天津地區(qū)冬施混凝土測(cè)強(qiáng)曲線研究

劉 暢

（天津市農(nóng)墾房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)建設(shè)有限公司，天津 300222）

0 引 言

回彈法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度是利用混凝土回彈值與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系來(lái)推算混凝土抗壓強(qiáng)度的一種無(wú)損檢測(cè)方法，也是被國(guó)際學(xué)術(shù)界和工程界公認(rèn)為混凝土強(qiáng)度的無(wú)損檢測(cè)方法之一。但由于回彈儀的工作原理限制，導(dǎo)致其只能在混凝土表端 10 mm 厚度范圍內(nèi)檢測(cè)混凝土內(nèi)部強(qiáng)度的情況，然而混凝土表面因?yàn)槭艿綔囟?、濕度以及碳化等因素的影響，其表面?qiáng)度與內(nèi)部真實(shí)強(qiáng)度存在一定程度上的偏差，從而需要針對(duì)不同情況對(duì)其進(jìn)行修正。相關(guān)研究表明：影響“fcu-R”關(guān)系的外在因素主要有表面濕度、養(yǎng)護(hù)條件、模板材料類型、碳化深度以及齡期［1］，內(nèi)在因素主要包括混凝土表面疏松層、骨料與水泥基體的粘結(jié)程度等［2，3］。

統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線的建立是以自然養(yǎng)護(hù)且混凝土表面干燥為條件，對(duì)于冬季施工條件下的混凝土，其養(yǎng)護(hù)條件與表面濕潤(rùn)程度和常規(guī)條件下有很大差異。已有研究表明［4，5］：在回彈值相同的條件下，表面干燥的混凝土測(cè)定的強(qiáng)度要比表面濕潤(rùn)的混凝土測(cè)定的強(qiáng)度低，并且混凝土經(jīng)歷干、濕的時(shí)間越長(zhǎng)，其回彈值的差異也越大。另一方面，混凝土表面的溫濕度差異容易造成表面孔隙率不同，對(duì)碳化深度也會(huì)構(gòu)成影響，混凝土碳化后，表面硬度提高，但其結(jié)構(gòu)實(shí)則疏松，依據(jù)回彈值所推算的抗壓強(qiáng)度反而偏低［6-8］。為此，眾多學(xué)者研究了不同混凝土種類回彈測(cè)強(qiáng)曲線的多種函數(shù)形式，并對(duì)其影響因素以及適用性做了分析論證。劉漢勇等［9］學(xué)者對(duì)甌江大橋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了長(zhǎng)齡期檢測(cè)，并對(duì)同一批混凝土分別進(jìn)行了普通回彈儀和高強(qiáng)回彈儀的強(qiáng)度檢測(cè)，研究表明利用普通回彈儀所建立的測(cè)強(qiáng)曲線可以對(duì)高強(qiáng)混凝土進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)，且精度較高。朱浮聲等［10］從高強(qiáng)回彈儀和普通回彈儀的能量輸出比例入手，通過(guò)大量混凝土試塊試驗(yàn)得到了測(cè)強(qiáng)曲線，驗(yàn)證了普通回彈儀在高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度檢測(cè)中的適用性。但目前針對(duì)冬季施工條件下回彈法測(cè)強(qiáng)曲線的分析還鮮有研究。

在 JGJ/T23-2011《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》［11］（以下簡(jiǎn)稱“規(guī)程”）中指出：“有條件的地區(qū)和部門(mén)，應(yīng)制定本地區(qū)的測(cè)強(qiáng)曲線或?qū)Ｓ脺y(cè)強(qiáng)曲線。檢測(cè)單位宜采用專用測(cè)強(qiáng)曲線、地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線、統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線的順序選用測(cè)強(qiáng)曲線?！睘榇?，本文制備了三種強(qiáng)度等級(jí)（C40、C50、C60）的混凝土試塊，并置于室外現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)齡期（150 d）同條件養(yǎng)護(hù)，采用不同沖擊動(dòng)能的回彈儀分別建立了測(cè)強(qiáng)曲線，分析了抗壓強(qiáng)度與回彈值二者之間的相關(guān)關(guān)系，得到了天津地區(qū)冬施條件下的回彈法測(cè)強(qiáng)曲線，分析了普通回彈儀（2.207 J）與重型回彈儀（4.5 J）在不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土強(qiáng)度檢測(cè)中的適用性，并與全國(guó)統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線進(jìn)行了對(duì)比分析，為建立天津地區(qū)專用測(cè)強(qiáng)曲線提供了參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)選用的混凝土采用天津地區(qū)某混凝土公司配合比，為天津地區(qū)工程中常用商品混凝土，澆筑日期為 2016年12月，日平均氣溫低于 5 ℃，最低氣溫低于 3 ℃，依據(jù)相關(guān)規(guī)范可判別為冬期施工。制備混凝土原材料信息如表1所示，混凝土成分用料如表2所示。

采用以上原材料與配合比制備出尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 的混凝土試塊，分別對(duì)每種強(qiáng)度等級(jí)（C40、C50、C60）下不同齡期（7 d、14 d、28 d、60 d、90 d、600 ℃?d、120 d、150 d）的同條件養(yǎng)護(hù)試塊進(jìn)行回彈法強(qiáng)度檢測(cè)，每一強(qiáng)度等級(jí)在每個(gè)齡期預(yù)留 3 個(gè)混凝土試塊，所有試塊置于室外現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行同條件養(yǎng)護(hù)。檢測(cè)時(shí)，擦凈試塊表面，以澆筑側(cè)面的兩個(gè)相對(duì)面置于壓力機(jī)的上下承壓板之間（見(jiàn)圖1），在試塊保持壓力的狀態(tài)下，于兩個(gè)側(cè)面上分別彈擊 8 個(gè)測(cè)點(diǎn)，從每一塊試塊的 16 個(gè)回彈值中分別剔除 3 個(gè)最大值和 3 個(gè)最小值，余下的 10 個(gè)回彈值取平均值作為本組試塊的平均回彈值Rm如式（1）所示，精確到 0.1 MPa。之后將試塊置于壓力試驗(yàn)機(jī)做抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，記錄其抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu，精確到 0.1 MPa。每組齡期測(cè)定回彈值的同時(shí)對(duì)混凝土試塊進(jìn)行碳化深度的測(cè)量。

表1 試驗(yàn)原材料信息

圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖

C40 混凝土采用普通回彈儀（2.207 J）檢測(cè)混凝土強(qiáng)度；C50 混凝土分別采用普通回彈儀（2.207 J）和 4.5 J 高強(qiáng)回彈儀檢測(cè)混凝土強(qiáng)度；C60 混凝土采用 4.5 J 高強(qiáng)回彈儀檢測(cè)混凝土強(qiáng)度，用以進(jìn)行后續(xù)回彈法測(cè)強(qiáng)曲線的分析。

1.2 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)選用的儀器規(guī)格及參數(shù)如表3所示。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

不同齡期下，同條件養(yǎng)護(hù)的試塊的回彈值與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

縱觀表4可以分析出 C40 混凝土試塊采用普通回彈儀（2.207 J）測(cè)出的回彈值與抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出較高程度的相關(guān)關(guān)系，C50 混凝土試塊采用普通回彈儀（2.207 J）測(cè)出的回彈值與抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出較高程度的相關(guān)關(guān)系，C50 和 C60 混凝土試塊采用 4.5 J高強(qiáng)回彈儀測(cè)出的回彈值與抗壓強(qiáng)度相關(guān)性不強(qiáng)，對(duì)天津地區(qū)冬施混凝土的強(qiáng)度檢測(cè)無(wú)太大參考價(jià)值。

表2 混凝土成分用料信息

表3 試驗(yàn)儀器及參數(shù)

表4 回彈值與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2 冬施混凝土測(cè)強(qiáng)曲線分析

2.1 普通回彈儀得到的測(cè)強(qiáng)曲線

將 C40、C50 混凝土試塊所測(cè)得的回彈值和抗壓強(qiáng)度的關(guān)系繪于二維坐標(biāo)系中（見(jiàn)圖2），可以看出，在不考慮碳化深度的影響后，回彈值與抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出一定程度的相關(guān)關(guān)系。在此，選取二次函數(shù)、冪函數(shù)與線性函數(shù)分別對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，并按“規(guī)程”要求分別計(jì)算平均相對(duì)誤差與相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差，三種函數(shù)形式的誤差及相關(guān)系數(shù)如表5所示。從表5可以看出：三種函數(shù)形式的相關(guān)性系數(shù)相差不大，平均相對(duì)誤差與相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差也均滿足“規(guī)程”對(duì)專用測(cè)強(qiáng)曲線的誤差要求。其中，線性函數(shù)的相關(guān)性系數(shù)最高，測(cè)強(qiáng)曲線方程如式 2 所示。

式中：fcu為混凝土抗壓強(qiáng)度換算值，精確到 0.1 MPa；Rm為回彈平均值，精確到 0.1 MPa。

圖2 C40、C50 混凝土回彈值與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系（2.207 J 回彈儀）

2.2 高強(qiáng)回彈儀得到的測(cè)強(qiáng)曲線

將重型回彈儀（4.5J）所檢測(cè)的 C50、C60 混凝土試塊的平均回彈值和抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采用最小二乘法作回歸分析，不考慮碳化深度的影響，得出混凝土試塊回彈值與抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值之間的關(guān)系如圖3所示，可以看出：檢測(cè)數(shù)據(jù)具有較高的離散程度，且分布在坐標(biāo)圖中較廣的區(qū)域內(nèi)。同樣選取二次函數(shù)、冪函數(shù)與線性函數(shù)對(duì)回彈法的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，三種函數(shù)形式的誤差及相關(guān)系數(shù)表6所示。從表6可以看出：三種函數(shù)形式的相關(guān)性系數(shù)相差較大，沒(méi)有呈現(xiàn)出較高的相關(guān)關(guān)系，三種函數(shù)形式的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差均超出了“規(guī)程”對(duì)專用測(cè)強(qiáng)曲線的誤差要求。

2.3 與統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線的對(duì)比分析

依據(jù) JGJ/T 23-2011《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》［11］、JGJ/T 294-2013《高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》［12］，由普通回彈儀與高強(qiáng)回彈儀所檢測(cè)的混凝土抗壓強(qiáng)度統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線的計(jì)算模型如式 3、4 所示：

表5 測(cè)強(qiáng)曲線函數(shù)形式的對(duì)比（2.207J 回彈儀）

表6 測(cè)強(qiáng)曲線函數(shù)形式的對(duì)比（4.5 J 回彈儀）

圖3 C50、C60 混凝土回彈值與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系（4.5 J 回彈儀）

由 2.1 節(jié)普通回彈儀得到的混凝土測(cè)強(qiáng)曲線（式2）與全國(guó)統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線對(duì)比如圖4所示，由圖中可以看出：依照式 2 所推算的混凝土強(qiáng)度換算值要比統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線的強(qiáng)度換算值高，并且隨著回彈值Rm的提高，新測(cè)強(qiáng)曲線與統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線的強(qiáng)度換算值也逐步接近。此外，由統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線得出的強(qiáng)度換算值較實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均普遍偏低，可見(jiàn)，采用統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線計(jì)算的混凝土強(qiáng)度換算值偏保守，不適于天津地區(qū)冬施混凝土的強(qiáng)度檢測(cè)。另一方面，統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線強(qiáng)度換算值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相差較大，C40、C50 強(qiáng)度等級(jí)混凝土試塊的平均相對(duì)誤差分別為 10.418 0 %、10.441 5 %，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差分別為 16.559 3 %、16.261 3 %，其中，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差均超出了“規(guī)程”對(duì)專用測(cè)強(qiáng)曲線的精度要求。而新測(cè)強(qiáng)曲線的平均相對(duì)誤差分別為 4.549 4 %、4.301 7 %，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差分別為 8.235 9 %、7.647 1 %，均滿足“規(guī)程”對(duì)專用測(cè)強(qiáng)曲線的精度要求，且遠(yuǎn)低于統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線的誤差，由此可以看出：新測(cè)強(qiáng)曲線分別與 C40、C50 混凝土的回彈值之間均具有較好的統(tǒng)計(jì)特性，回歸方程的計(jì)算精度要高于統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線。

圖4 新測(cè)強(qiáng)曲線、統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)系（C40，C50）

由 2.2 節(jié)的試驗(yàn)結(jié)論可知，沖擊動(dòng)能為 4.5 J 的回彈儀在 C50、C60 強(qiáng)度等級(jí)混凝土試塊中的檢測(cè)結(jié)果具有較高的離散性，三種函數(shù)形式的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差均超出了“規(guī)程”所規(guī)定的誤差。依據(jù) 2.2 節(jié)的試驗(yàn)結(jié)論，將相關(guān)性系數(shù)最高的線性函數(shù)與統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線作對(duì)照分析，其結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯涸诨炷猎噳K的抗壓強(qiáng)度低于 45 MPa 時(shí)，采用線性函數(shù)所推算的混凝土強(qiáng)度要高于統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線所推算的混凝土強(qiáng)度，而當(dāng)混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度高于 45 MPa 時(shí)，規(guī)律則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。由表4所統(tǒng)計(jì)的試驗(yàn)結(jié)果可知，抗壓強(qiáng)度低于 45 MPa 的幾個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)均分布在齡期 7～14 d，結(jié)合本次試驗(yàn)初期的氣候條件，在齡期 7～14 d 的階段，氣候寒冷、多風(fēng)，環(huán)境日最高溫度基本低于 5 ℃，同條件養(yǎng)護(hù)的混凝土試塊受外界環(huán)境影響嚴(yán)重，導(dǎo)致前期混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢。另一方面，根據(jù)普通回彈儀的檢測(cè)結(jié)果并結(jié)合對(duì)不同沖擊動(dòng)能回彈儀的工作原理分析：普通回彈儀（2.207 J）由于沖擊動(dòng)能較小，受實(shí)體混凝土構(gòu)件表面硬度的影響程度較大，因此所檢測(cè)出的回彈值更多的反映的是混凝土表面的硬度，混凝土表面的破損情況、潮濕程度均會(huì)對(duì)回彈值造成較大影響。而 4.5 J 回彈儀由于沖擊動(dòng)能較大，其回彈的影響范圍已經(jīng)透過(guò)水泥表層，擴(kuò)展到骨料和界面的過(guò)渡層，因此能更為準(zhǔn)確地反映內(nèi)部結(jié)構(gòu)與真實(shí)強(qiáng)度的關(guān)系，由表4也可以看出：相比于普通回彈儀所檢測(cè)的結(jié)果，4.5 J 回彈儀所檢測(cè)的回彈法推定強(qiáng)度更接近實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度。

圖5 新測(cè)強(qiáng)曲線、統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)系（C50，C60）

3 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)三種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土進(jìn)行了長(zhǎng)齡期下的回彈法測(cè)強(qiáng)曲線研究，將預(yù)留的試塊置于室外現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，分別建立了天津地區(qū)在冬季施工條件下，普通回彈儀和高強(qiáng)回彈儀的混凝土測(cè)強(qiáng)曲線，并與全國(guó)統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線作了對(duì)比分析，得出如下結(jié)論。

1）采用普通回彈儀（2.207 J）對(duì) C40、C50 強(qiáng)度等級(jí)混凝土試塊進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)，試塊回彈值與抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出較高程度的相關(guān)關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行三種函數(shù)形式的回歸分析，二者線性相關(guān)性程度較高。而采用統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線計(jì)算的 C40、C50 混凝土強(qiáng)度換算值偏保守，不適于天津地區(qū)冬施混凝土的強(qiáng)度檢測(cè)。

2）采用高強(qiáng)回彈儀（4.5 J）所建立的 C50、C60 強(qiáng)度等級(jí)混凝土的測(cè)強(qiáng)曲線具有較大的離散性，采用高強(qiáng)混凝土統(tǒng)一測(cè)強(qiáng)曲線對(duì) C50、C60 混凝土試塊進(jìn)行回歸分析，二者在 45 MPa 前后呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。結(jié)合不同齡期下的氣候特征與回彈儀沖擊動(dòng)能的分析，并依據(jù)普通回彈儀對(duì) C40、C50 混凝土的檢測(cè)結(jié)果，可以認(rèn)為：混凝土表面的情況受外界影響嚴(yán)重，對(duì)較低沖擊動(dòng)能回彈儀所檢測(cè)的回彈值造成較大影響，高強(qiáng)回彈儀所檢測(cè)的推定強(qiáng)度更接近實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度，有待結(jié)合混凝土內(nèi)部與外部強(qiáng)度差異作進(jìn)一步研究。