小直徑芯樣混凝土力學(xué)性能指標(biāo)間的換算關(guān)系研究

王大勇，樊衛(wèi)兵

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

小直徑芯樣混凝土力學(xué)性能指標(biāo)間的換算關(guān)系研究

王大勇1,2，樊衛(wèi)兵2

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

本文以直徑 44mm 芯樣試件及標(biāo)準(zhǔn)立方體試件為研究對(duì)象，研究小芯樣混凝土力學(xué)性能與標(biāo)準(zhǔn)立方體試件抗壓強(qiáng)度以及小芯樣混凝土力學(xué)性能間的相關(guān)關(guān)系。研究結(jié)果表明，直徑 44mm 芯樣混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、雙剪強(qiáng)度以及單剪強(qiáng)度間存在較好的相關(guān)關(guān)系，同時(shí)小芯樣混凝土抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、雙剪強(qiáng)度以及單剪強(qiáng)度與立方體試件抗壓強(qiáng)度亦存在良好的相關(guān)關(guān)系。

混凝土；力學(xué)性能；小直徑芯樣；換算關(guān)系

0 引言

隨著現(xiàn)代商品混凝土技術(shù)的發(fā)展以及結(jié)構(gòu)混凝土向著集約化、大流動(dòng)性，免振搗趨勢(shì)發(fā)展的同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)混凝土強(qiáng)度檢測(cè)由測(cè)試其表面的間接檢測(cè)法（如回彈法）逐步發(fā)展到檢測(cè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件超過(guò)鋼筋保護(hù)層厚度的內(nèi)部混凝土強(qiáng)度成為可能。國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的對(duì)于結(jié)構(gòu)構(gòu)件混凝土內(nèi)部強(qiáng)度的檢測(cè)一般采用鉆芯法[1]鉆取直徑 100mm 芯樣測(cè)試其混凝土抗壓強(qiáng)度，但由于構(gòu)件尺寸較小或配筋密集以及取芯位置、取芯直徑等原因會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力、耐久性能造成隱患，因此采用結(jié)構(gòu)實(shí)體混凝土中的小直徑芯樣推定現(xiàn)場(chǎng)混凝土強(qiáng)度成為工程質(zhì)量檢測(cè)的研究熱點(diǎn)[2-5]。

周明華等[6]研究了直徑 50mm、70mm 芯樣與標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度的換算關(guān)系，王大勇[7]研究了泵送混凝土成型實(shí)體混凝土中直徑 50mm、70mm 小芯樣與標(biāo)準(zhǔn)直徑 100mm 芯樣間的抗壓強(qiáng)度換算關(guān)系，田礫等[8]通過(guò)研究得到了小芯樣強(qiáng)度離散性較大，與立方體試件強(qiáng)度間存在尺寸效應(yīng)的結(jié)論，蘭可喜等[9]的研究表明采用鉆芯法取得的圓柱體芯樣檢測(cè)混凝土抗折強(qiáng)度是可行的。上述研究成果表明，通過(guò)對(duì)小芯樣強(qiáng)度的測(cè)試對(duì)推定實(shí)體結(jié)構(gòu)混凝土相應(yīng)力學(xué)性能，如抗拉、抗壓、抗折、抗剪以及抗扭強(qiáng)度等結(jié)構(gòu)檢測(cè)鑒定所需的力學(xué)指標(biāo)成為可能，因此研究小芯樣混凝土力學(xué)性能指標(biāo)檢測(cè)的換算關(guān)系也是很有必要的。

由于試驗(yàn)條件所限，本文僅取得了采用專用裝置測(cè)試同強(qiáng)度等級(jí)同齡期相同直徑為 44mm 小芯樣抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、雙剪強(qiáng)度、單剪強(qiáng)度以及立方體試件抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)，未進(jìn)行相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)試件抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及抗剪強(qiáng)度的測(cè)試。通過(guò)模擬工程現(xiàn)場(chǎng)泵送混凝土成型標(biāo)準(zhǔn)尺寸 150mm×150mm×150mm 立方體試件，測(cè)試在立方體試件側(cè)面鉆取直徑 44mm 芯樣在齡期14～360d 時(shí)的小芯樣混凝土抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、雙剪強(qiáng)度以及單剪強(qiáng)度。采用最小二乘法回歸擬合，給出相應(yīng)的小芯樣強(qiáng)度間的換算曲線，同時(shí)還對(duì)各種通過(guò)小芯樣推定結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強(qiáng)度的檢測(cè)精度進(jìn)行比較。研究結(jié)果可供工程結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度質(zhì)量檢測(cè)與控制參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 小芯樣混凝土力學(xué)性能指標(biāo)的測(cè)試

對(duì)于小芯樣混凝土力學(xué)性能指標(biāo)的測(cè)試采用專用儀器及方法進(jìn)行，見圖 1 中 a、b、c、d 所示。

圖 1 小芯樣混凝土力學(xué)性能指標(biāo)的測(cè)試

1.2 標(biāo)準(zhǔn)立方體試件制作與養(yǎng)護(hù)

為保證試驗(yàn)用直徑 44mm 小芯樣混凝土強(qiáng)度的整體性，混凝土所用最大粗骨料粒徑嚴(yán)格控制在 20mm以內(nèi)。試驗(yàn)采用本地區(qū)常用原材料配制 C20、C40、C60 共三個(gè)混凝土強(qiáng)度等級(jí)，委托生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的大型商品混凝土公司提供試驗(yàn)用泵送混凝土并澆筑成型150mm×150mm×150mm 標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，拆模后按現(xiàn)行 GB 50204—2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》養(yǎng)護(hù) 14d 后，自然養(yǎng)護(hù)裸置備用；標(biāo)準(zhǔn)立方體試件移至室外陰涼處品字型碼放備用。

1.3 測(cè)試方法

在齡期 14d、28d、60d、90d、180d、360d 時(shí)，從每個(gè)強(qiáng)度等級(jí)試件中隨機(jī)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(jī)在每個(gè)試件側(cè)面分別鉆制抗拉、抗折、單剪與雙剪試驗(yàn)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(cè)試，抗折與雙剪用小芯樣為鉆取后置于專用裝置中進(jìn)行測(cè)試；另一組立方體試件用于得到同齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度而進(jìn)行的試驗(yàn)壓力機(jī)力學(xué)破型試驗(yàn)。試驗(yàn)用儀器設(shè)備均檢定有效。

2 小芯樣混凝土力學(xué)性能指標(biāo)間的換算關(guān)系

對(duì)于小芯樣力學(xué)性能間的函數(shù)關(guān)系，經(jīng)比較優(yōu)選的回歸數(shù)學(xué)模型為形如式 (1) 的二次函數(shù)形式，式中f因變量表示回歸模型的因變量，f自變量表示回歸模型的自變量，系數(shù) A、B、C 為回歸數(shù)學(xué)模型的待回歸系數(shù)，下文表中的系數(shù)A、系數(shù) B 與系數(shù) C 均按此回歸模型形式給出，同時(shí)計(jì)算回歸曲線的相關(guān)系數(shù) r、平均相對(duì)誤差 δ（式 2）及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差 er（式 3）。

2.1 小芯樣抗拉強(qiáng)度與其他強(qiáng)度間的換算關(guān)系

小芯樣抗拉強(qiáng)度與其他強(qiáng)度間的關(guān)系見圖 2，其函數(shù)關(guān)系及統(tǒng)計(jì)誤差見表 1，表 1 中的函數(shù)關(guān)系如雙剪—抗拉表示回歸方程中小芯樣雙剪強(qiáng)度為因變量，自變量為小芯樣抗拉強(qiáng)度，以下同。由表 1 可知，小芯樣抗拉強(qiáng)度與其雙剪強(qiáng)度、單剪強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度均具有良好的相關(guān)關(guān)系，但誤差統(tǒng)計(jì)指標(biāo)略大。

圖 2 小芯樣抗拉強(qiáng)度與其他強(qiáng)度間的關(guān)系

表 1 小芯樣抗拉強(qiáng)度與其他強(qiáng)度間的回歸系數(shù)及統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

2.2 小芯樣抗折強(qiáng)度與其他強(qiáng)度間的換算關(guān)系

小芯樣抗拉強(qiáng)度與其他強(qiáng)度間的關(guān)系見圖 3，其函數(shù)關(guān)系及統(tǒng)計(jì)誤差見表 2。

圖 3 小芯樣抗折強(qiáng)度與其他強(qiáng)度間的關(guān)系

表 2 小芯樣抗折強(qiáng)度與其他強(qiáng)度間的回歸系數(shù)及統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

由表 2 可知，小芯樣抗折強(qiáng)度與其雙剪強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)誤差明顯偏大，與單剪強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度具有良好的相關(guān)關(guān)系且誤差統(tǒng)計(jì)指標(biāo)較小。

2.3 小芯樣單剪強(qiáng)度與其他強(qiáng)度間的換算關(guān)系

小芯樣單剪強(qiáng)度與其他強(qiáng)度間的關(guān)系見圖 4，其函數(shù)關(guān)系及統(tǒng)計(jì)誤差見表 3。由表 3 可知，小芯樣單剪強(qiáng)度與其雙剪強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)誤差明顯偏大，僅與抗拉強(qiáng)度具有良好的相關(guān)關(guān)系且誤差統(tǒng)計(jì)指標(biāo)較小。

圖 4 小芯樣單剪強(qiáng)度與其他強(qiáng)度間的關(guān)系

表 3 小芯樣單剪強(qiáng)度與其他強(qiáng)度間的回歸系數(shù)及統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

2.4 小芯樣雙剪強(qiáng)度與其他強(qiáng)度間的換算關(guān)系

小芯樣雙剪強(qiáng)度與其他強(qiáng)度間的關(guān)系見圖 5，其函數(shù)關(guān)系及統(tǒng)計(jì)誤差見表 4。由表 4 可知，小芯樣雙剪強(qiáng)度與其單剪強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)誤差明顯偏大，僅與抗拉強(qiáng)度具有良好的相關(guān)關(guān)系且誤差統(tǒng)計(jì)指標(biāo)較小。

圖 5 小芯樣雙剪強(qiáng)度與其他強(qiáng)度間的關(guān)系

表 4 小芯樣雙剪強(qiáng)度與其他強(qiáng)度間的回歸系數(shù)及統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

3 立方體試件抗壓強(qiáng)度與小芯樣力學(xué)強(qiáng)度的關(guān)系

立方體試件抗壓強(qiáng)度與小芯樣力學(xué)強(qiáng)度（包括小芯樣抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、單剪強(qiáng)度及雙剪強(qiáng)度）的關(guān)系見圖 6。由圖 6 可知，直徑 44mm 的小芯樣各種力學(xué)強(qiáng)度均與立方體試件抗壓強(qiáng)度存在良好的相關(guān)關(guān)系，并能夠用冪函數(shù)數(shù)學(xué)模型去表征二者的相關(guān)關(guān)系[3-5]。

圖 6 立方體試件抗壓強(qiáng)度與小芯樣力學(xué)性能的關(guān)系

4 結(jié)論

（1）擬合回歸得到的換算曲線不能通過(guò)因變量計(jì)算推得自變量數(shù)值，即回歸曲線不具有互逆性。

（2）直徑 44mm 的圓柱體混凝土芯樣力學(xué)性能指標(biāo)間具有良好的相關(guān)性，但部分回歸公式的誤差統(tǒng)計(jì)指標(biāo)略高，為檢測(cè)方法不同所致。

（3）小直徑芯樣混凝土力學(xué)性能指標(biāo)與混凝土抗壓強(qiáng)度具有良好的相關(guān)關(guān)系，可以建立回歸曲線以推定結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強(qiáng)度；對(duì)于其與混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件的抗折強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度等關(guān)系有待進(jìn)一步的研究。

[1]CECS 03:2007．鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程[S].

[2]JGJ/T 378—2016．拉脫法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程[S]．

[3]王大勇．直拔法檢測(cè)泵送混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J]．混凝土世界，2012(04): 65-70．

[4]王大勇，張作棟，王亮，等．抗剪法檢測(cè)預(yù)拌混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)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(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J]．商品混凝土，2014(04): 39-42.

[6]周明華，郭恒寧，劉江．采用小直徑芯樣檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強(qiáng)度取值的探討[J]．建筑技術(shù)，2013,29(01): 46-48．

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[8]田礫，孫雪飛，范宏．小直徑芯樣檢測(cè)混凝土強(qiáng)度尺寸效應(yīng)探討[J]．施工技術(shù)，2005, 34(08): 46-48．

[9]蘭可喜，崔士起，孔旭文，等．鉆芯法檢測(cè)混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J]．工程質(zhì)量，2014,32(09): 31-33．

Study on the relationship between the mechanical properties of concrete by small diameter core samples

Wang Dayong1,2, Fan Weibing2
(1. Langfang Construction Engineering Quality Testing Center, Langfang 065000;2. Langfang Yangguang Construction Engineering Quality Supervision Co., Ltd., Langfang 065000)

The relationship between the mechanical properties of small core concrete and the compressive strength of standard Cube Specimens and the mechanical properties of small core samples were studied by using the diameter 44mm core sample and the standard cube specimen as the research objects. The results show that the tensile strength, the diameter of 44mm core concrete flexural strength, shear strength and shear double well correlated strength, while the small cores of the tensile strength of concrete and concrete flexural strength, shear strength and shear strength of single double cube and also there is a good correlation between the compressive strength.The research results can be used for structural concrete strength detection and control reference.

concrete; mechanical property; small diameter core sample;conversion relationship

王大勇（1974—），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)建造師，中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)建設(shè)工程無(wú)損檢測(cè)技術(shù)專業(yè)委員會(huì)委員，結(jié)構(gòu)室主任，現(xiàn)從事工程質(zhì)量檢測(cè)鑒定與研究工作。

［通訊地址］河北省廊坊市安次區(qū)龍河高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)區(qū)夏榮道 10 號(hào) 廊坊市陽(yáng)光建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司（065000）