回彈法檢測冬季負(fù)溫泵送商品混凝土實(shí)體抗壓強(qiáng)度研究

王大勇

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

0 引言

回彈法因其測量工具攜帶方便、操作簡捷而成為工程結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度質(zhì)量控制的重要手段。由于我國地域廣闊，各地區(qū)混凝土原材料、施工工藝、養(yǎng)護(hù)以及外界環(huán)境等因素存在差異，導(dǎo)致在應(yīng)用 JGJ/T 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱“回彈規(guī)程”）中泵送混凝土國家統(tǒng)一測強(qiáng)曲線時(shí)，回彈法檢測結(jié)果存在普遍偏低的現(xiàn)象。為提高回彈法檢測精度，國內(nèi)部分地區(qū)建立了適合本地區(qū)混凝土特點(diǎn)的專用或地區(qū)測強(qiáng)曲線[1-2]。從現(xiàn)有研究來看，上述研究成果適用于正常環(huán)境下成型結(jié)構(gòu)實(shí)體泵送混凝土抗壓強(qiáng)度現(xiàn)場檢測，但未涉及特殊情況下，如寒冷地區(qū)負(fù)溫環(huán)境泵送混凝土澆筑成型結(jié)構(gòu)實(shí)體混凝土抗壓強(qiáng)度的推定。

回彈法測強(qiáng)曲線制定時(shí)，普遍以同條件養(yǎng)護(hù)或自然養(yǎng)護(hù)立方體試塊為研究對象，而立方體試塊所處空間位置、環(huán)境等較難準(zhǔn)確模擬并反應(yīng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件在尺寸效應(yīng)以及應(yīng)力應(yīng)變、凍融、風(fēng)場速度、負(fù)溫、濕度梯度等場環(huán)境影響下的實(shí)體混凝土強(qiáng)度；同時(shí)負(fù)溫環(huán)境下的立方體試塊與結(jié)構(gòu)實(shí)體混凝土測試面受模板類型、拆模時(shí)機(jī)以及所處空間環(huán)境的綜合影響，會(huì)造成二者測試面硬度劣化程度不同步，致使后期擬合的回彈測強(qiáng)曲線檢測精度存在差異。因而造成以立方體試塊抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)的、以混凝土測試面硬度來反映其強(qiáng)度質(zhì)量的回彈法間接檢測技術(shù)，在采用由試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸擬合測強(qiáng)曲線來計(jì)算得到的測區(qū)混凝土換算強(qiáng)度，不能真實(shí)反映結(jié)構(gòu)實(shí)體混凝土的實(shí)際強(qiáng)度。

試驗(yàn)采用本地區(qū)常用原材料與混凝土配合比，在冬季負(fù)溫環(huán)境中，采取泵送復(fù)摻粉煤灰礦粉混凝土澆筑成型足尺結(jié)構(gòu)實(shí)體試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在?guī)定齡期對試驗(yàn)用墻體混凝土進(jìn)行測區(qū)回彈值及相應(yīng)測區(qū)碳化深度測量，后在相應(yīng)回彈測區(qū)鉆取直徑 100mm 芯樣測試混凝土抗壓強(qiáng)度，以芯樣試件抗壓強(qiáng)度替代常規(guī)立方體試塊抗壓強(qiáng)度。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效性分析后，按最小二乘法原理回歸得到回彈法檢測冬季負(fù)溫施工泵送商品混凝土測強(qiáng)曲線，并與國家統(tǒng)一測強(qiáng)曲線比較，同時(shí)分析測區(qū)混凝土碳化深度取值規(guī)則對擬合測強(qiáng)曲線誤差的影響，探討標(biāo)稱能量為 2.207J 中型回彈儀檢測泵送混凝土長齡期實(shí)體芯樣高強(qiáng)度區(qū)段的適用性，以及在長齡期實(shí)體芯樣混凝土高強(qiáng)度區(qū)段中對擬合測強(qiáng)曲線的修正問題。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料及混凝土配合比

水泥（C）為北京立馬 42.5 級普通硅酸鹽水泥，礦粉（SA）為唐山三水產(chǎn) S95 級，粉煤灰（FA）為天津市薊縣協(xié)合粉煤灰加工廠生產(chǎn) Ⅱ 級標(biāo)準(zhǔn)灰，細(xì)骨料（S）為涿州中砂，粗骨料（G）為三河 5～25mm 粒徑碎石，減水劑（JF）為北京方興 JF-9 型高效泵送防凍減水劑，拌合用水（W）為當(dāng)?shù)刈詠硭?。試?yàn)用 C20、C30、C50、C60 四個(gè)強(qiáng)度等級的混凝土配合比見表 1。

表 1 試驗(yàn)混凝土配合比 kg/m3

1.2 足尺結(jié)構(gòu)實(shí)體試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

在確定室外日均環(huán)境溫度連續(xù) 5d 穩(wěn)定低于 0℃ ，即華北地區(qū)嚴(yán)冬季節(jié)，采用生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定且應(yīng)用量較大的大型商品混凝土攪拌站提供的常用混凝土配合比泵送澆筑 C20、C30、C50、C60 強(qiáng)度等級的足尺結(jié)構(gòu)實(shí)體試驗(yàn)?zāi)Ｐ透?1 個(gè)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ图艾F(xiàn)場試驗(yàn)情況見圖 1。

圖 1 足尺結(jié)構(gòu)實(shí)體試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸囼?yàn)現(xiàn)場

結(jié)構(gòu)混凝土施工與養(yǎng)護(hù)按 JGJ 104—2011《建筑工程冬期施工規(guī)程》與 GB 50204—2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》實(shí)施。足尺結(jié)構(gòu)實(shí)體試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛪w與樓板按構(gòu)造配筋，墻體厚度 200mm。泵送混凝土澆筑成型后，保溫覆蓋養(yǎng)護(hù)至 28d 齡期，后裸置備用。

1.3 測試方法

在足尺結(jié)構(gòu)實(shí)體試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑囼?yàn)用墻體側(cè)面沿高度方向布設(shè) 200mm 200mm 測區(qū)，當(dāng)齡期為 28d、60d、90d、120d、150d、360d、2y、3y 時(shí)，選擇試驗(yàn)現(xiàn)場溫度處于標(biāo)稱能量 2.207J 中型回彈儀工作溫度 -4～40℃范圍時(shí)進(jìn)行回彈測試與混凝土碳化深度測量，并在對應(yīng)回彈測區(qū)混凝土中鉆取直徑 100mm 芯樣。芯樣加工成標(biāo)準(zhǔn)試件后，由壓力機(jī)進(jìn)行混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)用儀器設(shè)備均在計(jì)量檢定校準(zhǔn)有效期內(nèi)，數(shù)據(jù)測試按現(xiàn)行規(guī)程執(zhí)行[3,4]。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同環(huán)境泵送成型結(jié)構(gòu)實(shí)體混凝土抗壓強(qiáng)度比較

正常環(huán)境溫度與冬季負(fù)溫環(huán)境泵送混凝土剪力墻實(shí)體抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化[5,6]見圖 2。由圖 2 知，任何環(huán)境下泵送施工的摻合料混凝土均表現(xiàn)出隨混凝土強(qiáng)度等級提高，由芯樣抗壓強(qiáng)度表征的結(jié)構(gòu)實(shí)體混凝土抗壓強(qiáng)度均隨齡期呈自然對數(shù)增長趨勢；相同強(qiáng)度等級混凝土在相同齡期時(shí)，正常環(huán)境溫度較冬季負(fù)溫環(huán)境下成型的實(shí)體混凝土抗壓強(qiáng)度顯著偏高，這表明外界環(huán)境溫度對澆筑成型后混凝土的硬化歷程或強(qiáng)度形成過程影響較大。

2.2 與泵送混凝土國家統(tǒng)一回彈測強(qiáng)曲線的比較

式 (1) 為現(xiàn)行回彈規(guī)程中泵送混凝土國家統(tǒng)一測強(qiáng)曲線。

式中：

fccu,i——第i個(gè)測區(qū)混凝土抗壓強(qiáng)度換算值，精確至 0.1MPa；

Rm,i——第i個(gè)測區(qū)回彈值，MPa；

dm,i——第i個(gè)測區(qū)平均碳化深度值，精確至 0.5mm

圖 2 不同環(huán)境成型剪力墻混凝土強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

圖 3 芯樣混凝土抗壓強(qiáng)度與混凝土換算強(qiáng)度比較

經(jīng)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，得到回彈法國家統(tǒng)一測強(qiáng)曲線的平均相對誤差δ為±21.7%，相對標(biāo)準(zhǔn)差er為25.7%，其值均明顯低于現(xiàn)行回彈規(guī)程中對于地區(qū)測強(qiáng)曲線要求的平均相對誤差δ不應(yīng)大于 ±14.0% 且相對標(biāo)準(zhǔn)差er不應(yīng)大于 17.0%、專用測強(qiáng)曲線要求其平均相對誤差δ不應(yīng)大于 ±12.0% 且相對標(biāo)準(zhǔn)差er不應(yīng)大于14.0% 的規(guī)定。這表明，采用回彈法原位檢測冬季負(fù)溫泵送復(fù)摻粉煤灰礦粉混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)體抗壓強(qiáng)度時(shí)，按現(xiàn)行回彈規(guī)程中泵送混凝土國家統(tǒng)一測強(qiáng)曲線（式 (1)）計(jì)算得到的混凝土換算強(qiáng)度低于結(jié)構(gòu)實(shí)體芯樣混凝土抗壓強(qiáng)度，檢測精度明顯偏低，這會(huì)影響正確評價(jià)該工況下的結(jié)構(gòu)實(shí)體混凝土抗壓強(qiáng)度，因此有必要建立回彈法檢測冬季負(fù)溫泵送復(fù)摻粉煤灰礦粉混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)體抗壓強(qiáng)度測強(qiáng)曲線。文中平均相對誤差δ與強(qiáng)度相對標(biāo)準(zhǔn)差er按式 (2)、(3) 計(jì)算，式中符號(hào)涵義同現(xiàn)行回彈規(guī)程。

2.3 回彈法檢測冬季負(fù)溫泵送商品混凝土測強(qiáng)曲線

2.3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效性分析

圖 4 為按 GB/T 4883—2008《數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理和解釋 正態(tài)樣本離群值的判斷和處理》中 Grubbs 檢驗(yàn)法對粗大誤差試驗(yàn)數(shù)據(jù)剔除后的芯樣混凝土抗壓強(qiáng)度與測區(qū)回彈值的關(guān)系。由圖 4 可知，測區(qū)回彈值與其相應(yīng)測區(qū)混凝土中的芯樣抗壓強(qiáng)度具有顯著的相關(guān)性。

圖 4 芯樣混凝土抗壓強(qiáng)度與測區(qū)回彈值關(guān)系

2.3.2 回彈法測強(qiáng)曲線建模

回彈法檢測冬季負(fù)溫泵送商品混凝土實(shí)體測強(qiáng)曲線數(shù)學(xué)模型選取僅含有測區(qū)回彈值參數(shù)的冪函數(shù)和同時(shí)含有測區(qū)回彈值及相應(yīng)碳化深度參數(shù)的復(fù)合冪指數(shù)函數(shù)兩種形式。其中，采用復(fù)合冪指數(shù)函數(shù)形式回歸擬合前，對測區(qū)碳化深度取值制定如下規(guī)則，其中規(guī)則 ② 的測區(qū)碳化深度取值與現(xiàn)行回彈規(guī)程一致：

規(guī)則 ①：取測區(qū)碳化深度實(shí)測值

規(guī)則 ②：當(dāng)測區(qū)碳化深度≥6.0mm 時(shí)，取 6.0mm

規(guī)則 ③：當(dāng)測區(qū)碳化深度≥8.0mm 時(shí)，取 8.0mm

規(guī)則 ④：當(dāng)測區(qū)碳化深度≥10.0mm 時(shí)，取 10.0m

據(jù)最小二乘法原理，對 309 組有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，經(jīng)回歸得到的回彈法檢測冬季負(fù)溫泵送商品混凝土測強(qiáng)曲線及其相應(yīng)相關(guān)系數(shù)r、平均相對誤差δ及相對標(biāo)準(zhǔn)差er統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表 2。由表 2 知：（1）各回歸測強(qiáng)曲線的相關(guān)系數(shù)均在0.9 左右，這表明所選擇的因變量與自變量參數(shù)間的相關(guān)程度極高；（2）測區(qū)混凝土碳化深度取值規(guī)則對回歸測強(qiáng)曲線誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果存在一定程度的影響；（3）按規(guī)則 ① 取測區(qū)混凝土碳化深度實(shí)測值時(shí)，得到的回歸測強(qiáng)曲線平均相對誤差δ為 ±13.5%，相對標(biāo)準(zhǔn)差er為 16.9%，均滿足現(xiàn)行回彈規(guī)程中對地區(qū)測強(qiáng)曲線的誤差技術(shù)指標(biāo)的規(guī)定。初步選取式 (4) 為回彈法檢測冬季負(fù)溫泵送復(fù)摻粉煤灰礦粉混凝土實(shí)體測強(qiáng)曲線。

表 2 回歸測強(qiáng)曲線及其相關(guān)統(tǒng)計(jì)量

2.3.3 測區(qū)碳化深度對回歸測強(qiáng)曲線誤差的影響

圖 5 為測區(qū)混凝土碳化深度與其對應(yīng)測區(qū)回彈值、芯樣抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。從圖 5 可直觀地看出，隨混凝土強(qiáng)度的增大，測區(qū)碳化深度值大部分呈減小趨勢；碳化深度對混凝土測試面硬度（回彈值）有一定程度影響，但規(guī)律不明顯，這可能是表 2 中冪函數(shù)回歸曲線與復(fù)合冪指數(shù)曲線的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果相差不大的緣故。

圖 5 測區(qū)碳化深度與回彈值、芯樣混凝土抗壓強(qiáng)度關(guān)系

表 3 是對試驗(yàn)混凝土碳化深度超過 6.0mm 的樣本數(shù)量及所占比例情況的統(tǒng)計(jì)。由表 3 知，測區(qū)碳化深度超過 6.0mm 的樣本數(shù)量占總體的比例為 28.5%，測區(qū)碳化深度超過 8.0mm 的樣本數(shù)量占總體的比例僅為9.4%。對試驗(yàn)混凝土而言，測區(qū)混凝土高碳化深度值樣本所占比例較小，故在擬合用數(shù)學(xué)模型中引入碳化深度參數(shù)以及采取測區(qū)碳化深度取值規(guī)則的措施均不能有效提高回歸測強(qiáng)曲線的誤差統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，這與表 2 中各個(gè)含碳化深度參數(shù)回歸測強(qiáng)曲線的誤差統(tǒng)計(jì)數(shù)值變化幅度較小的結(jié)果一致。

2.3.4 中型回彈儀在芯樣混凝土高強(qiáng)度區(qū)段的適用性檢驗(yàn)

試驗(yàn)用復(fù)摻粉煤灰礦粉混凝土泵送成型的結(jié)構(gòu)實(shí)體混凝土后期抗壓強(qiáng)度較高，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明齡期 3y時(shí) C60 強(qiáng)度等級足尺模型剪力墻混凝土中芯樣抗壓強(qiáng)度最高達(dá) 95MPa，強(qiáng)度增幅達(dá)到其強(qiáng)度等級標(biāo)準(zhǔn)值的159%。由于現(xiàn)行回彈規(guī)程提供的標(biāo)稱能量 2.207J 中型回彈儀對普通混凝土抗壓強(qiáng)度的適用區(qū)間為 10.0～60.0MPa，因此有必要采用本試驗(yàn)數(shù)據(jù)，探討中型回彈儀在芯樣高強(qiáng)度區(qū)段（60～95MPa）的適用性。

本文回歸測強(qiáng)曲線（式 (4)）在芯樣混凝土高強(qiáng)度區(qū)段的誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表 4。由表 4 知：（1）在芯樣強(qiáng)度 90.0～95.5MPa 區(qū)段內(nèi)的樣本數(shù)量偏少；（2）本文回歸測強(qiáng)曲線（式 (4)）在芯樣混凝土高強(qiáng)度區(qū)段的統(tǒng)計(jì)量：平均相對誤差與相對標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值均達(dá)到地區(qū)測強(qiáng)曲線的誤差技術(shù)指標(biāo)規(guī)定，這表明中型回彈儀適用于長齡期時(shí)由本試驗(yàn)所配制的強(qiáng)度等級混凝土泵送澆筑的結(jié)構(gòu)實(shí)體混凝土中芯樣抗壓強(qiáng)度 95MPa 以內(nèi)的結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強(qiáng)度檢測。

表 3 測區(qū)混凝土碳化深度分布

表 4 實(shí)體混凝土芯樣高強(qiáng)度區(qū)段誤差統(tǒng)計(jì)

2.3.5 擬合曲線在芯樣混凝土高強(qiáng)度區(qū)段的修正

圖 6 為由本文回歸測強(qiáng)曲線（式 (4)）計(jì)算得到的測區(qū)混凝土換算強(qiáng)度與相應(yīng)芯樣抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。由圖6 知，大部分?jǐn)?shù)據(jù)散點(diǎn)在 y=x 線附近的分布較為分散。

考慮中型回彈儀在芯樣混凝土 60～95MPa 高強(qiáng)度區(qū)段檢測結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強(qiáng)度的準(zhǔn)確性與穩(wěn)健性，據(jù)最小二乘法原理采用線性數(shù)學(xué)模型對本文回歸測強(qiáng)曲線（式 (4)）進(jìn)行修正。經(jīng)回歸擬合得到最優(yōu)線性修正公式見式 (5)，經(jīng)修正后的測強(qiáng)曲線誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4，修正前后的測區(qū)混凝土換算強(qiáng)度與相應(yīng)芯樣抗壓強(qiáng)度的比較見圖 6。

由圖 6 知，修正后較修正前，有更多的數(shù)據(jù)散點(diǎn)較緊湊的圍繞在 y=x 線附近。由表 4 知，從誤差統(tǒng)計(jì)數(shù)值上可以看到，在 60.0～89.9MPa 強(qiáng)度區(qū)段的混凝土強(qiáng)度平均相對誤差δ與相對標(biāo)準(zhǔn)差er：修正后較修正前的誤差統(tǒng)計(jì)指標(biāo)有顯著提高；除 90.0～95.5MPa 強(qiáng)度區(qū)段誤差有所增加外，其他強(qiáng)度區(qū)段誤差統(tǒng)計(jì)值均達(dá)到現(xiàn)行回彈規(guī)程中專用測強(qiáng)曲線誤差技術(shù)指標(biāo)的規(guī)定。

圖 6 芯樣抗壓強(qiáng)度與測區(qū)混凝土換算強(qiáng)度關(guān)系

2.3.6 冬季負(fù)溫泵送混凝土回彈法測強(qiáng)曲線選擇

本文所建立的回彈法檢測冬季負(fù)溫泵送復(fù)摻粉煤灰礦粉混凝土實(shí)體測強(qiáng)曲線見式 (6)，該式適用于齡期28d～3y、混凝土配制強(qiáng)度等級 C20～C60 的冬季負(fù)溫泵送復(fù)摻粉煤灰礦粉混凝土澆筑成型的結(jié)構(gòu)實(shí)體混凝土抗壓強(qiáng)度檢測，式中f ccu,i,o按式 (4) 計(jì)算測區(qū)混凝土換算強(qiáng)度值，精確至 0.1MPa。

2.4 回彈法測強(qiáng)曲線整體效果檢驗(yàn)

本文回彈法檢測冬季負(fù)溫泵送復(fù)摻粉煤灰礦粉混凝土測強(qiáng)曲線（式 (6)）與芯樣抗壓強(qiáng)度的比較見圖 7。在圖 7 中，強(qiáng)度數(shù)據(jù)散點(diǎn)分布具有隨機(jī)性且基本均勻分布在 y=x 線兩側(cè)。

圖 7 本文曲線混凝土換算強(qiáng)度與芯樣抗壓強(qiáng)度比較

3 結(jié)論

（1）通過在足尺結(jié)構(gòu)實(shí)體試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛪w側(cè)面進(jìn)行測區(qū)回彈值、碳化深度值測量以及芯樣抗壓強(qiáng)度測試，系統(tǒng)研建了基于結(jié)構(gòu)實(shí)體標(biāo)準(zhǔn)芯樣抗壓強(qiáng)度的回彈法檢測冬季負(fù)溫泵送商品混凝土測強(qiáng)曲線，該測強(qiáng)曲線具有足夠的檢測精度，適用于冬季負(fù)溫泵送施工復(fù)摻粉煤灰礦粉混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)體強(qiáng)度檢測，可供工程結(jié)構(gòu)實(shí)體混凝土強(qiáng)度質(zhì)量檢測與控制參考。

（2）擬合測強(qiáng)曲線誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，標(biāo)稱能量為 2.207J 的中型回彈儀可用于長齡期中高強(qiáng)度等級泵送混凝土成型的結(jié)構(gòu)混凝土中芯樣強(qiáng)度 90MPa 內(nèi)的實(shí)體混凝土抗壓強(qiáng)度檢測，拓展了中型回彈儀檢測混凝土抗壓強(qiáng)度的范圍。

（3）在結(jié)構(gòu)實(shí)體芯樣混凝土高強(qiáng)度區(qū)段，采用線性數(shù)學(xué)模型對回歸測強(qiáng)曲線修正，經(jīng)修正后的測強(qiáng)曲線誤差技術(shù)指標(biāo)有顯著提高，達(dá)到專用測強(qiáng)曲線規(guī)定要求，提高了對結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強(qiáng)度的檢測精度與穩(wěn)健性，可供試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理參考。