天津地區冬施混凝土測強曲線研究

劉 暢

（天津市農墾房地產開發建設有限公司，天津 300222）

0 引 言

回彈法檢測混凝土強度是利用混凝土回彈值與抗壓強度之間的關系來推算混凝土抗壓強度的一種無損檢測方法，也是被國際學術界和工程界公認為混凝土強度的無損檢測方法之一。但由于回彈儀的工作原理限制，導致其只能在混凝土表端 10 mm 厚度范圍內檢測混凝土內部強度的情況，然而混凝土表面因為受到溫度、濕度以及碳化等因素的影響，其表面強度與內部真實強度存在一定程度上的偏差，從而需要針對不同情況對其進行修正。相關研究表明：影響“fcu-R”關系的外在因素主要有表面濕度、養護條件、模板材料類型、碳化深度以及齡期［1］，內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程度等［2，3］。

統一測強曲線的建立是以自然養護且混凝土表面干燥為條件，對于冬季施工條件下的混凝土，其養護條件與表面濕潤程度和常規條件下有很大差異。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定的強度要比表面濕潤的混凝土測定的強度低，并且混凝土經歷干、濕的時間越長，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，對碳化深度也會構成影響，混凝土碳化后，表面硬度提高，但其結構實則疏松，依據回彈值所推算的抗壓強度反而偏低［6-8］。為此，眾多學者研究了不同混凝土種類回彈測強曲線的多種函數形式，并對其影響因素以及適用性做了分析論證。劉漢勇等［9］學者對甌江大橋混凝土結構進行了長齡期檢測，并對同一批混凝土分別進行了普通回彈儀和高強回彈儀的強度檢測，研究表明利用普通回彈儀所建立的測強曲線可以對高強混凝土進行強度檢測，且精度較高。朱浮聲等［10］從高強回彈儀和普通回彈儀的能量輸出比例入手，通過大量混凝土試塊試驗得到了測強曲線，驗證了普通回彈儀在高強混凝土強度檢測中的適用性。但目前針對冬季施工條件下回彈法測強曲線的分析還鮮有研究。

在 JGJ/T23-2011《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》［11］（以下簡稱“規程”）中指出：“有條件的地區和部門，應制定本地區的測強曲線或專用測強曲線。檢測單位宜采用專用測強曲線、地區測強曲線、統一測強曲線的順序選用測強曲線。”為此，本文制備了三種強度等級（C40、C50、C60）的混凝土試塊，并置于室外現場環境進行長齡期（150 d）同條件養護，采用不同沖擊動能的回彈儀分別建立了測強曲線，分析了抗壓強度與回彈值二者之間的相關關系，得到了天津地區冬施條件下的回彈法測強曲線，分析了普通回彈儀（2.207 J）與重型回彈儀（4.5 J）在不同強度等級混凝土強度檢測中的適用性，并與全國統一測強曲線進行了對比分析，為建立天津地區專用測強曲線提供了參考。

1 試驗概況

1.1 試驗方法

本次試驗選用的混凝土采用天津地區某混凝土公司配合比，為天津地區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 ℃，依據相關規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，分別對每種強度等級（C40、C50、C60）下不同齡期（7 d、14 d、28 d、60 d、90 d、600 ℃?d、120 d、150 d）的同條件養護試塊進行回彈法強度檢測，每一強度等級在每個齡期預留 3 個混凝土試塊，所有試塊置于室外現場環境進行同條件養護。檢測時，擦凈試塊表面，以澆筑側面的兩個相對面置于壓力機的上下承壓板之間（見圖1），在試塊保持壓力的狀態下，于兩個側面上分別彈擊 8 個測點，從每一塊試塊的 16 個回彈值中分別剔除 3 個最大值和 3 個最小值，余下的 10 個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機做抗壓強度試驗，記錄其抗壓強度fcu，精確到 0.1 MPa。每組齡期測定回彈值的同時對混凝土試塊進行碳化深度的測量。

表1 試驗原材料信息

圖1 測點布置圖

C40 混凝土采用普通回彈儀（2.207 J）檢測混凝土強度；C50 混凝土分別采用普通回彈儀（2.207 J）和 4.5 J 高強回彈儀檢測混凝土強度；C60 混凝土采用 4.5 J 高強回彈儀檢測混凝土強度，用以進行后續回彈法測強曲線的分析。

1.2 試驗儀器

本試驗選用的儀器規格及參數如表3所示。

1.3 試驗結果

不同齡期下，同條件養護的試塊的回彈值與抗壓強度試驗結果如表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）測出的回彈值與抗壓強度呈現出較高程度的相關關系，C50 混凝土試塊采用普通回彈儀（2.207 J）測出的回彈值與抗壓強度呈現出較高程度的相關關系，C50 和 C60 混凝土試塊采用 4.5 J高強回彈儀測出的回彈值與抗壓強度相關性不強，對天津地區冬施混凝土的強度檢測無太大參考價值。

表2 混凝土成分用料信息

表3 試驗儀器及參數

表4 回彈值與抗壓強度試驗結果

2 冬施混凝土測強曲線分析

2.1 普通回彈儀得到的測強曲線

將 C40、C50 混凝土試塊所測得的回彈值和抗壓強度的關系繪于二維坐標系中（見圖2），可以看出，在不考慮碳化深度的影響后，回彈值與抗壓強度呈現出一定程度的相關關系。在此，選取二次函數、冪函數與線性函數分別對檢測結果進行回歸分析，并按“規程”要求分別計算平均相對誤差與相對標準差，三種函數形式的誤差及相關系數如表5所示。從表5可以看出：三種函數形式的相關性系數相差不大，平均相對誤差與相對標準差也均滿足“規程”對專用測強曲線的誤差要求。其中，線性函數的相關性系數最高，測強曲線方程如式 2 所示。

式中：fcu為混凝土抗壓強度換算值，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度的關系（2.207 J 回彈儀）

2.2 高強回彈儀得到的測強曲線

將重型回彈儀（4.5J）所檢測的 C50、C60 混凝土試塊的平均回彈值和抗壓強度實測數據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度實測值之間的關系如圖3所示，可以看出：檢測數據具有較高的離散程度，且分布在坐標圖中較廣的區域內。同樣選取二次函數、冪函數與線性函數對回彈法的檢測結果進行回歸分析，三種函數形式的誤差及相關系數表6所示。從表6可以看出：三種函數形式的相關性系數相差較大，沒有呈現出較高的相關關系，三種函數形式的相對標準差均超出了“規程”對專用測強曲線的誤差要求。

2.3 與統一測強曲線的對比分析

依據 JGJ/T 23-2011《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》［11］、JGJ/T 294-2013《高強混凝土強度檢測技術規程》［12］，由普通回彈儀與高強回彈儀所檢測的混凝土抗壓強度統一測強曲線的計算模型如式 3、4 所示：

表5 測強曲線函數形式的對比（2.207J 回彈儀）

表6 測強曲線函數形式的對比（4.5 J 回彈儀）

圖3 C50、C60 混凝土回彈值與抗壓強度的關系（4.5 J 回彈儀）

由 2.1 節普通回彈儀得到的混凝土測強曲線（式2）與全國統一測強曲線對比如圖4所示，由圖中可以看出：依照式 2 所推算的混凝土強度換算值要比統一測強曲線的強度換算值高，并且隨著回彈值Rm的提高，新測強曲線與統一測強曲線的強度換算值也逐步接近。此外，由統一測強曲線得出的強度換算值較實測數據均普遍偏低，可見，采用統一測強曲線計算的混凝土強度換算值偏保守，不適于天津地區冬施混凝土的強度檢測。另一方面，統一測強曲線強度換算值與實測數據相差較大，C40、C50 強度等級混凝土試塊的平均相對誤差分別為 10.418 0 %、10.441 5 %，相對標準差分別為 16.559 3 %、16.261 3 %，其中，相對標準差均超出了“規程”對專用測強曲線的精度要求。而新測強曲線的平均相對誤差分別為 4.549 4 %、4.301 7 %，相對標準差分別為 8.235 9 %、7.647 1 %，均滿足“規程”對專用測強曲線的精度要求，且遠低于統一測強曲線的誤差，由此可以看出：新測強曲線分別與 C40、C50 混凝土的回彈值之間均具有較好的統計特性，回歸方程的計算精度要高于統一測強曲線。

圖4 新測強曲線、統一測強曲線與實測數據的關系（C40，C50）

由 2.2 節的試驗結論可知，沖擊動能為 4.5 J 的回彈儀在 C50、C60 強度等級混凝土試塊中的檢測結果具有較高的離散性，三種函數形式的相對標準差均超出了“規程”所規定的誤差。依據 2.2 節的試驗結論，將相關性系數最高的線性函數與統一測強曲線作對照分析，其結果如圖5所示。可以看出：在混凝土試塊的抗壓強度低于 45 MPa 時，采用線性函數所推算的混凝土強度要高于統一測強曲線所推算的混凝土強度，而當混凝土試塊的抗壓強度高于 45 MPa 時，規律則呈現相反的趨勢。由表4所統計的試驗結果可知，抗壓強度低于 45 MPa 的幾個數據點均分布在齡期 7～14 d，結合本次試驗初期的氣候條件，在齡期 7～14 d 的階段，氣候寒冷、多風，環境日最高溫度基本低于 5 ℃，同條件養護的混凝土試塊受外界環境影響嚴重，導致前期混凝土強度增長緩慢。另一方面，根據普通回彈儀的檢測結果并結合對不同沖擊動能回彈儀的工作原理分析：普通回彈儀（2.207 J）由于沖擊動能較小，受實體混凝土構件表面硬度的影響程度較大，因此所檢測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、潮濕程度均會對回彈值造成較大影響。而 4.5 J 回彈儀由于沖擊動能較大，其回彈的影響范圍已經透過水泥表層，擴展到骨料和界面的過渡層，因此能更為準確地反映內部結構與真實強度的關系，由表4也可以看出：相比于普通回彈儀所檢測的結果，4.5 J 回彈儀所檢測的回彈法推定強度更接近實測抗壓強度。

圖5 新測強曲線、統一測強曲線與實測數據的關系（C50，C60）

3 結 語

本文對三種強度等級的混凝土進行了長齡期下的回彈法測強曲線研究，將預留的試塊置于室外現場環境中，分別建立了天津地區在冬季施工條件下，普通回彈儀和高強回彈儀的混凝土測強曲線，并與全國統一測強曲線作了對比分析，得出如下結論。

1）采用普通回彈儀（2.207 J）對 C40、C50 強度等級混凝土試塊進行強度檢測，試塊回彈值與抗壓強度呈現出較高程度的相關關系，對其進行三種函數形式的回歸分析，二者線性相關性程度較高。而采用統一測強曲線計算的 C40、C50 混凝土強度換算值偏保守，不適于天津地區冬施混凝土的強度檢測。

2）采用高強回彈儀（4.5 J）所建立的 C50、C60 強度等級混凝土的測強曲線具有較大的離散性，采用高強混凝土統一測強曲線對 C50、C60 混凝土試塊進行回歸分析，二者在 45 MPa 前后呈現出相反的趨勢。結合不同齡期下的氣候特征與回彈儀沖擊動能的分析，并依據普通回彈儀對 C40、C50 混凝土的檢測結果，可以認為：混凝土表面的情況受外界影響嚴重，對較低沖擊動能回彈儀所檢測的回彈值造成較大影響，高強回彈儀所檢測的推定強度更接近實測抗壓強度，有待結合混凝土內部與外部強度差異作進一步研究。