目前, 指针直读式回弹仪 (简称R值回弹仪) 因使用简单、操作便捷等特点, 在结构混凝土现场强度监督检测和既有建筑结构安全性评估中得到了广泛的推广与应用^[1,2]。随着科技的发展, 新型的Q值回弹仪逐渐应用于结构混凝土强度的检测^[3,4], 该类回弹仪通过先进的光电装置检测弹击锤表面上一定间距的齿槽所形成的脉冲波形, 进而获取弹击后与弹击前的速度, 之后回弹仪自动显示回弹值 (Q值) 。该仪器具有非水平方向弹击受检混凝土面时, 回弹值不受弹击锤的重力影响的特点, 从而减少了对回弹值的角度修正;同时仪器内部部件 (如指针等) 的减少, 保证了弹击能量的稳定性, 提高了检测精度, 相比于传统R值回弹仪在性能等方面有明显的提高。

　　 由于国内对R值回弹仪的应用较为深入、广泛, 且各地区都有成熟适用的混凝土测强曲线^[5,6,7], 因此在没有Q值回弹仪检测结构混凝土测强曲线的情况下, 有必要研究此两类回弹仪测量值之间的转换关系。本文首先研究了Q值回弹仪与R值回弹仪的工作原理及其实验室率定值, 分析各自的检测精度, 给出了二者在水平向检测混凝土浇筑侧面以及竖直向上检测混凝土浇筑底面等2种工况下回弹值间的转换算式, 并将其与国内、国外相关研究成果^[8]进行比较;最后, 建立Q值回弹仪检测高强混凝土测强曲线, 供工程结构混凝土强度检测参考。

　　 Q值回弹仪的工作原理图见图1, 其工作原理是根据回弹仪冲击受检混凝土面后与冲击前的动能的变化来表征受检混凝土面的硬度;由于混凝土抗压强度与其表面硬度存在某种函数关系而借以推定结构实体混凝土抗压强度。

　　 Q值回弹仪与R值回弹仪测量得到的物理量回弹值的定义见文献[3]。由文献[3]可知, Q值为Q值回弹仪弹击受检混凝土面后与弹击前的瞬时速率之比的百分值;相对于R值回弹仪而言, Q值回弹仪避免了非水平向检测混凝土面时, 仪器中弹击锤的重力对测量值的影响, 从而提高了检测精度。

　　 参考《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》 (JGJ/T 23—2011) ^[1] (简称回弹法规程) 中回弹仪实验室率定程序, 将洛氏硬度HRC为60±2的钢砧固定在刚体上分别进行竖直向上、水平向及竖直向下3种工况下的Q值与R值回弹仪的率定试验。试验结果显示:在3种工况下, Q值回弹仪率定值基本稳定在89.5~90.5间;R值回弹仪在钢砧竖直向上及竖直向下2种极端工况下的率定值变化范围为78~82, 这主要是由于非水平向弹击时弹击锤的重力影响所致, R值回弹仪在钢砧水平向工况下的率定值变化范围为78.5~81.0。因此, R值回弹仪实验室率定值取为80±2, 推荐Q值回弹仪实验室率定值取90±1。

　　 试验采用本地区常用原材料:42.5级普通硅酸盐水泥, Ⅱ级粉煤灰, 细骨料为保定河砂、中砂, 粗骨料为粒径5~25mm碎石 (由卵石破碎而成) , 减水剂为ZG-C型泵送减水剂, 拌合用水为当地自来水。混凝土配合比设计为工程常用的C20, C30, C40, C50这4个强度等级, 具体混凝土配合比见表1。

　　 委托生产质量稳定的大型商品混凝土公司提供试验混凝土, 并泵送浇筑制成4个大型足尺实体结构模型 (混凝土强度等级为C20, C30, C40, C50) , 实体结构模型的墙体尺寸为2 400 (长) ×2 400 (高) ×200 (厚) , 顶板厚度为200mm;按标准方法制成尺寸为150×150×150的标准立方体试件 (混凝土强度等级为C50, C60, C70, C80) , 针对每个混凝土强度等级, 在每个测试龄期制作不少于6个标准立方体试件, 试验现场情况见图2。

　　 在龄期14, 28, 60, 90, 180, 360d时, 在足尺实体结构模型的混凝土墙体侧面与现浇楼板底面进行回弹测试及碳化深度测量, 并在回弹测区钻取直径100mm的标准芯样;在恒荷压力机下对标准立方体试件进行回弹测试。对得到的同龄期混凝土芯样、标准立方体试件在恒荷压力机下进行力学破型试验。

　　 以大型实体结构模型的试验数据为例, 比较Q值回弹仪与普通R值回弹仪的检测精度。

　　 两种回弹仪水平向检测混凝土浇筑侧面, 共取得有效数据314组, 芯样混凝土抗压强度范围为30.0~85.3MPa, R值回弹仪的回弹值范围为31.5~52.7, Q值回弹仪的回弹值范围为39.3~63.8, R值回弹仪的检测精度为21.2/55.3=0.388 8MPa^-1, Q值回弹仪的检测精度为24.5/55.3=0.4 430MPa^-1。两种回弹仪竖直向上检测混凝土浇筑底面, 共取得有效数据229组, 混凝土抗压强度范围为23.9~85.0MPa, R值回弹仪的回弹值范围为38.2~58.7, Q值回弹仪的回弹值范围为42.5~68.2, R值回弹仪的检测精度为20.5/61.1=0.3 355MPa^-1, Q值回弹仪的检测精度为25.7/61.1=0.4 206MPa^-1。统计结果表明, Q值回弹仪的检测精度较R值回弹仪要高。此外, 从两种回弹仪的实验室率定试验结果 (在洛氏硬度HRC为60±2钢砧上率定时, Q值回弹仪的率定值为90±1, R值回弹仪的率定值为80±2) 亦可以看出, Q值回弹仪的检测精度及变化范围均高于R值回弹仪。

　　 基于C20~C50混凝土实体结构模型上获取的有效试验数据, 采用最小二乘法回归拟合, 得到的两种回弹仪水平向检测混凝土浇筑侧面时的测区平均回弹值间的换算公式, 见式 (1) , 由R值回弹仪测量得到的测区平均回弹值与由Q值回弹仪测量得到的相应测区平均回弹值的散点图见图3。

　　 式中:R_{m, i}为采用标称能量为2.207J的普通R值回弹仪水平向检测混凝土浇筑侧面时的第i测区平均回弹值, 精确到0.1;Q_{m, i}为采用标称能量为2.207J的N型Q值回弹仪水平向检测混凝土浇筑侧面时的第i测区平均回弹值, 精确到0.1。

　　 经统计计算, 式 (1) 的相关系数为0.93, 平均相对误差δ为±3.24%, 相对标准差e_r为4.01%。

　　 为简化计算, 采用物理意义明确的截距为0的线性数学模型进行重新回归, 经拟合后的换算公式为:

　　 经统计计算, 式 (2) 的相关系数为0.93, 平均相对误差δ为±3.43%, 相对标准差e_r为4.17%, 计算结果与试验值吻合较好。式 (2) 与式 (1) 的统计指标基本相同, 推荐采用式 (2) 对水平向检测混凝土浇筑侧面时的Q值回弹仪与R值回弹仪测量值间进行转换。

　　 由文献[8]瑞士公司Proceq SA公布的Q值回弹仪测得的测区平均回弹值与R值回弹仪测得的相应测区平均回弹值的相关性见式 (3) , 该式相关系数为0.973 2;文献[3]通过对立方体试件回弹数据回归拟合得到式 (4) , 笔者对文献[4]中数据进行回归拟合而得到的转换公式见式 (5) , 该式相关系数为0.999 9。

　　 式 (3) ~ (5) 与本文式 (2) 及式R_{m, i}=0.9Q_{m, i}的比较见图4, 其中R_{m, i}=0.9Q_{m, i}为对所有试验数据中R_{m, i}及其相应的Q_{m, i}各自取其均值后所得到的简单比值式。

　　 由图4可知, 式 (3) 与R_{m, i}=0.9Q_{m, i}的换算结果基本相当, 前者较本文式 (2) 的结果明显偏高, 可能是国内外混凝土质量存在差异的原因所致;式 (5) 换算结果均明显低于本文式 (2) , 表明理论计算结果较实体结构混凝土测试数据偏低, 这点与文献[3]的验证结果一致;式 (4) 换算结果均低于本文式 (2) , 表明实验室立方体试件的数据与实体结构的数据存在一定的差异, Q_{m, i}值越大, 换算得到的R_{m, i}值偏低越多。

　　 基于C20~C50混凝土实体结构模型的试验数据, 采用最小二乘法对试验数据进行拟合, 得到的两种回弹仪竖直向上检测混凝土浇筑底面时的测区平均回弹值间的换算公式, 见式 (6) , 由R值回弹仪测量得到的测区平均回弹值与由Q值回弹仪测量得到的相应测区平均回弹值的散点图见图5。

　　 式中:R_{m, b, i}为采用标称能量为2.207J的普通R值回弹仪竖直向上检测混凝土浇筑底面时的第i测区平均回弹值, 精确到0.1;Q_{m, b, i}为采用标称能量为2.207J的N型Q值回弹仪竖直向上检测混凝土浇筑底面时的第i测区平均回弹值, 精确到0.1。

　　 式 (6) 的相关系数为0.91, 平均相对误差δ为±3.57%, 相对标准差e_r为4.32%。

　　 为简化计算, 采用截距为0的线性数学模型进行重新回归, 经拟合后的换算公式为:

　　 式 (7) 的相关系数为0.91, 平均相对误差δ为±3.58%, 相对标准差e_r为4.33%, 计算结果与试验值吻合较好。式 (7) 与式 (6) 的统计指标基本相同, 推荐采用式 (7) 对竖直向上检测混凝土浇筑底面时的Q值回弹仪测量值与R值回弹仪测量值进行转换。

　　 对C50~C80混凝土标准立方体试件的试验数据进行异常数据剔除后, 共获取314组有效数据。选用优选后的复合幂指数数学模型, 采用最小二乘法对获得的314组有效数据进行回归拟合, 得到的测强曲线公式见式 (8) , 数据散点图见图6。

　　 式中:f^c_{cu, i}为第i测区的混凝土抗压强度换算值, MPa;d_{m, i}为第i测区的混凝土碳化深度值, mm。

　　 式 (8) 的相关系数为0.74, 平均相对误差δ为±12.7%, 相对标准差e_r为15.7%, 符合回弹法规程中地区测强曲线技术指标的规定。

　　 湖南大学对C50~C100高强混凝土进行了短龄期 (7~60d) 的回弹测试, 得到的幂函数测强曲线公式见式 (9) , 文献[3]得到的测强曲线公式见式 (10) , 本文测强曲线公式 (式 (8) ) 与式 (9) , (10) 结果的比较见图7。

　　 由图7可知, 各测强曲线均表现出随Q值的增大混凝土抗压强度换算值也增大的变化规律;在相同Q值时, 文献[3]的测强曲线公式 (式 (10) ) 与湖南大学测强曲线公式 (式 (9) ) 计算的混凝土抗压强度换算值相差不多, 本文测强曲线公式 (式 (8) ) 计算的混凝土抗压强度换算值最高。

　　 对在C50~C80混凝土标准立方体试件上取得的314组有效试验数据, 采用经优选后的复合幂指数数学模型进行回归拟合, 得到的测强曲线公式见式 (11) , 数据散点图见图8。

　　 经统计, 式 (11) 相关系数为0.71, 平均相对误差δ为±13.2%, 相对标准差e_r为16.0%, 符合回弹法规程中地区测强曲线技术指标的规定。

　　 (1) 本文阐述了新型Q值回弹仪的工作原理, 并结合试验数据比较了Q值回弹仪与R值回弹仪的检测精度, 结果表明, 前者检测精度较高。

　　 (2) 为充分利用并发挥各地区成熟的R值回弹仪测强曲线, 文中给出了回弹仪水平向检测混凝土浇筑侧面与竖直向上检测混凝土浇筑底面2种工况下, 具有足够检测精度的Q值回弹仪与R值回弹仪回弹值间的转换公式, 很好地解决了两种回弹仪的衔接问题。由于混凝土质量具有地域性特点, 因此在应用回弹值转换算式时应进行试验验证;当条件具备时, 应建立Q值回弹仪专用测强曲线公式, 以提高无损检测的精度。

　　 (3) 为推广Q值回弹仪在高强混凝土中的应用, 建立了Q值回弹仪检测高强混凝土测强曲线公式, 可供工程结构混凝土强度检测参考。