武汉地区预拌混凝土用回弹法检测抗压强度的探讨
2023-11-10
武汉地区预拌混凝土用回弹法检测抗压强度的探讨
杨家华，周结旺，向禹，罗晓航
（武汉明华商品混凝土有限责任公司，湖北 武汉 430011）
摘 要：本文结合武汉地区预拌混凝土标准养护试块的试验数据和工程实例对用回弹法检测混凝土抗压强度进行实证分析，认为武汉地区的预拌混凝土使用回弹法检测抗压强度不适合引用标准JGJ/T 23-2001的回弹曲线，建议用二次曲线方程来建立武汉地区的回弹曲线；对于混凝土工程实体检测，由于养护难以到位，建议慎用回弹法来判断工程混凝土质量。
关键词：回弹法；预拌混凝土；回弹曲线；武汉地区
一、概述
武汉地区的预拌混凝土行业发展迅速，预拌混凝土的年需求用量已经从1998年的100多万立方米发展到今天近3000万立方米。混凝土技术的应用也发生了很大的变化，多掺合料技术和新型外加剂应用技术在实际生产中已经被广泛应用。由于行业门槛低，竞争异常激烈，政府部门为了加强预拌混凝土的质量管理出台了一系列的管理规定，其中包括在工程验收中对使用预拌混凝土的结构物必须进行一定比例实体检测的规定。在武汉地区，混凝土结构物的强度检测绝大部分使用回弹法，执行的标准是《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T 23-2001）。
回弹法在混凝土的无损检测中虽然有一定的局限性但是应用最为广泛，这是因为其仪器简单、操作方便、费用低廉。回弹法检测混凝土抗压强度的主要原理是用肖氏强度原理测定材料表面硬度，然后推断混凝土的强度。回弹值和强度值的关系是通过大量实验数据，建立统一的回弹曲线。由于测定曲线的工作量很大，在标准JGJ/T 23的附录A里附有统一标准回弹曲线供参考，目前很多地方都是引用该附录的回弹曲线数据。
近年来，特别是矿渣粉和粉煤灰双掺技术在预拌泵送混凝土中的使用，用回弹法检测预拌泵送混凝土抗压强度产生了很多争议。
北京地区有数据表明[1]：某工程结构实体验收用同条件养护600℃·d预拌混凝土强度试块的强度以及钻芯强度与混凝土结构实体现场回弹检测强度相比，钻芯强度较同测区回弹强度高14％-48％。推测回弹强度偏低的主要原因是预拌混凝土中掺有一定比例的外加剂、掺合料等，建议今后在“统一回弹曲线”中引入不同外加剂、掺合料等修正系数。广州地区有研究表明[2] ：采用回弹值计算推测强度时，当标号大于C50时，用JGJ／T23—2001标准回弹计算强度与实测强度偏差较大，对试验检测结果的评定应慎重考虑，并建议通过大量的工程试验，分析总结出当地各种原材料的修正系数，为回弹法发挥更大的作用进行必要的技术积累。太原地区有研究表明[3]：混凝土表面早龄期碳化情况将引起回弹法检测结构混凝土强度偏低，从而影响回弹法测强精度。因此，当早龄期碳化深度超过0．5mm时，宜采用钻芯---回弹综合法来检测结构混凝土的强度。安徽地区有研究表明④：混凝土表面湿度对回弹值以及混凝土强度产生显著影响，由于混凝土表面湿度使回弹值减小，使混凝士实际强度增大，对碳化深度影响较小，因此，应另立测强曲线。浙江省已经在2008年颁布了地方标准《回弹法检测泵送混凝土抗压强度技术规程》。
武汉地区目前没有回弹法的地方回弹曲线，引用行业标准（JGJ/T 23-2001）附录A里的全国统一回弹曲线。近年来，武汉地区的混凝土结构验收应用回弹法引起很多的争议，本文结合武汉地区的试验数据和工程实例对用回弹法检测混凝土抗压强度的问题进行探讨。
二、试验过程及结果分析
1 针对标养试块试验及数据分析
1.1 试验设计
用本公司实际生产的预拌混凝土，强度从20到70MPa，制备150mm×l50mm×l50mm的抗压试块144块，经标准养护后，进行回弹试验和抗压强度试验。
回弹法测定试验方法：按照《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T 23-2001）的要求，试验选择试块相对的两个侧面(除去成型时的底面和顶面)作为测区面，每个面选取四个均匀分布的测点。并且，需将试块置于压力机的两承压板之间，加压到30～80kN(低强度试块取低值加压)，回弹后加压至破坏。共测定144组数据。
1.2 数据原始记录
表一 试块的回弹值和实测值一览表
回弹值 | 实测强度 | 回弹值 | 实测强度 | 回弹值 | 实测强度 | 回弹值 | 实测强度 | 回弹值 | 实测强度 | 回弹值 | 实测强度 | 回弹值 | 实测强度 |
37.0 | 46.7 | 36.2 | 44.9 | 38.7 | 49.1 | 44.3 | 55.6 | 34.9 | 44.7 | 26.5 | 24.9 | 30.8 | 32.4 |
37.2 | 45.3 | 36.9 | 40.0 | 37.4 | 48.7 | 43.6 | 68.4 | 35.8 | 44.4 | 26.5 | 26.9 | 29.7 | 35.6 |
38.1 | 43.8 | 36.7 | 41.1 | 35.1 | 39.8 | 46.6 | 66.7 | 36.6 | 44.2 | 27.9 | 25.6 | 32.3 | 35.3 |
30.3 | 26.0 | 39.4 | 54.4 | 34.9 | 39.8 | 45.3 | 66.4 | 31.2 | 32.4 | 28.6 | 25.6 | 31.3 | 34.7 |
30.0 | 26.7 | 40.0 | 52.0 | 36.8 | 38.4 | 28.0 | 27.8 | 30.1 | 31.1 | 27.6 | 25.3 | 30.7 | 32.0 |
30.0 | 26.4 | 39.2 | 50.0 | 34.5 | 44.0 | 28.7 | 27.8 | 31.0 | 31.1 | 28.7 | 25.1 | 30.8 | 32.4 |
34.4 | 38.9 | 45.5 | 60.0 | 38.5 | 43.8 | 30.7 | 32.2 | 29.9 | 32.9 | 28.4 | 24.0 | 31.7 | 31.6 |
33.7 | 40.4 | 45.4 | 65.6 | 36.1 | 44.0 | 28.7 | 28.9 | 29.7 | 31.1 | 28.7 | 25.3 | 28.9 | 28.4 |
34.1 | 43.3 | 47.1 | 65.1 | 38.4 | 44.4 | 27.8 | 27.6 | 31.5 | 32.9 | 30.1 | 30.0 | 30.9 | 31.1 |
31.2 | 32.9 | 41.4 | 57.5 | 35.1 | 44.4 | 27.8 | 27.8 | 31.7 | 30.7 | 32.3 | 32.0 | 29.2 | 28.6 |
30.8 | 34.7 | 40.7 | 58.7 | 38.9 | 40.4 | 29.2 | 29.3 | 31.2 | 32.7 | 31.6 | 33.8 | 29.3 | 29.8 |
32.7 | 35.3 | 41.9 | 54.7 | 44.9 | 68.4 | 27.3 | 30.0 | 30.9 | 32.4 | 32.2 | 31.6 | 28.2 | 28.6 |
33.2 | 35.3 | 39.2 | 56.9 | 44.0 | 63.1 | 29.9 | 29.3 | 25.0 | 25.3 | 29.8 | 33.6 | 29.6 | 30.2 |
33.1 | 34.7 | 40.7 | 54.2 | 44.2 | 68.4 | 34.7 | 45.1 | 27.4 | 24.2 | 30.1 | 34.7 | 29.7 | 29.1 |
32.6 | 34.4 | 40.2 | 54.7 | 45.2 | 64.4 | 35.0 | 46.7 | 27.6 | 24.9 | 30.4 | 34.7 | 31.1 | 28.2 |
28.5 | 26.7 | 39.0 | 51.8 | 44.1 | 63.1 | 35.3 | 43.8 | 27.7 | 24.7 | 26.9 | 26.4 | 28.0 | 27.6 |
27.3 | 26.9 | 28.2 | 26.3 |
1.3 数据分析
（1）实测强度与全国回弹曲线⑤和浙江回弹曲线⑥比较
分别根据标准JGJ/T 23-2001，和浙江标准，引用相应的回弹曲线，碳化值为0，并加上泵送修正，推断出来的每个试块的强度，并和相应的实测强度差值比较如下表2：
表2 相对两个标准的比较
最小值 | 最大值 | 平均值 | 标准方差 | 方差 | |
相对JGJ/T 23 | -3.3 | 16.1 | 4.368 | 3.8952 | 15.172 |
相对浙江标准 | -3.4 | 16.3 | 3.618 | 4.0580 | 16.468 |
上述数据看出：数值离散性较大， 表明回弹值不适合用根据标准JGJ/T 23或浙江标准来推断。
（2）回弹值和实测强度的相关系数和散点图
用spss软件处理，得回弹值和实测强度的pearson相关系数为0.969，表明回弹值和实测强度有很强的正线性关系。
散点图如图1：
图1 回弹值与实测强度的散点图
从上图直观看出回弹值和实测强度呈线性关系。
（3） 回弹值和实测强度的关系建模
以回弹值为自变量，实测强度为因变量，用spss软件建模，十一个模型的参数输出如下表3：
表3 回弹值与实测强度的关系模型
Equation | Model Summary | Parameter Estimates | |||||||
R2 | F | df1 | df2 | Sig. | Constant | b1 | b2 | b3 | |
Linear | 0.940 | 1742 | 1 | 112 | .000 | -34.669 | 2.179 | ||
Logarithmic | 0.926 | 1398 | 1 | 112 | .000 | -227.492 | 75.964 | ||
Inverse | 0.901 | 1019 | 1 | 112 | .000 | 117.029 | -2573 | ||
Quadratic | 0.942 | 905. | 2 | 111 | .000 | -8.158 | 0.657 | .021 | |
Cubic | 0.942 | 909 | 2 | 111 | .000 | -1.335 | 0.000 | .042 | .000 |
Compound | 0.932 | 1532 | 1 | 112 | .000 | 6.365 | 1.054 | ||
Power | 0.936 | 1633 | 1 | 112 | .000 | .059 | 1.838 | ||
S | 0.928 | 1442 | 1 | 112 | .000 | 5.523 | -62.86 | ||
Growth | 0.932 | 1532 | 1 | 112 | .000 | 1.851 | .052 | ||
Exponential | 0.932 | 1532 | 1 | 112 | .000 | 6.365 | .052 | ||
Logistic | 0.932 | 1532 | 1 | 112 | 0.00 | 0.157 | 0.949 | ||
上表说明：回弹值和实测强度的关系用二次曲线（Quadratic）， 解析程度最为显著，判定系数R2值为0.942。标准JGJ/T 23推荐的幂函数（Power）模型其判定系数R2值为0.936，其解析程度不如二次曲线。具体的方程式如下：
用二次曲线（Quadratic）回归的方程为：F=-8.158+0.657 R+0.021 R2
用幂函数（Power）回归的方程为：F=0.059 R1.838
上述十一个模型的拟合曲线图如下图2：
图2 回弹值与实测强度拟合曲线图
1.4 试验结论
（1） 回弹值和实测强度密切相关，但不适合用全国曲线或浙江的地方曲线；
（2） 用二次曲线（Quadratic）拟合回弹值和实测强度的关系比标准JGJ/T 23推荐的幂函数（Power）更佳。
2 工程实体检测结果分析
2.1 数据原始记录
武汉地区某三个工程验收时的回弹数据和对应的钻芯数据如下表4（单位：MPa）：
表4 武汉地区某三个工程验收时的回弹数据和对应的钻芯数据表
回弹值 | 钻芯强度 | 回弹值 | 钻芯强度 | 回弹值 | 钻芯强度 |
23.4 | 21.8 | 22.8 | 21.7 | 29.4 | 27.8 |
24.6 | 23.1 | 24.3 | 26.0 | 35.1 | 33.2 |
24.3 | 25.0 | 24.3 | 25.0 | 31.0 | 28.9 |
24.3 | 24.8 | 22.0 | 23.8 | 30.0 | 25.9 |
23.7 | 28.0 | 22.8 | 26.2 | 27.9 | 24.5 |
23.7 | 28.4 | 25.6 | 28.2 | 31.0 | 27.9 |
22.3 | 21.0 | 27.2 | 25.5 | 28.6 | 25.2 |
22.1 | 20.3 | 29.2 | 26.3 | 30.3 | 26.2 |
2.2 钻芯强度与全国曲线和浙江曲线比较
根据标准JGJ/T 23，和浙江标准，引用相应的曲线，碳化值为0.5，并加上泵送修正，推断出来的每个试块的强度，并和相应的实测强度（钻芯强度）差值比较如下表5：
表5 钻芯强度与全国曲线和浙江曲线比较
全国曲线 | 浙江曲线 | |
平均 | 3.425 | 2.179167 |
标准误差 | 0.723925 | 0.763169 |
标准差 | 3.546492 | 3.738749 |
方差 | 12.57761 | 13.97824 |
峰度 | -1.0315 | -1.14095 |
偏度 | 0.146935 | 0.094632 |
区域 | 12 | 12.2 |
最小值 | -2.3 | -3.6 |
最大值 | 9.7 | 8.6 |
观测数 | 24 | 24 |
置信度(95.0%) | 1.497552 | 1.578735 |
上述数据看出：数值离散性较大， 表明实体工程的回弹值同样不适合根据标准JGJ/T 23，或浙江标准来推断。
2.3 用spss软件对上述数据建模，寻找回弹值和钻芯强度的关系，十一个常用模型的参数输出如下表6：
表6 spss软件建模的十一个常用模型的参数输出表
Equation | Model Summary | Parameter Estimates | |||||||
R2 | F | df1 | df2 | Sig. | Constant | b1 | b2 | b3 | |
Linear | 0.485 | 20.729 | 1 | 22 | .000 | 10.897 | 0.561 | ||
Logarithmic | 0.475 | 19.932 | 1 | 22 | .000 | -23.412 | 15.043 | ||
Inverse | 0.466 | 19.182 | 1 | 22 | .000 | 41.026 | -397.8 | ||
Quadratic | 0.501 | 10.536 | 2 | 21 | .001 | 31.766 | -0.987 | .028 | |
Cubic | 0.506 | 10.765 | 2 | 21 | .001 | 24.124 | 0.000 | -.013 | .001 |
Compound | 0.472 | 19.650 | 1 | 22 | .000 | 14.443 | 1.022 | ||
Power | 0.468 | 19.345 | 1 | 22 | .000 | 3.809 | .583 | ||
S | 0.464 | 19.027 | 1 | 22 | .000 | 3.838 | -15.50 | ||
Growth | 0.472 | 19.650 | 1 | 22 | .000 | 2.670 | 0.022 | ||
Exponential | 0.472 | 19.650 | 1 | 22 | .000 | 14.443 | 0.022 | ||
Logistic | 0.472 | 19.650 | 1 | 22 | .000 | 0.069 | 0.979 | ||
上表说明：回弹值和钻芯强度不存在明显关系。
各种模型的拟合曲线如下图3：
图3 各种模型的拟合曲线
2.4 结果分析
从上述数据分析看出，回弹推断的强度比钻芯强度低，并且回弹值和钻芯强度相关程度很低，不能找到合适的曲线来拟合它们的关系。也就是说，在武汉地区用回弹法检测实体工程几乎没有意义。造成这样的结果可能是因为：工程的混凝土养护不到位，早期表面严重失水造成混凝土强度内外差异过大，此外，数据量并不足够大，难以寻找出规律。
我们进一步调研发现：武汉地区的预拌泵送混凝土工程大部分不能按照施工要求养护，特别是竖向结构的混凝土，脱模过早，脱模后很少覆盖，难以浇水保持湿度，混凝土的表面具体表现为颜色泛白。回弹法的使用前提是要求被测混凝土的内外质量基本一致,当混凝土表层与内部质量有明显差异,如遭受化学腐蚀、火灾、冻伤,或内部存在缺陷时,不能直接采用回弹法检测混凝土强度。因此建议：在武汉地区的混凝土工程实体检测中，慎用回弹法。
三、结语
武汉地区的预拌混凝土，如果养护到位，其回弹值和实际的强度有很强的正相关关系，但不适合引用全国统一的回弹曲线；武汉地区应建立自己的回弹曲线，用二次曲线来建立模型比标准JGJ/T 23推荐的幂函数（Power）更佳；对于实体工程，混凝土的表面回弹值和结构的实际强度没有明显的模型关系，慎用回弹法来判断工程混凝土强度。
由于采集的数据有限，还有许多问题有待深入探讨和研究。
参考文献：
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[2] 郑建洪等．回弹值与实测强度相关性的试验研究[J]．广东建材，2007年第11期
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[4] 吴植安等．早龄期碳化对回弹法检测混凝土强度的影响分析[J]．工程质量，2003．No．4
[5] 《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》[S]．JGJ/T 23，2001
[6] 《回弹法检测泵送混凝土抗压强度技术规程》[S]．浙江工程标准，2008年4月。
作者简介：杨家华，男，1974，硕士，武汉明华商品混凝土有限责任公司总工程师。
E-mail：YJH@PKU.ORG.CN
