混凝土性能与非破损试验

试验六　混凝土性能与非破损试验

混凝土强度试验依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB／T　5008—2002）进行；混凝土抗冻、抗水渗等试验依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB／T 50082—2009）进行。

一、混凝土抗压强度试验

（一）主要仪器设备

1.压力试验机。精度不低于±2%，试验时由试件最大荷载选择压力机量程，使试件破坏时的荷载位于全量程的20%～80%范围以内。

2.振动台。振动频率为（50±3）Hz，空载振幅约为0.5 mm。

3.搅拌机、试模、捣棒、镘刀等。

（二）试件制作

1.抗压强度试验系采用立方体试件，以龄期分组、每组3个试件，混凝土试件尺寸按骨料最大粒径选定（见表15－3）。

表15－3　混凝土试件尺寸

2.制作试件前，应将试模擦干净并在试模内表面涂一薄层脱模剂，再将配制好的混凝土拌合物装模成型。

3.对于坍落度不大于70 mm的混凝土拌合物，将其一次装入试模并高出模口，将试件移至振动台上，开动振动台振至混凝土表面出现水泥浆并无气泡向上冒时为止，振动时应防止试模在振动台上自由跳动，一般振动时间为20 s。刮去多余的混凝土并用镘刀抹平。

对于坍落度大于70 mm的混凝土拌合物，将其分两层装入试模，每层厚度大致相等，用捣棒按螺旋方向从边缘向中心均匀插捣，插捣次数一般每100 cm²应不少于12次，同时用镘刀沿试模内壁插入数次。最后刮去多余混凝土并抹平表面。

（三）试件养护

1.标准养护的试件成型后表面应覆盖，以防止水分蒸发，并在（20±5）℃的条件下静置1～2昼夜，然后编号拆模。拆模后的试件随即放入温度为（20±2）℃、相对湿度为95%以上的标准养护室养护，直至试验龄期（28 d）。在标准养护室内试件应放在架上，彼此间隔为10～20 mm，并应避免用水直接冲淋试件。

2.当无标准养护室时，混凝土试件可在温度为（20±3）℃的Ca（OH）₂饱和溶液中养护。

（四）抗压强度测试

1.试件自养护室取出后随即擦干并测量其尺寸（精确至1 mm），据此计算试件的受压面积A（mm²）。

2.将试件安放在试验机承压板中心，试件的承压面与成型面垂直。开动试验机，当上压板与试件接近时，调整球座，使接触均衡。

3.加荷时应连续而均匀，加荷速度为：混凝土强度等级＜C30时，取0.3～0.5 MPa／s；≥C30且＜C60时，取0.5～0.8 MPa／s；≥C60时，取0.8～1.0 MPa／s。当试件接近破坏而开始迅速变形时，停止调整试验机油门，直至试件破坏。记录破坏荷载P（N）。

（五）结果计算

1.按下式计算混凝土立方体试件抗压强度f_cu（MPa）：

2.以三个试件测定值的算术平均值作为该组试件的抗压强度值（精确至0.1 MPa）。三个测值中的最大值或最小值中如有一个与中间值的差值超过中间值的15%时，则把最大及最小值一并舍去，取中间值作为该组试件的抗压强度值；如有两个测值的差均超过中间值的15%，则该组试件的试验结果无效。

3.取150 mm×150 mm×150 mm试件的抗压强度为标准值，其他尺寸的试件测得的强度值均应乘以尺寸换算系数（见表15－3），换算成标准值。

（六）混凝土强度等级评定

1.混凝土强度等级

混凝土强度等级应按立方体抗压强度标准值划分。分为C7.5、C10、…、C60各级，混凝土立方体抗压强度标准值系指对标准方法制作和养护的边长为150 mm的立方体试件，在28 d龄期用标准试验方法测得的具有95%保证率的混凝土抗压强度值。

2.混凝土强度等级评定方法

根据《混凝土强度检验评定标准》（GB／T　50107—2010）规定，混凝土强度应分批进行检验评定，一个验收批的混凝土强度应由强度等级相同、配合比与生产工艺基本相同的混凝土组成。

混凝土强度等级评定，可采用统计方法或非统计方法进行评定。详见表15－4。

表15－4　混凝土强度质量合格评定方法

二、混凝土劈裂抗拉强度试验

（一）主要仪器设备

1.压力机。量程200～300 kN。

2.垫条。采用直径为150 mm的钢制弧形垫条，其长度不短于试件的边长。

3.垫层。加放于试件与垫条之间，为木质三合板，宽15～20 mm，厚3～4 mm，长度不短于试件的边长。垫层不得重复使用。混凝土劈裂抗拉试验装置见图15－9所示。

4.试件成型用试模及其他所用器具同混凝土抗压强度试验。

（二）试验步骤

1.按制作抗压强度试件的方法成型试件，每组3块。

2.从养护室取出试件后，应及时进行试验。将表面擦干净，在试件成型面与底面中部画线定出劈裂面的位置，劈裂面应与试件的成型面垂直。

图15－9　混凝土劈拉试验装置

1、4—试验机上、下压板；2—弧形钢块；3—垫条；5—试块

3.测量劈裂面的边长（精确至1 mm），计算出劈裂面积A（mm²）。

4.将试件放在试验机下压板的中心位置，降低上压板，分别在上、下压板与试件之间加垫条与垫层，使垫条的接触母线与试件上的荷载作用线准确对正。

5.开动试验机，使试件与压板接触均衡后，连续均匀地加荷，加荷速度为：混凝土强度等级低于C30时，取0.02～0.05 MPa／s；≥C30且＜C60时，取0.05～0.08 MPa／s；≥C60时，取0.08～0.10 MPa／s；加荷至破坏，记录破坏荷载P（N）。

（三）结果计算

1.按下式计算混凝土的劈裂抗拉强度f_st：

2.以3个试件测值的算术平均值作为该组试件的劈裂抗拉强度值（精确到0.01 MPa）。其异常数据的取舍与混凝土抗压试验同。

3.采用150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件作为标准试件，如采用100 mm×100 mm×100 mm立方试件时，试验所得的劈裂抗拉强度值，应乘以尺寸换算系数0.85。

三、混凝土抗渗性试验

（一）主要仪器设备

1.混凝土抗渗仪：应具有能使水压按规定的制度稳定地作用在试件上的装置，其施加水压范围为0.1～2.0 MPa。混凝土抗渗试验装置见图15－10。

图15－10　混凝土抗渗仪装置图

1—试件；2—套模；3—上法兰；4—固定法兰；5—底板；6—固定螺栓；7—排气阀；8—橡皮垫圈；9—分压水管；10—进水阀门；11—密封膏

2.抗渗试模：采用顶面直径为175 mm，底面直径185 mm，高度为150 mm的圆台体，或直径与高度均为150 mm的圆柱体试件。

3.烘箱、电炉、加热器及压力试验机等。

（二）试验步骤

1.按规定方法成型与养护混凝土试件，抗渗试件以6个为一组。

2.试件养护至试验前一天取出，将表面晾干，然后将试件侧面在加热熔化的石蜡松香液中滚涂均匀，但切勿使蜡液流淌于试件的顶、底面上，随即通过压力机将试件压入经预热（约50℃）的抗渗试件套模内以进行密封，待稍冷却后即可解除压力。

3.排除抗渗仪管路系统中的空气，并将密封好的试件安装在抗渗仪上，检查密封情况。

4.试验时起始水压为0.1 MPa，以后每隔8 h增加水压0.1 MPa，并随时注意观察试件端面渗水情况。

5.当6个试件中有3个试件端面出现渗水时，即可停止试验，记下此时的水压H。

（三）结果计算

混凝土抗渗标号P以每组6个试件中4个未出现渗水时的最大水压力计算，即

P＝10　H－1

式中　H——6个试件中3个渗水时的水压（MPa）。

四、混凝土抗冻性试验（慢冻法）

（一）主要仪器设备

1.低温箱。低温箱内温度应能保持在－15～－20℃。

2.融解水槽。能使水温保持在15～20℃。

3.框篮、案秤、压力机等。

（二）试验步骤

1.按骨料最大粒径及规定方法制备立方体试件，3块为一组，抗冻标号低于F50时，需成型抗冻及对比试件各一组；抗冻标号高于F50时，需制作抗冻及对比试件各两组。

2.试件制作与养护同混凝土抗压强度试验，养护龄期（包括浸水时间）为28 d。

3.在试验前4 d，将试件放在（20±2）℃的水中浸泡4昼夜，水面应高出试件至少20 mm。

4.将抗冻试件从水中取出，用湿布擦去表面水分，称量后放入框篮内，然后置于冷冻设备低温箱中，各试件周围均应留有20 mm间隙。

5.冻融制度。冻结温度为－18～－20℃，每次冻结时间按立方体试件尺寸而定，边长≤150 mm的试件不应小于4 h，边长为200 mm的试件不应小于6 h。冻结时间应从放入试件后，低温箱内温度降至－18℃时起开始计算，冻结过程不得中断。冻结结束后，立即将试件置于18～20℃的水槽中进行融解，融解时间应不小于4 h，至此为一次冻融循环。如此反复进行。

6.应经常对冻融试件进行外观检查。发现有严重破坏时应进行称量，如试件的平均失重率超过5%，即可停止其冻融循环试验。

7.混凝土试件达到规定的冻融循环次数时，取出冻融试件，擦干表面后称量，同时进行外观检查，并立即测定其抗压强度。同时从养护室中取出对比试件测定其抗压强度。

（三）结果计算

1.混凝土冻融试验后应按下式计算其强度损失率（Δf_c）：

式中　f_cn、f_c0——分别为经n次冻融循环后及对比试件的抗压强度值（MPa），精确至0.1 MPa。

2.混凝土试件冻融循环后的质量损失率（Δm）可按下式计算：

式中　m_n、m₀——分别为经n次冻融循环后及对比试件的质量（g）。

3.混凝土的抗冻标号，以同时满足Δf_c≤25%、Δm≤5%时的最大循环次数来表示。

（四）快冻法简介

快冻法是混凝土抗冻性能的另一种检验方法。它可用能经受的快速冻融循环次数或耐久性系数来表示，该方法混凝土试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，每次冻融循环只需2～4 h，在冻结和融化终了时，试件中心温度（由热电偶及电位差计测出）分别控制为（－18±2）℃和（5±2）℃。混凝土抗冻融循环次数以同时满足相对动弹性模量下降至不小于60%和质量损失率不大于5%时的最大循环次数来表示，称为混凝土抗冻等级。

五、混凝土动弹性模量试验

本试验用以检验混凝土在经受冻融或其他侵蚀作用后遭受破坏的程度，并以此来评定混凝土的耐久性。

（一）主要仪器设备

1.动弹性模量测定仪，有共振式和敲击式两种。

2.案秤（称量10 kg，感量5 g）、直尺等。

（二）试验步骤

1.成型混凝土试件，尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，每组3块，养护至一定龄期，或采用冻融循环前后的试件。

图15－11　共振法动弹性模量测定装置

1—测振换能器；2—接收换能器；3—软泡沫塑料垫；4—试件

2.测量试件尺寸长L、宽b、高h（精确至1 mm），称出试件质量m（精确至50 g），并按图15－11中的表示将试件表面画线。

3.采用共振法动弹性模量测定仪时，其支承、激振与接收换能器的安装位置见图15－11。换能器装好后，调整仪器的激振功率和接收增益旋钮至适当位置。变换激振频率，同时注意观察示波管上的图形和微安表上的指针，当示波管上的图形为一个椭圆，且Y轴幅值为最大，同时观察微安表上的指针偏转至最大时，记下所显示的频率，即为该混凝土试件的基频振动频率（共振频率）。

（三）结果计算

混凝土动弹性模量E d（MPa）可按下式计算：

式中　L、b、h——分别为试件的长、宽、高（mm）；

　m——试件的质量（kg）；

　f——试件的基振频率（Hz）。

取3个试件测定值的平均值作为试验结果，精确至100 MPa。

六、混凝土非破损试验

混凝土非破损检验方法又称无损检验，它可对同一试件进行多次重复测试而不损坏试件，可以直接而迅速地测定混凝土的强度、内部缺陷的位置和大小，还可以判断混凝土结构物遭受破坏的程度等。这是用破损检验方法难以办到的，因而无损检验在工程中得到普遍的重视和应用。

用于混凝土无损检验的方法很多，通常有超声波法、回弹法、拔出法、取芯法、放射线法、谐振法、电测法及表面波法等，还可采用两种或两种以上的综合方法。

（一）混凝土强度回弹法检验

采用附有拉簧和一定尺寸的金属弹击杆的中型回弹仪，以一定的能量弹击混凝土表面，以弹击后回弹的距离值，表示被测混凝土表面的硬度。根据混凝土表面硬度与强度的关系，估算混凝土的抗压强度，作为检验混凝土质量的一种辅助手段。

1.主要仪器设备

（1）中型回弹仪。标称动能为2.207 J，其构造见图15－12。

图15－12　回弹仪构造图

1—弹击杆；2—混凝土试件；3—冲击锤；4—指针；5—刻度尺；6—拉力弹簧；7—压力弹簧

（2）钢钻。洛氏硬度RHC为60±2。

2.试验步骤

（1）回弹仪率定。将回弹仪垂直向下在钢钻上弹击，取三次的稳定回弹值进行平均，弹击杆应分四次旋转，每次旋转约90°，弹击杆每旋转一次的率定平均值均应符合80±2的要求。否则不能使用。

（2）混凝土构件测区与测面布置。每一构件至少应选取10个测区，相邻两测区间距不超过2 m，测区应均匀分布，并具有代表性（测区宜选在侧面为好）。每个测区宜有两个相对的测面，每个测面约为20 cm×20 cm。

（3）测面应平整光滑，必要时可用砂轮作表面加工，测面应自然干燥。每个测面上布置8个测点，若一个测区只有一个测面应选16个测点，测点应均匀分布。

（4）将回弹仪垂直对准混凝土表面并轻压回弹仪，使弹击杆伸出、挂钩挂上弹击锤；将回弹仪弹击杆垂直对准测试点，缓慢均匀地施压，待弹击锤脱钩冲击弹击杆后，弹击锤即带动指针向后移动直至到达一定位置时，即读出回弹值（精确至1）。

3.试验结果处理

（1）回弹值计算。从测区的16个回弹值中分别剔除3个最大值和3个最小值，取其余10个回弹值的算术平均值，精确至0.1，作为该测区水平方向测试的混凝土平均回弹值。

（2）回弹值测试角度及浇筑面修正，若测试方向非水平方向和浇筑面或底面时，按有关规定先进行角度修正，然后再进行浇筑面修正。

（3）碳化深度修正，混凝土表面碳化后其硬度提高，回弹值将增大，当碳化深度大于或等于0.5 mm时，其回弹值应按有关规定进行修正。

（4）根据室内试验建立的强度与回弹值关系曲线，查得构件测区混凝土强度值。在无专用测强曲线和地区测强曲线情况下，可按国家行业标准《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ／T　23—2011）中的统一测强曲线，由回弹值与碳化深度求得测区混凝土强度。

（5）计算构件混凝土强度平均值（精确至0.1 MPa）和强度标准差（精确至0.01 MPa），最后计算出构件混凝土强度推定值（MPa），精确至0.1 MPa。

（二）混凝土超声波检验

由于超声波在组成材料相同的混凝土中的传播速度（简称波速）与混凝土强度之间存在较好的相关性，一般规律为混凝土密实度愈大，强度愈高，则波速也大，从而可据此来估测混凝土的强度或评定构件混凝土的均匀性。

1.主要仪器设备

（1）非金属超声波检测仪。声时范围为0.5～9　999μs，精确度为0.1μs。

（2）换能器。频率在50～100 k Hz。

2.试验步骤

（1）超声仪零读数校正

在测试前需校正超声波传播时间（即声时）的零点t₀，一般用附有标定传播时间t₁的标准块，测读超声波通过标准块的时间t₂，则t₀＝t₂－t₁。

对于小功率换能器，当仪器性能允许时，可将发、收换能器用耦合剂（黄油或凡士林）直接耦合，调整零点或取初读数t₀。

（2）建立混凝土强度－波速曲线

①制作一批不同强度的混凝土立方试件，数量不少于30块，试件边长为150 mm，可采用不同配合比或不同龄期的混凝土试件。

图15－13　试件的超声测试位置

1—浇注方向；2—超声测试方向；3—抗压强度测试方向

②超声波测试，每个试件的测试位置如图15－13所示，将收、发换能器的圆面上涂一层耦合剂，并紧贴在试件两测面的相应测点上。调节衰减与增益，使所有被测试件接收信号的首波的波幅调至相同的高度，并将时标点调至首波的前沿，读取声时值。每个试件以5个点测值的平均值作为该混凝土试件中超声传播时间（t）的测试结果。

③沿超声波传播方向量试件边长（精确至1 mm），取4处边长平均值作为传播距离L。

④将测试波速的混凝土试件立即进行抗压强度试验，求得抗压强度f_cu（MPa）。

⑤计算波速v，并由f_cu及v建立f_cu－v关系曲线。

（3）现场测试

①在建筑物混凝土构件的相对两面均匀地划出网格，网格的边长一般为20～100 cm，网格的交点即为测点，相对两测点的距离即为超声波传播路径的长度。

②测试各相对两测点超声波声时，并计算波速。

③按比例绘制出被测件的外形及表面网格分布图，将测试波速标于图中各测点处，数值偏低的部位可以加密测点，进行补测。

④根据构件中钢筋分布及含水率等对波速进行修正。

⑤根据室内建立的混凝土强度与波速的专用曲线，换算出各测点处的混凝土强度值。

⑥按数理统计方法计算出混凝土强度平均值、标准差和变异系数三个统计特征值，用以比较混凝土各部位的均匀性。

（三）超声－回弹综合法简介

采用单一的非破损试验方法，由于对各种因素影响的反应敏感程度不同而会使测试结果误差较大。如超声波法可以较为精确地测得水灰比和混凝土密实度对混凝土强度影响的关系，这种测试方法会过高地反映骨料的种类、级配和环境湿度等因素的影响，而对水泥品种和用量、混凝土硬化条件、龄期等因素的影响很不敏感。而回弹法能较为准确地取得有关水泥品种、水灰比、骨料组成和混凝土密实度等对混凝土强度的影响，但该方法过高地评价混凝土硬化条件和龄期对强度的影响，而对水泥用量、骨料种类、混凝土内部密实度和环境湿度等因素的反应不敏感。因此选用两种适当的非破损试验加以综合判断，称之为综合法，则可取长补短，从而提高测试结果的准确性。

超声－回弹综合法即在同一测区的混凝土上同时测试超声波波速与回弹值，以确定混凝土抗压强度，可显著地减小测试误差。该综合法与前述方法相同，需首先建立综合法测强公式或绘制出标准等强曲线，这样在现场条件下，如混凝土组成材料相同，则只要测得声速与回弹值，便可在标准等强曲线上查得或用综合法测强公式计算出构件测区混凝土的抗压强度值。