综合性实验指导书

实验名称：混凝土结构的非破损试验技术

实验项目性质：综合性实验

所涉及课程：建筑结构试验

计划学时：2学时

一、实验目的

掌握超声法、回弹法检测结构混凝土强度的试验技术与评定方法。

二、实验内容

利用超声法、回弹法等原理测试材料性能。

三、实验（设计）仪器设备和材料清单

1．200T材料试验机一台。

2．非金属材料的超声波检测仪一台。

3．300mm卡尺一把，黄油若干，铅笔，直尺。

4．回弹仪一个。

5．试验前按以下要求准备好混凝土试件：

（1）混凝土立方体试件三件，尺寸为150mm×150mm×150mm；

（2）混凝土立方体试件内部不得有缺陷；

（3）实验时龄期应大于28天。

四、实验要求

1．超声检测技术

（1）基本原理

超声波检测的基本原理是：超声波在不同的介质中传播时，特产生反射、折射、散射、绕射和衰减等现象，使接收换能器上接收的超声波信号的声时、振幅、波形或频率发生相应的变化，测定这些变化就可以判定建筑材料的某些方面的性质和结构内部构造的情况，达到测试的目的。

现代的非金属超声波检测仪采用模块化数字式的测量电路，测量电路框图如图4-1所示。键盘输入测量指令后计时电路和脉冲发生器同时启动，脉冲发生器产生的脉冲信号经辐射换能器变换成超声波在被测结构或构件的混凝土中传播，而计时电路产生的时标信号调制显示器在横轴方向上的坐标值。接收换能器没有接收到超声波信号时，显示器在横轴上显示的是一条匀速向前移动的横亮线。接收换能器接收到由混凝土中传出的超声信号后变换成电信号，再输入到放大器放

图4-1 混凝土超声波检测仪器的基本电路

大并经模数转换后，成为数字信号输入中央处理器，最后将测量信号存储和显示，或由键盘输入指令打印测试结果，或输入微机进行处理。此时，由显示器可观测到测量信号的曲线波形，如图4-2所示。图4-2中，测试信号曲线的直线段部分表示从开始测量到接收换能器接收到超声波信号所需的时间。设超声波穿过结构混凝土所需要的时间为t，超声波穿过混凝土的距离为L，则超声波在混凝土中传播的波速V由下式确定

                           （4-1）

图4-2 显示器显示的测量曲线

根据不同的检测目的和检测结构形状的要求，辐射换能器和接收换能器可采用各种布置形式测量结构混凝土的声时（从发出超声波到接收到超声波的时间间隔）。

①两换能器对面布置在两测试面的同一条轴线上，称直穿法，如图4-3(a)所示；

②两换能器对面布置在两测试面的不同轴线上，称斜穿法，如图4-3(b)；

③两换能器布置在同侧表面上，称平测法，如图4-3(c)所示。

图4-3 换能器的布置形式

（a）直穿法；（b）斜穿法；（c）平衡法

（2）混凝土强度的检测

通过测量超声波在混凝土中的传播速度，可间接测量混凝土强度。超声波在混凝土介质中传播速度V由下式确定

                  （4-2）

式小：E_d——混凝土介质的动弹性模量；

     ——混凝土介质的密度；

     ——混凝土介质的泊松比。

式(4-2)说明超声波速与介质材料的弹性模量有关，而弹性模量间接地反映了介质材料的强度指标，所以，混凝土抗压强度与超声波在其内部传播时的速度有一定的相关性，这就是超声法检测混凝土强度的基本原理。混凝土强度越高，超声波在混凝土中传播的速度也越大，反之速度就小。

   经过大量的试验研究证明，影响超声波在混凝土中传播速度的因素有：粗骨科的品种、粒径、用量；水泥的品种、含砂量、添加剂、水灰比、养护条件、龄期、温度；钢筋混凝土中的钢筋粗细、疏密和方向等等。因此，超声波在混凝土中传播时对波速的影响因素是复杂的而且是随机的，改变其中的每一个因素均会对测试结果造成影响。在使用超声法检测混凝土强度前，必须建立影响因素不变条件下的混凝土强度换算值与超声波速V的关系曲线。这种关系曲线国内外有多种表达形式，目前我国采用的测强曲线的方程为幂函数型

                              （4-3）

式中：A，B——为待定系数。

尽管超声法检测混凝土强度有诸多的影响因素，如果正确地建立混凝土强度与超声波速的关系测强曲线，就可以降低误差，提高测试结果的可信度。

在混凝土强度测量时，应按照下列规定确定结构的测区和测点。

①单个构件检测时，应在构件上均匀设置测区，测区数不得少于10个。

②测区一般设置在混凝土浇注方向的侧面，每个测区的面积为200mm×200mm，应均匀分布，测区间的间隔不大于2m，对于2m以内构件的测区数也不得少于3个。

③每个测区内应布置3个测点，利用直穿法进行对测。当对测有困难时，可采用斜穿法进行测量。

④测区应清洁、平整、干燥，不应有接缝、浮浆、油垢和饰面层，并避开蜂窝和麻面部位，必要时可用砂轮片清除杂物和磨平不平整处，擦净残留粉尘。测区还应避开钢筋密集区和预埋钢铁件。

⑤测区应注明编号，记录测区的位置和外观质量情况。

2．回弹法检测混凝土强度

混凝土强度测定仪又称回弹仪，是一种非破损检验混凝土强度的仪器。回弹仪检测法是在结构和构件混凝上抗压强度与混凝土材料表面的硬度相关基础上建立的一种测试方法。回弹仪检测混凝土强度采用的是检测表面硬度法。检测表面硬度法有两种：其一是将恒定的标准压力作用于一个硬度较高的金属球上，金属球挤压材料表面形成叫痕，用凹痕直径的大小度量材料的硬度和强度；其二是将恒定的拉力作用于标准质量重锤上，用标准质量重锤撞击弹击杆，使其作用于材料表面，此时标准质量重锤回弹一定的高度，利用标准质量重锤回弹的高低确定材料的硬度和推定材料的强度。回弹法检测混凝土强度属后一种检测方法。

（1）回弹仪的结构和基本测试原理

回弹仪的结构如图4-4所示。使用时先轻压弹击杆使弹击杆伸出，挂钩钩住重锤，然后将弹击杆对准结构和构件混凝土表面，缓慢地将弹击杆压入套筒内，这一过程不可大力冲击。施压时必须保持回弹仪与混凝土表面垂直，并不得按压按钮。此时，拉力弹簧处于拉伸储能状态，如图4-5(a)所示。弹击杆抵住混凝土测试表面继续施压，使顶杆顶压挂钩，挂钩发生旋转后与重锤自动脱开，回弹仪开始弹击。重锤在拉簧拉力的作用下沿导向杆急速运动，当重锤撞击弹击杆后，弹击杆撞击混凝土表面，而重锤向相反的方向回弹一定的距离(图4-5(b))，从刻度尺上的指针位置读取回弹值。回弹仪的基本测试原理就是利用拉力弹簧驱动重

图4-4 回弹仪的结构

1-结构混凝土表面；2-弹击杆；3-缓冲弹簧；4-拉力弹簧；5-锤；6-指针；7-刻度尺；8-指针导杆；9-按钮；10-挂钩；11-压力弹簧；12-顶杆；13-导向法兰；14-导向杆。

图4-5回弹仪的工作原理

（a）弹簧拉伸储能状态；（b）弹簧的回弹距离

锤，通过弹击杆作用混凝土表面，以重锤回弹的距离与拉力弹簧初始拉伸长度比值的百倍整数为被测混凝土的回弹值W，再由回弹值与混凝土抗压强度间的相关关系推定混凝土的抗压强度，即

                          (4-4)

式中：H——弹簧的初始拉伸长度；

     y——重锤回弹的距离。

通常情况下，结构和构件混凝土抗压强度越高，混凝土表面的硬度就越大，测试获得的回弹值W也就越大。

（2）回弹法的测强曲线

回弹法测定结构和构件混凝土强度的依据是回弹值与混凝土抗压强度间的相关性，这种相关性是以基准测强曲线或经验公式的形式给出的，依此判定结构和构件混凝土的抗压强度。

回弹法基淮测强曲线或经验公式是回弹法检测结构和构件混凝土强度的关键，它直接关系到间弹法测量混凝土抗压强度的准确性，所以，基准测强曲线或经验公式的确定是回弹法检测混凝土强度的关键。基准测强曲线的确定方法是：在试验室里选择不同原材料和配比，制作不同强度的混凝土立方体试块，在不同龄期测定试块混凝土的回弹值、碳化深度和抗压强度，然后进行回归分析，用求得的回归方程作为经验公式，由此获得的曲线称为基准测强曲线。在制定基推测强曲线过程中，因为需要考虑的影响因素较多，又要求基准测强曲线的适应性强和覆盖面积广，所以，回弹法的测量值离散性就大，这样推定混凝土抗压强度的误差也就大。

为了提高回弹法检测结构和构件混凝土强度的测量精度，目前国内常用的基准测强曲线分三种类型，即专用测强曲线、地区测强曲线和统一测强曲线。这里仅介绍统一测强曲线，其他测强曲线可参考资料。

统一测强曲线。

我国建设部在制定《回弹法评定混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/23-2001)时，在全国广泛布点，由全国有代表性的材料、成型养护工艺配制的混凝土，通过试验建立曲线，其回归方程为

                    （4-5）

式中：——测区混凝土的抗压强度，MPa，精确至0.1MPa；

 ——测区混凝土平均回弹值，精确至0.1；

  ——测区混凝土平均碳化深度，mm，精确至0.1mm。

对于龄期大于365天的结构，不可简单地使用回弹法统一测强曲线换算混凝土强度，宜采用其他混凝土测强方法参与，共同进行测量，这样可以提高测量混凝土强度的准确性。当混凝土强度大于60MPa时，可采用标准能量大于2.207J的回弹仪另行制定检测方法及专用测强曲线。

需要补充的是尽管只介绍了统一测强曲线，但在实际中测强曲线的使用原则是：根据专用测强曲线、地区测强曲线和统一测强曲线制作时的地域和考虑的影响因素及误差范围，在使用测强曲线时应优先选用本单位的专用测强曲线，其次是使用本地区测强曲线，当没有专用和本地区测强曲线时，才考虑使用统一测强曲线。

（3）回弹法检测结构和构件混凝土强度时测区的选择

对于建筑结构和构件，在用回弹法检测混凝土强度时，选择的测区应满足下列要求。

①测区应设置在混凝土浇注的侧面，尽量选择保证回弹仪处于水平工作位置的测区；每一结构和构件测区数不少于10个，对某一方向尺寸小于4.5m且另一方向尺寸小于0.5m的构件，其测区数量可适当减少，但不得少于5个。

②相邻两测区的间隔控制在2m以内，测区离构件端部或施工缝边缘的距离不宜大于0.5m，且不宜小于0.2m。

③若某测区有一对平行侧面，测量时在每个侧面各测取8个回弹值；若测区仅有一个侧面，在该侧面需测取16个回弹值，回弹值的读数精度至1。

④测区面积不宜大于0.04m²。

⑤测区应清洁、平整，无疏松层、浮浆、油垢、涂层以及蜂窝、麻面，必要时可用砂轮清除疏松居和杂物，不应残留粉末或碎屑。

（4）用回弹法测量应注意的事项

使用回弹仪进行测量结构和构件混凝土强度时，需要注意的事项有以下三点。

①同一测点只允许弹击一次，不可重复；

②相邻两测点的净距离不小于20mm，测点距构件的边缘、外露钢筋或石子和预埋件的距离不小于30mm；

③对于体积小、刚度差、测量部位厚度小于100mm的构件，测量时应进行支承加固，否则，影响回弹法的测量结果。

（5）碳化层的测量

由于结构和构件混凝土暴露于空气中，受到大气中二氧化碳的作用，使混凝土表面的一部分氢氧化钙逐渐形成碳酸钙，混凝土的这种现象称为碳化。碳酸钙使混凝土表面硬度增高：试验证明，当碳化深度大于0.4mm时，对回弹法的测试结果有显著影响，为此，在使用回弹法测试完毕后，应对测区混凝土表面碳化层的深度进行测量。通常选择测区数的30％以上进行碳化尼深度的测量，取其平均值为每个测区的碳化深度值。当碳化深度值级差大于2m时，应在每个测区进行碳化深度测量。测量碳化层深度的步骤是：采用直径为15mm钻头在垂直于混凝土表面钻一定深度的孔，并将孔清理干净(注意：不可用水清理)，立刻用浓度为1%的酚酞酒精溶液滴入孔洞内壁边缘处进行检测，不呈现紫红色反应的表面厚度层即为碳化深度。待碳化层界线清楚后，用专用深度尺测量3次以上，每次读数精确至0.5mm，然后取其平均值，即为混凝土的碳化深度。

（6）回弹值的数据处理

在每一测区16个回弹值中剔除3个最大值和3个最小值，然后将余下的10个回弹值按下式计算每个测区回弹值的平均值

                           (4-6)

式中：——第m号测区的平均回弹值，精确至0.1；

 ——该测区第i个测点的回弹位。

（7）结构混凝土抗压强度的确定

   建筑结构和构件第j测区混凝土抗压强度换算值，可按该测区的平均回弹值及碳化深度，由《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T23-2001)附录表中查得。若有地区测强曲线或专用测强曲线时，应优选专用测强曲线，然后再选地区测强曲线推定泥凝上抗压强度值。

由各测区的混凝土抗压强度的换算值可推定建筑结构和构件测区混凝土强度平均值，即

                  （4-7）

式中：——建筑结构和构件测区混凝土抗压强度的平均值，单位MPa，精确至0.1MPa；

n——测区数，对于单个检测的构件，取一个构件的测区数，对于批量检测的构件，取被测构件测区数之和。

当结构和构件的测区数不少于10个时，还必须计算混凝土强度标准差。计算混凝土标准差的公式为

        （4-8）

式中：n—对于单件，为构件的测区数，对于成批构件，为被测构件测区的总和；   —构件混凝土抗压强度的标准差，MPa，精确至0.01MPa。

结构和构件混凝土的抗压强度推定值按下列各式确定。

当结构和构件测区数少于10个时

                             （4-9）

当结构和构件测区强度值中出现小于10MPa时

   ＜10MPa                         （4-10）

当结构和构件测区数不少于10个或按批量检测时

                （4-11）

对于按批量进行检测的构件，当这批构件混凝土强度标准差出现下列情况之一时，这批构件全部按单个构件进行混凝土强度的推定。

当这批构件混凝土强度的平均值小于25MPa时

>4.5MPa

当这批构件混凝土强度的平均值大于或等于25MPa时

>5.5MPa

当检测条件与测强曲线的适用条件有较大差异时，可采用同条件试件或钻取混凝土芯样进行修正。

3．超声回弹综合法检测混凝土强度

超声回弹综合法检测建筑结构和构件混凝土抗压强度，是我国应用较广泛的一种非破损检测方法。超声回弹综合法是利用超声法和回弹法两种独立的检测手段综合检测建筑结构和构件混凝土的抗压强度。它较单一检测方法具有检测精度高、适用范围广和测试结果可信度高等优点，因此，在混凝土构件的质量控制及检测结构和构件混凝土强度中得到广泛的应用。虽然如此，由于超声回弹综合法是间接的检测方法，所以该方法仍是常规检测的补充测试手段之一。当对结构和构件混凝土的强度产生怀疑或对已建结构进行安全评估时，可用这种方法检测和推定结构和构件混凝土的强度，作为结构和构件质量评定和安全评估的根据。

（1）超声回弹综合法的原理

超声回弹综合法是以超声波在建筑结构和构件混凝土内部传播的速度和混凝土表面的回弹值两项测试指标，综合推定结构和构件混凝土抗压强度的一种无损检测方法。超声法检测混凝土强度充分反映了超声波历程上混凝土内部的平均强度，而回弹法的回弹值仅反映了结构和构件混凝土表面层的强度。当采用超声回弹综合法检测结构和构件混凝土强度时，测试结果既反映结构和构件混凝土内部的强度，又反映结构和构件混凝土表面的强度，而且超声法和回弹法检测结构和构件混凝土强度的测量值又可以互相补偿，消除某些因素的影响。例如，在使用超声回弹综合法检测结构和构件混凝土强度时，不必考虑混凝土表面碳化层对测试的影响，这是因为混凝土表面的碳化层虽然使回弹法测量值增大，但是碳化层较深的混凝土内部一般含水量较少，致使超声波在其内部传播时的波速略小些，因此，超声回弹综合法检测结构和构件混凝土强度无需考虑碳化层深度对测试结果的影响。超声回弹综合法是根据测取混凝土的超声波速V和回弹值W_m，按测试前确定的混凝土强度推定值、超声波速V和回弹值W_m关系的测强曲线推定结构和构件混凝土抗压强度的。试验证明，超声回弹综合法检测结构和构件混凝土强度的精确度和可靠性要高于单一的超声法或回弹法。

（2）超声回弹综合法检测结构和构件混凝土强度的技术要求

使用超声回弹法检测结构和构件混凝土抗压强度时，必须严格按《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》的规定进行测量。回弹值的测量及数据处理按本指导书第2部分中相同的规定进行，不必测量混凝土表面的碳化层深度。超声波波速的测量及数据处理按本章超声（2）中的规程进行，测量时注意事项如下：

①超声法测点和回弹法测点应布置在同一测区的测试面上但两种测量方法的测点不宜重叠；

②每一测区内先进行回弹值的测试，再进行超声法的测量；

③仅同一测区内的回弹值和波速值才能进行该测区混凝土抗压强度推定，不得混用。

结构和构件第i测区的混凝土抗压强度换算值应采用该测区的回弹值和声速值，并优先选择专用测强曲线进行推定。当无专用测强曲线时，再选用地区的测强曲线，最后方可选用通用测强曲线。在使用通用测强曲线时，按下式计算结构和构件测区混凝土抗压强度(分两种情况)：

①当粗骨料为卵石时

             （4-12）

②当粗骨料为碎石时

              （4-13）

式中：——结构和构件第i测区混凝土抗压强度换算值，MPa，精确至0.1MPa；

 ——结构和构件第i测区修正后的超声波波速，km/s，精确至0.01km/s；

 ——结构和构件第i测区修正后的回弹值，精确至0.1。

最后按照第2部分回弹法检测结构和构件混凝土强度的规定，确定结构和构件混凝土抗压强度推定。

在实际中，超声波检测技术、回弹法检测技术经常用来测定结构和构件的强度，此外超声波检测技术还用于检测结构和构件的裂缝深度、混凝土内部缺陷、钢材和焊缝缺陷等，可参阅相关资料。

五、实验步骤及结果测试

1．了解超声波、回弹法检测检测原理，熟悉超声波检测仪、回弹仪的使用方法。

2．用卡尺测量混凝土试件的长度A（     mm）和宽度B（     mm），计算试件预受压面的面积S＝A×B（        mm²）。

3．在试件一对侧面分别均匀选择8个测点，用回弹仪测量和记录混凝土试件的回弹值W_j(j＝1，2，…，16)。在使用回弹仪测量混凝土回弹值时，要求回弹仪处于水平并垂直测试表面。

4．对于16个回弹测量值，舍去其中3个最大的回弹值和3个最小的回弹值，余下的10个中间值W_j (j＝1，2…，10)，计算混凝土立方体试件回弹测试平均值

                           （实－1）

5．在试件同一对侧面上（与回弹法所测的面相同，但测点不宜重叠）画出十字中心线，在中心处涂抹超声耦合剂—黄油。

6．将辐射换能器和接收换能器按对测法安置在测点处，调整超声波检测仪的采样间隔、测距及衰减后，对每一个试件进行三次声时测量，取平均值t为计算声时值，并计算声速V。

7．使用通用测强曲线时，按下式计算结构和构件测区混凝土抗压强度(分两种情况)：

①当粗骨料为卵石时

（i＝1，2，3）         （实－2）

②当粗骨料为碎石时

 （i＝1，2，3）         （实－3）

当在混凝土浇灌的顶面与底面测试时，测区声速值应按下列公式修正

                         （实－4）

式中：v_a——修正后的测区声速值，km/s；

    β—超声测试面修正系数。在混凝土浇灌顶面及底面测试时，β=1.034；在混凝土侧面测试时，β=1。

非水平状态测得的回弹值，应按下列公式修正:

式中：W_a—修正后的测区回弹值；

—测区平均回弹值，计算至0.1；

     —测试角度为α的回弹修正值，按表1选用。

由混凝土浇灌方向的顶面或底面测得的回弹值，应按下列公式修正：

式中：W_a^t—测顶面时的回弹修正值，按表2选用；

     W_a^b—测底面时的回弹修正值，按表2选用。

表1 非水平状态测得的回弹修正值

注:1. 当测试角度α=0°时，修正值为0；

  2. 表中未列数值，可用内插法求得。

表2 由混凝土浇灌的顶面或底面测得的回弹修正值W_a^t、W_a^b

        注：1、在侧面测试时，修正值为0；

            2、表中未列数值，可用内插法求得。

在测试时，如仪器处于非水平状态，同时构件测区又非混凝土的浇灌侧面，则应对测得的回弹值先进行角度修正，然后进行顶面或底面修正。

由获得的3个试件抗压强度值的最小值推定测试混凝土的试件抗压强度值。

8．回弹、超声测试后，将试件置于200T材科试验机的承压板上，测量混

凝土试件破坏荷载P。

9．计算混凝土试件的立方体抗压强度f_cu(MPa)

         (i=1，2，3)           （实－5）

然后，计算其平均值，当所有f_cu，i与平均值相差小于20%时，平均值即为混凝土试件抗压强度值f_cu，m；如果其中某f_cu，i与平均值相差大于20%时，则舍去该f_cu，i，取另两个f_cu，i的平均值推定为混凝土试件的抗压强度值f_cu，m。

10．实验误差分析。实验的相对误差

                 （实－6）

六、考核形式

1．实验考核办法

一般课程实验考核，采用日常考核、操作技能考核和评阅实验报告等多种形式。

日常考核的主要内容：预习情况、实验原始记录、数据分析与处理能力和出勤率。

操作考核的主要内容：实验原理、实验理论、实验技术和实验方法，实验仪器设备的操作技能、实验常见问题的分析与处理。

2．实验成绩评定

（1）课程实验成绩按教学大纲要求按比例归入课程总成绩。

（2）课程实验旷到一次者，成绩以不及格论。课程实验成绩不合格者，不得参加该门课程的考试。

（3）考核成绩，可按优、良、中、及格、不及格五级记分制进行评定，但在计算成绩时，需按以下办法转换成百分制。

优秀：90～100分；良好：80～89分；中等：70～79分；及格：60～69分；不及格60分以下。

（4）课程实验成绩不及格者必须重修，重修学生所发生的耗材等费用自理。

（5）在评阅实验报告时指导教师若发现有抄袭作弊现象，上报院教学指导小组，学院对当事人按学籍管理办法处理，实验成绩以不及格论处。

七、实验报告要求

试验报告应包括：试验名称、试验目的、仪器设备名称、规格、量程，试验记录及结果等。

八、思考题

1．为什么在超声回弹综合法检测混凝土强度时，不用测试结构和构件混凝土的碳化深度？

2．在超声回弹综合法检测混凝土强度时，测点为什么不宜重叠，但测点又应布置在结构和构件同一测区的测试面。