衬砌混凝土强度检测

升拓技术—衬砌混凝土强度检测
（四川升拓检测技术有限责任公司，四川成都 610045）摘要：混凝土强度是混凝土最重要的性能指标，反映的是材料破坏时的承载力，受业主方委托，我公司对尕曲水电站导流隧洞衬砌的强度、厚度以及灌浆质量进行了检测。

其中，衬砌混凝土强度采用表面波法。

为了验证测试结果的精度，业主还进行了钻芯取样和压载试验，总数为24个。

关键词：混凝土强度检测，混凝土厚度检测，灌浆质量检测，无损检测，升拓技术在各种混凝土结构中，混凝土质量是非常重要的，直接影响到预应力梁的耐久性和安全性。

然而，预应力梁体积庞大，形状也较为复杂。

目前，通常利用混凝土试件（150×150×300的棱形试件）进行压载试验，以便测试混凝土的压缩强度和弹性模量。

但是，试件与构件在浇筑、振捣、养护等方面均有不小的区别，因此仅仅根据试件的测试结果并不能保证梁构件的质量。

同时，对于既有混凝土结构，采用钻孔取样的方法显然存在诸多局限。

长期以来，基于超声波的测试方法得到了一定的应用，然而，其局限性（如测试范围窄、功能单一等）也日益显著，在测试裂缝深度、混凝土模量等方面的精度也因理论方面的缺陷而一直得不到提高。

为此，自90年代以来，基于冲击弹性波（超声波为其一特例）的测试技术得到了飞速的发展，最广为人知的当为PIT（基桩完整性测试）方法。

近年来，将冲击弹性波推广并应用于混凝土结构物的材质（强度、模量）、缺陷（裂缝、剥离、内部空洞、蜂窝等）以及几何尺寸（厚度、埋深等）的无损检测和评价已成为国际热门的研究方向，而且逐步进入工程实际应用。

例如，美国材料学会标准ASTM-C1383-98就规定了利用弹性波测试混凝土厚度和波速的测试方法。

在日本土木学会也基于冲击弹性波波速，对混凝土结构和试样弹性模量以及强度进行了标准化和规范化。

我们开发的预应力混凝土梁的无损检测系统SPE-MATS中也包括了针对混凝土质量的测试技术。

其中，能够准确、快速地测试混凝土的弹性模量、混凝土强度是重要的特点。

1.基本原理
3.2.1 基本原理
在本系统中，采用冲击弹性波作为测试媒介，通过测试弹性波的波速，据此计算材
料的动弹性模量和推算相应的静弹模，进而根据静弹模与抗压强度的相关关系推算混凝
土的抗压强度。

其核心在于精确地测试混凝土材料的弹性模量C E 。

混凝土的弹性模量C E 不仅影响到结构的变形，而且也是反映混凝土质量、耐久性
的重要指标：
1） 可以反映材料的刚性特性，在结构的变形计算中是重要的参数。

特别是对于高
强度混凝土，简单地采用抗压强度反推弹模的方法往往具有较大的误差；
2） 混凝土材料的老化往往先从弹模的降低开始，而新建结构的施工不良也会在弹
模方面有所显现。

为此，在高铁梁的施工中，不仅要求控制抗压强度（通常为C50），也要求控制弹模
C E 在34.5GPa 以上。

在本系统中，弹模的测试主要是通过对波速的测试。

对于1维均质弹性体，其弹性模量E 与弹性波P 波波速1P V 的关系可以表示为：
ρd
P E V =1 (1-1)
其中，ρ为材料的密度，对于混凝土，ρ一般为2400kg/m 3左右。

当测试对象为2
维或3维时，P 波速度有一定的变化。

2维： )
1(22μρ-=d p E V (1-2) 3维： )21)(1()1(3μμμρ
-+-⋅=d P E V （1-3） 而对于表面波（瑞利波），其关系可以表示为：
瑞利波： )1(21112.187.0μρμμ
+⋅
++=d R E V （1-4） 一般来说，混凝土的动泊松比μ为0.2～0.25，其不同波速间的比较如下：
表1-1 混凝土弹性模量测试项目一览表
需要指出的是，上面得到的是材料在小应变条件下的动弹性模量（d E ），而非静弹
性模量E 。

对于钢材这样的均质弹性材料，d E 与E 非常接近，而对于混凝土这样的非
线性材料而言，d E 与E 之间则有一定的差异。

英国钢筋混凝土结构设计规范BS8110（Part2）中，对于高性能混凝土（GPa ）：
1925.1-=d c E E （1-5）
而根据Neville [11]的研究成果，有：
d c E E 83.0= （1-6）
在本系统中，采用了1-6式的计算方法。

由于测试对象和测试位置的不同，在系统中也集成了多种测试方法。

主要有：
1） 基于反射特性的测试方法，如冲击回波法；
2） 基于透过特性的测试方法，如单面传播法和双面透过法。

表1-2 混凝土弹性模量测试项目一览表
2.构件测试
构件测试应首先考虑选用P 波测试，但在隧道衬砌、挡墙、坝体等仅有一个测试面，以及厚度未知的厚板时，应考虑采用表面波法。

1）单面（重复）反射法
在被测混凝土结构的壁厚既知的前提下，利用弹性波的重复反射，可测出弹性波在被测混凝土试件的传播时间和弹性波波速，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。

该方法也称“冲击回波法”，具有测试效率高、测试结果客观性强的特点，可优先采用。

图2-1 单面反射（冲击回波）法
针对构件（试件）的形状与测试的位置，该方法又可分为纵向测试与横向测试：
（1）纵向测试：测试弹性波的传播/反射方向与结构的长轴平行（如基桩）；
（
2）纵向测试：测试弹性波的传播/反射方向与结构的短轴平行（如楼板）；
图2-2单面反射法的种类
波速
pr
V可由板厚H与反射时间
r
T求出：
r
pr
T
H
V/
2
2）单面传播法
在混凝土壁厚未知时，可在同一表面测P波并通常可得到2维弹性波波速
2
p
V。

纵向测试横向测试
图2-3 单面传播法
该方法对测试对象的要求最小，但P波信号一般较为微弱，因此需要采用移动传感器距离多次测试，即VMC（虚拟多频道）技术。

结合检层技术，还可以对层状结构（如混凝土表面有装饰层、风化层）进行测试。

图2-4单面传播法测试层状结构
此外，由于瑞利波信号能量比P波强，对于面积较大、厚度较厚的板、壁等结构，采用瑞利波测试也是有效的方法。

3）双面透过法
在条件允许时，采用双面透过法的方法测试3维弹性波波速
3
p
V，可测试整个构件的弹性模量。

图2-5 双面透过法（左：冲击锤，右：打击锤）
表2-1 混凝土结构弹性模量测试方法比较
方法优点缺点
冲击回波法测试效率高、精度好要求壁厚既知
单面传播法
在壁厚未知时也可测试
受表面状态（如装饰层）影响小
测试效率低，精度稍差
双面透过法测试范围广，精度高
要求双面作业、对测试条件有一
定要求
双层构造渐变构造（Mirage构
在钢筋混凝土结构中，由于弹性波在钢筋中传播的速度要快于在混凝土中的速度，会给测试带来误差。

为此，我们开发了相应的钢筋影响修正技术，并申请国家发明专利。

4
）
表面波法
当厚度大于20cm时，采用表面波法是可行的。

通过改变激振波长，还可以改变测
试影响深度。

图2-6 表面波法
3.测试流程
图3-1 混凝土材质无损检测流程
4.抗压强度的验证
混凝土强度是混凝土最重要的性能指标，反映的是材料破坏时的承载力，因此难以
用无损检测的方法进行测试。

但是，对于配合比相对类似的混凝土，其弹性模量与抗压
强度之间有很好的相关关系。

因此，根据测试的弹性模量和标定的弹性模量～抗压强度
关系，可以间接地推算混凝土的抗压强度。

为此，我们与合作伙伴一道，也在国内外十
数个工程，分别对混凝土试件（包括标准立方体、棱柱体、圆柱体等）和构件（采用钻
孔取芯验证）进行了弹性模量（由前述的弹性波波速计算）～抗压强度关系的研究。

试件
结构
单面反射法
单面反射法
（厚度既知）
双面透过法
有2个测试面
单面传播法
动弹模
d
E
弹性模量
C
E
抗压强度
C
S
钢筋修正
动弹模
d
E
波速修正
波速修正
表4-1混凝土弹性模量～抗压强度测试验证一览（单面重复反射法）
研究结果表明：
1） 对于普通配比的混凝土结构或试件，由单面反射法得到的弹性模量c E ～抗压强
度c S 之间有良好的相关关系（图4-1）。

2） 对于普通配比的混凝土结构，由单面传播法得到的弹性模量～抗压强度之间也
有比较良好的相关关系（图4-3），但该相关系数低于用单面反射法。

其原因在
于单面传播法测试的范围较大，而作为比较的钻孔则范围小，两者不完全重合。

而单面反射法则不存在该问题；
3） 当混凝土中添加剂等有较大变化时（如特种混凝土），上述相关关系则会发生改
变。

此时应做相应的标定。

4） 对于低于C50的普通硅酸盐混凝土，则具有非常高的相关性（相关系数达0.96）：
)(129.0702.0GPa Ec e MPa Sc （4-1） 在本系统中，采用本回归式对混凝土的强度加以推算。

图4-1 普通混凝土的弹性模量～抗压强度关系（单面反射法）
图4-2 普通混凝土的弹性模量～抗压强度关系（单面传播法）
图4-3 普通混凝土的弹性模量～抗压强度关系（强度低于C50）
照片4-1 不同配比混凝土块的验证测试
5.与规范的对应
根据，“公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范”(JTG D62-2004)和“混凝
土结构设计规范”（GB50010-2002），混凝土立方体抗压强度标准值k cu f ,和弹性模量c E 之
间有如下的对应关系：
k
cu c f Mpa E ,5
/74.342.210/+= （5-1） 对高强混凝土，计算值需要乘以0.90。

换而言之，
2.2/10074.34,-=Gpa
E f c k cu （5-2） 表5-1混凝土弹性模量Ec （GPa ）～强度等级的关系 强度
等级
C15 C20 C25 C30 C35 C40 C45 C50 C55 C60 C65 C70 C75 C80 Ec 22.0 25.5 28.0 30.0 31.5 32.5 33.5 34.5 35.5 36.0 36.5 37.0 37.5 38.0
对比图4-1和4-3，可以看出，本技术得到的混凝土强度与模量的关系与静载得到
的关系曲线（JTG D62-2004和GB50010-2002）十分接近。

特别是对于通常的混凝土（C15～
C50），考虑到规范中是指混凝土抗压强度的标准值，所以两条曲线几乎完全重合。

鉴于
本技术测得的弹性模量具有很高的精度，因此，可以推断本技术得到的混凝土抗压强度
是具有很高可信度的。

但需要注意的是，在混凝土强度等级超过C50时，Ec 与抗压强度间的相关关系的离
散有增加的趋势。

为了提高测试精度，利用混凝土试件或者芯样进行标定是有意义的。

为此，我们开发了简易标定方法。

图5-1普通混凝土的弹性模量～抗压强度关系（与规范的对应）
6.现场验证
①龄期及位置的影响（中铁二局湖南祁东制梁场，2010.09）
对不同龄期（龄期为3.5d、7d、9d、10d、14d、15d、150d）的预制梁，在不同部位（梁顶板中部、腹板）测试了混凝土的材质（浇筑质量）。

根据测试结果，可以得到：
（1）随着龄期的增加，混凝土的弹性模量也相应增加；
（2）腹板下部混凝土的弹性模量Ec明显高于上部。

其原因在于在浇筑过程中混凝土的分离，即水分上浮，固形物下沉，同时下部混凝土受到压密作用从而密实度有所增加；
（3）尽管并非同一片梁，得到的规律仍然十分明显。

照片6-1测点布置图图6-1测点位置与弹性模量趋势图
②现场强度测试对比验证（青海尕曲水电站导流隧洞，2012.10）
受业主方委托，对尕曲水电站导流隧洞衬砌的强度、厚度以及灌浆质量进行了检测。

其中，衬砌混凝土强度采用表面波法。

为了验证测试结果的精度，业主还进行了钻芯取样和压载试验，总数为24个。

照片6-2现场检测情景照片6-2压载试验情景
根据式（4-1）测试得到的强度与压载强度的对比如下图所示，平均绝对误差为1.08MPa、误差率为11.1%。

考虑到测试范围、位置的偏差，测试精度是十分令人满意的。

图6-3测试强度对比图
（注：本资料素材和资料部分来自网络，仅供参考。

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