原位單剪法檢測混凝土抗壓強度試驗研究

王大勇，王亮，張作棟，肖瀟

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

原位單剪法檢測混凝土抗壓強度試驗研究

王大勇1,2，王亮1，張作棟2，肖瀟2

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

本文通過專用裝置對混凝土結構構件鉆制的圓柱體小芯樣進行原位剪切試驗，以及相應齡期的標準立方體試件力學性能試驗，分別獲得了小芯樣原位剪切強度和混凝土立方體試件抗壓強度。研究結果表明：小芯樣原位剪切強度與混凝土立方體試件抗壓強度存在顯著的相關性；試驗所建立的原位單剪法測強曲線具有足夠的檢測精度，能夠應用于現場實體混凝土抗壓強度的檢測。最后對抗剪法與原位單剪法的區別與聯系加以比較。研究結果可供工程質量檢測與控制參考。

混凝土；小芯樣；剪切強度；抗壓強度；原位單剪法；測強曲線；剪壓比

0 引言

在既有建筑結構混凝土現場強度檢測中，鉆芯法是不可或缺的。誠然，從混凝土中鉆取芯樣的方法具有直觀、可靠等優點，但試驗周期長，同時對結構存在一定的損傷，尤其是現代建筑結構往超高層、大跨度方向的發展，結構構件密集配筋的情況頻繁出現，會出現鉆芯法不適用的情況。

隨著混凝土技術的發展以及工程施工對混凝土大流動性的要求，采用在混凝土中鉆微小芯樣推定結構混凝土抗壓強度將成為可能。原位單剪法是利用小芯樣剪切強度推定結構混凝土抗壓強度的一種新技術，適宜現場結構混凝土抗壓強度的原位檢測，尤其是摻加礦物摻合料的商品混凝土。本研究采用本地區常用原材料配制試驗用混凝土，按標準方法成型標準立方體試件，建立原位單剪法檢測混凝土抗壓強度曲線，并與各地原位單剪法測強曲線進行比較，最后對以小芯樣表征的原位芯樣剪切強度與其相應立方體試件抗壓強度之比的混凝土剪壓比隨齡期的變化進行分析，以及該方法同抗剪法的區別與聯系進行比較。研究結果可供工程質量檢測與控制參考。

1 試驗原理

原位單剪法檢測混凝土抗壓強度技術是在受檢結構構件混凝土中鉆成直徑 44mm 的微小芯樣（深度約 40mm）后，直接用專用裝置對小芯樣進行原位剪切，得到小芯樣被剪斷瞬間的沿芯樣徑向的剪力峰值，根據公式計算小芯樣的混凝土剪切強度，建立原位剪切應力值與標準立方體試件混凝土抗壓強度的相關關系。把得到的原位小芯樣抗剪強度作為自變量，相應的標準立方體試件混凝土抗壓強度作為因變量，采用最小二乘法擬合技術，建立混凝土測強曲線數學模型并按照有關規定借以推定結構混凝土抗壓強度的一種檢測技術。

2 試驗設計

2.1 原材料及混凝土配合比

試驗采用本地區常用原材料：42.5 級普通硅酸鹽水泥，S95 級礦粉，Ⅱ 級粉煤灰，細骨料為涿州中砂，粗骨料為5～25mm 粒徑碎石，減水劑為萘系高效泵送防凍減水劑，拌合用水為當地自來水?；炷僚浜媳仍O計采用粉煤灰超量取代水泥、礦粉等量取代部分水泥，并加入適量萘系高效泵送減水劑的方式配制 C20、C40、C60 三個混凝土強度等級。

2.2 試驗用標準立方體試塊

委托生產質量穩定的某大型商品混凝土公司提供試驗混凝土，并按標準工藝制作 150mm×150mm×150mm 標準立方體試件，每個強度等級各制作 12 組同條件試件與標準養護 28d 試件 1 組。混凝土澆筑成型后按現行 GB50204—2012《混凝土結構工程施工質量驗收規范》養護 14d，后移至室外陰涼處品字型碼放，自然養護，裸置備用。各強度等級混凝土標準養護 28d 立方體試件抗壓強度均合格。

2.3 測試方法

在 5d、14d、28d、56d、90d、120d、180d 測試齡期時，從每個強度等級試件中隨機抽取 3 塊，在每個試件的混凝土澆筑側面用內徑為 44mm 鉆頭的鉆芯機鉆制小直徑芯樣作為待剪試件。用專用裝置卡住小芯樣軸向中部并調正、對中后，搖動裝置手柄對原位小芯樣施加徑向荷載至試件破壞，并記錄數字儀表顯示的抗剪力峰值，見圖 1；同時從每個強度等級試件中隨機抽取 1 組（3 塊）立方體試件進行混凝土力學性能試驗。試驗用儀器設備均檢定有效。

圖 1 原位單剪法試驗

3 試驗結果及分析

3.1 破壞形態

原位單剪法是對混凝土芯樣的徑向施加平行于專用裝置承壓面的錯位剪切力，使混凝土芯樣沿徑向垂直于芯樣軸向出現剪切破壞，故從小芯樣的剪切破壞結果和形態看為：小芯樣被剪斷，低強混凝土端口多表現為斜面，高強混凝土由于脆性較大，其斷面多呈較規整狀。

3.2 回歸用數據取值

3.2.1 原位單剪芯樣試件強度代表值 ?v,i的取值

據原位單剪芯樣試件的抗剪力 Fi,j與其相應端口處直徑均值計算得到抗剪強度 ?v,i,j，取每組 3 個抗剪試件強度的均值作為原位單剪強度代表值 ?，見式 1。

3.2.2 標準立方體試件混凝土抗壓強度的取值

標準立方體試件混凝土抗壓強度的取值按現行GB50107—2010《混凝土強度檢驗評定標準》的規則來確定該組標準立方體試件混凝土抗壓強度代表值。

3.3 原位單剪法測強曲線

3.3.1 原位單剪法測強曲線建模

把得到的試驗數據進行預處理后，選取線性函數、對數函數、二次多項式函數、冪函數、指數函數等五種函數形式，采用最小二乘法對齡期 5～28d、28～180d 以及 5～180d試驗數據分別進行回歸擬合，得到的原位單剪法測強曲線見表 1、2、3 所示。不同函數形式的回歸模型計算得到的平均相對誤差 δ及相對標準差 er如表 1～3 所示。

由表 1～3 可知：（1）所擬合不同函數形式的測強曲線相關系數均較高；（2）表 1 中的早齡期原位單剪法測強曲線在未剔除任何數據的情況下，其誤差指標均不滿足專用測強曲線 er≤14% 的要求，表明早齡期試驗數據離散性大；表 2中的齡期 28～180d 原位單剪法擬合測強曲線均滿足專用測強曲線誤差指標要求，且誤差數值較小；表 3 中齡期 28～180d原位單剪法擬合測強曲線除非零截距的線性函數與二次多項式函數外，其他擬合曲線均不滿足專用測強曲線誤差指標要求。（3）據早齡期（5～28d）試驗數據，按表 3 所得的相應擬合測強曲線計算所得的誤差數值均較大，這表明擬合測強曲線在某區段的適用性較差，檢測精度欠佳；按表 2 所得的相應擬合測強曲線計算，所得誤差統計結果亦較大，這表明在一般情況下，擬合測強曲線延展范圍后的適用性較差，會出現檢測精度降低的結果。

表 1 齡期 5～28d 早齡期原位單剪法測強曲線及其統計指標

表 2 齡期 28～180d 早齡期原位單剪法測強曲線及其統計指標

表 3 齡期 5～180d 早齡期原位單剪法測強曲線及其統計指標

3.3.2 原位單剪法測強曲線選擇

由表 1～3 可知，回歸得到的三個齡期范圍的原位單剪法測強曲線誤差統計指標相差較大。其中齡期 28～180d 原位單剪法擬合測強曲線的相關系數、平均相對誤差及相對標準差指標為最佳，本文優選物理意義明確的冪函數曲線作為原位單剪法測強曲線，故本文所得到的原位單剪法專用測強曲線為：

上式相關系數為 0.97，平均相對誤差 δ 為±5.9%，相對標準差 er為 8.1%。式中cicuf, 為第 i 個結構或構件混凝土抗壓強度推定值，結果精確至 0.1MPa；?v,i為第 i 個結構或構件所取 3 個直徑 44mm 芯樣試件單剪強度的算術平均值，結果精確至 0.01MPa。

3.3.3 原位單剪法測強曲線效果檢驗

以原位單剪法測強曲線（式 2）檢測混凝土結構實體混凝土強度推定值與立方體試件抗壓強度的比較見圖 2。

圖 2 本文曲線推定強度與相應立方體試件強度的比較

在圖 2 中，原位單剪法測強曲線換算強度的散點基本均勻分布在 y=x 線兩側。

3.4 與其他地區原位單剪法測強曲線的比較

國內各科研單位對原位單剪法進行了深入的研究[1-2]，建立了各自的原位單剪法測強曲線，式 3、4 分別為蘭州地區測強曲線和廣西地區測強曲線。

圖 3 為本文原位單剪法專用測強曲線與蘭州測強曲線及廣西測強曲線的比較。

由圖 3 可知，由 3 條測強曲線所計算的混凝土抗壓強度均表現出隨小芯樣原位單剪強度的增加而增長的規律；3 條測強曲線的混凝土換算抗壓強度在低強階段基本呈平行走勢，在曲線盡端的高強階段時趨于重合；相同芯樣單剪強度所對應的混凝土抗壓強度推定值按本文曲線、廣西曲線、蘭州曲線順序依次增大。這是試驗混凝土原材料與配合比的區域性所致，實際應用中宜建立地區測強曲線，提高檢測精度。

圖 3 本文曲線與蘭州曲線、廣西曲線的關系

3.5 混凝土剪壓比隨齡期的變化

圖 4 為據試驗數據計算得到的混凝土結構原位小芯樣剪切強度與其相應立方體試件抗壓強度之比的混凝土剪壓比隨齡期的變化。

由圖 4 可知，齡期 5d 的混凝土剪壓比離散較大，究其原因，為該齡期混凝土硬化強度低，但粗骨料強度高，以小芯樣表征的混凝土結構原位小芯樣剪切強度受混凝土中粗骨料影響相對較大；齡期 5d 后，混凝土抗壓強度增長相對其混凝土結構原位小芯樣剪切強度增長較為穩定，該齡期范圍內的混凝土剪壓比均值為 0.165，標準差為 0.023，變異系數為0.141?？傊?，混凝土剪壓比隨齡期在較小范圍內波動，齡期對剪壓比影響不大。

圖 4 混凝土剪壓比隨齡期的變化

3.6 原位單剪法與抗剪法的比較

抗剪法是對從結構混凝土中鉆取出的小芯樣進行試驗室剪切試驗，建立其剪切應力與標準立方體試件抗壓強度的相關關系，而原位單剪法是在結構混凝土中鉆成小芯樣后，直接用專用裝置在結構實體原位對小芯樣進行剪切試驗，得到小芯樣剪切強度，建立原位剪切應力值與標準立方體試件抗壓強度的相關關系，即一個為對取出的芯樣剪切，另一個在結構混凝土成芯部位原位剪切芯樣，但二者均為利用小芯樣的剪切應力推定混凝土抗壓強度技術。

采用文獻 [3] 中與本文原位單剪法相對應齡期的試驗數據，在不對異常數據處理的情況下，得到的相應齡期28～180d 的抗剪法與原位單剪法測強曲線的比較見圖 5。

由圖 5 可知，抗剪法擬合曲線與原位單剪法相應回歸曲線并不重合，后者檢測精度較高。機理研究表明，抗剪法中剪切芯樣試件的破壞形態為兩段或三段，表明小芯樣受力狀態可能為單面剪切或雙面剪切（見圖 6）、或介于二者之間；而原位單剪法中剪切芯樣試件的破壞形態單一，剪切面受力明確；機理分析亦表明抗剪法試驗中剪切芯樣試件的剪切面受力復雜，有待進一步研究。

圖 6 原位單剪法與抗剪法(單面剪切、雙面剪切)的關系

4 結論

（1）本文所得到的原位單剪法專用測強曲線的平均相對誤差 δ 為 ±5.9%，相對標準差 er為 8.1%，適合于齡期 28d后的混凝土抗壓強度現場原位檢測，可供工程結構混凝土強度控制與檢測參考。

（2）由于原位單剪法檢測混凝土抗壓強度技術的檢測精度高，實際應用中可考慮替代鉆芯法去修正間接檢測方法的檢測結果，以減少鉆芯對結構安全與耐久性的影響。

（3）由于各地混凝土原材料、配合比等的差異，宜對預采用的原位單剪法測強曲線進行驗證或建立各地區的專用測強曲線以適應本地區混凝土的特點，提高檢測精度。

（4）由于原位單剪法檢測混凝土抗壓強度技術是在結構混凝土中鉆成小芯樣單剪試件后，原位直接進行抗剪試驗，適用于鋼筋配置密集的結構構件，且技術簡捷，工效較鉆芯法提高，是符合綠色節能減排的檢測技術。

[1]杜雷，張 波，周茗如，等．抗剪法及原位單剪法推定混凝土抗壓強度的試驗研究[J]．工程質量，2013(08):14-17．

[2]李杰成．抗剪法檢測混凝土抗壓強度技術[C]．第十一屆全國建設工程無損檢測技術學術會議論文集[A]，2013,8: 315-323．

[3]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．

［通訊地址］河北省廊坊市富康道 113 號廊坊市陽光建設工程質量檢測有限公司 （065000）

The experimental study of the in-situ single shearing method to detect compressive strength of concrete

Wang Dayong1,2, Wang Liang1, Zhang Zuodong2, Xiao xiao2
(1. Langfang Construction Engineering Quality Testing Center, Langfang 065000, Hebei; 2. Langfang Yangguang Construction Engineering Quality Supervision Co.Ltd,Langfang 065000, Hebei)

Through a special device for the small cylinder-drilled core samples of concrete structural members were in-situ shear test and the corresponding age of standard cubs specimens mechanical performance test, it were given a small core samples in situ shear strength and compressive strength of concrete cube specimens, the experiment results show that the small core sample in-situ shear strength and concrete cube strength exist a significant correlation; the in-situ single shearing method strength curve with sufficient detection accuracy, and it can be applied in the field of detecting compressive strength of concrete. Finally, the difference and connection between the shearresistance method and the in-situ single shearing method was compared. The results of the study can be the reference for the engineering quality detection and control.

concrete; small diameter core; shear strength; compression strength; the in-situ single shearing method; strength curve; shear compression ratio

王大勇（1974—），男，高級工程師，從事工程質量檢測鑒定與研究工作。