
其中a为系数，fc,M(t)为步骤四得到的检测时成熟度的强度推定值fc,v，fc,600℃2d为修正后得到的国家标准规定的日平均温度逐日累积达到600℃·d时对应的龄期的基准强度。
进一步的，所述步骤六采用修正B法修正p波速度的方式得到结构实体混凝土基准强度，
修正B法公式为：Cp,600℃·d＝a·ln(900/M(t))+Cp,M(t)，
其中a为系数，Cp,M(t)为步骤三得到的修正后的结构实体的p波速度Cp'，将所得Cp,600℃·d代入强度-波速推定曲线公式(1)，即得到fc,600℃·d，fc,600℃·d为修正后得到的国家标准规定的日平均温度逐日累积达到600℃·d时对应龄期的基准强度。
本发明采用冲击弹性波法检测结构实体混凝土强度，由于其频谱响应特征好，能量大，比超声波法的波长长，减少了波传播的反射折射衍射等产生的波的离散性；本发明的检测混凝土强度方法检测原理简单明确，通过预做针对实体混凝土相同配合比的强度推定曲线，从而提高检测混凝土抗压强度的准确性和精度；本发明还给出了实体所测弹性波速度修正方法，采用国家规范GB50204-2015中规定的日平均温度逐日累积达到600℃·d时所对应龄期强度的成熟度修正公式，确立了混凝土施工质量检验验收的标准性。
附图说明
图1是圆柱体试块波速测试示意图；
图2(a)为结构实体混凝土波速测试示意图，图2(b)为发射信号和接受信号时间差的示意图，图2(c)为传播距离和时间差及波速值，图2(d)为测线各测点时-距分布图；
图3是各混凝土强度等级抗压强度-波速推定曲线及回归方程图；
图4是抗压强度-成熟度关系图；
图5是弹性波速度-成熟度关系图；
图6是本发明冲击弹性波法检测结构实体混凝土强度的方法的流程示意图；
图7是检测值准确度验证图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
请参阅图6，本发明提供一种采用冲击弹性波法对结构实体混凝土抗压强度实行无损检测的方法，包括如下步骤：
步骤一、获得与待测结构实体相同配合比的抗压强度-p波速度推定曲线公式
用至少4组圆柱体试块(L/D≥2，L为圆柱体高度，D为圆柱体直径)测定圆柱体试块p波速度，同配合比同条件浇掏，同条件标准养护标准立方体试块4组进行抗压强度试验，按不同龄期(例如7d，14d，28d，91d)分别进行测试，用最小二乘法2次抛物线方程回归分析的方法，做成相应配合比的抗压强度-p波速度推定曲线公式。
具体的步骤如下：
1、制作试块：在结构实体的混凝土配合比确定后，制作与结构实体相同配合比的标准立方体试块和圆柱体试块。其中圆柱体试块尺寸要求：高径比≥2，按不小于最大粗骨料粒径3倍确定圆柱体直径，例如：φ150mm×L300mm，φ100mm×L200mm；试块数量各≥4组；试块制作方法，按国家标准执行。试块养护方法：标准养护。
2、试块波速测定和抗压强度试验：按计划检测评定实体混凝土强度龄期，确定涵盖预定检测龄期的最少4个龄期(例如7d，14d，28d，91d...)，分别进行立方体试块抗压强度(fc,cube)试验和圆柱体试块P波速度(Cp,cyl)测定，参照图1。
3、确定强度-波速推定曲线公式：按最小二乘法，对步骤2中得到的立方体试块抗压强度(fc,cube)和圆柱体试块P波速度(Cp,cyl)进行2次抛物线方程拟合，得到强度-波速推定曲线公式：
fc,v＝k1Cp,cyl 2+k2Cp,cyl+k3 (1)
其中fc,v为根据p波速度推定的混凝土抗压强度，即抗压强度推定值，Cp,cyl为圆柱体试块P波速度，k1、k2、k3为系数。利用室内试块，按最小二乘法原理可以求得系数k1、k2、k3，从而求得强度推定曲线和回归公式。各混凝土强度等级抗压强度-波速推定曲线及回归方程如图3所示。
步骤二、对结构实体混凝土进行冲击弹性波速度测定，得到结构实体混凝土p波波速Cp
用校准合格的冲击弹性波检测仪，对结构实体混凝土测p波速度，如图2(a)-(d)所示。按与纵横钢筋成45°角度布置测线，固定接收传感器，按每次增加10cm移动敲击锤，对不同距离30cm-100cm进行多点(例如5-8点)测定，按距离加权平均值作为该测线的波速代表值，计算公式：Cp＝∑(Li*Cpi)/∑Li，Cpi＝Li*/Δti，其中Cpi为测点波速值，Cp为测线的波速代表值，即结构实体混凝土p波波速，Li为每一测点的弹性波传播距离，Δti为每一测点的弹性波传播时间；
步骤三、对所测结构实体的p波速度Cp进行泊松比影响系数k值修正，得到修正后的结构实体的p波速度Cp'
波速修正公式：Cp'＝k·Cp，
其中k可根据泊松比υ得到，具体公式为
或者按修正系数实测公式得到：k＝Cp,core/Cp
其中k为修正系数，Cp,core为测线处混凝土芯样(芯样高径比≥2)实测p波速度，Cp'为修正后所测结构实体的p波速度。因为泊松比很难准确测定，一般按修正系数实测公式进行修正。
对不同强度等级的混凝土，可选择不同的修正系数，例如k可选取如下取值：kc20＝0.985，kc30＝0.981，kc35＝0.963，kc40＝0.945，kc45＝0.942，其中修正系数kc20代表C20强度等级混凝土的泊松比影响修正系数，其他修正系数表示方法类推。
步骤四、结构实体混凝土强度推定：将步骤三中所得修正后的结构实体的p波速度Cp'代入强度-波速推定曲线公式(1)(即将Cp'替换Cp,cyl)，即得到结构实体混凝土的抗压强度推定值fc,v。
步骤五、计算结构实体混凝土成熟度
对非大体积混凝土结构实体的成熟度，计算公式为：
M(t)＝∑(Ta+10)Δt
其中Ta为Δt时间段的混凝土平均温度，单位为℃，Ta没有实测值时，可按当地气象部门公布的日最低和日最高温度两者的平均值代入计算；Δt为时间段，单位为天(d)。
步骤六、采用成熟度修正得到结构实体混凝土基准强度：由于实际检测时间(龄期、成熟度)各不相同，为了统一成国家标准规定的日平均温度逐日累积达到600℃·d时对应的龄期(即成熟度900℃·d)的基准强度，需要进行修正。修正方法可选择修正A法(修正抗压强度，抗压强度与成熟度关系见图4)或修正B法(修正p波速度，波速与成熟度关系见图5)。
修正A法：fc,600℃·d＝a·ln(900/M(t))+fc,M(t),
修正B法：Cp,600℃·d＝a·ln(900/M(t))+Cp,M(t)
具体的，可以按照结构实体混凝土日平均温度累计计算成熟度M(t)＝∑(Ta+10)Δt，将任意成熟度的检测值校正为对应基准成熟度(日平均温度逐日累积达到600℃·d时)的强度值，采用修正A法公式为：
fc,600℃·d＝a·ln(900/M(t))+fc,M(t)；
其中a为系数，fc,M(t)为步骤四得到的检测时成熟度的抗压强度推定值fc,v；
或者，对应基准成熟度(日平均温度逐日累积达到600℃·d时)的波速值，采用修正B法，公式为：
Cp,600℃·d＝a·ln(900/M(t))+Cp,M(t)，
Cp,M(t)为步骤三得到的修正后的结构实体的p波速度Cp'，将所得Cp,600℃·d代入强度-波速推定曲线公式(1)，即得到fc,600℃·d。
对一般配合比的混凝土，a值可选择下表中的计算公式进行修正计算。
以上上述方法得到的基准抗压强度值fc,600℃·d，与设计强度进行对比，即可对结构实体混凝土强度做出评价和判定。
经过试验体实际钻芯验证，本发明得到的强度推定值与钻芯值对比结果见图7，结果表明，两者相对误差在±10％以内，与钻芯法结果一致，准确性好。
本发明具有以下优点：
1.强度推定曲线容易做成；
2.现场检测可以单人操作，测定比较简单；
3.混凝土单面检测，不需要2个检测面，适用性广；
4.每一测线，多点检测(5-8点)，距离加权平均值作为测线弹性波速代表值，信赖性强；
5.无损检测，点数不受限制，且可以反复检测；
6.无损检测方法中首次引入成熟度修正，可以计算得到结构实体混凝土日平均温度逐日累积达到600℃·d时所对应龄期的基准强度，解决了检验强度的标准问题。
7.能进行早龄期的强度检测来评价混凝土强度是否达到设计要求，及时做好结构实体混凝土强度质量管理，对不合格结构实体尽早做出评价，防止“死后验尸”。
8.只要满足配合比相同条件，本法检测结果更具代表性，具有检验统计性质，而钻芯法只是1点的强度值，代表性差，从这个意义上说本法优于钻芯法。
9.可以消除表层(“皮肤层”)混凝土对检测结果的影响，测定表层以内的混凝土强度代表值，从这点上说本法检测结果优于回弹法。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种冲击弹性波法检测结构实体混凝土强度的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、获得与待测结构实体相同配合比的抗压强度-p波速度推定曲线公式：用至少4组圆柱体试块测定圆柱体试块p波速度，同配合比同条件浇掏，同条件标准养护标准立方体试块4组进行抗压强度试验，按不同龄期分别进行测试，用最小二乘法2次抛物线方程回归分析的方法，做成相应配合比的抗压强度-p波速度推定曲线公式；
步骤二、对结构实体混凝土进行冲击弹性波速度测定，得到结构实体混凝土p波波速Cp；
步骤三、对所测结构实体的p波速度Cp进行泊松比影响系数k值修正，得到修正后的结构实体的p波速度Cp'；
步骤四、结构实体混凝土强度推定：将步骤三中所得修正后的结构实体的p波速度Cp'代入强度-波速推定曲线公式，得到结构实体混凝土强度推定值fc,v；
步骤五、计算结构实体混凝土成熟度；
步骤六、采用成熟度修正得到结构实体混凝土基准强度。
2.如权利要求1所述的冲击弹性波法检测结构实体混凝土强度的方法，其特征在于：所述步骤一具体包括：
制作试块：在结构实体的混凝土配合比确定后，制作与结构实体相同配合比的标准立方体试块和圆柱体试块，其中圆柱体试块尺寸要求：高径比≥2，按不小于最大粗骨料粒径3倍确定圆柱体直径；试块数量各≥4组；试块制作方法，按国家标准执行；试块养护方法：标准养护；
试块波速测定和抗压强度试验：按计划检测评定实体混凝土强度龄期，确定涵盖预定检测龄期的最少4个龄期，分别进行立方体试块抗压强度(fc,cube)试验和圆柱体试块P波速度(Cp,cyl)测定；
确定强度-波速推定曲线公式：按最小二乘法，对得到的立方体试块抗压强度(fc,cube)和圆柱体试块P波速度(Cp,cyl)进行2次抛物线方程拟合，得到强度-波速推定曲线公式：
fc,v＝k1Cp,cyl 2+k2Cp,cyl+k3 (1)
其中fc,v为根据p波速度推定的混凝土抗压强度，即抗压强度推定值，Cp,cyl为圆柱体试块P波速度，k1、k2、k3为系数。
3.如权利要求1所述的冲击弹性波法检测结构实体混凝土强度的方法，其特征在于：所述步骤二具体为：用校准合格的冲击弹性波检测仪，对结构实体混凝土检测p波速度，按与纵横钢筋成45°角度布置测线，固定接收传感器，按每次增加10cm移动敲击锤，对不同距离30cm-100cm进行多点测定，按距离加权平均值作为该测线的波速代表值，计算公式为
Cp＝∑(Li*Cpi)/∑Li，Cpi＝Li*/Δti
其中Cpi为测点波速值，Cp为测线的波速代表值，即结构实体混凝土p波波速，Li为每一测点的弹性波传播距离，Δti为每一测点的弹性波传播时间。
4.如权利要求3所述的采用冲击弹性波法对混凝土抗压强度实行无损检测的方法，其特征在于：步骤三中波速修正公式：
Cp'＝k·Cp，
其中k为修正系数，根据泊松比υ得到，具体公式为：
Cp'为修正后所测结构实体的p波速度；
或者k按修正系数实测公式得到：k＝Cp,core/Cp
Cp,core为测线处混凝土芯样(芯样高径比≥2)实测p波速度。
5.如权利要求2所述的冲击弹性波法检测结构实体混凝土强度的方法，其特征在于：步骤五中结构实体混凝土的成熟度的计算公式为：
M(t)＝∑(Ta+10)Δt
其中Ta为Δt时间段的混凝土平均温度，单位为℃，Ta没有实测值时，按当地气象部门公布的日最低和日最高温度两者的平均值代入计算，Δt为时间段，单位为天。
6.如权利要求5所述的冲击弹性波法检测结构实体混凝土强度的方法，其特征在于：所述步骤六采用修正A法修正强度的方式得到结构实体混凝土基准强度，
修正A法公式为：fc,600℃·d＝a·ln(900/M(t))+fc,M(t)
其中a为系数，fc,M(t)为步骤四得到的检测时成熟度的强度推定值fc,v，fc,600℃·d为修正后得到的国家标准规定的日平均温度逐日累积达到600℃·d时对应的龄期的基准强度。
7.如权利要求5所述的冲击弹性波法检测结构实体混凝土强度的方法，其特征在于：所述步骤六采用修正B法修正p波速度的方式得到结构实体混凝土基准强度，
修正B法公式为：Cp,600℃·d＝a·ln(900/M(t))+Cp,M(t)
其中a为系数，Cp,M(t)为步骤三得到的修正后的结构实体的p波速度Cp'，将所得Cp,600℃·d代入强度-波速推定曲线公式(1)，即得到fc,600℃·d，fc,600℃·d为修正后得到的国家标准规定的日平均温度逐日累积达到600℃·d时对应的龄期的基准强度。
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