小直径芯样强度推定混凝土抗压强度方法的比较

2018-01-22王大勇高晓彬

商品混凝土 2018年1期

王大勇，高晓彬

（1. 廊坊市建设工程质量检测中心，河北廊坊 065000；2. 廊坊市阳光建设工程质量检测有限公司，河北廊坊 065000）

0 引言

目前，对实体结构混凝土强度的检测常采用回弹法等间接检测方法。从结构设计角度而言，混凝土保护层对结构构件的配筋进行耐久性保护，真正为结构承载力性能作出贡献的是箍筋约束的核心混凝土的结构实体强度。

随着结构混凝土向集约化、大流动性和免振捣趋势的发展，现场混凝土强度检测由测试其表面的间接检测法逐步发展到检测结构构件超过钢筋保护层厚度的内部混凝土强度，随之围绕微小芯样各种物理力学强度推定结构混凝土强度的研究日趋成为热点[1-5]。早期的试验研究表明[1,2]，小芯样抗拉强度与混凝土抗压强度存在良好的相关性，文献 [2]对其影响因素进行了较为细致地研究。后经全国性的系统开发，该项技术形成了行业标准 JGJ/T 378—2016《拉脱法检测混凝土抗压强度技术规程》，但该方法操作较复杂且对检测人员的技术水平和熟练程度要求较高，目前尚未得到广泛的应用和推广[3]。抗剪（双剪）法[4]和单剪法[5]为采用不同的加荷装置沿微小芯样直径方向施加径向荷载而得到相应的混凝土剪应力与混凝土抗压强度建立相关关系的检测技术；抗折法[6]为将从混凝土中取出的微小直径芯样利用专用装置对其径向施加竖向荷载而得到其混凝土抗弯折强度，继而建立其与混凝土抗压强度之间的函数关系，借以推定结构混凝土抗压强度的一种检测技术；此外文献 [6]还给出了直径 44mm 微小芯样混凝土的抗拉强度、抗折强度、抗剪强度以及原位单剪强度间存在的相关函数关系。上述研究均是针对微小芯样各种力学性能指标与混凝土抗压强度间的相关关系去展开的。

本试验采用泵送混凝土浇筑成型 150mm×150mm×150mm 立方体试件，自然养护。在试验龄期时，采用不同实验装置分别测试从立方体试件侧面混凝土中钻取的直径 44mm 微小芯样混凝土的抗拉强度、抗折强度、双剪强度以及单剪强度，同时测试相应龄期同强度等级的一组（3 块）立方体试件混凝土抗压强度。立方体试件抗压强度代表值的取值按现行 GB 50107—2010《混凝土强度检验标准》相关规定执行。采用最小二乘法对获取的试验数据进行回归拟合，以小芯样混凝土各种力学强度为自变量，立方体试件混凝土抗压强度代表值为因变量，给出相应的小芯样强度推定结构混凝土抗压强度的换算曲线，并重点从不同角度比较各检测方法的检测精度，从理论角度对其产生原因进行剖析。研究结果可供工程结构混凝土强度质量检测与理论研究参考。

1 试验设计

1.1 试件制作

泵送混凝土配合比设计采用符合相应标准的水泥、中砂、碎石、水、掺合料和外加剂按现行 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行配制。本次试验共设置 3 个混凝土强度等级：C20、C40、C60，浇筑成型150mm×150mm×150mm 标准立方体试件，成型 24h后拆模，并移至室外阴凉处码放，并模拟施工现场采取覆膜保湿养护 7d 后，自然养护，裸置备用。

1.2 测试方法

在龄期 14d、28d、60d、90d、180d、360d 时，从每强度等级试件中随机抽取不少于 2 组立方体试件，一组立方体试件为由混凝土钻芯机在每个试件侧面分别钻制抗拉、抗折、单剪与双剪试验用直径 44mm 圆柱体混凝土小芯样，其中抗拉与单剪用小芯样为原位测试，抗折与双剪用小芯样为钻取后置于专用装置中进行测试；另一组立方体试件用于得到同龄期的混凝土抗压强度而进行的试验压力机力学破型试验。试验用仪器设备均检定有效。

2 立方体试件强度与小芯样力学强度的函数关系

立方体试件抗压强度与小芯样抗拉强度、抗折强度、单剪强度及双剪强度的关系见图1。由图1 可知，微小直径芯样的各种力学强度均与立方体试件抗压强度存在良好的相关关系。现仅就试验数据，采用幂函数形式的回归数学模型，给出其各自的相关拟合函数及相应的误差统计结果，如表1 所示。表1 中 fccu表示混凝土强度换算值(MPa)；r 表示相关系数；δ 表示拟合函数的平均相对误差；er表示拟合函数的相对标准差。

3 小芯样强度推定混凝土抗压强度方法的比较

文中所涉及的 4 种方法均是围绕小直径芯样的各种力学强度与立方体抗压强度的关系而展开，现仅据本次试验数据对其检测效果进行比较与分析。

3.1 混凝土换算强度与立方体抗压强度的比较

按表1 中各方法的拟合曲线计算混凝土换算强度，并与相应的立方体试件抗压强度进行比较，结果见图2。由图2 可知，各检测方法的混凝土强度换算值与立方体强度的变化趋势一致。

图1 立方体试件强度与小芯样力学强度的关系

表1 拟合曲线及相应的统计结果

图2 混凝土换算强度与立方体抗压强度的比较

3.2 混凝土强度变异性比较

表2 为经统计得到的混凝土强度变异性技术指标。由表2 可知，各检测方法计算得到的混凝土抗压强度均值基本相同，但标准差存在差异，其中抗拉法最小，与其相应的变异系数亦为最小；双剪法和试件法基本相当，抗折法和单剪法居中。若与试件法的技术指标结果相比，抗折法、单剪法以及双剪法在数值上与其基本一致。

3.3 相对误差随立方体抗压强度的变化

图3 为试验混凝土强度的相对误差随立方体抗压强度的变化情况。由图3 可知，抗拉法表现出随立方体强度的增大，其相对误差由负偏差向正偏差呈现出规律性的单调递增的规律；其他 3 种方法的相对误差基本均匀的分布在 y=0 的两侧，其中单剪法的误差波动幅度较抗折法略高些，双剪法在中等混凝土强度时的误差幅度最大，达 40% 以上。

表2 试验混凝土抗压强度变异性统计指标

图3 相对误差随立方体抗压强度的变化

3.4 误差统计指标的比较

经统计得到的 4 种小芯样检测混凝土抗压强度的平均相对误差与相对标准差见图4 直方图所示。由图4 可知，抗折法误差最小，单剪法居中，抗拉法和双剪法最大。

图4 各检测方法误差统计指标的比较

3.5 拟合曲线变化速率的比较

以立方体试件抗压强度极差为基准，通过单位立方体试件抗压强度时相应的 4 种小芯样相应力学强度的变化快慢的量来表示拟合曲线变化速率，即变化速率为小芯样相应力学强度最大值减去其最小值后的极差值与相应的立方体试件抗压强度极差值的比值来表示。表3 为经统计得到的 4 种小芯样检测混凝土抗压强度拟合曲线变化速率的技术指标。

表3 拟合曲线变化速率的比较

由表3 可知，拟合曲线变化速率最大的是双剪法，从图1 可看出，该曲线变化较慢，曲线发展趋势较平缓，斜率较小；变化速率最小的是抗拉法，从图1 可看出，该曲线变化较快，曲线发展趋势较陡峭，斜率较大；抗折法与单剪法的变化速率居中。同时由表3 亦可看出，各检测方法统计数值相对变化较大，究其原因为检测方法自身所造成的。抗拉法属于无约束破坏，测试装置对芯样混凝土无约束，芯样因混凝土轴向受拉不足而破坏，断面位置不固定，常破坏于混凝土粗骨料与砂浆的粘结界面，其数值一般较小；抗折法属于部分约束破坏，测试装置对芯样端部有一定程度的约束，芯样因混凝土受弯拉强度不足而破坏，断面常位于作用荷载附近，其数值较抗拉法略高；单剪法属于有约束破坏，测试装置对破环断面位置约束较严，芯样因混凝土受剪拉不足而破坏，断面常在作用荷载处出现，断面处混凝土粗骨料多寡会对测试结果产生影响，其数值一般较大；双剪法属于有约束破坏，测试装置对破环断面位置有部分限制，同时对芯样端部有一定程度的约束，最后芯样因两个断面混凝土同时受剪拉而破坏，破坏断面常在面荷载作用的两端，加之芯样混凝土断面处粗骨料多寡的原因，其数值要大。

3.6 综合分析

混凝土为多项复合材料混成，其不同性质的力学强度为混凝土本质的固有属性，表现在量值上存在大小的差异。试验中以小芯样为测试样本，采用特定装置测试其不同性质的力学强度，经统计回归表现为与立方体抗压强度存在较为明显的相关性，但亦表现出小芯样因尺寸效应导致的力学强度与立方体抗压强度的相关敏感性的强弱和误差统计值的大小，其原因为既有测试装置对小芯样不同力学性能的测量结果造成的影响程度不同所致，也就是各检测方法不同所造成的，如特定的试验装置对双剪法试验结果的影响程度更大一些，表现为误差统计结果相对其他方法更大一些。因此，若改良测试装置会提高后期拟合曲线的检测精度，降低统计误差值。

单纯从拟合曲线的数学图形上来说，单位长度内跨越的范围越大，曲线斜率越小、越平缓，则曲线的检测精度越高，但从试验误差统计结果看到的情况却存在差异，双剪法统计误差值偏大，这也表明不同性质的小芯样强度与立方体抗压强度的整体检测的强弱不同，可能是客观存在的某种规律造成的。综上所述，采用既有试验方法得到的符合检测精度即误差指标应满足规定要求，目前的结果为抗折法、单剪法较好，而抗拉法、双剪法略差。