一種新的檢測技術(shù)
——剪切拉拔綜合法

朱躍武

（中國建筑科學(xué)研究院有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518057）

0 引言

剪切拉拔綜合法是將拉脫強度和原位單剪強度通過前期處理，如：相加求代數(shù)和，作為綜合法數(shù)據(jù)的自變量代入一元冪函數(shù)曲線，換算混凝土抗壓強度值，或?qū)ⅰ袄搹姸取焙汀霸粏渭魪姸取弊鳛樽宰兞繋攵獌绾瘮?shù)方程換算混凝土抗壓強度。為了提高曲線精度，在已有技術(shù)的基礎(chǔ)上，對剪拉綜合數(shù)據(jù)中的異常值進行剔除，最終形成拉剪綜合曲線，本文將對剪切拉拔綜合法進行系統(tǒng)的分析和工程驗證。

1 微破損技術(shù)的形成基礎(chǔ)

混凝土作為量大面廣的建筑材料，在我國工業(yè)與民用建筑中應(yīng)用非常廣泛，為了確保工程的安全質(zhì)量，國家相關(guān)規(guī)范規(guī)定了混凝土的驗收標(biāo)準(zhǔn)，比如采用與澆筑混凝土同條件標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下，用28 d 齡期的混凝土抗壓強度作驗收值。

為了研究可溯源的混凝土強度檢測技術(shù)，論文先研究立方體試件抗壓試驗的破壞機理。試件靠近墊板附近因約束的作用，中間部分混凝土縱向受壓橫向擴張，使外圍混凝土受拉，破壞是由外圍混凝土縱向劈裂，墊板附近混凝土承受剪切力形成角錐型破壞面，從試件的破壞形態(tài)看，主要由中間的多個劈裂柱體和兩端的剪切椎體組成，立方體試件的極限抗壓力取決于試塊形成多個獨立受拉劈裂抗拉柱體時的抗拉強度和形成兩端椎體的剪切強度。微破損檢測技術(shù)均是基于壓、拉、剪不同參數(shù)建立與立方體試件抗壓強度的擬合關(guān)系后再換算混凝土抗壓強度，立方體試件受壓破壞與相關(guān)的檢查方法如圖 1 所示。

圖1 立方體試件受壓破壞與相關(guān)的檢查方法（單位：mm）

傳統(tǒng)的鉆芯法檢測混凝土強度，是從宏觀到微觀，即在試件抗壓過程中，通過試件受壓后發(fā)生的剪切、劈裂抗拉使試件被分成無數(shù)個獨立單元，匯集這些剪切和抗拉強度值最終溯源混凝土的抗壓強度，如式（1）所示。

鉆芯法具有較好的直觀性，其抗壓強度相當(dāng)于同條件、同齡期立方體試件強度。但它也有不足，對結(jié)構(gòu)損傷大，容易損傷構(gòu)件內(nèi)的鋼筋，試件需要加工打磨和抗壓，過程造成能源消耗和垃圾增多。

通過不同方法采集這些自身力學(xué)參數(shù)，可以得到較高的相關(guān)性擬合曲線，由于檢測時會對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微小破損，對此簡稱微破損法或稱直接法。我國早期常用的主要檢測方法包括：鉆芯法、后裝拔出法、后錨固法、剪壓法等微破損檢測技術(shù)，這些方法具有較高的相關(guān)性高，誤差相比無損檢測低的特點，但也存在工藝復(fù)雜，因加工試件引入一些數(shù)據(jù)間的離散情況，還存在對結(jié)構(gòu)損傷較大等不足。隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，人們逐漸提高了安全標(biāo)準(zhǔn)，目前建筑物的抗震設(shè)防烈度普遍提高，結(jié)構(gòu)的含鋼量增大，導(dǎo)致鋼筋間距變密，已有的鉆芯法會因為直徑較大而損傷鋼筋而遭受用戶質(zhì)疑，為使微破損檢測減少對結(jié)構(gòu)的損傷，不損壞鋼筋，其他幾種微破損檢測方法也因在面對高強混凝土檢測，出現(xiàn)數(shù)據(jù)離差變大的情況發(fā)生。

為了解決遇到的問題，人們先后推出旨在解決鋼筋密集構(gòu)件檢測的新技術(shù)，考慮到泵送混凝土工藝的推廣，骨料粒徑已受到嚴(yán)格的控制，我們先后研發(fā)了《拉脫法》和《原位單剪法》等檢測技術(shù)，兩種檢測技術(shù)都是在原位對直徑Ф44 mm，深度 44 mm 的芯樣試件進行拉脫或剪切，拉脫法主要檢測膠凝材料的強度，剪切法主要是檢測混凝土中粗細(xì)骨料的強度，兩者側(cè)重不同的材質(zhì)特性，但這些方法在不同的強度區(qū)存在不同的問題，最大的問題就是，測試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差因芯樣直徑較小，變得較大，直接影響測試精度［1-7］。

2 剪切拉拔綜合法

如何改善微破損檢測技術(shù)的問題，簡化檢測方法，減少對結(jié)構(gòu)的損傷，提高檢測精度，降低標(biāo)準(zhǔn)差，充分發(fā)掘形成混凝土強度的各種因素，可以采用剪切拉拔綜合法檢測混凝土強度技術(shù)，利用混凝土拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力綜合換算混凝土抗壓強度，該方法像無損檢測技術(shù)超聲回彈綜合法一樣該法屬于一種“微破損綜合法”檢測技術(shù)［8-9］。

2.1 數(shù)據(jù)擬合分析

根據(jù)前面介紹的立方體試件受壓破壞的機理，抗壓強度實際是由若干個被劈裂的柱體和受壓板約束的剪切椎體強度組成的，如果我們在一個試件上同時采集混凝土拉應(yīng)力和剪應(yīng)力綜合推算混凝土強度，模擬立方體試件壓壞過程，一定會達(dá)到理想的強度換算結(jié)果。

“剪切拉拔綜合法”是在實體結(jié)構(gòu)混凝土上鉆制直徑 Ф44 mm，深度 65 mm 的芯樣試件，在原位將試件剪斷與拔出，采集剪切強度和抗拉強度，如式（2）所示。

如圖 2 所示，通過獲取拉脫強度和剪切強度，利用擬合曲線轉(zhuǎn)換為混凝土抗壓強度，由于是直接獲得混凝土抗拉強度和抗剪強度，屬于一種直接法。

為了解剪切拉拔綜合法能否綜合反映混凝土自身剪切和拉拔參數(shù)與混凝土抗壓強度的擬合性能，有效提高精度，首先根據(jù)全國多家檢測、科研、學(xué)校、施工和生產(chǎn)混凝土單位采用兩種檢測方法獲得的原始數(shù)據(jù)，即拉脫值和原位單剪值及對應(yīng)的立方體試件強度，以立方體試件抗壓強度進行比對，將試件強度不超過 15 % 的試件強度進行分組并平均，最終獲得拉脫與原位單剪共計 621 組原始數(shù)據(jù)，并將對應(yīng)的拉脫與剪切原始數(shù)據(jù)進行求和，通過第一次擬合，剔除相對誤差大于 34 %，共計 30 組異常值，剩余 591 組數(shù)據(jù)，由于篇幅有限，本文僅列出部分?jǐn)?shù)據(jù)，剪切拉拔與歸一后的強度數(shù)據(jù)如表 1 所示。

圖2 剪切與拉脫操作

對表 2 的數(shù)據(jù)采用spass軟件進行擬合分析，分析結(jié)果如下。

通過比對曲線參數(shù)，發(fā)現(xiàn)冪函數(shù)曲線相關(guān)系數(shù) r 最大，顯著性水平 F 比最顯著，為此選擇冪函數(shù)作為拉剪綜合法測強曲線。曲線散點圖（見圖 3）一元冪函數(shù)曲線見式（3）：

表1 剪切拉拔與歸一后的強度數(shù)據(jù) MPa

表2 模型匯總和參數(shù)估計值

采用剪切拉拔強度作為變量換算出混凝土抗壓強度，相關(guān)系數(shù) r=0.96，顯著性水平 F比=6 203.386，求出其平均相對誤差為：б=12 %；平均標(biāo)準(zhǔn)差 S=14 %?？梢娋纫呀?jīng)達(dá)到專用曲線的水平。

同樣采用二元冪函數(shù)方程對原位單剪強度與拉脫強度和立方體試件抗壓強度進行擬合分析，分析結(jié)果表明，曲線的相關(guān)系數(shù)為 r=0.96，平均相對誤差為 б=10 %；平均標(biāo)準(zhǔn)差 S=12 %，精度超過一元冪函數(shù)曲線，兩條曲線平均相對誤差和平均標(biāo)準(zhǔn)差都達(dá)到專用曲線的水平，二元冪函數(shù)曲線方程如式（4）所示。

式中：fs，i為原位單剪強度，MPa；fp，i為拉脫強度，MPa。

2.2 低強區(qū)混凝土驗證

為了驗證該曲線是否滿足工程檢測的要求，即在同一條件下，其標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)接近同條件立方體試件強度的標(biāo)準(zhǔn)差，或者小于等于同條件鉆芯法的標(biāo)準(zhǔn)差，帶著這個問題，我們預(yù)制兩面試驗墻體，尺寸為長 2 m，高度 1.5 m，厚度 0.3 m，一面墻體混凝土設(shè)計強度等級為 C35，另一面為 C60，每面墻體預(yù)留同條件標(biāo)準(zhǔn)立方體試件 10 組，并分別在墻體上鉆取各 10 個直徑Ф100 mm 和Ф75 mm 混凝土芯樣。并按照剪切拉拔法的技術(shù)要求進行原位試驗，C35 墻體立方體試件、鉆芯和剪切拔出法驗證結(jié)果如表 3 所示。

表3 C35 墻體立方體試件、鉆芯和剪切拔出法驗證結(jié)果 MPa

對 4 組數(shù)據(jù)結(jié)果采用直方圖進行分析，并求出每組數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，C35 墻體檢測結(jié)果的直方圖分析如圖 4 所示。

通過表 3 和圖 4 對 C35 混凝土墻體的試驗結(jié)果進行分析，采用一元冪函數(shù)和二元冪函數(shù)曲線計算的強度平均值為立方體試件強度的 83 % 和 81 %，標(biāo)準(zhǔn)差分別為 S=3.494 MPa 和 S=3.431 MPa，其中二元冪函數(shù)計算結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差與立方體試件的 S=3.353 MPa 基本相等，并全部小于鉆芯法的標(biāo)準(zhǔn)差。

2.3 高強區(qū)混凝土驗證

同樣我們對 C60 墻體也進行相關(guān)試驗驗證，C60 墻體立方體試件、鉆芯和剪切拔出法驗證結(jié)果如表 4 所示。

C60 混凝土屬于高強混凝土，由于強度高，鉆芯時間長，鉆頭磨損大，不同直徑對強度的影響不同，直徑越小，影響越大，同時將試驗結(jié)果繪制直方圖如圖 5 所示，求出每組數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差（S）。

圖4 C35 墻體檢測結(jié)果直方圖分析（單位：MPa）

圖5 C60 墻體檢測結(jié)果直方圖分析（單位：MPa）

通過表 4 和圖 5 對 C60 混凝土墻體的試驗結(jié)果進行分析，采用一元冪函數(shù)和二元冪函數(shù)曲線計算的強度平均值為立方體試件強度的 96 % 和 90 %，標(biāo)準(zhǔn)差分別為 S=5.432 MPa 和 S=5.278 MPa，其中二元冪函數(shù)計算結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差與立方體試件的 S=4.777 MPa 相差 0.501 MPa，和低強區(qū)結(jié)果一樣全部小于鉆芯法的標(biāo)準(zhǔn)差。

為什么在高強區(qū)出現(xiàn)拉剪綜合法的標(biāo)準(zhǔn)差大于同條件立方體試件，分析其原因，聯(lián)系鉆芯法強度標(biāo)準(zhǔn)差的取值情況，可能是在高強混凝土上鉆芯時，因混凝土強度高，鉆頭磨損快，鉆芯時間長，對試件外形會產(chǎn)生一定影響，導(dǎo)致試件產(chǎn)生變形，直接導(dǎo)致拉脫強度偏低，但原位單剪主要剪切混凝土中粗細(xì)骨料的強度，因此影響相對要小些，兩項因子疊加導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)差偏大，但均小于鉆芯試件抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)差。

3 結(jié)論

1）通過粗差處理后的兩體擬合曲線，一元冪函數(shù)和二元冪函數(shù)的曲線相關(guān)系數(shù)為 r=0.96。一元冪函數(shù)曲線的平均相對誤差為：б=12 %；平均標(biāo)準(zhǔn)差：S=14 %。二元冪函數(shù)曲線的平均相對誤差為：б=10 %；平均標(biāo)準(zhǔn)差：S=12 %，優(yōu)于一元冪函數(shù)曲線，兩條曲線均達(dá)到專用曲線的水準(zhǔn)，由于曲線的計算基礎(chǔ)僅來源于 591 組數(shù)據(jù)樣本，作為全國曲線還應(yīng)增加樣本量。

2）在強度低強區(qū)，采用一元冪函數(shù)和二元冪函數(shù)曲線計算的強度平均值為立方體試件強度的 83 % 和81%，標(biāo)準(zhǔn)差分別為 S=3.494 MPa 和 S=3.431 MPa，其中二元冪函數(shù)計算結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差與立方體試件的 S=3.353 MPa 基本相等，兩條曲線計算結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差全部小于鉆芯法的標(biāo)準(zhǔn)差。

3）在強度高強區(qū)，采用一元冪函數(shù)和二元冪函數(shù)曲線計算的強度平均值為立方體試件強度的 96 % 和 90 %，標(biāo)準(zhǔn)差分別為S=5.432 M Pa和 S=5.278 MPa，其中二元冪函數(shù)計算結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差與立方體試件標(biāo)準(zhǔn)差 S=4.777 MPa 相差 0.501 MPa，和低強區(qū)結(jié)果一樣全部小于鉆芯法的標(biāo)準(zhǔn)差。

表4 C60 墻體立方體試件、鉆芯和剪切拔出法驗證結(jié)果 MPa

4）無論是在低強區(qū)還是在高強區(qū)，無論是采用一元冪函數(shù)曲線還是二元冪函數(shù)曲線，剪切拉拔綜合法的強度平均值大于鉆芯法強度平均值。

5）剪切拉拔綜合法充分利用混凝土內(nèi)在性能特點，采用微創(chuàng)的剪切和拉拔手段，用鉆芯法（直徑Ф100 mm）7 % 的混凝土體積創(chuàng)傷，換取比鉆芯法更高或相同的檢測精度，這對減少結(jié)構(gòu)損傷、節(jié)能減排、減少實驗室投資、減少廢棄物、減輕勞動強度具有重大經(jīng)濟和社會意義。

6）剪切拉拔綜合法的研究，開創(chuàng)了檢測技術(shù)的新思路，該技術(shù)具有對結(jié)構(gòu)損傷小，快捷，操作工藝簡單的特點，適用于鋼筋密集的構(gòu)件檢測。由于可以將試件取出試驗，也適合圓形或不規(guī)則表面的構(gòu)件以及混凝土表面遭受凍害或火燒的混凝土強度檢測。拉剪綜合法除適用與建筑結(jié)構(gòu)混凝土強度檢測外，也適用鐵路、公路、橋梁和港口碼頭混凝土工程、裝配式混凝土工程的檢測。