公路橋梁材料性能檢測

第三章公路橋梁材料性能檢測鋼筋混凝土的價格低廉、成形容易、經(jīng)久耐用等優(yōu)點，使之幾乎取代了其他所有的橋梁建筑材料。但隨著時間的推移，鋼筋混凝土出現(xiàn)了一些人們所沒有認識到的危害，如混凝土的老化、碳化以及鋼筋的銹蝕等許多不可逆的物理、化學變化，使鋼筋混凝土的壽命大大地打了折扣。公路橋梁材料性能檢測是對其結構及部件的材料質量所存在的缺損狀況進行詳細檢測、試驗、判斷的過程，是對橋梁的專門檢驗，屬于橋梁診斷的范疇。根據(jù)缺損的類型、位置和檢測要求可選擇表面測量、無破損檢測、半破損檢測等。

$3.1公路橋梁材料性能檢測

橋梁檢測是指在橋梁檢查的基礎上，借助相關儀器設備，對橋梁材料、質量和工作性能等所做的更加精確的檢測與試驗。隨著橋梁建設的不斷發(fā)展，橋梁結構的形式與功能日趨復雜，經(jīng)過長期使用，橋梁結構難免會發(fā)生各種各樣的損傷，于是橋梁檢測、監(jiān)測就成為橋梁結構安全、正常使用的第二道保證措施。如何對橋梁結構進行有效的質量檢測和安全監(jiān)測也已成為國內外學術界、工程界的熱點?；炷连F(xiàn)場檢測混凝土強度檢測回彈法、超聲法、超聲回彈綜合法鉆芯法、貫入法、拔拉法、拉脫法鋼筋銹蝕檢測碳化深度檢測缺陷損傷檢測目測法超聲波探傷法聲波檢測法射線照相法放射測定法紅外線熱測法雷達檢測法均勻性檢測結合面檢測表面損傷檢測不密實區(qū)檢測淺裂縫檢測深裂縫檢測直接檢測間接檢測橋梁材料性能檢測內容3.1.1混凝土強度的現(xiàn)場檢測

檢測、評定沒有或缺乏技術資料的橋梁時，需直接測定實橋結構材料的機械力學性能。即是技術資料較為完整，為了檢驗結構材料的實際情況是否與資料相符，也需測定橋梁材料的機械力學性能。而且，隨著時間的變化，橋梁材料的性能也會發(fā)生一定的變化。因此，混凝土強度的現(xiàn)場檢測很重要?；炷翉姸鹊默F(xiàn)場檢測方法目前主要有非破損檢測法和半（微）破損檢測法。非破損檢測法主要有回彈法、超聲波法、超聲-回彈綜合法等。半（微）破損檢測法主要有拔出法、鉆芯法、拔脫法、射擊法等。其中最常用的方法有回彈法、鉆芯法、超聲-回彈綜合法、拔出法等。（一）鉆芯法檢測混凝土強度

鉆芯法檢測混凝土強度是指利用特定設備，從混凝土結構中鉆取芯樣，以測定普通混凝土強度的方法。1、鉆芯取樣檢測混凝土強度應注意以下幾個問題：（1）有些情況下不宜采用回彈、超聲等非破損方法檢測混凝土強度時，可采用鉆芯取樣法。如混凝土內外質量不一致；混凝土腐蝕或火災；混凝土在硬化過程中凍傷等。（2）結合非破損檢測技術，通過鉆取少量芯樣，以提高非破損檢測的測試精度。如非破損測強曲線技術條件差異較大，又如舊混凝土結構等。（3）對于強度等級小于C10的混凝土，不易采用鉆芯法。（4）對于正在工作中的結構，特別是經(jīng)使用多年的舊結構，應盡量采用非破損檢測技術，必須采用鉆心法時，對取樣位置、取樣數(shù)量等應嚴格控制。（5）鉆取芯樣后的構件應及時對孔洞進行修補，修補可采用樹脂或微膨脹細骨料混凝土。2、鉆芯取樣的設備:鉆芯機、鋸切機、研磨機、探測鋼筋位置的磁感儀、雷達等3、芯樣鉆取應符合以下要求：①芯樣鉆取位置應盡量選在結構或構件受力較小的部位；選取混凝土強度有代表性的部位；取芯位置應盡量避開鋼筋、管線；用鉆芯法與非破損法綜合測定強度時，應與非破損法取同一測區(qū)。②按單個構件檢測時，每個構件的芯樣數(shù)不應少于3個，較小構件可取2個。③芯樣直徑不宜小于骨料最大粒徑的3倍，并不得小于骨料最大粒徑的2倍。芯樣直徑一般為100mm或150mm，芯樣的高度直徑比應在1～2的范圍內。

4、影響芯樣強度的因素很多，主要影響因素有：芯樣尺寸，特別是芯樣高度對其抗壓強度影響較大。一般來說芯樣高度與直徑均為100mm時與150mm立方體試件強度相當。芯樣含筋率對其強度有一定影響。芯樣的含水量對強度影響明顯。5、芯樣強度的換算值系指芯樣將實測強度換算成150mm，立方體試件的抗壓強度值。換算值按下式計算：（3-2-1）式中：——試件混凝土強度換算值（MPa），精確至0.1；——試驗時施加的最大壓力（N）；——芯樣平均直徑（mm）；——高徑比換算系數(shù)，按表3-2-1采用。系數(shù)高徑比(h/d)1.01.11.21.31.41.51.61.71.81.92.01.001.041.071.101.131.151.171.191.211.221.24（二）回彈法現(xiàn)場檢測混凝土強度

回彈法主要測試儀器是回彈儀（機械式無損檢測儀器）。因混凝土的抗壓強度與其表面硬度之間存在一定的關系，而回彈儀的彈擊錘被一定的彈力打擊在混凝土表面上，回彈高度（即回彈值）與混凝土表面硬度有一定的比例關系。因此可用回彈值反映混凝土表面硬度，從而推出混凝土的抗壓強度。按照能量的不同，分為輕型、中型及重型回彈儀。橋梁經(jīng)常使用的是中型回彈儀，能量為2.207焦耳。測量誤差偏大，一般認為在15%左右。重點介紹測試方法及步驟1．測區(qū)、測點的選擇單個構件檢測時，應在每個構件上均勻布置測區(qū)。對一個方向的尺寸不小于4.5m，另一個方向的尺寸不小于0.3m的構件，測區(qū)數(shù)不應少于10個；當不滿足上述條件時，測區(qū)數(shù)不應少于5個。批量檢測時，抽檢數(shù)量不得少于同批構件總數(shù)的30％，且不少于10件，測區(qū)應選在使回彈儀處于水平方向檢測混凝土澆筑側面，當不滿足這一要求時，可使回彈儀處于非水平方向的混凝土澆筑側面、表面、底面。相鄰兩測區(qū)的間距應控制在2m以內，測區(qū)的面積不宜大于0.04m2；同一測點只能彈擊一次，每個測區(qū)應記取16個回彈值。

2．測區(qū)平均回彈值的計算

當回彈儀水平方向測試混凝土澆灌方向的側面時，應從測區(qū)兩個相對測試面的16個回彈值中，分別去除3個最大值與最小值，剩余的10個回彈值按下式計算：

(3-2-2)式中：——測區(qū)平均回彈值（計算精確至一位小數(shù)）；——第i個測點的回彈值。修正：角度修正、澆筑面修正

3．平均碳化深度的計算

混凝土碳化深度會直接影響混凝土表面硬度，故應考慮混凝土碳化深度對混凝土強度的影響?；貜椃y量完成后，選取有代表性的位置測量碳化深度，測點不應少于構件測區(qū)數(shù)量的30％，且不應少于3次，當出現(xiàn)測區(qū)碳化深度值極差大于2.0mm時，預示混凝土強度不均勻，要求在每一測區(qū)測量碳化深度。測量碳化深度值時，可用鉆頭、鑿子等合適的工具在測區(qū)表面鑿成直徑約15mm的孔洞，其深度大于混凝土的碳化深度（一般取為保護層厚度）。然后除凈孔洞中的粉末和碎屑（不得用水沖洗），立即用濃度為1％酚酞酒精溶液滴在孔洞內壁的邊緣處，再用深度測量工具測量已碳化與未碳化混凝土交界面（顏色變化處）到混凝土表面的垂直距離多次，取其平均值。該距離即為混凝土的碳化深度值。每次讀數(shù)精確至0.5mm。

4．測區(qū)混凝土強度值計算構件第i個測區(qū)混凝土強度換算值可由平均回彈值和平均碳化深度值查測區(qū)混凝土強度換算表（JGJ/T23-2001的附錄A）可得。計算構件混凝土強度平均值及標準差。①當結構或者構件測區(qū)數(shù)少于10個時：②當結構或者構件測區(qū)強度值中出現(xiàn)小于10.0MPa時：＝10.0MPa③當結構或者構件測區(qū)數(shù)不少于10個或者按批量檢測時：

5．測強曲線

在進行測區(qū)強度換算時，要用到測強曲線。測強曲線有統(tǒng)一測強曲線、地區(qū)測強曲線和專業(yè)測強曲線。統(tǒng)一測強曲線是由全國代表性的材料、成型養(yǎng)護工藝配制的混凝土試件，通過試驗所建立的回彈代表值與測區(qū)混凝土強度的關系曲線。統(tǒng)一測強曲線已經(jīng)使用了近20年，效果較好，《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規(guī)程》（JGJ/T23-2001）中的測區(qū)混凝土強度換算表是據(jù)統(tǒng)一曲線繪制的，抗壓強度適用范圍為10～60MPa。地區(qū)測強曲線是通過本地區(qū)常用的材料、成型養(yǎng)護工藝建立的曲線。專用測強曲線是由與結構或構件混凝土相同的材料、成型養(yǎng)護工藝所建立的曲線。強度換算時應按專用測強曲線，地區(qū)測強曲線，統(tǒng)一測強曲線的次序選用。（三）超聲回彈綜合法檢測混凝土強度無損檢測中，還有一種常用的方法是用超聲波的方法來檢測混凝土強度，當聲波在混凝土中傳播時，其縱波波速的平方與混凝土的彈模成正比，與密度成反比，而混凝土的強度又與其密度有關。一般而言，聲波在混凝土傳播速度越快，其強度就越高。正是利用聲速與混凝土強度的關系檢測混凝土強度的方法即為超聲法。單獨采用回彈法和超聲法均有其缺陷。對回彈法來說，如果檢測條件與測強曲線的適用條件差異較大，且又未能以鉆芯取樣法修正時，此時精度就不高。采用超聲法時，其精度也在很大程度上取決于檢測條件與測強曲線所適用條件之間的差異。所以工程中很少單獨采用超聲法來測混凝土強度。超聲回彈綜合法是以超聲波穿透試件內部的聲速值和試件表面硬度的回彈值來綜合檢測結構混凝土的抗壓強度的方法。這一方法是20世紀60年代研究開發(fā)出的一種無損檢測法，與單一方法比較，其精度高，適應范圍廣，在我國建工、公路、鐵路系統(tǒng)已廣泛應用。（四）拔出法檢測混凝土強度

拔出法屬于微破損檢測范疇。它具有精度高，破損程度小、使用方便、適用范圍廣等特點。這一方法是在硬化混凝土表面鉆孔、磨槽、嵌入錨固件，使用拔出儀進行拔出試驗，測定極限拔出力，并根據(jù)預先建立的拔出力與混凝土強度之間的相關關系檢測混凝土強度。拔出法有兩種，其一是在澆筑混凝土時預先埋入錨固件，待混凝土硬化后進行拔出試驗，稱為預埋拔出法；其二是在硬化的混凝土構件上嵌入錨固件后進行拔出試驗。試驗裝置見圖3-2-4。圖中三點式拔出試驗裝置適用于粗骨料最大粒徑不大于60mm的混凝土，圓環(huán)式試驗裝置適用于粗骨料最大粒徑不大于40mm的混凝土。3.1.2混凝土缺陷損傷的檢測

橋梁在施工、使用過程中，構件往往會產(chǎn)生一些缺陷和損傷?；炷翗嫾谐Ｒ姷娜睋p有裂縫、碎裂、剝落、層離、蜂窩、空洞、腐蝕和鋼筋銹蝕等。鋼構件中常見的的缺損主要有銹蝕、裂縫（包括由于應力集中和疲勞等引起的裂縫）、機械損傷、局部變形、焊縫缺陷和防護層損壞等。這些缺陷和損傷往往會嚴重影響結構物的承載能力和耐久性，因此是橋梁養(yǎng)護工作中必須檢測的項目。混凝土探傷是以無損檢測的手段，確定混凝土內部缺陷的存在、大小、位置和性質。超聲法是目前使用最多、最有效的探傷方法。此外，超聲探傷法也常用來探查鋼材、焊縫和混凝土中存在的裂縫、空洞、夾渣及火災損傷等超聲法混凝土缺陷檢測主要有以下幾方面的內容:混凝土均勻性檢測，混凝土結合面質量檢測，混凝土表面損傷層檢測，混凝土不密實區(qū)和空洞檢測，裂縫檢測等。這里只介紹一些常用的檢測方法，詳細內容可參照《超聲法檢測混凝土缺陷技術規(guī)程》（CECS21:2000）。

（一）超聲法的基本原理

聲波按照頻率的不同分為次聲波（頻率小于20Hz）、可聞聲波（頻率在20赫茲----20000赫茲之間）、超聲波（大于20kHz）及特超聲波四類。超聲波首先是一種聲波，是一種機械表，只是頻率較高。本身具有機械波的很多特性，例如繞射、反射、衰減、波形畸變等。1、混凝土超聲波探傷采用以下四點作為判別缺陷的基本參數(shù)：①因低頻超聲在混凝土中遇到缺陷時發(fā)生繞射，故可按聲時、聲程的變化，判別和計算缺陷的大小；②因超聲波在缺陷界面上產(chǎn)生反射，故可按到達接收探頭時能量顯著衰減的現(xiàn)象判斷缺陷的存在及大??；③因超聲脈沖各頻率成分在遇到缺陷時衰減程度不同，故可按接收頻率明顯降低，或接收波頻譜產(chǎn)生差異來判別內部缺陷；④因超聲波在缺陷處波形轉換和疊加，故可按其造成的接收波形畸變現(xiàn)象判別缺陷。（二）混凝土均勻性檢測混凝土的不均勻性可引起脈沖速度的差別，這種差別和質量差別相關。脈沖速度的測量可以用來研究混凝土的均勻性，為達此目的，應選定足夠均勻地布置該混凝土結構的若干測點，測點間距一般為200～500mm，測點布置時應避開與聲波傳播方向一致的鋼筋（這種平行方向的鋼筋對探測結果影響很大）。各測點的聲速值按下式計算：

(3-2-21)各測點混凝土的聲速平均值和標準差及離差系數(shù)按下式計算：根據(jù)比較相同測距的同類結構或各部位混凝土均勻性的優(yōu)劣。（三）混凝土結合面質量檢測

測試前應確定結合面的位置及走向，以正確確定需測部位及布置測點；結構的被測部位應具有使聲波垂直或斜穿結合面的一對平行測試面；布置測點應避開平行聲波傳播方向的主鋼筋或預埋鐵件。測點也可采用斜測法布置測點（圖3-2-5），測點應使測試范圍覆蓋全部結合面或有懷疑的部位。各對T、R換能器連線的傾斜角及測距應相等。測點的間距視結構尺寸和結合面外觀質量情況而定，可控制在100～300mm。在測出各測點的聲時、波幅和頻率值后，對某一測區(qū)各測點聲時、波幅和頻率值分別進行統(tǒng)計和異常值判斷。當通過結合面的某些測點的數(shù)據(jù)異常，并可排除其它因素影響時，可判定混凝土結合面在該處結合不良。（四）裂縫檢測

1、淺裂縫檢測當結構的裂縫部位只有一個可測表面且估計的裂縫深度又不大于500mm時，可采用單面平測法。先確定平均波速，而后確定跨縫測量聲時，根據(jù)聲時延長的情況確定裂縫的深度。當結構的裂縫部位具有兩個相互平行的測試表面時，可采用雙面穿透斜測法。測點布置如圖3-2-10所示，將T、R換能器分別置于兩個測試表面對應測點1、2、3……的位置讀取相應聲時值、波幅值及主頻。當T、R換能器的連線通過裂縫，根據(jù)波幅、聲時和主頻突變可以評定裂縫深度以及是否在所處斷面內貫通。2、深裂縫檢測（鉆孔檢測）被測結構上鉆取的測試孔應滿足下列要求：①孔徑應至少比裂縫預計深度深700mm，經(jīng)測試如淺于裂縫深度，則應加