水工混凝土建筑物的现场检测技术

水工混凝土建筑物的现场检测技术第1页/共48页第一章概述

第一节检测的目的

1、国内水库大坝安全状况据2001年初统计：全国水利系统管理的水库：83725座，病险库30381座。其中大型水库143座，中型1092座，分别占大、中型水库的42%和41%。电力部门负责管理的水电站：130多座，自1987年开始至1998年底，全国共有96座大、中型水电站大坝进行了检查和评价工作，其中有2座评为险坝，其它坝也都不同程度地存在一些不安全因素。第2页/共48页第一章概述

2、检查发现的主要现象（1）约有40%的大坝防洪标准低于现行规范的要求。（2）有60％的大坝呈现出明显的老化现象。（3）老化主要表现①坝基帷幕防渗降压能力随着时间的推移而衰减，坝基扬压力和渗漏量逐渐增大；②混凝土坝体从排水孔或裂缝析出大量钙质；③泄洪建筑物磨损、气蚀破坏严重；④表层混凝土剥蚀或碳化较深；⑤反复遭受冻融、冻胀破坏后，混凝土变得疏松脆弱；⑥约占总数73%的混凝土建筑物存在较多裂缝，有的裂缝对结构强度产生显著危害，有的裂缝不仅降低大坝稳定安全度，而且有大量渗漏水。第3页/共48页第一章概述3、水工混凝土建筑物的检测目的（1）及时掌握水工混凝土建筑物的运行状态。为了保证结构的正常安全运行，延长结构的使用年限，掌握水工混凝土建筑物的运行状态，需要在不影响结构安全运行的前提下进行一系列的现场检测；（2）为建筑物的安全评估与修补加固处理提供科学依据。第4页/共48页第二节检测的内容

一、现场普查内容（1）观察外观缺陷。（2）描述裂缝的分布、量测裂缝长度、宽度、深度及数量。（3）记录暴露于自然环境中的状态——损伤、冻融、剥蚀、脱落及冲蚀。（4）记录渗漏情况，点、线或面渗漏的痕迹及描述。（5）描述伸缩接缝的工作状态及变形情况。（6）记录高应力区域的情况，有无混凝土压碎的部位。（7）记录基础和结构的变形或倾斜的情况。（8）向施工、管理单位有关人员了解施工、运行情况及存在的问题。（9）在普查的基础上，确定下一步工作内容和数量。第5页/共48页第二节检测的内容

二、现场检测内容（1）混凝土强度（2）混凝土抗冻标号（3）混凝土的剥蚀和冲蚀程度（4）混凝土碳化深度（5）钢筋锈蚀（6）混凝土氯离子含量（7）混凝土的抗渗系数（8）混凝土的密实度（9）混凝土的裂缝（10）混凝土底板是否脱空（11）衬砌混凝土的厚度及外水压力等第6页/共48页第三节检测技术的发展1、无损检测技术的起始及发展过程

混凝土无损检测技术和方法的研究始于20世纪30年代初，并获得迅速的发展。

(1)1930年首先出现了表面压痕法；

(2)1935年格里姆(G.Grimet)把共振法用于测量混凝土的弹性模量；

(3）1948年施米特(E.Schmid)研制成功回弹仪；（4）1949年加拿大的莱斯利(Leslie)等运用超声脉冲技术进行混凝土检测获得成功；（5）英国的琼斯使用放射性同位素进行混凝土密实度和强度的检测。上述研究为混凝土无损检测技术奠定了基础。第7页/共48页第三节检测技术的发展2、无损检测近期新技术

20世纪80年代以来，涌现出一批新的测试方法：（1）微波吸收。利用微波的定向辐射、反射特性及吸收特性等来检测相应物理量；（2）探地雷达扫描。电磁波的发射以及遇不同材料反射。（3）红外热谱。通过接收物体发射的红外线和进行成像处理，能够检测出物体细微的热状态变化，以判断缺陷的存在；（4）脉冲回波。多种频率成分的脉冲回波在一定厚度的混凝土产生周期性反射，如果存在碎片、分层或水平缺陷则会吸收其他频率成分；（5）面波检测技术。利用人工震源激发产生多种频率的瑞利波，通过波速随频率的变化关系确定面波速度与深度的关系反映是否存在缺陷。第8页/共48页第三节检测技术的发展3、我国无损检测技术的发展（1）

20世纪50年代中期，通过引进瑞士、英国、波兰等国的回弹仪和超声仪，并结合工程应用开展了许多研究工作。（2）

20世纪60年代初，开始批量生产回弹仪，并研制成功了多种型号的超声检测仪；（3）对检测方法进行研究并取得了许多进展；（4）制定了相应的规程，使回弹法、超声回弹综合法、钻芯法、拨出法、超声缺陷检测法等无损检测技术规范化。第9页/共48页第二章水工混凝土强度无损检测方法

混凝土强度：是结构应力及稳定复合计算的重要参数。强度检测的方法大致可分为:无损检测；有损检测。无损检测:指在不破坏混凝土结构整体性的情况下，通过测定某些与混凝土抗压强度具有一定相关关系的物理参量来推定混凝土的强度。适用于对混凝土结构进行大面积的检测。目前国内外比较成熟、应用较广泛的方法有:回弹法、超声回弹综合法、表面波法等。有损检测：现场取样做试验。第10页/共48页第一节回弹法检测混凝土强度1、回弹法的使用条件：由于它是根据表面硬度来推测混凝土的强度,因此,其检测范围适用于内外均质的混凝土。2、测定回弹值的仪器：数显式混凝土回弹仪；指针直读式的混凝土回弹仪。3、直读式混凝土回弹仪按其标称动能分为:

中型回弹仪,标称动能为2.2J；重型回弹仪,标称动能为29.4J。第11页/共48页第12页/共48页第一节回弹法检测混凝土强度4、检测步骤(1)在被测混凝土结构或构件上均匀布置测区,测区数不少于10个。用中型回弹仪的测区面积为400cm2；用重型回弹仪的测区面积为2500cm2。(2)根据混凝土结构、构件厚度或骨料最大料径,选用回弹仪；①混凝土结构或构件厚度小于等于60cm,或骨料最大粒径小于等于4Omm,宜选中型回弹仪。②混凝土结构或构件厚度大于60cm,或骨料最大粒径大于40cm,宜选重型回弹仪。第13页/共48页第一节回弹法检测混凝土强度5、检测结果处理

(1)从测区的16个回弹值中,舍弃三个最大值和三个最小值,将余下的10个回弹值按式（2－1）计算测区平均回弹值mN（准确至0.1）：（2－1）式中mN-一测区平均回弹值；

Ni――第i个测点回弹值(i=1,2,3,…,10)；

i一一测点数,为10。第14页/共48页第一节回弹法检测混凝土强度

（2）当回弹仪在非水平方向测试时,将测区平均回弹值mNa换算成水平方向测试的测区平均回弹值mN(准至0.1)：

（2－2）

式中mNa一回弹仪与水平方向成α角测试时测区的平均回弹值；

△Na—按表（2-1）查出的不同测试角度α的回弹修正值。第15页/共48页第一节回弹法检测混凝土强度(3)推定混凝土强度的回弹值应是水平方向测试的回弹值mN。(4)混凝土强度换算值可采用以下三类测强曲线计算,宜优先采用本地区或本部门的测强曲线和专用混凝土强度公式。

1）测强曲线①统一测强曲线。由全国有代表性的材料、成型养护工艺配制的混凝土试件,通过试验所建立的曲线。②地区测强曲线。由本地区常用的材料、成型养护工艺配制的混凝土试件,通过试验所建立的曲线。③专用测强曲线。由与结构或构件混凝土相同的材料、成型养护工艺配制的混凝土试件,通过试验所建立的曲线。

2）混凝土强度计算公式

当无专用混凝土强度公式时,DL/T5150-2001《水工混凝土试验规程》中规定,可根据回弹仪型号,采用式（2-3）~式（2-5）推定混凝土强度。第16页/共48页第一节回弹法检测混凝土强度①中型回弹仪普通混凝土强度:

（2－3）引气混凝土强度:

（2－4）②重型回弹仪（2－5）式中fN一混凝土抗压强度,MPa；

mN一测区平均回弹值。第17页/共48页第一节回弹法检测混凝土强度

(5)当混凝土结构或构件碳化至一定深度时,须将推定的混凝土抗压强度按下式修正。式中fCN一碳化深度修正后的混凝土抗压强度值,MPa；

fN一按公式推定的混凝土抗压强度值,MPa；

C一查表2－3的碳化深度修正值。第18页/共48页第一节回弹法检测混凝土强度(6)计算构件的平均强度fcu,e

根据各测点区的混凝土强度fCN，计算构件的平均强度mf、标准差Sf和变异系数CV，可评估构件的混凝土强度和均匀性。第19页/共48页第一节回弹法检测混凝土强度6、混凝土碳化深度的检测混凝土碳化：混凝土硬化后其表面与空气中的CO2作用,使混凝土中的水泥水化生成的产物Ca(OH)2生成CaC03，并使混凝土孔隙溶液pH值降低。

碳化可能产生的危害：因使混凝土孔隙溶液pH值降低，导致钢筋表面钝化膜破坏而引起钢筋锈蚀。前提是碳化深度超过钢筋保护层厚。碳化深度值测量步骤：（1）钻孔。一般可用电动冲击钻在被检测部位钻一个直径20mm、深70mm的孔洞；（2）除净孔洞中的粉末和碎屑,不得用水冲洗；（3）用浓度为1％的酚酞乙醇溶液滴在孔洞内壁的边缘处（分界处颜色有区别，已碳化颜色不变）；（4）量测碳化深度。分界线到孔口的距离就是碳化深度。第20页/共48页第二节超声波法检测混凝土强度1、原理超声波：机械振动产生的一种弹性波,频率高于20kHz。原理：将电能通过发射探头转换成机械能,发出超声波穿透混凝土结构,然后经接收探头拾取而转换成微弱电信号。根据超声波在混凝土中的传播速度(简称波速)来推求结构混凝土强度。使用条件：（1）超声波不宜单独测强,因为波速与强度之间并不存在密切的关系。在强度较低时(小于等于30MPa),声速随混凝土强度改变变化很灵敏,但强度较高时声速变化较迟钝,它只能反映混凝土的内部缺陷。（2）超声波法不宜用于强度等级在C30以上或在超声传播方向上钢筋布置太密的混凝土。第21页/共48页第二节超声波法检测混凝土强度2、检测步骤（1）超声波检测仪零读数的校正仪器零读数:当发、收换能器之间仅有藕合介质薄膜时仪器的时间读数t0

。有零校正回路的仪器：按照说明书,用仪器所附的标准棒在测量前校正好零读数,然后测量。零校正回路的仪器：先求得零读数值t0,从每次仪器读数中扣除t0。（2）建立强度一波速关系建立强度一波速关系包括:①试件制作；②试件的测试(超声波测试和抗压强度测试)；③结果整理(建立强度与波速之间的关系)。试件的波速按式(2-7)计算：（2-7）第22页/共48页第二节超声波法检测混凝土强度

波速或强度均取一组三个试件测值的平均值作为一个数据；

以强度为纵坐标,波速为横坐标,绘制强度一波速关系曲线；较精确的方法是根据实测数据,以最小二乘法计算出曲线的回归方程式。对于方程式的函数形式,推荐二次函数式、指数函数式和幕函数式三种,可根据回归线的相关性和精度来选用。第23页/共48页第二节超声波法检测混凝土强度（3）现场检测①在建筑物相对的两面均匀地划出网格，网格交点即测点；②在测点处涂上耦合剂后将换能器压紧在测点上；③调整仪器增益，使接收信号第一个半波的幅度至某一幅度（与测试试件同样大小），读取传播时间t；④按V=1000L/t计算波速。（4）检测结果处理

①根据测得的波速按强度-波速关系换算出各测点的混凝土强度；②按数理统计方法计算平均强度、标准差、变异系数；③根据统计结果比较各部位混凝土的均匀性。3、注意事项

(1)被测体与换能器接触处应平整光滑,若混凝土表面粗糙不平而又无法避开时,应将表面铲磨平整,或用适当材料(熟石膏或水泥浆等)填平、抹光。（2）在测量过程中应注意波形的变化和波速的大小，如发现异常波形和过低的波速时，应反复测量并检查测点的平整度和耦合是否良好。第24页/共48页第三节超声回弹综合法检测混凝土强度

一、基本原理

回弹法：反映了材料的弹性性质，同时在一定程度上也反映了材料的塑性性质，但它只能确切反映混凝土表层的状态。

超声法：主要反映材料的弹性性质，当超声波经混凝土传播后，它将携带有关混凝土材料性能、内部结构及组成的有关信息。

超声与回弹法综合：既能反映混凝土的弹性,又能反映混凝土的塑性；既能反映表层的状态，又能反映内部的构造，与单一法相比具有较小的测试误差和较宽的适用范围。

超声回弹综合法原理：采用低频超声仪和中型回弹仪,在结构混凝土同一测区分别测量波速值及回弹值,然后利用已建立起来的测强公式推算该测区混凝土强度的一种测试方法。第25页/共48页第三节超声回弹综合法检测混凝土强度

与单一法(回弹法和超声法)相比,综合法具有以下特点:

(1)减少龄期和含水率的影响。混凝土含水率大,声速值偏高,而回弹值则偏低;

混凝土龄期长,超声声速增长率下降,而回弹值因混凝土碳化程度增大而提高。因此,二者综合起来可以部分抵消龄期和含水率对测试混凝土强度的影响。

(2)优势互补。回弹值主要以表层砂浆的弹性性能来反映混凝土中的强度,当强度较低、塑性变形较大或内外质量有较大差异时,很难反映混凝土的实际强度。超声声速是以整个截面的动弹性来反映混凝土强度,而混凝土强度较高(往往大于35MPa),相应声速随强度变化的幅度不大,其声速与实际强度相关性较差。回弹和超声法综合测定混凝土强度,既可内外结合,又能在较低和较高的强度区间弥补各自的不足,能够较全面地反映结构混凝土的实际强度。第26页/共48页第三节超声回弹综合法检测混凝土强度

（3）提高测试精度。

能减少一些因素的影响程度,较全面地反映整体混凝土质量,所以对提高检测混凝土强度的精度,具有明显的效果。

(4)具有更广的适用性。混凝土强度与弹性、塑性、材料的非均质性、孔隙的量和孔的结构及试验条件等一系列因素有关；单一指标往往与某些因素有较好的相关性,而对其他因素的影响却表现得不太显著。采用单一指标与混凝土强度之间建立相关关系,使其局限性增大。混凝土中粗集料用量及品种的变化,可导致声速值明显变化,而对强度影响却不显著。龄期对强度的影响不十分明显,而回弹值因为碳化程度的增大提高。将声速和回弹值合理综合后,能消除原来影响fcu～v和fcu～R关系的许多因素。例如,水泥品种的影响,构件混凝土含水量的影响及碳化影响等,都不像单一法所造成的影响那么显著。因此,综合法采用多指标反映混凝土强度,比单一法测强具有更广的适用性。第27页/共48页第三节超声回弹综合法检测混凝土强度二、测强曲线的建立与应用

用混凝土试块或芯样的抗压强度与非破损系数(回弹值R和超声声速值V等物理参数)之间建立起来的相关关系曲线,即为测强曲线。

(1)取一定数量的混凝土试块或芯样；（2）对混凝土试块或芯样分别进行超声和回弹测试，取得超声声速值V、回弹值R；（3）对混凝土试块或芯样进行抗压强度测试；（4）采用数理统计方法,确立混凝土试块或芯样抗压强度fcu、声速值V和回弹值R三者之间的相关关系曲线，即为超声回弹综合法测强曲线。第28页/共48页第三节超声回弹综合法检测混凝土强度1.fcu～R～v测强曲线的分类根据规程规定,测强曲线可按其适用范围分以下三种类型:(1)通用测强曲线(全国曲线)

是以全国许多地区曲线为基础,收集了全国大量试验数据,经过计算统计的回归结果,具有一定的现场适用性。

(2)地区测强曲线是采用本地区常用的有代表性的混凝土材料、成型养护工艺和龄期为基本条件,并针对我国地域辽阔和各地所使用原材料差异较大这一特点,在本地区制作相当数量的试块进行非破损和破损平行试验建立起来的。

(3)专用测强曲线是以某一具体工程为对象,采用与被测工程相同的原材料质量、成型养护工艺和龄期,制作一定数量的试块,或现场从结构或构件中钻取一定数量有代表性同条件的混凝土芯样,进行非破损和破损平行测试建立的测强曲线。

根据不同测强曲线建立的特点,在检测结构或构件的混凝土强度时,规程规定应优先采用专用或地区测强曲线。当缺少该类曲线时,应经过验证证明符合要求后方可采用规程推荐的通用测强曲线。第29页/共48页第三节超声回弹综合法检测混凝土强度2.fcu～R～v测强曲线的建立(1)测强曲线的建立方法

建立测强曲线有两种做法：①标准混凝土方法，它是采用标准曲线，然后用多个系数进行修正以确定混凝土强度的一种建立方法。②最佳配合比(或常用配合比)法,它是采用最佳配合比,配制不同强度等级的混凝土试块,然后在不同龄期进行测试,以建立测强曲线,这样建立的曲线针对性强、精度较高,但曲线的数量多。（2）建立专用或地区测强曲线的基本要求

1）测试仪器的选用①回弹仪的选用

a/应采用中型回弹仪。回弹仪应通过技术鉴定,并必须具有产品合格证及检定证书；

b/选用回弹仪应符合下列标准状态的要求:水平弹击时,在弹击锤脱钩的瞬时,回弹仪的标称动能应为2.207J；弹击锤与弹击杆碰撞的瞬间,弹击拉簧应处于自由状态,此时应为80土20。第30页/共48页第三节超声回弹综合法检测混凝土强度②超声波检测仪器的选用

a/应采用低频超声波检测仪,并应通过技术鉴定,必须具有产品合格证及检定证书；

b/仪器的声时范围应为0.5～9999µs，测读精度为0.1µs；

c/仪器应具有良好的稳定性,声时显示调节在20～30µs范围内时,2h内声时显示的漂移不得大于土0.2µs；

d/仪器的放大器频率响应宜分为10～200kHz、200～500KHz两频段；

e/仪器宜具有示波屏显示及手动游标测读功能,显示应清晰稳定；

f/仪器应能适用于温度为-10～+60℃、相对湿度不大于80%、电源电压波动为(220±22)V的环境中,且能连续4h正常工作。③换能器的选用

a/换能器宜采用厚度振动形式压电材料；

b/换能器的频率宜在50～100kHz范围以内；

c/换能器实测频率与标称频率相差应不大于土10%。第31页/共48页第三节超声回弹综合法检测混凝土强度

2)混凝土材料的选用选用本地区常用的水泥、粗集料、细集料。选用水泥应符合现行国家标准的要求,选用的砂、石应符合现行部颁标准的要求。

3）试块的制作和养护①试块的制作试块是150mm×150mm×150mm的立方体。试块的测试龄期为：7、14、28、60、90、180、365d。试块的强度等级可分C10、C20、C30、C40、C50等数种。②试块的养护试块的养护方法应与被测构件相同

4）试块的测试①试块声时值测试。②试块回弹值的测试。③试块抗压强度测试。第32页/共48页第三节超声回弹综合法检测混凝土强度

4）试块的测试①试块声时值测试。②试块回弹值的测试。③试块抗压强度测试。

(3)测强曲线的建立及验证

1）测强曲线的建立当所有测试龄期的试块全部测试完毕后,即每个试块都可得到三个数据:回弹值Ra、声速值v和抗压强度值fcu。采用数理统计理论进行回归分析,寻求非确定量R、v和fcu之间的相关关系,找出能描述非确定量之间关系的数学表达式；,

运用所得出的数学表达式去推算因变量fcu的取值,并估计其精确程度。

第33页/共48页第三节超声回弹综合法检测混凝土强度

试验证明采用幕函数是一种较理想的回归方程式。因此,规程推荐用下式进行回归分析:式中α-常数项系数；

b、c-回归系数；

-混凝土强度换算值,MPa。相对标准误差er按下式计算:

式中er-相对标准误差(％)；

fcu,i-第i个立方体试块抗压强度值,MPa,精确至0.1MPa；

-对应于第i个立方体试块按公式计算的强度换算值,MPa,精确至0.1MPa。经上述计算后,如回归方程的误差符合下述要求时:则可报请有关部门批准,作为专用或地区测强曲线:

专用测强曲线,相对标准误差er≦12%；地区测强曲线,相对标准误差er≦14%第34页/共48页第三节超声回弹综合法检测混凝土强度2）测强曲线的验证

a通用测强曲线的验证。

b地区测强曲线的验证。3.测强曲线的应用

(1)通用测强曲线的应用通用测强曲线适用于以下范围的普通混凝土测强,若超出此范围,应另外建立专用测强曲线或进行必要的修正。①混凝土用的水泥应符合现行国家标准的要求；②混凝土用的砂、石集料应符合现行部颁标准的要求；③掺或不掺减水剂或早强剂；④人工或一般机械搅拌、成型；⑤钢模或木模,符合现行国家标准的有关规定；⑥自然养护；⑦龄期为7～730d,如超出此龄期时,可钻取混凝土进行修正；⑧混凝土强度等级为C10～C50。(2)专用或地区测强曲线的应用第35页/共48页第三节超声回弹综合法检测混凝土强度三、结构混凝土强度的推定1．测区回弹和超声声速值的计算（1）回弹值的计算

①计算测区平均回弹值；②对回弹值进行水平状态修正；③对回弹值进行浇筑方向修正。（2）超声声速值的计算①测区内超声平均声速值计算；②对测区声速值进行浇筑方向修正。

第36页/共48页第三节超声回弹综合法检测混凝土强度2．结构混凝土强度的推定

(1)测区混凝土强度换算值的计算当粗集料为卵石或碎石时按不同的公式计算测区混凝土强度值。

(2)测强曲线的现场修正修正原因：当结构所用材料与建立测强曲线所用材料有较大差异时,须用同条件试块或从结构构件测区中钻取的混凝土芯样进行修正。①用来修正的试件数量不应少于3个。②按同条件试块或混凝土芯样修正系数计算公式计算修正系数；

③用所采用测强曲线得到的测区混凝土强度换算值应乘以修正系数。

(3)结构或构件混凝土强度的推定①单个构件混凝土强度的推定：值取该构件各测区中最小的混凝土强度换算值。②批量构件混凝土强度的推定：抽样检测，混凝土强度推定值应按相应公示计算。式教材中(2-24)、式(2-25)和式(2-26)③属同批构件按批抽检全部测区强度的标准差出现下列情况时,则该批构件应全部按单个构件检测:

当混凝土强度等级低于或等于C20时，Sf>4.5Mpa；当混凝土强度等级高于C20时，Sf>5.5Mpa。第37页/共48页第四节表面波法检测混凝土强度一、表面波无损检测法的基本理论表面波(亦称瑞利波)是沿介质表层传播的一种弹性波,其基本理论可概括为以下几方面：(1)在半无限弹性介质表面进行垂直激振,可在介质中产生表面波。表面波振动方向垂直于介质表面,沿表面平行传播,波阵面呈圆柱形。(2)在各向同性弹性介质半空间垂直激振产生的能量,表面波占67%,横波占26%,纵波占7%。表面波占总输入能量的2/3。(3)表面波振幅离振源随距离r的衰减比横波慢,表面波振幅与成比例衰减,横波振幅与1/r成比例衰减。因而对于表面层表面波具有重要意义。(4)稳态振动产生频率为f的表面波在介质中传播的深度范围约等于一个波长λ,但从能量分布可认为其速度VR代表λ/2深度范围内介质的平均性质。因此得到关系式：VR=2fD，D=λ/2，随着频率的减小,表面波传播深度增加,改变频率,可得到反映不同深度材料的平均力学特性。(5)表面波与横波具有相似的性质,由于材料中孔隙水不能传递剪力,因而与横波一样受材料中的含水量影响很小。(6)表面波传播速度在理论上与材料的弹性模量、剪切模量之间具有数学表达式,而通过试验还可以确定表面波速度与材料干密度、抗压强度等具有良好的相关性。因此,用它来检验结构混凝土材料的力学性能及存在的缺陷具有重要意义。第38页/共48页第四节表面波法检测混凝土强度二、利用面波检测混凝土强度的原理

利用面波传播速度与介质物理力学性质的相关性,可检测混凝土强度。研究表明表面波传播速度VR与材料的动态弹性模量Ed、动态剪切模量Gd、动态泊松比µd、密度ρd有如下关系

在实际工程中,一般不用Ed或Gd作为强度指标,通常采用抗压强度,抗压强度Rc与VR具有下列幕函数关系:式中Rc--抗压强度换算值,MPa；

VR一面波传播速度,km/s；

a、b一关系系数。因此,利用一定数量的Rc与VR值就可以用