梁体混凝土实体强度弹模强度检测研究

梁体混凝土实体强度弹模强度检测研究
路景海另本春章国辉毛雷
（中铁四局集团有限公司安徽合肥236000）
摘要：设计制作不同强度等级的模型，通过回弹法和冲击弹性波法检测实体强度的对比，证明混凝土强度与钢筋间距及钢筋保护层厚度无直接关系，并反映出冲击弹性波方法的优越性。

由此得出，采用冲击弹性波检测时，实测弹性模量大小与试件尺寸无关的结论，进而提出可考虑采用混凝土立方体抗压试件代替传统弹模试件测试混凝土弹性模量的可行性。

关键词：强度动态弹性模量静态弹性模量冲击弹性波法检测
中图分类号：U441文献标识码：A文章编号：1674-098X(2021)11(a)-0071-04
Study on Elastic Modulus Strength Test of Beam Concrete Solid
Strength
LU Jinghai LING Benchun ZHANG Guohui MAO Lei
(China Railway Fourth Bureau Group Co.,Ltd.,Hefei,Anhui Province,236000China) Abstract:Through the comparison between rebound method and impact elastic wave method,it is proved that there is no direct relationship between concrete strength and reinforcement spacing and reinforcement cover thickness,and reflects the advantages of impact elastic wave method.It is concluded that the measured elastic modulus has nothing to do with the size of the specimen when using shock elastic wave detection,and then it is proposed that it is feasible to use concrete cube compressive specimen instead of traditional elastic modulus specimen to test the elastic modulus of concrete.
Key Words:Strength;Dynamic elastic modulus;Static elastic modulus;Shock elastic wave method
1梁体关键指标调研及检测现状
梁体混凝土抗压强度、弹性模量强度是评价梁体耐久性的关键指标，同时是拆模、初张、终张的重要依据。

目前，一般采用成型同条件抗压、弹模试件进行室内检测，间接推定梁体混凝土强度。

1.1混凝土强度
强度检测方法分为两大类，一类为非破损方法，另一类为微破损方法。

非破损方法是在不影响结构混凝土性能的情况下，测试某些与混凝土强度有关的物理量，推算混凝土的强度。

这类方法包括回弹法、超声回弹综合法等，这些方法主要测试的是混凝土的表层强度，并不能很好地反映实体质量。

实际上，越来越多的工程实例反映出回弹强度推定值和取芯强度相差较大［1］。

微破损法以不影响结构或构件的承载力为前提，在结构或构件上直接进行局部破坏取样试验，这类试验会造成结构的微破损，典型代表是取芯法。

在一些重要节点或对耐久性要求较高的部位不允许破损取样，该类方法也存在一定的局限性［2］。

1.2弹模强度指标
目前还没有直接检测梁体混凝土静弹性模量的检测方法，常规通过室内检测同条件弹模试件间接推定。

这种方法检测出来的静弹模强度受养护条件、试件制作及试验检测条件等影响，与实体混凝土强度相比有不少差异，且室内弹模试验耗时长，需要2名以上试验
DOI：10.16660/ki.1674-098X.2112-5640-0704
作者简介：路景海（1978—），男，本科，高级工程师，研究方向为冲击弹性波法混凝土强度检测。

另本春（1979—），男，本科，高级工程师，研究方向为冲击弹性波法混凝土强度检测。

人员配合操作，同时一组弹模需要6块弹模试件（150mm×150mm×300mm ），成型工作量和试验工作量都很大。

因此研发改进能够在实体上直接测试强度、弹模强度的无损检测方法和设备显得尤为迫切，用于精确地控制初张、终张的时间。

2仪器研发和改进
近年来，采用冲击弹性波作为检测媒介是无损检测的一个趋势，通过测试弹性波的波速，计算材料的动弹性模量，进而根据动弹性模量与抗压强度的相关关
系推算混凝土的抗压强度。

这种方法具有操作简单、便于频谱分析等特点，非常适合预应力抗压强度及弹
模强度的检测［3］。

通过调研，选定一款基于冲击波法为原理的仪器“混凝土强度检测仪”
（STL-MATS ）进行研发和改进，该
设备可快速检测混凝土的强度，已经广泛应用于二衬、墩身混凝土等结构强度检测，对该设备进行以下
2个方面的研发和改进。

（1）增加静弹模换算功能。

通过测试弹性波在混
图1面波法测试示意图
图2强度模型及芯样测试
图3冲击弹性波与压载法强度对比图
凝土中传播速度，很容易推算出动弹性模量E d ，而动弹性模量E d 与静弹模量E c 之间则有密切关系。

根据相关研究，换算关系式如下：
E c =9.0e
0.033E d
（1）
其中，E c 为静弹性模量，E d 为动弹性模量。

通过对软件进行改进，可直接在实体上测出动、静弹性模量及实体强度值。

（2）增加将敲击能均一化功能，消除由不同击振能产生的误差；击振锤头和锤柄由原来螺丝连接改为焊接，击振的力度更易掌握，波形更稳定。

3标定与测试
3.1模量—强度曲线标定
测试分四步：一是先通过标定，回归的一个参数，即动弹性模量与强度换算关系E A 值；二是测试出结构的弹性波波速；三是根据弹性波理论计算混凝土动弹性模量，根据动态、静态弹性模量换算公式计算静态弹性模量；四是根据标定的动弹性模量～抗压强度关系，
推算混凝土的抗压强度。

标定时需要同配比（尤其是骨料）的混凝土同条件养护立方体试块3组（在无同条件养护标准块的情况下须进行现场取芯），先测试每个试块的波速，进而求出动弹性模量、静弹模量，再对试块进行抗压试验，获取每个试块的强度，用以标定建立弹性模量与抗压强度的对应关系，根据最小二乘法，对E A 进行回归拟合得出：
E A =1N ∑i =1N æè
çççöø÷÷÷E d ，i +5.5ln æèççöø÷÷75f cu ，i -5-1（2）
3.2现场测试
现场将2个传感器按一定间距成直线布置，再利用激振装置在距离第一个传感器一定距离的位置激振，产生表面波，利用两传感器分别接收面波的时间差来测得面波波速，从而计算出混凝土的弹性模量，进而能够推
算混凝土的强度指标［4］。

面波法测试如图1所示。

4检测结果
分别制作4个模型，强度等级为C20、C30、C40、
表1弹性模量检测对比表
试件编号1-11-21-32-12-22-33-13-23-34-14-24-35-15-25-35-45-55-6
偏差/(%)试件尺寸/
(mm)150×150×150
150×150×300
弹性波速/(km/s)
4.164.134.144.16
4.154.134.164.134.134.114.004.154.45
4.534.474.474.464.45动弹模/(GPa)
48.7848.0248.1348.7148.3548.0348.7148.0048.0347.4644.9048.5147.7949.5848.1648.2447.9847.74静弹模/(GPa)
45.0143.8944.0544.9144.3843.9244.9143.8743.9143.0939.6044.6943.5746.2244.0944.2243.8543.50波速平均值/
(km/s)4.134.477.65动弹模平均值/(GPa)
47.9748.250.58静弹模平均值/(GPa)
43.85
44.24
0.88
备注////////////
本组试件压载静弹模为
43.9GPa 0.7
注：所有试件均为同一车混凝土（材料相同）。

C50，强度模型尺寸为120cm×150cm×60cm。

同时留足相应混凝土试件用于室内标定和测试，检测结果如下。

4.1强度检测
先采用冲击弹性波法对强度模型实体混凝土进行测试，得到强度模型的无损检测结果，然后在模型上面取芯，室内采用冲击弹性波法对芯样进行测试，得到芯样的无损检测强度，最后用压力机对芯样进行压载试验，得到芯样的抗压强度（见图2）［5-6］。

从图3可以得出：（1）芯样无损检测强度和芯样抗压强度吻合度较高，绝对差值≤1MPa，说明该方法检测强度的准确性和可靠性。

（2）模型与芯样无损检测强度相关性系数99.1%；模型无损检测强度与芯样抗压强度相关性系数98.0%；芯样无损检测强度与芯样抗压强度相关性系数99.7%，相关性较高。

4.2弹性模量检测
利用冲击弹性波法对强度等级C50同一车混凝土成型的混凝土立方体抗压试件（150mm×150mm×150mm）及弹性模量试件（150mm×150mm×300mm）分别进行检测，均为同条件养护试件，得到各自的弹性波速度、动弹模、静弹模值；然后利用压力机对混凝土棱柱体弹性模量试件进行压载试验，得到试件的静弹模实测值，具体结果如表1所示。

由表1可以看出：（1）利用压力机压载得到的试件弹性模量与冲击弹性波法测得的弹性模量基本一致，偏差仅0.7%，说明利用冲击弹性模测试混凝土弹性模量完全可行；（2）同一车混凝土做出来的试件，尺寸不同、其弹性波速度的差异7.65%，但其弹性模量的差异却在1%以内，说明利用冲击弹性波法测得的弹性模量和试件的尺寸关系不大。

5结语
（1）利用压力机压载得到的试件弹性模量与利用冲击弹性波得到的弹性模量基本一致，偏差仅0.7%，说明利用冲击弹性波法测试混凝土弹性模量完全可行且精度非常高。

（2）芯样无损检测强度和芯样抗压强度吻合度较高（绝对值≤1MPa），且利用该仪器测得芯样无损检测强度与芯样抗压强度相关性系数99.7%，相关性高，说明该方法检测强度有较高的准确度和可靠度。

（3）对同车混凝土制成的不同尺寸试件，采用冲击弹性波检测时，实测弹性模量大小与试件尺寸无关。

可考虑利用混凝土立方体抗压试件代替传统弹模试件测试混凝土弹性模量，达到不成型或少成型试件的目的。

参考文献
[1]姜勇,吴佳晔,马永强,等.基于声（冲击弹性）波的隧道
衬砌检测技术及应用[J].中国铁路,2020(12):89-96.
[2]侍晶晶.混凝土构件临固定边界冲击回波响应研究
[D].合肥:安徽建筑大学,2020.
[3]向博伦.基于冲击弹性波法检测混凝土结构抗冻性
研究[D].大连:大连理工大学,2021.
[4]刘阔阔.橡胶—混凝土组合式周期隔振屏障性能研
究[D].北京:北京交通大学,2020.
[5]赵祺.基于冲击弹性波法混凝土早期受冻损伤评价
研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2020. [6]李秀琳.基于冲击弹性波的表面波法评价水工混凝
土质量状况的理论与应用研究[D].北京:中国水利水电科学研究院,2019.。