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回弹法检测混凝土抗压强度的局限

时间:2016-05-03来源: 作者: 点击: 514次

 

尚兵

(广州航海学院 航务工程学院,广东 广州 510330

摘要:混凝土的抗压强度与其测区的回弹值有关系。混凝土的硬度与其回弹值也有关系。但这两种关系都不是固定的。因此不能建立起混凝土抗压强度与回弹值之间较为精确的对应关系。回弹值可以在一定程度上反应混凝土的强度,但这个结果误差比较大,测量结果不能用于进一步的分析计算。

关键词:回弹法;硬度;强度;检测;质疑

中图分类号:TU528.01      文献标志码:A   文章编号:

 

Limitation of the method of Schmidt for

 testing strength of concrete

Shang Bin

School of Harbor EngineeringGuangzhou Maritime InstituteGuangzhou 510725China

 

Abstract There is relationship between the compressive strength of concrete and it’s rebound value. There is relationship between the compressive strength of concrete and it’s surface hardness. But these relationships are not certain, So it can’t be built that the relationship between the compressive strength of concrete and it’s rebound value. Rebound value can reflect the strength of concrete, But the error is too big. The measured results cannot be used for further analysis or calculation.

 

Key words: method of Schmidt; hardness; strength; testing; questioned

 

0 引言

《混凝土》杂志2007年第9期刊登了清华大学水利学院廉慧珍教授《质疑“回弹法检测混凝土强度”》 ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>廉慧珍</Author><Year>2007</Year><RecNum>20561</RecNum><DisplayText><style face="superscript">[1, 2]</style></DisplayText><record><rec-number>20561</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="05rwx5zroav9z5e2et4vsat5xt0d5ap5pvst">20561</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>廉慧珍</author></authors></contributors><auth-address>清华大学土木水利学院 北京100084</auth-address><titles><title>质疑“回弹法检测混凝土抗压强度”</title><secondary-title>混凝土</secondary-title></titles><periodical><full-title>混凝土</full-title></periodical><pages>1-3+8</pages><number>09</number><keywords><keyword>回弹法</keyword><keyword>硬度</keyword><keyword>强度</keyword><keyword>碳化层</keyword><keyword>折减系数</keyword></keywords><dates><year>2007</year></dates><isbn>1002-3550</isbn><call-num>21-1259/TU</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite><Cite><Author>廉慧珍</Author><Year>2008</Year><RecNum>20560</RecNum><record><rec-number>20560</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="05rwx5zroav9z5e2et4vsat5xt0d5ap5pvst">20560</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>廉慧珍</author></authors></contributors><auth-address>清华大学土木水利学院 北京100084</auth-address><titles><title>关于《对〈质疑“回弹法检测混凝土抗压强度”〉一文中几个问题的看法》的讨论</title><secondary-title>混凝土</secondary-title></titles><periodical><full-title>混凝土</full-title></periodical><pages>4-7</pages><number>06</number><keywords><keyword>回弹法</keyword><keyword>检测</keyword><keyword>质疑</keyword></keywords><dates><year>2008</year></dates><isbn>1002-3550</isbn><call-num>21-1259/TU</call-num><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[1, 2](后文中简称“质疑”)一文,对“回弹法检测混凝土抗压强度”的方法提出了质疑。廉教授认为:材料的硬度和强度不是同一个概念,混凝土的抗压强度与其回弹值没有唯一的对应关系。回弹值对抗压强度只能起到大体“推断”的作用。《混凝土》杂志在2008年第6期上刊登了文恒武高工《对〈质疑“回弹法检测混凝土强度”〉一文中几个问题的看法》 ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>文恒武</Author><Year>2008</Year><RecNum>20562</RecNum><DisplayText><style face="superscript">[3]</style></DisplayText><record><rec-number>20562</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="05rwx5zroav9z5e2et4vsat5xt0d5ap5pvst">20562</key></foreign-keys><ref-type name="Conference Proceedings">10</ref-type><contributors><authors><author>文恒武</author><author>魏超琪</author></authors><subsidiary-authors><author>中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土分会、建设工程无损检测技术专业委员会,</author></subsidiary-authors></contributors><auth-address>陕西省建筑科学研究院;</auth-address><titles><title>对“质疑‘回弹法检测混凝土抗压强度&apos;”一文中几个问题的讨论</title><secondary-title>第十届全国建设工程无损检测技术学术会议</secondary-title></titles><pages>5</pages><keywords><keyword>混凝土回弹</keyword><keyword>表面硬度</keyword><keyword>抗压强度检测</keyword></keywords><dates><year>2008</year></dates><pub-location>中国贵州贵阳</pub-location><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[3](后文中简称“看法”)一文。文高工认为:混凝土的强度和回弹值有一定关系,且可以用数理统计的基本方法得出关系式。对于这个问题,我想发表一点自己的拙见,供大家探讨,以期回弹法更趋合理。

1 回弹法的基本原理的缺陷

回弹法 ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>郭美贤</Author><Year>2011</Year><RecNum>20578</RecNum><DisplayText><style face="superscript">[4, 5]</style></DisplayText><record><rec-number>20578</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="05rwx5zroav9z5e2et4vsat5xt0d5ap5pvst">20578</key></foreign-keys><ref-type name="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>郭美贤</author></authors><tertiary-authors><author>刘叔灼,</author><author>王洋,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>不同条件下混凝土强度无损检测方法研究及其应用</title></titles><keywords><keyword>不同条件</keyword><keyword>混凝土</keyword><keyword>无损检测</keyword><keyword>方法</keyword><keyword>测强曲线</keyword></keywords><dates><year>2011</year></dates><publisher>华南理工大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite><Cite><Author>罗虎</Author><Year>2013</Year><RecNum>20577</RecNum><record><rec-number>20577</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="05rwx5zroav9z5e2et4vsat5xt0d5ap5pvst">20577</key></foreign-keys><ref-type name="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>罗虎</author></authors><tertiary-authors><author>陈大川,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>回弹法推定砌体中普通混凝土空心砌块抗压强度研究</title></titles><keywords><keyword>回弹法</keyword><keyword>普通混凝土空心砌块</keyword><keyword>回弹测强曲线</keyword><keyword>最小二乘法</keyword><keyword>影响因素</keyword></keywords><dates><year>2013</year></dates><publisher>湖南大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[4, 5]是使用弹簧驱动弹击锤,再通过弹击材料表面时产生的瞬时弹性变形的恢复力,使弹击锤带动指针指示出回弹的距离 ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>倪彦欣</Author><Year>2009</Year><RecNum>20576</RecNum><DisplayText><style face="superscript">[6]</style></DisplayText><record><rec-number>20576</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="05rwx5zroav9z5e2et4vsat5xt0d5ap5pvst">20576</key></foreign-keys><ref-type name="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>倪彦欣</author></authors><tertiary-authors><author>刘金伟,</author><author>谢慧才,</author></tertiary-authors></contributors><titles><title>基于弹性波理论的无损检测混凝土强度的打球法研究</title></titles><keywords><keyword>混凝土强度</keyword><keyword>无损检测</keyword><keyword>回弹法</keyword><keyword>打球测试系统</keyword></keywords><dates><year>2009</year></dates><publisher>汕头大学</publisher><work-type>硕士</work-type><urls></urls><remote-database-provider>Cnki</remote-database-provider></record></Cite></EndNote>[6]。以回弹值(弹回距离与冲击前弹击锤至弹击杆的距离之比,按百分比计算)作为与材料抗压强度相关的指标之一,来测定材料的抗压强度。回弹测量在材料的表面进行,属于表面硬度法。假定弹击锤势能为,弹击锤的质量为,弹击锤处于冲击前的原始状态,弹簧的弹性势能即为弹击锤的势能:

                                          1

:弹簧的刚度系数;:弹簧原始压缩长度

材料在遭遇撞击时产生瞬间弹性形变,弹击锤在弹性形变恢复力的作用下弹回到某一位置。此时,弹击锤具有的弹性势能

                                         2

:弹击锤弹回的位置

弹击过程中弹击锤所损耗的能量为:

                       3

把式(1),(2)代入(3)式可得:

                    4

,则

                  5

由(5)式可知,回弹值等于重锤冲击混凝土表面后剩余势能与原有势能之比的平方根。

回弹值是重锤冲击过程中能量损失的反映。表现在以下三个方面:

(1) 混凝土受冲击后产生塑性变形所吸收的能量

(2) 混凝土受冲击后产生振动所消耗的能量

(3) 回弹仪各机构之间的摩擦所消耗的能量

回弹法通常采用数理统计的方法,首先建立回弹值与混凝强度之间的相关关系方程式,即测强曲线。然后再根据测强曲线来推得所测混凝土的强度。没有测强曲线也就没有办法测强度。

以上整个推导过程表面上看,似乎很完美,但有以下问题:

(1) “回弹测量在材料的表面进行,属于表面硬度法。”这句话表述不当。在《看法》一文的摘要中,也把回弹值等价于表面硬度,同样有问题。至少是不严谨的。因为两者不具有一一对应的关系。

(2) 回弹值的差异主要是由于能量损失的差异,这一点无容置疑。但引起能量损失的第(2)条原因——混凝土受冲击后产生振动所消耗的能量,非常值得思考。因为振动与边界条件有关,简支、悬臂、固支,受到冲击后振动情况肯定不一样。引起的能量损失也就不一样。那么回弹值也就不可能一样。根据回弹法的测强曲线,得到的混凝土强度值必定不一样。那么能说同一块板中的混凝土,在不同的边界条件下强度不一样吗?还需要修正吗?这个问题是致命的。

2 回弹法的困惑

用同样的材料,在同样的时间、地点,并用同样的养护方法做三块大小不同的混凝土薄板,并把这些薄板放置在密实的细沙上。如图1所示。用《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》中的方法可以分别测出混凝土块的强度。但这三个强度值不一样。且面积越小,强度越低。为什么呢?回弹法基于能量损失的原理没有办法解决这个问题。于是陷入了大量的数理统计而无法自拔。这种统计永远不会结束,而且新人一定会认为比前人的结果准确。接下来我们用波动力学的方法来思考这个问题,这种困惑就迎刃而解。

1 不同面积的混凝土薄板置于密实的沙上

波是指某种物理量的扰动信号的传播。而弹击锤与混凝土碰撞的一瞬间之后,便有了应力在锤中及混凝土中传播,即应力波。回弹仪测混凝土的强度,其实质是一种波的透射与反射的关系。回弹值的大小取决于反射波的强弱。现在借鉴应力波在变截面杆中传播的思维方法来思考这个问题。当应力波到达杆中变截而处,会发生透射与反射。这与弹击锤撞到混凝土的表面后会发生回弹是同样的道理。

在变截面杆中,当应力波通过截面积发生突变的界面时,根据界面两侧应力相等条件和速度相等条件,可得到下式 ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>王礼立</Author><Year>2005</Year><RecNum>20320</RecNum><DisplayText><style face="superscript">[7]</style></DisplayText><record><rec-number>20320</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="05rwx5zroav9z5e2et4vsat5xt0d5ap5pvst">20320</key></foreign-keys><ref-type name="Electronic Book">44</ref-type><contributors><authors><author><style face="normal" font="default" charset="134" size="100%">王礼立</style></author></authors></contributors><titles><title><style face="normal" font="default" charset="134" size="100%">应力波基础</style></title></titles><pages>380</pages><edition><style face="normal" font="default" charset="134" size="100%"></style></edition><dates><year>2005</year></dates><pub-location><style face="normal" font="default" charset="134" size="100%">北京</style></pub-location><publisher><style face="normal" font="default" charset="134" size="100%">国防工业出片社</style></publisher><isbn>7-118-04015-0</isbn><urls></urls></record></Cite></EndNote>[7]

                6

                  7

              8

 

式中,为入射波到达界面后应力改变量,为反射波到达界面后应力改变量,为透射波的应力改变量。为入射速度改变量,为反射速度改变量。为截面变化前方材料的密度,为截面变化前方材料的波速,为截面变化前方杆的面积,为截面变化后方材料的密度,为截面变化后方材料的波速,为截面变化后方杆的面积。从(8)式可知,杆撞到另一界面反射速度与有关。也被称为广义波阻抗。

波速的值为:

                     9

式中为弹性模量,为密度。也就是说弹击锤在碰到混凝土时,回弹速度的大小, 是与混凝土的面积、密度与弹性模量相关的一个量。而与混凝土的硬度没有直接关系。这样影响回弹值的因素有四个,即面积、密度、弹性模量和厚度(因为上述公式的推导是假定无限厚)。由四个关联性不强的因素得到一个固定的回弹值,其难度可性而知。结果分散是必然的。目前各种各样的测强曲线,就是对这个结论的很好说明。想利用目前的回弹仪得到精确的混凝土强度值也是不可能的。正如廉教授所说,“回弹值对抗压强度只能起大体‘推断’的作用,定义成‘检测’实际上误导了对现场混凝土质量的评价。”

 

3 回弹值能在一定程度上反应混凝土强度的原因。

但在实际的工程中,回弹仪确定可以检测出豆腐渣工程来,有一定的工程应用价值。一方面看混凝土的密度,一般情况下,混凝土的密度差异不是很大。虽然对回弹值有影响,但是很容易被淹没于混凝土本身的分散性中。另一方面看锤击时的影响面积,因为通常在检测的时候混凝土的面积是比较大的,而锤击影响的面积并不大。当混凝土的面积大于锤击影响面积时,就可以认为面积的影响因素可以忽略。最后呢,最重要的影响就属于弹性模量的影响。根据《混凝土结构设计规范》,混凝土的强度与弹性模量的关系如表1所示。

1混凝土的强度与弹性模量的关系(单位:104N/mm2

究其根本,回弹值最重要的影响因素是材料的弹性模量,而弹性模量会随着混凝土的强度增加而提高,因此回弹仪能在一定程度上反应混凝土的强度。对于由大量实验和数理统计得出来的混凝土的测强曲线,很明显,是绕了一个弯。因此其精确程度可想而知。于是乎不断的巨量实验和数理统计就不可避免,各种地区性的或者专用的测强曲线就风起云涌 ADDIN EN.CITE  ADDIN EN.CITE.DATA [8-12],后来者认为自己的结果更精确等问题也就很正常了。

4结论

回弹仪以其结构简单,使用方便,并能在一定程度上反映混凝土的强度,因此得到了广泛的应用。但是它是基于经验的,不能期望建立好的测强曲线来精确测定混凝土的强度。根据回弹仪测得的强度进行进一步计算分析也是不可靠的。当然,回弹仪作为一种检测工具,还是有改进空间的,如果基于波动理论对其进行改进,其精度有可能进一步提高。

由于本人的经验和水平有限,发表一点拙见,敬请各位同仁批评指正。

 

参考文献

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作者简介:尚兵(1979-),男,博士,广州航海学院讲师

 

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