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升拓技术——混凝土弹性模量检测 升拓资料库—X—混凝土检测04
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升拓技术—混凝土弹性模量测试
（四川升拓检测技术有限责任公司，四川 成都 610045）

摘要：在本系统中，采用冲击弹性波作为测试媒介，通过测试弹性波的波速，据此计算材料的动弹性模量和推算相应的静弹模，进而根据静弹模与抗压强度的相关关系推算混凝土的抗压强度。其核心在于精确地测试混凝土材料的弹性模量。
关键词：混凝土检测，预应力检测，混凝土弹性模量检测，无损检测，升拓技术

在本系统中，采用冲击弹性波作为测试媒介，通过测试弹性波的波速，据此计算材料的动弹性模量和推算相应的静弹模，进而根据静弹模与抗压强度的相关关系推算混凝土的抗压强度。其核心在于精确地测试混凝土材料的弹性模量。
混凝土的弹性模量不仅影响到结构的变形，而且也是反映混凝土质量、耐久性的重要指标：
1） 可以反映材料的刚性特性，在结构的变形计算中是重要的参数。特别是对于高强度混凝土，简单地采用抗压强度反推弹模的方法往往具有较大的误差；
2） 混凝土材料的老化往往先从弹模的降低开始，而新建结构的施工不良也会在弹模方面有所显现。
为此，在高铁梁的施工中，不仅要求控制抗压强度（通常为C50），也要求控制弹模在34.5GPa以上。
在本系统中，弹模的测试主要是通过对波速的测试。
对于1维均质弹性体，其弹性模量与弹性波P波波速的关系可以表示为：
　　 (1-1)
其中，为材料的密度，对于混凝土，一般为2400kg/m3左右。当测试对象为2维或3维时，P波速度有一定的变化。
2维： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1-2)
　　 3维： 　　　　　 　　　　　　　　　（1-3）
而对于表面波（瑞利波），其关系可以表示为：
　　 瑞利波： 　　 　　　　　　　　　（1-4）
一般来说，混凝土的动泊松比为0.2～0.25，其不同波速间的比较如下：
表 1-1 混凝土弹性模量测试项目一览表
动泊松比

0.20
1.05
1.02
0.588
1.78
0.25
1.10
1.03
0.581
1.89
需要指出的是，上面得到的是材料在小应变条件下的动弹性模量（），而非静弹性模量。对于钢材这样的均质弹性材料，与非常接近，而对于混凝土这样的非线性材料而言，与之间则有一定的差异。
英国钢筋混凝土结构设计规范BS8110（Part2）中，对于高性能混凝土（GPa）：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　（1-5）
而根据Neville [11]的研究成果，有：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1-6）
在本系统中，采用了3-6式的计算方法。
由于测试对象和测试位置的不同，在系统中也集成了多种测试方法。主要有：
1） 基于反射特性的测试方法，如冲击回波法；
2） 基于透过特性的测试方法，如单面传播法和双面透过法。
表 12混凝土弹性模量测试项目一览表
方法
测试方案
测试对象
梁、柱构件
冲击回波法
在构件的侧面、内面测试
构件局部的混凝土质量
单面传播法
双面透过法
在构件的两端测试
较大范围的混凝土质量
板构件
冲击回波法
在板的上表面测试
需预先测出板的厚度
单面传播法

试件
冲击回波法
在试件的一端测试
棱形试件、标准试件
弹性模量的验证
1）金属材料的验证
对于钢材等金属材料，其材质均匀，动、静弹性模量之间基本一致（低碳钢的弹性模量在200～210GPa之间，平均为206GPa）。因此，利用对金属材料弹性模量的测定，可以验证我们开发的测试方法和设备。
表2-1和图2-1表示了我们利用不同方法对钢筋弹性模量的测试的结果。

表2-1钢筋弹性模量测试结果（单位：GPa）
钢筋长度(m)
单面反射法
双面透过法(打击)
双面透过法(冲击
测试值
相对误差
测试值
相对误差
测试值
相对误差
0.5
206.6
0.29%
174.4
-15.34%
180.9
-12.18%
1.0
209.1
1.50%
206
0.00%
208.3
1.12%
2.1
207.8
0.87%
207.8
0.87%
206.7
0.34%
3.5
206.5
0.24%
206.1
0.05%
205.8
-0.10%
5.5
205.5
-0.24%
205.2
-0.39%
208.7
1.31%

图2-1钢筋弹性模量测试结果图
可以看出，当钢筋长度较短（如小于1m），由于波的到达时刻的读取误差，使得用透过法测得的误差较大，建议采用单面反射法测试。对于钢筋长度大于1m时，各种测试方法均能够很好的测试，充分说明了本技术测试的可靠性和精度。
此外，我们也对钢柱及钢绞线进行了验证试验。
表2-2 金属验证测试结果一览
测试对象
钢柱
钢绞线
直径/长度
D140、厚4mm/1.5～2.5m
D7、3～60m
模量/密度
200～210GPa、7800kg/m3
196GPa、7800kg/m3
理论波速（km/s）
5.06～5.19
5.01
实测波速（km/s）
5.18（±1%）
5.00（±1%）
2）混凝土材料的验证
我们在国内外不同单位也进行了弹性模量验证试验。试验条件如下：

表2-3 混凝土梁弹性模量验证测试条件一览
测试单位
测试对象
本系统检测方法
验证方法
（株）セントラル技研.
大型试块
圆柱体试件
单面传播法
静载+应变片
中铁二局祁东梁厂
棱形试件
单面重复反射法
静载+位移计
清华大学水利系
棱形试件
单面重复反射法
共振法试验

照片2-1 混凝土梁弹性模量验证测试

图2-2 混凝土弹性模量验证结果图
从图中可以看出：
1） 测试精度高：本系统测出的Ec/Ed与现行方法测出的值的之间的标准偏差小于5%；
2） 适用范围广：不仅适合于试件（棱形、圆柱），还可以适合于现场结构。

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