瑞士新型 “Q值”回弹仪的原理及运用前景

瑞士新型“Q值”回弹仪的原理及运用前景

童寿兴，David Corbett，王建

（PROCEQ China / 博势商贸（上海）有限公司）

摘要：PROCEQ公司采用当今最为先进的光电、计算机集成技术推出的Q值理念回弹仪，其回弹值的定义不是通过测量回弹的距离，而是测量每次回弹仪弹击与回弹的瞬间速度。Q 值理念回弹仪具有可在任意角度下弹击而不受重力影响的特点，因此无需回弹值弹击角度的修正；同时由于没有指针划块，不受牵引指针运动的反弹摩擦力影响，测试结果的离散性小；且测强范围大，可达10～110 MPa等优点。经系统的科学实验，Q值回弹仪的回归方程检测精度较目前通用的R值回弹仪高。Q值回弹仪是未来回弹仪技术发展的方向，很可能是普通R值回弹仪的替代产品。

关键词：Q值回弹仪、混凝土、强度、无损检测、回弹、碳化

1 概述

1948年，瑞士工程师Ernst Schmidt研制成功了世界上第一台R值回弹仪，1950年获得专利。1954年，瑞士PROCEQ公司在瑞士苏黎世成立，使得R值回弹仪在全球的应用推广成为现实。在混凝土回弹法检测领域,PROCEQ公司相继率先推出了R值直读式机械回弹仪、R值打印式一体机械回弹仪、R值存储式数显回弹仪等。2007年PROCEQ公司采用了最为先进的光电、计算机集成技术，把历史R值回弹仪的优点和当今电子技术结合起来，在全球独家创造推出了便携一体式数显Q值理念的SilverSchmidt回弹仪(以下简称Q值回弹仪)。

2 R值回弹仪工作原理

回弹法是用弹击时能量的变化反映混凝土的弹性和塑性性质，继而推定混凝土强度的一种方法。R值回弹仪的测量原理是：在测量中将弹击杆顶住混凝土的表面，用一个弹簧驱动的重锤，由弹击拉簧拉伸至一个固定位置后，弹簧为每一次测量提供了恒定的冲击力。通过释放的重锤~弹击杆，弹击混凝土表面，弹击后恒定能量发生再分配，重锤带动指针被反弹回来相对的距离，回弹距离和弹击拉簧标准拉伸长度的百分比值即称作回弹值。

3 Q值回弹仪的工作原理和特点

“Q值”是根据新一代回弹仪的测量原理命名的，源自术语“能量系数”。Q值回弹仪是由一个特殊构造的回弹仪和一组光学传感器组成的系统。Q值回弹仪的测量原理：SilverSchmidt回弹仪对测量原理进行了优化。它是通过测量的弹击速度，而不是测量回弹的距离。能在每次冲击之前和冲击之后的瞬间通过安装在回弹仪上的光电子器件信号采集立即测量出回弹仪弹击和回弹的速度，进行数字转换和数据的处理计算Q值。Q值回弹仪工作原理见图1

上) 初始状态 (自由) 中) 受压状态 下) 冲击状态（释放）

图1 Q 值回弹仪(Silver Schmidt)工作原理

4 R 值回弹仪与Q 值回弹仪的区别

回弹值等于重锤冲击混凝土表面后剩余的势能与原有势能之比的平方根。

R 值回弹仪：

Q 值回弹仪： 式中：R 、Q — 回弹值, D — 弹击拉簧的刚度（785.0N/m ）， m — 弹击锤质量，

E forward — 冲击前能量，E reflected — 回弹后能量，

x 0— 冲击前的弹簧拉伸长度（75mm ），x R — 冲击后的回弹长度（mm ），

v 0— 冲击前的瞬间速度， v R — 冲击后的回弹速度

5 Q 值回弹仪与传统R 值回弹仪相比具有三大优势：

有两个主要的物理作用影响R 值回弹仪：一个是回弹锤重力的影响；另一个是中心导杆的摩擦力以及指针滑块在指针轴上反复运动使其摩擦力发生变化，尤其在现场检测混凝土强度时，由于粉尘、油污的影响，中心导杆以及指针滑块的摩擦力会发生很大的变化，由于摩擦力的变化会对回弹位移产生一定的影响。它随着回弹仪吸收混凝土表面灰尘的增多而增大，摩擦力对R 值回弹仪的测试精度产生重大影响。这样对检测结果会产生很大的影响，特别是在表面硬度较低即混凝土强度较低时，回弹值较小，其影响会更大。推出Q 值原理的回弹仪基于测量原理的优化，相比R 值回弹仪具有的三大优势,弥补了以往传统回弹仪的缺陷；

1） 回弹值的物理意义是弹击杆弹击混凝土前后瞬间的弹击能量的比值，Q 值回弹仪回弹锤和计算速度发出的光信号和弹击杆弹击后重锤的位移变化无关， 与冲击方向无关，任意角度弹击而不受重力的影响，所以无需R 值回弹仪弹击角度的修正。

2） Q 值回弹仪在构造上去掉了指针轴和指针滑块，因为没有指针划块，不受牵引指针

02021002121100100x x Dx Dx E E R R R forward reflected ⋅=⋅=⋅=020

21002121100100v v mv mv E E Q R R forward reflected ⋅=⋅=⋅

=

运动的反弹摩擦力影响。双层密封防止灰尘和污垢渗透到仪器内部，极大地增强仪器的测量准确性和可重复性，所以测试结果的离散性与R值回弹仪相比要小得多。

3）Q值回弹仪测强范围大，可达110 MPa 。

此外，Q型回弹仪，去掉了普通回弹仪的指针系统，是回弹仪的构造变得简单了，使用时外界对其影响的因素降低了，回弹仪的维护和检定周期会大大的延长，方便于工程检测提高了工作效率，降低使用成本。而且Silverschmidt一体式Q值数显回弹仪，采用人体工程学原理设计，拿起来非常顺手。中部显示区域，采用重力感应菜单设计，在任何情况下都可以自如的非常清楚的看到测试数据。

6 Q值回弹仪的应用前景

为了能使Q值回弹仪在我国混凝土强度检测中得到应用，PROCEQ China/博势商贸(上海)公司与同济大学、陕西省建筑科学研究院以及湖南大学合作，对Q型回弹仪进行了应用研究。通过大量的实验，建立Q值与混凝土强度之间的数学关系式；经过误差分析，确定误差范围，进而确定数学关系式的误差可适用性；以实验结果确定了影响回弹仪精度的主要因素，为将来制定回弹仪的检定规程积累实验数据。

1）陕西省建筑科学研究院研究结果

根据我国工程建设常用的混凝土强度区间和混凝土强度需要检测时的龄期等具体情况，选择混凝土强度范围（10～70）MPa,混凝土龄期（7～1000）天。本次实验试块来自西安地区的12个商品混凝土搅拌站和4个郑西高速铁路的现场搅拌站，混凝土搅拌站采用普通硅酸盐水泥，外加剂采用萘系、氨基磺酸盐或脂肪族泵送剂。高速铁路现场搅拌站采用低碱硅酸盐水泥，外加剂采用聚羧酸盐高效减水剂，混凝土中的掺合料为粉煤灰和矿粉。以当地混凝土或工程实际应用情况，根据不同强度等级的要求确定配合比，初始坍落度一般控制在(160～220)mmm范围内,混凝土强度的富裕系数不宜过大，混凝土拌合物的含气量应控制在5%以内。混凝土试件尺寸为150×150×150mm，不采用其它尺寸的试块进行尺寸换算，以便减少试件尺寸的修正二次引起的误差，可提高实验的精度。试块回弹、试压读取数据时应按照行业标准JGJ/T23-2011附录E专用测强曲线的制定具体规定。混凝土试块试压完毕，应在试块的被弹击时混凝土试块的侧面用1~2%的酚酞酒精溶液进行碳化深度试验，并用专用的碳化深度测试仪测量混凝土试块的碳化深度值。碳化深度大于6.0mm时,按等于6.0mm计算。

本次试验共制作混凝土试块2052个。通过对试块进行试压、回弹和测量碳化深度，共取得试验数据36936个。混凝土试块的强度从（9.3～68.6）MPa,碳化深度从（0～6）mm、混凝土龄期从（7～1000）天。

通过对这些试验数据进行分析处理得出如下结果：

全部混凝土试块2052个，设f ——混凝土抗压强度实测值，y ——混凝土抗压强度计算值，Δ=︱f-y︱；σ=︱f /y-1︱，剔除Δ>20或σ>0.35的数据后，混凝土试块1941个，,按照幂函数回归结果如下：

)

008

.0

(

166

.210

00835

.0dm

Q

f-

=

（其中：相关系数r=0.932, 剩余标准离差s=6.420, 回归方程式的强度平均相对误差δ=12.30%，回归方程式的强度相对标准差er=15.06%。）使用Q值回弹仪回归曲线方程与

JGJ/T23-2011曲线方程

1.9400(0.0173)

0.03448810d

f R-

=（其中：相关系数r=0.878，平均相

对误差δ=±13.89%；相对标准差er=17.24%。）相比较，平均相对误差，相对标准差都有所降低，相关系数增加，说明Q值回弹仪的回归方程检测精度提高了。