回弹法检测灌浆料早期强度的试验研究

陈大川1，林悦慈1，郭杰标2，李亮如1，彭勃3

(1. 湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；2. 湖南大兴加固改造工程有限公司，湖南 长沙 410006；3. 湖南固特邦土木技术发展有限公司，湖南 长沙 410000)

摘 要：为探究现场测定灌浆料早期抗压强度的无损检测方法，采用一种加固型灌浆料制备2种不同类型的灌浆料，各14个龄期，共252个试块，并对其进行回弹和抗压强度试验，以探究该灌浆料早期强度与回弹值之间的关系。基于最小二乘法原理，按照不同的函数表达式，分别对试验数据进行回归分析及对比，提出了回弹法检测灌浆料早期强度的测强公式，从而为采用回弹法进行现场检测灌浆料早期强度试验研究提供参考。

关键词：灌浆料；拟合曲线；最小二乘法；回弹值；强度

随着经济建设的发展和时间的推移，由于老化、自然灾害、使用功能改变或结构设计、施工建造等因素，需要进行加固改造的建筑物也越来越多。据中国建筑节能协会的统计，截至2016年，全国建筑总面积为635亿平方米，大约有50%的建筑物已经步入中老年，其中三分之一属于急需加固修理的范畴。灌浆料因其早期强度高、流动性能好、微膨胀、易于施工等特点，被大量应用在既有建筑物的加固、改造、修补中[1-2]，且效果良好。随着灌浆料在混凝土加固中的应用日益广泛，为了能够有效减少施工周期和降低风险，工程对水泥基灌浆料早期强度的依赖越来越高。由于灌浆料强度较高，施工中用水量、养护温湿度、龄期等因素显著影响其强度值，因此经常出现实验室标养试件与结构实体强度差异较大的情况，容易导致施工现场实际强度无法达到设计值。国内外对于灌浆料的基本性能已进行较为全面的研究，主要集中于灌浆料的制备及改善用其加固抢修既有建筑的施工技术等方面[3-6]，关于灌浆料无损检测的研究则很少。我国相继编制了灌浆料有关规范[7]，但目前尚无现场检测水泥基灌浆料实体抗压强度的方法和标准，一旦由于施工质量等原因导致水泥基灌浆料抗压强度低于设计强度，将对后续建设使用产生不利影响并造成安全隐患。张晶[8]的研究表明灌浆料抗压强度与其表面硬度有一定相关关系；董伟玮[9]依据JG/T294—2013《高强混凝土强度检测技术规程》[10]表明可采用回弹法检测灌浆料强度，但灌浆料与混凝土在材料配比方面均存在显著差异，回弹值与抗压强度之间的关系需要进一步的探究；石磊等[11]分析了一种满足JG/T408—2013《钢筋连接用套筒灌浆料》[12]要求的灌浆料的回弹值与抗压强度的关系，但他们的测试龄期间隔太大周期较长，对现场检测灌浆料早期强度无法提供实际参考。GB/T 50448—2015《水泥基灌浆材料应用技术规范》[7]中将灌浆料分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ和Ⅳ类，用于结构加固的主要为Ⅲ类和Ⅳ类，其技术要求如表1所示。Ⅲ类灌浆料不含粗骨料，市场上一般为成品供应；与Ⅲ类相比，Ⅳ类灌浆料含一定量的粗骨料，流动度稍差，但水化热及收缩都大大降低，产品可为成品或通过在Ⅲ类灌浆料中加入一定量的粗骨料获得。由于灌浆料已有相应的国家标准，市场上常用的灌浆料配方组成大致相似。因此本文选用一种满足国家规范要求的加固型灌浆料，探究其不同龄期早期强度与回弹值之间的关系，提出回弹法检测该灌浆料早期抗压强度的回归方程，为灌浆料早期强度的检测提供依据。

1 试验

1.1 试验材料

试验选用的Ⅲ类及Ⅳ类灌浆料的实测性能及配合比分别如表1和表2所示。Ⅲ类为HPG-A无收缩自流密实水泥基高强灌浆料，满足GB/T 50448—2015《水泥基灌浆材料应用技术规范》[7]中的要求。Ⅳ类灌浆料通过在Ⅲ类灌浆料中加入一定量的粗骨料获得，粗骨料粒径范围为5~16 mm，表观密度为2 650 kg/m3；灌浆料拌合用水来自试验室自来水。

表1 灌浆料性能指标

Table 1 Performance index of grouting material

项目流动度/mm抗压强度/MPa泌水率/%最大骨料粒径/mm 初始值30 min保留值1 d3 d28 d Ⅲ类GB/T 50448—2015技术要求≥290≥260≥20≥40≥600≤4.75 性能实测值33031029.1**56.3**81.8**02 Ⅳ类GB/T 50448—2015技术要求≥650*≥550*≥20≥40≥6002>4.75且≤20 性能实测值720700—39.2***65***016

注:*表示坍落扩展度数值；**40 mm×40 mm×160 mm水泥胶砂强度试件；***100 mm×100 mm×100 mm混凝土试件。

1.2 试验仪器

山东省乐陵市回弹仪厂的ZC3-A型混凝土回弹仪，仪器满足JGJ/T 23—2011《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》[13](以下简称《规程》)中的要求；型号为WHY-2000的全自动微机控制压力试验机；旁氏搅拌机；试件尺寸大小为150 mm×150 mm×150 mm的模具等。

1.3 试验方案及试件制作

依据《规程》[13]，制备试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的标准立方体试件，养护条件为标准养护。试验探究的是用回弹法检测灌浆料早期强度，早期强度一般指龄期不超过7 d的抗压强度，但由于28 d的强度是作为混凝土设计和施工检验质量的强度标准，因此，对灌浆料龄期不超过28 d的试块进行回弹与抗压强度测试，以不超过7 d的龄期为主要测试龄期。测试龄期分别为0.5，1，1.5，2，2.5，3，4，5，6，7，10.5，14，21和28 d，每个龄期和强度等级的试件测试个数为9个，每批次试块制作如图1所示。相同测试龄期的试件，在同一天内制作成型并出自于同一批搅拌均匀的灌浆料。浇筑时，最大骨料粒径不超过4.75 mm的浆体无需振捣，最大粒径超过4.75 mm的浆体，适当予以手工振动，浇筑24 h后拆模。为避免测试无效，龄期为0.5 d的试件实测龄期为20 h，试验前拆模即可。

表2 灌浆料试验室配合比

Table 2 Grouting material mix proportion in lab

灌浆料类型水/%HPG-A/%粗骨料/% Ⅲ类12100— Ⅳ类1310040

注:以HPG-A质量大小为基准确定其他材料的用量。

表3 回弹仪基础性能指标

Table 2 Performance index of rebound hammer

型号标称动能/J钢砧率定值指针长度/mm指针摩擦力/N弹簧刚度/(N∙m-1)弹簧拉伸长度/mm ZC3-A2.20780±220.0±0.20.65±0.15785.0±40.075.0±0.3

图1 试件制作图

Fig. 1 Picture of making specimens

1.4 试验方法

1.4.1 回弹测试与计算

对冠状动脉支架植入术围术期预防应用抗菌药物的考察与分析…………………………………… 孙 莹，孙增先（5·381）

提前取出达到龄期的待测试块，将试件边缘处理平整，清洁试块并静置表面干燥。将试块放置于压力机上下承板之间，加压并保持压力在至60~100 kN之间。参照《规程》[13]中4.2节的要求，每个试件选取非浇筑面的两个平行测试面，分别选取均匀分布的8个测点，记录与试块和回弹仪相对应的回弹值。为减小误差，从每个试件的16个回弹值中，分别剔除3个最大和最小值，按照式(1)计算平均回弹值Rm，精确至0.1 MPa。

(1)

(a) 回弹测试；(b) 抗压强度测试

图2 试件测试图

Fig. 2 Picture of specimen test

1.4.2 抗压强度试验

自我同一性的确立意味着个体对自身有着充分的了解，能够将自我的过去、现在和将来组合成一个有机的整体，确立自己的理想与价值观，并对未来自我的发展作出比较成熟的思考。如果青少年不能确立自我同一性，就有可能无法发现自己，也不知道自己想要成为什么样的人。

将回弹测试完毕后的试块，参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》继续以5 kN/s的速率对试块均匀加压直至破坏，记录试块的抗压强度fcu，精确至0.1 MPa。试验过程见 图2。

灰色残差GM(1，1)模型和传统GM(1，1)模型的建立原理及过程相同，灰色残差模型主要以传统预测模型生成的相对误差为基础，并利用累加后新生成的残差序列为原始数据序列，根据灰色原理建立微分方程，从而利用残差修正GM(1，1)模型的预测精度。

2 数据处理及测强曲线方程的建立

2.1 不良数据剔除与整理

假设试验数据整体是呈正态分布，则根据偶然误差正态分布理论，将误差大于3倍标准差的点作为异常数据进行剔除，即剔除μ-3σ至μ+3σ区间范围外的数据[11]。

(2)

(3)

(4)

(5)

2.2 碳化深度影响分析

回弹值随碳化深度的增大而增大[14]，因此在回弹测强曲线中一般都会考虑碳化值的影响因素。由于加固抢险施工中对灌浆料进行强度跟踪监测的测试龄期早，同时试验测量的是灌浆料的早期强度，碳化反应时间较短。试件在标准养护室中湿度较大，二氧化碳浓度较低，且灌浆料孔隙水含量高，表面覆盖水膜，二氧化碳渗透性低，因此在碳化时间短、二氧化碳浓度和渗透性低的情况下，碳化深度几乎为零可以忽略不计。因此建立的回归方程式中暂不考虑碳化深度的影响。

表5 回归方程表达式

Table 5 Regression equation expressions

函数类型方程式 幂函数式 直线函数式 抛物线函数式 指数函数式 对数函数式

注:为灌浆料强度推定值；A，B和C为回归系数。

2.3 测强曲线的建立

依据试验方案，共获得252组回弹-抗压强度数据值，每个灌浆料类型的回弹-抗压强度数据各126个。利用最小二乘法，对数据依次采用幂函数、直线函数、抛物线函数、指数函数、对数函数式进行拟合回归分析。函数类型及方程式见表5。

3 试验数据分析

3.1 回归曲线分析

将原始数据汇总，分别采用不同函数式进行回归分析，拟合结果见表6。其中平均相对误差δ和强度相对标准差er以及相关系数γ的计算方式分别为式(6)，式(7)和式(8)，精确至0.1%。

(6)

(7)

(8)

表6 回弹抗压强度数据汇总拟合结果

Table 6 Fitting results of rebound value-compressive strength

函数形式数据汇总 ABCδ/%er/%γ 幂函数式0.089 11.760 2—6.387.860.924 9 直线式2.493 8-40.222 1—6.177.640.927 9 抛物线式-0.035 95.327 8-95.332 16.107.500.929 5 指数式58.960.019 57-70.036.327.850.924 9 对数式88.17-3.704-256.46.087.480.929 7

注:表中δ为平均相对误差；er为强度相对标准差；γ为相关系数。

由表6可知：5种不同函数表达式的拟合曲线均满足《规程》[13]中专用测强曲线的平均相对误差δ不大于±12.0%，相对标准差er不大于±14.0%的要求。其中，对数式拟合的回弹测强曲线相关性最高，为0.923，平均相对误差和相对标准差也最小，因此，选用对数式作为该灌浆料的测强曲线式。回归方程式为式(8)，平均相对误差和相对标准差分别为6.1%和7.5%，拟合曲线见图3。

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(9)

3.2 龄期与抗压强度的关系

灌浆料的平均抗压强度值与龄期的关系如图4所示，抗压强度随龄期的增长而增大，且立方体抗压强度增长曲线与普通混凝土相似，前期增长速度较快，后期增长速度逐渐减缓。灌浆料具备明显的早强性，1 d抗压强度即可达28 d抗压强度的45%~ 55%，3 d抗压强度可达28 d抗压强度的70%以上，7 d的抗压强度可达28 d抗压强度的80%~90%，龄期超过7 d后，试件的抗压强度增长较缓慢，仅占28 d抗压强度的10%~20%。与Ⅲ类灌浆料相比，Ⅳ类灌浆料用水量(水灰比)略大、骨料量多、粒径大。2类灌浆料前3 d强度增长速率基本一致，之后Ⅳ类灌浆料的强度增长相对减缓。

数据资料以spss18.0统计学软件处理,计量与计数资料分别进行t与X2检验,以p<0.05为有统计学意义。

图3 拟合曲线

Fig. 3 Fitting curve

灌浆料的平均回弹值与龄期的关系如图6所示，对比图5和图6可知，回弹值随灌浆料龄期强度的增长而增加。回弹值增长趋势同灌浆料抗压强度发展趋势：前期增长较快，后期增长减缓且逐渐稳定。灌浆料的强度越高，相应的回弹数值越大。

图4 抗压强度

Fig. 4 Compressive strength

图5 回弹值

Fig. 5 Rebound value

3.3 龄期与实测、换算强度的关系

将每个龄期所对应的回弹值均值代入式(9)，得到不同类型灌浆料的实测与推算抗压强度对比图如图7所示。由图7可知，龄期不超过10.5 d的实测强度和换算强度基本一致；当龄期为14 d时，Ⅲ类灌浆料的实测强度比换算强度高，Ⅳ类灌浆料的实测强度低于换算强度；当龄期超过21 d时，换算强度均比实测强度大。该结果进一步表明采用本文方法推定该灌浆料早期抗压强度的效果较好。此外，龄期为21 d时的误差均值为3%，龄期为28 d时的误差均值为5%。因此在实际工程检测中，应当考虑龄期对回弹法检测灌浆料强度的影响。龄期不超过10.5 d时的灌浆料早期抗压强度可由式(9)得出；当龄期为21~28 d时，灌浆料的换算强度可适当降低3%~5%。

(a) Ⅲ类灌浆料；(b) Ⅳ类灌浆料

图6 换算强度与实测强度对比图

Fig. 6 Comparison curves of calculated and measured strength

4 工程案例

某栋31层住宅楼施工至27层时，发现建筑物一层的混凝土剪力墙构件的实际强度不满足原设计需求。依据项目实际情况，选用HPG-A灌浆料并采用分批置换法对不满足设计要求的剪力墙构件进行加固。建筑物原设计强度为C50，加固时将加固材料设计强度提升至C60。为确保加固后的材料能够满足设计要求，以及不影响交付期限并保证工期的顺利进行，因此，采用回弹法依据式(9)检测构件的早期抗压强度，并根据抗压强度换算值的大小，确定下一阶段加固的施工时间或拆除临时支撑的时间点。当前一阶段的灌浆料强度达到45 MPa时，即可进行下一阶段的施工。分别将构件龄期为1~7 d的回弹值代入式(9)，试验数据表明，龄期为2~3 d时，加固构件强度可达到45 MPa。依据每批次加固试件实际达到45 MPa的龄期确定下一步施工时间，同时继续采用该方法实时监测灌浆料的龄期强度以确保加固质量。

5 结论

1) 灌浆料的抗压强度与表面硬度具有较强的相关性。基于回弹值与抗压强度的回归分析，得出适用于回弹法检测加固型灌浆料早期强度的专用测强曲线：，平均相对误差δ、相对标准差er和相关系数γ分别为6.1%，7.5%和0.93，均满足《规程》[13]要求。当使用该灌浆料进行加固抢修时，应用该式进行早期强度推测对工程具备重要的参考价值。

2) 灌浆料早期强度增长较快，7 d可达28 d强度的80%~90%，之后强度增长减缓。采用本文建立的灌浆料早期强度测强曲线时，对于不同龄期段，误差不尽相同：当龄期不超过10.5 d时，拟合误差较小，可直接采用该式进行强度换算；当龄期超过21 d时，拟合误差相对较大，但可以考虑龄期的影响，适当降低换算强度，以达到与实测强度更接近的推定值。

3) 灌浆料材料性能同混凝土，其抗压强度与表面硬度有较强的相关关系，灌浆料的强度增长曲线形态同混凝土强度增长曲线，且灌浆料回弹值随强度的增加而增大。据此，可使用混凝土回弹仪对灌浆料早期强进行检测，且在特定条件下用回弹法测量灌浆料早期强度无需考虑碳化深度，但对于灌浆料龄期超过28 d后的抗压强度与表面硬度的关系以及其他品种的灌浆料，还需要进一步研究。