混凝土强度无损检测试验及人工智能系统模型研究-博士论文

S 9 9 8 天摩大薯 中目 代第一所女 博士学位论文 i I 一嘎 I 爿 z l l n lc 一级学科 土木工程 学科专业 结构工程 作者姓名 王立军 指导教师 王铁成教授 天津大学研究生院 2 0 0 8 年1 月 混凝土强度无损检测试验及 人工智能系统模型研究 R e s e a r c ho nN o n d e s t r u c t i v eT e s t i n gM e t h o da n d A r t i f i c i a lI n t e l l i g e n c eA n a l y z i n gf o rC o n c r e t e S t r e n g t h 一级学科 学科专业 作者姓名 指导教师 本工程 结控工程 王室至 王毯盛熬援 天津大学建工学院 二零零八年元月 摘要 随着混凝土强度无损检测技术的发展 回弹 超声 后装拔出法等单一测强手段 已在工程检测中得到应用 相应的技术规程也相继颁布执行 由于对测强精度要求的 逐步提高 单指标测强方法已不能满足工程需要 这就使综合法测强曲线的建立显得 尤为重要 由于采用规程推荐的统一曲线受地方材料和各地施工水平差异等因素影响 存在较大的误差 因此建立地区无损测强曲线是提高无损测强精度的主要措施 本文 采用张家口地区常用的地方材料 对C 1 5 C 2 0 C 2 5 C 3 0 C 3 5 C 4 0 六种常用不 同强度等级的混凝土标养试件 进行2 8 d 4 2 d 及5 6 d 三个龄期的超声 回弹及后装 拔出无损检测试验 并同时进行混凝土破损测强 在此基础上用数理统计方法对试验 数据进行回归分析 建立回弹 超声 超声 拔出 回弹 拔出 回弹 超声 拔出综合法 测强曲线和相关公式 并利用自然养护混凝土试件无损检测试验结果对回归公式进行 修正 经实验和部分工程实践验证 本文所建立的综合测强曲线相关性较好 误差较 小 人工神经网络是理论化的人脑神经网络的数学模型 是基于模仿大脑神经网络结 构和功能而建立的一种信息处理系统 能够实现复杂的逻辑操作和非线性关系 人工 神经网络对于难以建立精确的数学模型而又易于收集学习样本的问题非常适合 影响混凝土强度无损检测的因素较多 具有许多不确定性 用一种确定的表达式 来描述存在困难 鉴于此 本文作者提出了基于人工神经网络的混凝土强度无损检测 综合法评定研究 探索并应用了神经网络的一些改进算法 其中包括附加冲量法 自适应学习算法 及S 型函数输出限幅算法等 以保证建立的神经网络的快速有效 对试验数据进行成功训练 利用M a t l a b 语言编制相应程序 建立了混凝土强度 无损检测综合法的人工神经网络模型 通过检测样本训练和实际工程验证 建立的人 工神经网络模型推测的混凝土强度相对误差小 可以对混凝土强度进行预测 与传统 的回归算法相比 采用人工神经网络建立的混凝土强度评定模型推测出的混凝土强度 具有精度高的特点 关键词 无损检测 回弹法 超声法 拔出法 综合法 回归分析 测强曲线 人工 智能 神经网络 强度评定 A B S T R A C T A BS T R A C T W i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en o n d e s t r u c t i v et e s t i n gt e c h n i q u e so fc o n c r e t es t r e n g t h t h es i n g l et e s t i n gs t r e n g t hm e a n ss u c ha sr e p e r c u s s i o nw i t hh a m m e r u l t r a s o u n d e m b e d e d p u l l o u t h a v ew i d e l yb e e na p p l i e di nt h ee n g i n e e r i n gi n s p e c t i o n a n dt h e r e l e v a n tt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o nh a v ea l s ob e e ni s s u e da n dc a r r i e do u t B u tw i t ht h e i m p r o v e m e n to ft h ep r e c i s i o no ft e s t i n gs t r e n g t h t h es i n g l e t a r g e tt e s t i n gs t r e n g t hm e a n s c a n n o tm e e tt h ee n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n tt h a ti t a p p e a r se s p e c i a l l yi m p o r t a n tt os e tu p t e s t i n gs t r e n g t hc u r v e sw i t hc o m p r e h e n s i v em e t h o d s T h i sp a p e ri n t r o d u c e dn o n d e s t r u c t i v et e s t i n ge x p e r i m e n t s t h a ti s u s i n gu l t r a s o u n d r e p e r c u s s i o na n de m b e d e d p u l l o u te x p e r i m e n t st oe v a l u a t et h es t r e n g t hf o rc o n c r e t e s t a n d a r d i z e d t e s t so fs i xt y p e so f s t r e n g t hg r a d e s C 15 C 2 0 C 2 5 C 3 0 C 3 5 C 4 0 f o r2 8 d a y 4 2 d a ya n d5 6 d a y st h et h r e e a g e p e r i o d T h ea l lm a t e r i a l su s e df o rt e s t sa r ef r o m Z h a n g j i a k o ua r e a w h i c ha r ew i d e l ya p p l i e di ne n g i n e e r i n gp r o j e c t s T h er e l a t e ds p e c i m e n c o n c r e t ec o m p r e s s i v es t r e n g t he x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e di nl a b O nt h i sb a s e t h e a u t h o rm a d er e g r e s s i o na n a l y s i so nt h et e s t e dd a t aw i t hm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c a lm e t h o d I n a d d i t i o n t h i st h e s i ss e t u p t h et e s t i n g s t r e n g t h c u r v e so f s p r i n g b a c k u l t r a s o u n d u l t r a s o u n d p u l l o u t r e p e r c u s s i o n p u l l o u t r e p e r c u s s i o n u l t r a s o u n d p u l l o u tc o m p r e h e n s i v e m e t h o d sa n dr e l a t i v ef o r m u l a s M e a n w h i l e t h ea u t h o re m p l o y e dt h er e s u l t so ft h e n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g o fn a t u r a l c u r i n g c o n c r e t et e s t st or e v i s et h e r e g r e s s i o n f o r m u l a s B yt e s t i n ga n dv e r i f y i n gi ns o m ep r o j e c t s t h er e l a t i v i t yo ft h ec o m p r e h e n s i v e t e s t i n gs t r e n g t hc u r v e sb u i l ti nt h et h e s i si sb e R e ra n dt h ee r r o ri sm i n o rc o m p a r e dw i t h c o m m o nm e t h o d I ti sa b l et Ob ep r o m o t e da n d a p p l i e di nc o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n ga n di t s s u r r o u n d i n g a r e aa st h e t e s t i n gs t r e n g t h c u r v e so ft h en o n d e s s t r u c t i v e t e s t i n g c o m p r e h e n s i v em e t h o d so fc o n c r e t es t r e n g t h A r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k A N N i sam a t h e m a t i c a lm o d e lo fn e u r a ln e t w o r ko fb r a i n a n di sai n f o r m a t i o nh a n d l i n gs y s t e mt h a ts i m u l a t ea r c h i t e c t u r ea n df u n c t i o no fb r a i n A N N c a nr e a l i z ec o m p l i c a t e dl i g i co p e r a t i o na n dn o n l i n e a rr e l a t i o n a n di ti sv e r ys u i t a b l ef o r s u c hp r o b l e m st h a ta r ed i f f i c u l tt ob ee s t a b l i s h e d m a t h e m a t i c a lm o d e lb u te a s yt ob e A B S T R A C T c o l l e c t e dl e a r n i n gs e t T h en o n d e s t r u c t i v et e s t i n gt e c h n i q u e so fc o n c r e t es t r e n g t hi sav e r yc o m p l i c a t e d p r o l e mb e i n gi n f l u e n c e db ym a n yv a r i a b l ef a c t o r s a n di ti sd i f f i c u l tt ob ee x p r e s s e dw i t ha m a t h e m a t i c a lf o r m u l ap r e c i s e l y T h e r e f o r e t h ea u t h o rp u tf o r w o r dt h er e s e a r c ho ft h e n o n d e s t r u c t i v et e s t i n gt e c h n i q u e so fc o n c r e t es t r e n g t hb a s e do nA N N I no r d e rt om a k eB Pn e t w o r km o r ee f f i c i e n t t h e r ea r es o m eo p t i m i z e dB Pa l g o r i t h m s b e i n gp u tf o r w o r d i n c l u d i n gm o m e n t u mB pa l g o r i t h m s v a r i a b l el e a r n i n g r a tB P a l g o r i t h m sa n dl i m i t e do u t p u to fs f u n c i o na l g o r i t h m s T h em a t h e m a t i c a lm o d e li ss e t u p b y m e a n so fB P a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k t e c h n o l o g yb a s e do nc o n s i d e r a b l ed a t af r o mt h ee x p e r i m e n t F u r t h e r m o r e c o r r e s p o n s i v e M A T L A Bp r o g r a mh a db e e nc o m p i l e dt oa n a l y z et h es t r e n g t ho fc o n c r e t es a m p l e s K e yw o r d s n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g r e p e r c u s s i o n u l t r a s o u n d p u l l o u t c o m p r e h e n s i v e m e t h o d r e g r e s s i o na n a l y s i s t e s t i n gs t r e n g t hc u r v e a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e A N N s t r e n g t he v a l u a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果 也不包含为获得盘鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意 一躲z 主伊飙一一细 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕望盘鲎有关保留 使用学位论文的规定 特授 权 墨垄叁堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 并采用 影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作 签字日期 导师签名 签字日期 名 7 年乙月Z 箩嗣 第一章绪论 第一章绪论 1 1 混凝土强度无损检测技术的发展历史及现状 混凝土强度是混凝土质量控制的核心内容 是结构设计和施工的重要依据 是混 凝土最重要的性能之一 混凝土的质量直接关系到分项工程 分部工程以及单位工程 的评定验收 混凝土是当今建筑物 构筑物中使用最普遍的建筑材料之一 由于混凝 土的使用要经过配料 搅拌 成型 养护等环节 所以每一环节稍有不慎都将影响其 质量 进而危及整个结构的安全 因此 在工程界中对混凝土质量的监控与控制成为 人们广泛关注的课题 众所周知 衡量混凝土质量的主要指标通常都是以标准试件的 立方体抗压强度为依据的 即以边长为l5 0 m m 的立方体为标准试件 在 2 0 2 的温度和相对湿度9 5 以上的潮湿空气中养护2 8 d 按照标准试验方法测得的具有 9 5 保证率的抗压强度作为混凝土的立方体抗压强度 单位为N m m 2u 混凝土试件抗压强度试验的应用已有8 0 余年的历史 人们己积累了丰富的经验 抗压强度试验也已成为钢筋混凝土结构设计 施工 质量验收的重要依据 但必须认 识到 由于试件的成型条件 养护环境及应力状态都不可能和结构中实际使用的混凝 土完全一致 所以标准试件的抗压强度对实际工程中的混凝土来说 只能是一种间接 测定值 这种测试结果被认为是混凝土在特定条件下性能的反应 并不能代表实际结 构中混凝土的真实性能 至少当下列情况出现时 有理由怀疑试件抗压强度代表混凝 土实际状态的真实性L z A 1 当施工中发现某一施工环节存在问题 对结构混凝土强度产生怀疑时 2 当试件的取样 制作 养护等未按规定进行 对其可信度产生怀疑时 3 当结构混凝土受自然环境的侵蚀或受灾害性因素而损害时 为此 我国 混凝土强度检测评定标准 G B J l 0 7 8 7 规定 当对混凝土试件的代 表性有怀疑时 可用从结构中钻取试样的方法或采用非破损检测的方法 按有关标准 的规定对结构或构件中混凝土的强度进行推定 1 1 1 混凝土强度无损检测的基本含义 混凝土的强度是指混凝土受力达到极限破坏时的应力值 所以 要想准确得到混 凝土的强度 必须把混凝土试块加载至其达到破坏极限 而此时试块已经破坏 所谓 混凝土结构强度无损检测 也称非破损检测 就是在不影响既有结构或试件受力性能 第一章绪论 或其他使用功能的前提下 直接在结构或构件上通过测定某些适当参数 并通过这些 参数与混凝土强度的相关性 推测出混凝土的强度的检测方法 因此就需要找出一个 或几个与混凝土结构具有相关性 而又不对混凝土结构本身的力学性能造成影响的物 理量作为推测依据 因此无损检测方法所得混凝土强度值 事实上是一个间接推算值 该物理量与混凝土强度的相关性 直接决定了它和混凝土实际强度的吻合程度 1 1 2 混凝土强度无损检测技术的发展 1 1 2 1 国外混凝土强度无损检测技术的发展 人们对结构混凝土无损检测方法的研究和探索 可以追溯到上世纪3 0 年代初 首先1 9 3 0 年出现了表面压痕法 1 9 3 5 年格里姆 G G r i m e t 艾德 J M 1 d e 把共振 法用于混凝土弹性模量的测量 1 9 4 8 年施米特 E S c h m i d 成功发明了回弹仪 1 9 4 9 年加拿大的莱斯利 L e s l i e 和奇斯曼 C h e e s m a n 英国的琼斯 R J o n e s 运用超 声脉冲法检测混凝土强度获得成功 随后 琼斯又使用放射性同位素进行混凝土强度 和密实度的检测 这些研究成果都为混凝土无损检测技术的发展奠定了基础 这以后 许多国家和地区都相继开展了这方面的研究工作 如前苏联 罗马尼亚 日本等国家 在5 0 年代都曾取得许多成果 6 0 年代 罗马尼亚的弗格瓦洛 I F 矗c 矗 矗r u 提出用声 速 回弹综合法推测混凝土强度的方法 为无损检测技术领域开辟了多因素综合分析 的新途径 同时 声发射技术被引入混凝土无损检测体系 吕施 H R i J s c h 格林 A T G r e e n 等人先后研究了混凝土的发射特性 为声发射技术在混凝土结构中的 应用打下了基础 另外 无损检测的重要分支一钻心法 拔出法 射击法等半破损 方法也得到了发展 至此 混凝土无损检测方法己形成了一套较为完整的体系 随着混凝土无损检测技术的日益完善 许多国家开展了相关的标准化工作 仅美 国的A S T M 颁布的就有 硬化混凝土射入阻力标准检验方法 C 8 0 3 8 2 结构 混凝土抽样与检验标准方法 C 8 2 3 8 3 混凝土超声脉冲速度标准试验方法 C 5 9 7 8 3 硬化混凝土回弹标准法 C 8 0 5 8 5 就地灌注圆柱试样抗压强度标准检 验方法 C 8 7 3 8 5 硬化混凝土拔出强度试验方法 C 9 0 0 8 7 成熟度估算混 凝土强度的方法 C 1 0 4 7 8 7 等 另外 国际标准化组织 I S O 也先后提出了回 弹法 超声法 钻心法 拔出法等相应标准草案 这些工作无疑对混凝土无损检测的 应用起到了良好的推广作用 近2 0 年以来 结构混凝土无损检测技术更是得到了蓬勃发展 更值得一提的是 2 第一章绪论 随着科学技术的发展 无损检测技术已突破了原有范畴 涌现出了一批诸如微波吸收 雷达扫描 红外热谱 脉冲回波等新技术 同时测试的内容也愈加广泛 其功能由事 后质量检测发展成事前的质量反馈控制 1 1 2 2 国内混凝土强度无损检测技术的发展 我国在无损检测领域的研究工作始于2 0 世纪5 0 年代 开始从瑞士 英国等国引 进回弹仪和超声仪 并结合实际工程开展了许多研究工作 6 0 年代初开始自行批量 生产回弹仪 并研制成功了多种规格的超声仪 在检测方法方面也取得了多项进展 特别是进入7 0 年代后 我国曾组织多方面力量联合攻关 大力推进了混凝土无损检 测技术的研究和应用 并且为回弹法 超声法 拔出法 钻芯法 超声回弹综合法等 方法制定了相关规范 标准 即 回弹法检测混凝土抗压强度技术规程 J 6 J T 2 3 2 0 0 1 超声法检测混凝土缺陷技术规程 C E C S 2 1 9 0 后装拔出法检测混凝 土强度技术规程 C E C S 6 9 9 4 超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程 C E C S 0 2 8 8 等 相关仪器的标准也在制定之中 总的来说 我国在这一领域的研究工作起步较早 基础广泛 成果丰硕 普及推 广率较高 在传统混凝土无损检测技术方面的研究应用成果已处于国际先进水平 但 在一些新方法 新技术的开拓方面发展还比较落后 有待于进一步提高 综上所述 混凝土无损检测技术的发展虽然时快时慢 但由于工程建设的需要 它始终具有很大的发展空间 因而许多国家都将其标准化 成为法定的检测手段之一 可以预料 随着科学技术的发展和工程建设规模的不断扩大 无损检测技术具有广阔 的发展前景 1 1 3 混凝土材料的变化对无损检测技术发展的影响 5 0 年前的混凝土全部由水泥 砂 石和水四种成分组成 而今天的混凝土中已 经相当普遍地加入了第五种 各种外加剂 和第六种成分 粉煤灰或磨细矿粉等 新引 入的组成部分不仅起着传统的胶凝作用或骨架作用 而且还赋予了混凝土新的性能 除此之外 水泥本身的细度及其中各主要成分 C S C S C A C A F 的比例也 发生了显著变化 这些原材料的根本变化对混凝土的影响主要表现在以下两方面 1 水泥和外加剂二者的性能及其适应性影响着混凝土硬化前 硬化过程中和硬 化后的性能 掺有外加剂混凝土的强度增长规律有所改变 构件表面硬度与内部强度 之间的相关性与过去也有所不同 因此说现今的混凝土性能较之过去已发生了根本性 第一章绪论 的变化 2 新水泥因细度及成分比例改变而导致的其较之以往产生更多的水化热 因而 现在的结构混凝土更容易产生施工裂缝u 以上混凝土基本性能的改变给结构混凝土强度现场检测带来的影响不容忽视 首 先 由于混凝土硬化前 硬化过程中及硬化后的强度增长规律的变化 对钢筋混凝土 结构分部工程验收中现场检测的时间提出了要求 其次 水泥和外加剂的适应性及施 工因素 模板状况 养护状况 的共同作用 使得目前许多混凝土工程在主体竣工前混 凝土表面已产生了很深的碳化层 普遍在l m m 2 m m 严重者达4 m m 一5 m m 由于这种碳 化发生在混凝土的硬化期或早期龄期内 使结构混凝土表面呈疏松状 表面强度低于 内部强度 从而对主要靠混凝土表面回弹值来建立相关曲线从而推测混凝土强度的回 弹法产生了明显影响 第三 结构混凝土产生裂缝的原因越来越复杂 往往是施工因 素 材料因素及设计因素综合作用所致 并且多数情况下与混凝土强度无关 以上这 些新问题的出现对今后混凝土无损检测的发展提出了新的课题和发展方向 要求试验 及检测的方法 手段 测强曲线的划分不断细化 并考虑多种影响因素 才够能适应 实际工程中遇到的新情况 1 1 4 结构混凝土强度无损检测技术的研究动向 1 1 4 1 结构混凝土无损检测技术基本理论方面的探索和发展 无损检测方法必须建立在混凝土的某些性能与适当物理量之间的相互关系的基 础上 以混凝土强度为例 为了寻找与混凝土强度密切相关 而又能在结构或构件上 用无损方法直接测量的物理量 往往采用两种方法 一种是归纳法 就是在大量实验 基础上 用回归分析的方法确定某物理量与强度之间的经验关系 这种方法试验工作 量大 常有一定的盲目性 而且由于试验条件及原材料等众多因素对试验结果有明显 影响 所得经验关系往往只局限于某种条件或某地区适用 而没有广泛的适用性 另 一种方法是演绎法 它是根据混凝土强度与某些物理量之间的理论联系进行逻辑推 演 从理论上确定其间的相互关系 然后再做适当的试验验证 这种方法所得的结果 往往是以基础科学的基本原理为理论基础 由于以往对强度与物理量的关系研究较 少 目前 在上述两种方法中用得较多的仍然是前一种方法 近几年来随着基础科学 的发展 为混凝土与混凝土之间理论联系的研究奠定了基础 4 目前 混凝土无损检测基础理论方面的研究主要集中在两个方面 其一是混凝土 4 第一章绪 论 强度理论及无损检测常物理量的关系 其二是混凝土中波的传播机理 1 关于混凝土强度理论及其与物理量的关系 常用的无损检测强度的方法多是通过混凝土应力应变性质或密实性和孔隙率来 推算混凝土强度的 因此 必须建立混凝土应力应变性质及孔隙率与强度的理论关系 在建立混凝土应力应变性质与强度关系方面 前苏联的乌兰素姆采夫作了开创性 的工作 它把混凝土应力应变的过程模型化 随后我国湖南大学进行了进一步研究 提供了强度与应力应变性质的理论关系 其理论公式为 厂 三 等 1 一P 去 1 1 式中 厂一混凝土的抗压强度5 易 混凝土的动力弹性模量 s 一混凝土的极限应变值 k 一混凝土塑性变形系数 1 一加菏速度 f 一加荷时间 该式说明了混凝土强度非但是弹性性质的函数 而且还是塑性性质和试验条件的 函数 要提高无损检测精度 必须同时反映这两个因素 在进一步研究了应力应变参数与超声检测参数相互关系的基础上 得出下式 厂 等 堕 1 2 3 彩 3 c r t 式中 p 一混凝土强度 矽一试件形状修正系数 1 一超声传播速度 口一超声衰减系数 这些研究从理论上论证了强度与声学参数的相关关系 虽然在推导过程中的多重 假定 这些式子还不能用于测试结果的直接计算 但它为无损检测强度时合理选择物 理量和提高检测精度指明了方向 同时 也为混凝土弹性及非弹性性能的无损检测开 辟了新的途径 在建立混凝土强度与孔隙的关系方面 同济大学做了较为深入的研究 研究证明 第一章绪论 混凝土强度与混凝土内部各不相同结构层次的孔隙率与孔隙结构形态有密切关系 其 理论关系如下 1 一p 厂 K 1 K 2 K 3 K 4 K z K 3 1 P S 1 K 3 S K 4 品 1 3 式中 厂一水泥石的抗压强度 尸一总孔隙率 S 一孔隙的相对比表面积 K 一K 一材料系数 该式右侧的第一部分是水泥石的潜在强度 决定于原子分子层次的组分与结构 第二部分是微观结构和细观层次孔结构对强度的影响 第三部分为细观层次上应力集 中对强度的影响 这些研究表明 要用材料密度或孔隙率指标测定混凝土强度时 虽然孔隙率是强 度的主要影响因素 但单反映孔隙率是不够的 还必须把材料的潜在强度和孔结构作 为重要参考要素 才能提高监测精度 从而为某些以孔隙率为推算强度的无损检测方 法 如射线法 渗透法等 指明了方向 混凝土无损检测技术是一门实用技术 它需要基本理论的指导才能顺利发展 尽 管基本理论的研究难度大 见效慢 但它是无损检测技术总体研究中不可缺少的组成 部分 应予以重视 2 关于混凝土中波动传播特点的研究 混凝土无损检测技术 尤其是内部缺陷探测技术 大多是以波动传播为基础的 其中包括机械波和电磁波 因此 近年来对波在混凝土中传播特性的研究越来越深入 例如 关于超声场合界面反射 及界面能量交换方面的研究 关于混凝土的滤波作用 及相频 幅频变化的研究 关于混凝土声发射源及发射波在混凝土中传播规律的研究 关于雷达波及微波 红外光与混凝土性能关系的研究等等 都对无损检测技术起到了 推动作用 总言之 无损检测技术的研究工作应将基础理论与实际工程实践结合起来 才能 完善现有方法和开辟新的途径 1 1 4 2 结构混凝土强度无损检测领域中检测方法的探索和发展 近年来 混凝土强度的无损检测方面 并无新的方法出现或新的重大突破 研究 工作主要集中在以下两点 6 第一章绪论 1 原有方法的进一步的完善 例如回弹法 超声法 进行各种影响因素的分析研 究 以便予以消除或修正 我国在这方面作了大量研究 对全国的原材料 配合比 龄期等方面的影响进行了细致的分析 并提出了许多有效的修正措施 例如回弹法中 用碳化深度消除龄期的影响就是一例 2 采用两种以上方法进行多参数的综合强度测定 即综合法 许多学者认为 综 合法可以从不同的检测参数中获取较多的信息 并可消除部分不利因素的影响 因而 误差较小 是今后检测强度方法的主要研究方向 目前应用最多的是超声回弹综合法 此外 还提出了 些多因素综合法的设想和成果 其中有超声与半破损综合法 超声 衰减综合法等 1 1 4 3 结构混凝土强度无损检测仪器的研究动向 随着测试方法和电子技术的发展 无损检测仪器也发展到了一个新水平目前国内 外无损检测仪器的研究动向主要有以下趋势 1 仪器智能化 近年来无损检测技术测试数据的处理和评价方法日趋复杂 迫切要求提高仪器的 自身数据处理能力 因此新研制的仪器普遍运用了计算机技术 例如北京康科瑞公司 生产的N M 系列非金属超声检测分析仪等 均均有测试数据高速采集 波形处理 波 速计算 频谱分析及强度综合推定或缺陷判断等功能 2 传感系统多样化 无损检测技术离不开传感系统 因此 传感器的研究一直是人们注意的重点之一 近年来高灵敏传感系统不断出现 其中包括红外 微波 射线等传感系统 目前工程 检测中用得最多的传感系统是压电传感器 即超声换能器或超声探头 由于超声检测 方法的多样化 超生探头的品种也日益增多 尤其是短余振探头 反射探头 组合探 头等特种探头相继问世 使以往无法实现的某些检测方法和设想 通过新型传感器的 研究成功而获得解决 3 专用化 小型化 一体化 集约化 为了适应某些特殊结构物的检测需要 国内外都有依据特殊要求制成专用仪器的 做法 一体化是当今仪器的发展趋势之一 例如为了与回弹超声综合法测强方法相适 应 把回弹值 超声速度等指标的测试和处理都集于混凝土回弹超声综合法检测仪中 提高了仪器中信息处理单元的利用率 缩小了体积 提高了检测效率 7 第一章绪论 国外近年来还主张把各种检测功能的仪器组装在一辆检测专用车上 数据由共用 的计算机处理和贮存 称之为集约化趋势 检测仪器的研究是无损检测技术发展的基础 我国目前电子工业发展水平已足以 提供各种先进仪器 但如何将电子技术与检测技术紧密结合起来 却是我们目前有待 解决的问题I 制 1 1 4 4 结构混凝土无损检测信息处理和评价技术的探索和发展 信息处理和评价技术是无损检测技术的重要组成部分 近年来在这方面的研究工 作越来越引起人们的重视 目前 在强度无损检测方面 已广泛运用了数理统计理论 建立相关公式和进行强度推定 随着建筑结构设计理论的发展 当今的结构设计方法已由原来的定值法过渡到概 率法 结构的可靠性采用结构的可靠度或失效概率来衡量 结构设计的可靠性是以正 常设计 正常施工及正常使用为前提的 因此 结构无可靠度除了与设计时对荷载和 材料性能取值及结构计算准确有关外 还与工程质量的控制有着极为密切的关系 分 析结构可靠度使必须考虑质量控制条件 在构成结构可靠度的纵多因素中 混凝土强 度是一个重要因素 在常规的混凝土强度检验中 为了评定一批混凝土的强度质量水 平 不可能采用全数破坏性抗压强度试验 而只能从检验批的总体中 随机抽取若干 组试件进行破坏性抗压试验 并以此试验结果 根据抽样理论中试样统计参数与总体 统计参数之间的关系 来判断被评价的混凝土的总体质量 因此国际标准化组织的有 关建议 以及我国制定的混凝土强度检测评定标准中都规定了以统计方法为基础的抽 样评定法则 以试样强度的均值和标准差作为混凝土质量水平的一种描述 并规定了 混凝土总体强度合格性控制的评定条件 当我们采用无损检测方法检测混凝土强度时 可取得每个测区的标准强度换算 值 它相当于一个试件的测定值 因此这些标准强度换算制的评均值和标准差也是该 批混凝土质量水平的一个描述 从这一点出发 我国近年制定的回弹法规程和超声回 弹综合法规程都采用了相应的统计评定法则进行强度评定 但是值得注意的是强度无损检测是建立在混凝土立方体标准抗压强度与检测物 理量的相关性换算的基础上的 由物理量换算成标准强度换算值时 就已存在一次误 差 这种相关关系所带来的误差 与混凝土抽样试件破坏性测试结果的统计参数有何 联系和影响 至今尚无全面系统的研究报告 因此在制定对无损检测的标准强度换算 第一章绪论 按统计方法进行强度推定的有关规程时 对某些统计参数的确定尚有一定困难 这是 今后在完善现行规程中应研究的一个问题 总而言之 混凝土强度无损检测结果的评定方法由单值或平均值评定过渡到统计 方法评定是近年的一个进展 它使评定结果更加合理 并于国家有关标准取得了一致 因而提高了无损检测结果的可信性 1 2 混凝土强度无损检测在混凝土测试系统中的作用 整个混凝土测试技术系统由力学宏观性能及其他宏观性能测试技术 亚微观结构 的观察分析技术 微观结构的观察分析技术等三部分组成 尽管无损检测技术在这三 个层面的测试中都有涉及 但在实际工程中主要应用于宏观力学性能测试和宏观缺陷 测试方面 其应用的主要目的在于对结构混凝土的强度 内部缺陷及其他性能的检测 1 2 1 关于混凝土强度的检测 在需要了解混凝土在施工过程中的强度增长情况 以满足结构或构件的拆模 出 养护池 出厂 吊装 预应力钢筋的张拉或放张 以及施工期间荷载对混凝土强度的 要求时 可运用无损检测技术对混凝土强度的发展实施连续的监控 以便及时调整施 工进度 在确保质量的前提下提高施工速度 加速场地周转从而降低能耗 同时也可 以用无损检测技术作为相关质检部门质量监视和控制的重要手段 由于施工控制不严 或施工过程中某些意外情况可能影响混凝土的质量 或者在 预留试块的取样 制作 养护 抗压试验等过程中发现有不符合相关技术规程或规范 条文的情况 怀疑该批试块不能代表结构混凝土实际强度时 可采用无损检测技术 包 括半破损检测 来检测和推定混凝土强度 作为结构混凝土合格与否的评定及验收依 据 对既有建筑物需要进行维护 加固 加层 拆除等决策时 可以应用无损检测技 术对原有混凝土强度进行推定以便提供作出决策所需的基本强度参数和其他设计依 据 1 3 混凝土强度无损检测常用方法分类和特点 目前常用的混凝土强度现场无损或半破损检测方法有 回弹法 超声波法 钻芯 法和拔出法等 下面分别对几种常用检测技术的优缺点加以详细讨论 1 3 1 非破损检测方法 9 第一章绪 论 这类方法包括回弹法 超声脉冲法 射线吸收与散射法 成熟度法等等 下面仅 介绍常用的回弹法 超声脉冲法 1 3 1 1 回弹法 自从1 9 4 8 年瑞士施米特发明回弹仪 以及苏黎世材料试验所发表报告以来 回弹 法的应用已有4 0 多年的历史 虽然在这4 0 年中其它无损检测方法不断出现 但由于回 弹法仪器构造简单 操作简便 测试值在一定条件下与混凝土强度有较好的相关性 测试费用低廉等特点 至今它仍未失去现场应用的优越性 被国际学术界公认为混凝 土无损检测的基本方法之一 许多国家或协会都制定了回弹法的应用技术标准 这些 标准有两种类型 一类是要求将回弹值换算为强度值的标准 它对仪器和测试技术要 求较高 使用范围较严 另一类是只用回弹值作为混凝土质量相对比较的标准 它的 有关规定相对宽松 此外 国际材料与结构试验研究协会于1 9 8 3 年又提出了一个包括 回弹法在内的表面硬度法规程的建议 我国自5 0 年代中期开始采用回弹法测定现场混凝土抗压强度 1 9 6 3 年建工部建研 院结构所召开了 回弹仪检验混凝土强度和构件试验方法技术交流会 并于1 9 6 6 年3 月出版了 混凝土强度的回弹仪检验技术 一书 对回弹法的推广和应用起到了促进 的作用 6 0 年代初 我国开始自行生产回弹仪 并开始推广应用 但由于对各种影响 因素研究不够 并无统一的技术标准可以遵循 因而使用混乱 误差较大 1 9 7 8 年 国家建委将混凝土无损检测技术研究列入了建筑科学发展计划 并组成了以陕西省建 筑科学研究设计院为组长单位的全国性的协作研究组 从而对回弹法的仪器性能 影 响因素 测试技术 数据处理方法及强度推算方法等进行了系统研究 提出了具有我 国特色的回弹仪标准状态及 回弹值一碳化深度一强度 相关关系 提高了回弹法的 测试精度和适应性 1 9 8 5 年颁布了 回弹法评定混凝土抗压强度技术规程 J G J 2 3 8 5 1 9 8 9 年该规程又进行修订 颁布了 回弹法检测混凝土抗压强度技术规程 J G J T 2 3 9 2 最新修订为目前使用的是 回弹法检测混凝土抗压强度技术规程 J G J T 2 3 2 0 0 1 可见回弹法己成为我国应用最广泛的无损检测方法之一 我国现在是基于混凝土表面硬度与抗压强度的相关关系并考虑表面碳化因素影 响而制定的回弹测强统一曲线 由于前述预拌混凝土原材料的巨大变化 使得影响结 构混凝土强度及其增长规律的因素越来越复杂 从而不同配合比 不同外加剂组份 不同掺合料混凝土表面硬度与抗压强度的相关关系实际上差异很大 再加上回弹测强 1 0 第一章绪论 统一曲线仅考虑了正常情况下混凝土表面碳化引起表面回弹值的提高 而没有考虑实 际工程中存在混凝土早期龄期碳化将引起表面回弹值降低这一普遍现象 所以工程检 测中采用单一的回弹法检测结构混凝土强度效果并不很理想 除了以上回弹法中存在 的系统误差外 其测强精度还受到检测人员操作手法 结构混凝土模板情况 竹模或 钢模板对表面的影响 等诸多因素的影响 1 3 1 2 超声脉冲法 混凝土超声检测是混凝土非破损检测技术中的一个重要方面 用声学的方法检测 结构混凝土可以追溯到3 0 年代 那时以捶击作为振源 测量声波在混凝土中的传播速 度 粗略地判断混凝土质量 目前所采用的这种超声脉冲法始于4 0 年代后期 1 9 4 9 年 加拿大的莱斯利 1 e s l i d e 切斯曼 C h e e s m a n 和英国的琼斯 J o n s 加特费尔德 G a r f i e l d 首先把脉冲检测技术用于结构混凝土的检测 开创了混凝土检 测这一新领域隋1 随着测试技术的深入发展 仪器设备的不断改进和完善 这项测试 技术在世界各国得到普遍推广和应用 目前 世界许多国家及国际学术团体都先后制 订了混凝土超声检测的规程 方法或建议 我国自5 0 年代开始开展这项技术的研究 在6 0 年代初即已应用于工程检测 随后 生产了国产超声仪 近十年多来发展迅速 混凝土超声检测技术己应用到建筑 水电 交通 铁道等各类工程中 检测的应用范围和应用深度也不断扩大 从地面上部结构 的检测发展到地下结构的检侧 从一般小构件的检测发展到大体积混凝土的检测 从 单一测强发展到测强 测裂缝 缺陷 破坏层厚度 弹性参数等的全面检测 目前 一些混凝土超声检测方法己正式编入相关部门的规程 一些地区己建立了地区或专用 测强曲线 电子计算机技术也应用到混凝土超声检测的自动化及数据处理 分析及判 断中 提高了检测技术的准确性和可靠性 超声脉冲法检测内部缺陷分为穿透法和反射法 穿透法是根据超声脉冲穿透混凝 土时 在缺陷区的声时 波高 波形 接受信号主频率等参数所发生的变化来判断缺 陷的 因此它只能在结构物的两个相对面上进行或在同一面上平测 目前超声脉冲穿 透法已较为成熟 并己普遍用于工程实测 我国已编制了相应的技术规程 反射法则 根据超声脉冲在缺陷表面产生反射波的现象进行判断 由于它不必像穿透法那样在两 个侧面进行 因此对某些只能在一个侧而上检测的结构物 如球罐等密闭容器 洞室 护壁 路面等 具有特殊意义 我国已有研究成果和工程实例 第一章绪论 超声法检测结构混凝土强度是以强度与超声波在混凝土中的传播参数 声速 衰 减系数等 之间的相关关系为基础的 从理论上讲 超声传播特性应是描述混凝土强 度的理想参数 能够毫无损伤地探测到混凝土内部的实际状况 因而 可反映出结构 混凝土内部的强度及密实度 但由于混凝土本身结构复杂 人们目前对超声波在其中 的传播特点了解仍然十分肤浅 尤其是许多传播规律往往随着超声波频率 骨料粒径 砂率 内部钢筋等因素的变化而变化 因而在进行超声检测时 对现象的解释难免出 现谬误 且会影响到测试结果的准确分析 这方面的理论研究工作还有待加强 1 3 2 微破损检测方法 拔出法 拔出法是通过测定拔出置于混凝土内的金属锚固件所需要的拔出力来推算混凝 土强度的一种试验方法 这一方法问世于三十年代 但直到七十年代初才得到迅速的 发展 根据锚固件是在混凝土浇灌前埋入或混凝土硬化后的埋入 可以把拔出法分为 两种 一种是以L O K 试验为代表的预埋拔出法 另一种是以C A P O 试验为代表的后装 拔出法 下面重点介绍后装拔出法 后装拔出法是在混凝土硬化后 在其表面钻孔 切槽并埋人锚固件 接着拔出锚 固件 根据拔出力推定结构混凝土抗压强度的一种试验方法 1 9 3 8 年 B G S K R A M T A J E W 在总结V 0 1 珀勺预埋拔出法时就已经提出了后装拔出法的思想 在要测试的点上钻一个孔 其直径大于V o l f 锚杆 接着把V o l 储杆埋入到孔里 再用 快硬高强砂浆灌缝 几天后进行拔出试验 他又指出必须保证砂浆和锚杆的粘结强度 以致可以拔出一锥形的混凝土块体 而非