小直徑芯樣強度推定混凝土抗壓強度方法的比較

王大勇，高曉彬

（1. 廊坊市建設工程質量檢測中心，河北 廊坊 065000；2. 廊坊市陽光建設工程質量檢測有限公司，河北 廊坊 065000）

0 引言

目前，對實體結構混凝土強度的檢測常采用回彈法等間接檢測方法。從結構設計角度而言，混凝土保護層對結構構件的配筋進行耐久性保護，真正為結構承載力性能作出貢獻的是箍筋約束的核心混凝土的結構實體強度。

隨著結構混凝土向集約化、大流動性和免振搗趨勢的發展，現場混凝土強度檢測由測試其表面的間接檢測法逐步發展到檢測結構構件超過鋼筋保護層厚度的內部混凝土強度，隨之圍繞微小芯樣各種物理力學強度推定結構混凝土強度的研究日趨成為熱點[1-5]。早期的試驗研究表明[1,2]，小芯樣抗拉強度與混凝土抗壓強度存在良好的相關性，文獻 [2]對其影響因素進行了較為細致地研究。后經全國性的系統開發，該項技術形成了行業標準 JGJ/T 378—2016《拉脫法檢測混凝土抗壓強度技術規程》，但該方法操作較復雜且對檢測人員的技術水平和熟練程度要求較高，目前尚未得到廣泛的應用和推廣[3]?？辜簦p剪）法[4]和單剪法[5]為采用不同的加荷裝置沿微小芯樣直徑方向施加徑向荷載而得到相應的混凝土剪應力與混凝土抗壓強度建立相關關系的檢測技術；抗折法[6]為將從混凝土中取出的微小直徑芯樣利用專用裝置對其徑向施加豎向荷載而得到其混凝土抗彎折強度，繼而建立其與混凝土抗壓強度之間的函數關系，借以推定結構混凝土抗壓強度的一種檢測技術；此外文獻 [6]還給出了直徑 44mm 微小芯樣混凝土的抗拉強度、抗折強度、抗剪強度以及原位單剪強度間存在的相關函數關系。上述研究均是針對微小芯樣各種力學性能指標與混凝土抗壓強度間的相關關系去展開的。

本試驗采用泵送混凝土澆筑成型 150mm×150mm×150mm 立方體試件，自然養護。在試驗齡期時，采用不同實驗裝置分別測試從立方體試件側面混凝土中鉆取的直徑 44mm 微小芯樣混凝土的抗拉強度、抗折強度、雙剪強度以及單剪強度，同時測試相應齡期同強度等級的一組（3 塊）立方體試件混凝土抗壓強度。立方體試件抗壓強度代表值的取值按現行 GB 50107—2010《混凝土強度檢驗標準》相關規定執行。采用最小二乘法對獲取的試驗數據進行回歸擬合，以小芯樣混凝土各種力學強度為自變量，立方體試件混凝土抗壓強度代表值為因變量，給出相應的小芯樣強度推定結構混凝土抗壓強度的換算曲線，并重點從不同角度比較各檢測方法的檢測精度，從理論角度對其產生原因進行剖析。研究結果可供工程結構混凝土強度質量檢測與理論研究參考。

1 試驗設計

1.1 試件制作

泵送混凝土配合比設計采用符合相應標準的水泥、中砂、碎石、水、摻合料和外加劑按現行 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》進行配制。本次試驗共設置 3 個混凝土強度等級：C20、C40、C60，澆筑成型150mm×150mm×150mm 標準立方體試件，成型 24h后拆模，并移至室外陰涼處碼放，并模擬施工現場采取覆膜保濕養護 7d 后，自然養護，裸置備用。

1.2 測試方法

在齡期 14d、28d、60d、90d、180d、360d 時，從每強度等級試件中隨機抽取不少于 2 組立方體試件，一組立方體試件為由混凝土鉆芯機在每個試件側面分別鉆制抗拉、抗折、單剪與雙剪試驗用直徑 44mm 圓柱體混凝土小芯樣，其中抗拉與單剪用小芯樣為原位測試，抗折與雙剪用小芯樣為鉆取后置于專用裝置中進行測試；另一組立方體試件用于得到同齡期的混凝土抗壓強度而進行的試驗壓力機力學破型試驗。試驗用儀器設備均檢定有效。

2 立方體試件強度與小芯樣力學強度的函數關系

立方體試件抗壓強度與小芯樣抗拉強度、抗折強度、單剪強度及雙剪強度的關系見圖1。由圖1 可知，微小直徑芯樣的各種力學強度均與立方體試件抗壓強度存在良好的相關關系?，F僅就試驗數據，采用冪函數形式的回歸數學模型，給出其各自的相關擬合函數及相應的誤差統計結果，如表1 所示。表1 中 fccu表示混凝土強度換算值(MPa)；r 表示相關系數；δ 表示擬合函數的平均相對誤差；er表示擬合函數的相對標準差。

3 小芯樣強度推定混凝土抗壓強度方法的比較

文中所涉及的 4 種方法均是圍繞小直徑芯樣的各種力學強度與立方體抗壓強度的關系而展開，現僅據本次試驗數據對其檢測效果進行比較與分析。

3.1 混凝土換算強度與立方體抗壓強度的比較

按表1 中各方法的擬合曲線計算混凝土換算強度，并與相應的立方體試件抗壓強度進行比較，結果見圖2。由圖2 可知，各檢測方法的混凝土強度換算值與立方體強度的變化趨勢一致。

圖1 立方體試件強度與小芯樣力學強度的關系

表1 擬合曲線及相應的統計結果

圖2 混凝土換算強度與立方體抗壓強度的比較

3.2 混凝土強度變異性比較

表2 為經統計得到的混凝土強度變異性技術指標。由表2 可知，各檢測方法計算得到的混凝土抗壓強度均值基本相同，但標準差存在差異，其中抗拉法最小，與其相應的變異系數亦為最??；雙剪法和試件法基本相當，抗折法和單剪法居中。若與試件法的技術指標結果相比，抗折法、單剪法以及雙剪法在數值上與其基本一致。

3.3 相對誤差隨立方體抗壓強度的變化

圖3 為試驗混凝土強度的相對誤差隨立方體抗壓強度的變化情況。由圖3 可知，抗拉法表現出隨立方體強度的增大，其相對誤差由負偏差向正偏差呈現出規律性的單調遞增的規律；其他 3 種方法的相對誤差基本均勻的分布在 y=0 的兩側，其中單剪法的誤差波動幅度較抗折法略高些，雙剪法在中等混凝土強度時的誤差幅度最大，達 40% 以上。

表2 試驗混凝土抗壓強度變異性統計指標

圖3 相對誤差隨立方體抗壓強度的變化

3.4 誤差統計指標的比較

經統計得到的 4 種小芯樣檢測混凝土抗壓強度的平均相對誤差與相對標準差見圖4 直方圖所示。由圖4 可知，抗折法誤差最小，單剪法居中，抗拉法和雙剪法最大。

圖4 各檢測方法誤差統計指標的比較

3.5 擬合曲線變化速率的比較

以立方體試件抗壓強度極差為基準，通過單位立方體試件抗壓強度時相應的 4 種小芯樣相應力學強度的變化快慢的量來表示擬合曲線變化速率，即變化速率為小芯樣相應力學強度最大值減去其最小值后的極差值與相應的立方體試件抗壓強度極差值的比值來表示。表3 為經統計得到的 4 種小芯樣檢測混凝土抗壓強度擬合曲線變化速率的技術指標。

表3 擬合曲線變化速率的比較

由表3 可知，擬合曲線變化速率最大的是雙剪法，從圖1 可看出，該曲線變化較慢，曲線發展趨勢較平緩，斜率較??；變化速率最小的是抗拉法，從圖1 可看出，該曲線變化較快，曲線發展趨勢較陡峭，斜率較大；抗折法與單剪法的變化速率居中。同時由表3 亦可看出，各檢測方法統計數值相對變化較大，究其原因為檢測方法自身所造成的?？估▽儆跓o約束破壞，測試裝置對芯樣混凝土無約束，芯樣因混凝土軸向受拉不足而破壞，斷面位置不固定，常破壞于混凝土粗骨料與砂漿的粘結界面，其數值一般較??；抗折法屬于部分約束破壞，測試裝置對芯樣端部有一定程度的約束，芯樣因混凝土受彎拉強度不足而破壞，斷面常位于作用荷載附近，其數值較抗拉法略高；單剪法屬于有約束破壞，測試裝置對破環斷面位置約束較嚴，芯樣因混凝土受剪拉不足而破壞，斷面常在作用荷載處出現，斷面處混凝土粗骨料多寡會對測試結果產生影響，其數值一般較大；雙剪法屬于有約束破壞，測試裝置對破環斷面位置有部分限制，同時對芯樣端部有一定程度的約束，最后芯樣因兩個斷面混凝土同時受剪拉而破壞，破壞斷面常在面荷載作用的兩端，加之芯樣混凝土斷面處粗骨料多寡的原因，其數值要大。

3.6 綜合分析

混凝土為多項復合材料混成，其不同性質的力學強度為混凝土本質的固有屬性，表現在量值上存在大小的差異。試驗中以小芯樣為測試樣本，采用特定裝置測試其不同性質的力學強度，經統計回歸表現為與立方體抗壓強度存在較為明顯的相關性，但亦表現出小芯樣因尺寸效應導致的力學強度與立方體抗壓強度的相關敏感性的強弱和誤差統計值的大小，其原因為既有測試裝置對小芯樣不同力學性能的測量結果造成的影響程度不同所致，也就是各檢測方法不同所造成的，如特定的試驗裝置對雙剪法試驗結果的影響程度更大一些，表現為誤差統計結果相對其他方法更大一些。因此，若改良測試裝置會提高后期擬合曲線的檢測精度，降低統計誤差值。

單純從擬合曲線的數學圖形上來說，單位長度內跨越的范圍越大，曲線斜率越小、越平緩，則曲線的檢測精度越高，但從試驗誤差統計結果看到的情況卻存在差異，雙剪法統計誤差值偏大，這也表明不同性質的小芯樣強度與立方體抗壓強度的整體檢測的強弱不同，可能是客觀存在的某種規律造成的。綜上所述，采用既有試驗方法得到的符合檢測精度即誤差指標應滿足規定要求，目前的結果為抗折法、單剪法較好，而抗拉法、雙剪法略差。

4 結論

（1）測試得到的微小芯樣各物理力學強度均表現出與立方體試件抗壓強度較好的相關性，但由于試驗樣本的尺寸效應和既有測試裝置的合理性會對擬合結果產生一定的誤差。

（2）混凝土各種力學強度是其本質固有屬性，以微小直徑芯樣與其特定裝置測試得到的各種強度在量值上有大小之分，為各自的檢測方法所致。

（3）本次試驗的數據比較結果表明，采用小直徑芯樣強度推定結構混凝土抗壓強度的檢測精度：抗折法、單剪法較好，而抗拉法、雙剪法略差。

（4）改進測試裝置會提高后期擬合曲線的檢測精度，因此測試裝置的適恰性有待進一步的試驗研究。

[1]金礎石，朱琨．“圓板套筒式拉脫法”結構混凝土質量檢測技術[J]．建筑技術開發，1994(04): 32-36．

[2]王大勇．直拔法檢測泵送混凝土抗壓強度試驗研究[J]．混凝土世界，2012(04): 65-70．

[3]王大勇．拉脫法檢測混凝土抗壓強度技術研究[J]．河北工程質量，2016(04): 18-23．

[4]王大勇，張作棟，王亮，等．抗剪法檢測預拌混凝土抗壓強度試驗研究[J]．商品混凝土，2014(03):30-32+36．

[5]王大勇，王亮，張作棟，等．原位單剪法檢測混凝土抗壓強度試驗研究[J]．商品混凝土，2014(04): 39-42.

[6]王大勇，樊衛兵．小直徑芯樣混凝土力學性能指標間的換算關系研究[J]．商品混凝土，2017(12): 38-41．