剪切拉拔綜合法檢測混凝土抗壓強度技術的研究

朱躍武

（中國建筑科學研究院有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518057）

0 引言

檢測混凝土抗壓強度的方法，主要為非破損間接檢測技術和微破損直接檢測技術，間接檢測是通過采集一些回彈值或聲速值間接換算混凝土抗壓強度，采集上述參數時會受到混凝土表面粗糙度、混凝土含水率、測試設備與測試方向等（如回彈儀有 0°、+90°、-90°）工況影響，一般誤差較大，但它的優點是對結構無損傷。

微破損檢測主要利用混凝土固有的拉、壓、剪等應力參數，通過不同方法采集這些數據，由于檢測時會對混凝土結構產生微小破損，簡稱微破損或稱直接法，主要包括：鉆芯、后裝拔出和剪壓法等，這些方法具有較高的檢測精度，但也存在工藝復雜，對結構損傷較大等不足。隨著社會和經濟的發展，人們逐漸提高了安全標準，建筑物的抗震設防烈度普遍提高，結構的含鋼量增大，導致鋼筋間距變密，已有的鉆芯法會因為直徑較大而損傷鋼筋。為使微破損檢測減少對結構的損傷，不破壞鋼筋，人們先后研究旨在解決鋼筋密集構件檢測的新技術，考慮到泵送混凝土工藝的推廣，骨料粒徑已受到嚴格的控制，最新微破損法如：拉脫和原位單剪法都是在原位對直徑Ф44 mm，深度 44 mm 的芯樣試件進行拉脫或剪切，獲取拉脫強度和剪切強度，進而轉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。拉脫法作為行業標準已頒布并獲得推廣和應用，原位單剪法也通過全國各專業機構的系統研究獲得了具有國際先進水平的研究成果和全國測強曲線。

1 需解決的問題

眾所周知，不論何種方法，所測到的混凝土強度值均不屬于被測混凝土的實際抗壓強度，因為不同的方法采集的過程不同、機理不同、涉及到的各種設備組成和構造不同，比如回彈法，當表面的粗糙、浮槳、粗細骨料的成分不同、不同的攪拌工藝、養護方式、混凝土的含水率、環境溫度、沖擊桿與被測混凝土角度，建立曲線樣本的來源以及回彈儀的拉簧的性能，內部的清潔程度、起跳點的變化等等都會影響回彈值的讀數。假定只選擇這 10 種影響因素，如果每種因素的影響權重取 4 % 得誤差，最終對換算強度的影響將達到 34 %。如果再考慮操作者和碳化測量的影響，其影響更大。當然這些影響因素隨著管理的不斷完善，檢測設備的不斷改進，操作人員技術水平的提高，各種誤差對測試結果的影響權重也會不斷縮小。

同樣對微破損檢測技術也存在不同的影響因素，如常用的鉆芯法，它要通過鉆制芯樣試件、切割、磨平、抗壓，如果按照鉆制芯樣產生的影響為 15 %（筆者曾做過預制芯樣與鉆制強度對比試驗，其中預制芯樣比鉆制的強度高大約為 23 %，因此鉆芯后芯樣強度低于混凝土實際強度也是業內人士的共識），切割為 4 %，磨平 4 %、抗壓 1 %，最終對結果的影響也高達 22 %。研究對結構損傷小，過程簡單的方法，對檢測混凝土強度技術的發展具有一定積極作用，為此先后研究了拉脫法檢測混凝土抗壓強度技術和原位單剪法檢測混凝土抗壓強度技術，它們是在結構上鉆制直徑Ф44 mm，深度 44 mm 的小芯樣，將芯樣試件在原位拉脫或剪斷，該法減少了對芯樣進行切割、打磨、抗壓的過程，也使鉆制小芯樣減少了對結構的損傷，減少了對環境的污染，不會損傷構件內的鋼筋。上述兩種方法雖然解決了檢測過程中的部分問題，但同樣存在不足，如芯樣直徑較小，還需要鉆制芯樣試件，鉆制試件產生的系統誤差用拉脫法或原位單剪法都無法消除，又因為拉脫、單剪芯樣的體積僅有鉆芯法的 7 % 左右，芯樣直徑小，存在同批混凝土強度檢測時樣本量的標準差偏大現象，如何改善微破損檢測技術，提高檢測精度，這是本文探索的方向。因此本文提出剪切拉拔綜合法檢測混凝土抗壓強度技術，下面進行系統的介紹。

2 剪切拉拔綜合法的研究

在提出剪切拉拔綜合法之前首先介紹與之相關的拉脫法和原位單剪法。

2.1 拉脫法

拉脫法是用具有自動夾緊試件的裝置進行拉脫試驗，根據芯樣試件的拉脫強度值推算混凝土抗壓強度的方法。可直接用于混凝土結構的強度檢測，方法比較簡便、快速，總體是無損于混凝土結構使用性能。

拉脫法在混凝土結構或構件上原位檢測，直接依據混凝土力學性能范疇的拉應力推算混凝土抗壓強度，減少了中間物理量轉換誤差，拉脫試件是通過一個三爪夾頭施加夾緊力，且有越拉越緊的功能，利用混凝土拉應力小于壓應力的特點，將試件在原位拉斷，試件拉脫原理圖，如圖 1 所示。

圖1 試件拉脫原理圖

2.2 原位單剪法

原位單剪法是采用在原位用裝有左右剪切頭的剪切裝置，在試件深度 25 mm 位置將芯樣試件剪斷，通過與提升桿串聯的傳感器采集剪斷試件瞬間的剪切力，利用剪切力推算混凝土強度。由于剪切芯樣的反力由芯樣自身提供，因此被測構件的表面、形狀等因素對測試結果沒有影響，它適應一般構件、曲面、斜面、凹面不同形狀的混凝土檢測（見圖 2）。

圖2 機電一體原位剪切

經反復試驗研究，設計制作了可進行拉脫和原位單剪操作的檢測裝置，該裝置可以檢測國家相關規范規定的 C10～C80 各強度等級混凝土試件的拉脫強度和剪切強度，儀器具有輕便、簡單、精度較高，適用范圍廣等優點，可在原位采集混凝土的抗拉強度和抗剪強度。

3 拉脫與原位單剪綜合法

拉脫法和原位單剪法的被拉、剪試件尺寸基本相同，但試驗方法不同，試件破壞機理不同，一個是將試件在軸向拉斷，反映水泥膠凝材料主導的抗拉強度；一個是將試件在徑向位置剪斷，反映粗細骨料主導的剪切強度。拉脫法和原位單剪法雖然簡化了操作程序，有效提高相關系數，降低了平均相對誤差和平均標準差，但因未擺脫鉆芯的過程，存在與鉆芯法相似情況，即同一檢測批中測試結果標準差偏大，如何才能彌補存在問題，需要研究兩個變量之間的共性和個性；研究兩者之間的內在聯系；探索科學的計算和顯著性更強的測試方法，這為研究人員提出了巨大的挑戰。

拉脫法和原位單剪法主要特點為：一個拉應力，一個剪應力，施加的方向不同：一個是軸向，一個是徑向，但每種應力都與混凝土抗壓強度高度相關。如果將兩種方法的檢測數據綜合考慮，通過膠凝材料的抗拉強度和粗細骨料的剪切強度綜合推算混凝土抗壓強度，研究發現檢測精度明顯提高，該技術被稱為剪切拉拔綜合法檢測混凝土抗壓強度技術，研究過程如下。

3.1 原始數據的整理

根據全國多家科研、檢測、學校、施工和生產混凝土單位采用兩種檢測方法獲得的原始數據，即拉脫值和原位單剪值及對應的立方體試件強度，以立方體試件抗壓強度進行比對，將不超過 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 組原始數據，由于篇幅有限，本文僅列出部分數據，拉脫與剪切原始數據（見表 1），為了比對拉脫、原位單剪及拉剪綜合方法的精度，要求不對任何原始檢測數據進行異常值剔除，分別進行拉脫強度、原位單剪強度與立方體試件強度以及剪切強度與拉脫強度值的代數和與立方體試件強度進行回歸分析，通過分析確定并發現較最佳的檢測技術與方法。

表1 拉脫強度與原位剪切強度部分原始數據 MPa

將拉脫法和原位單剪法的原始數據進行整理，對拉脫和原位單剪強度求代數和，簡稱拉剪綜合強度。

3.2 原位單剪的數據分析

一種檢測方法是否具有使用價值，應分析自變量與從變量是否高度相關，首先以原位單剪強度作為自變量，而立方體抗壓綜合強度作為從變量，通過 SPSS 和Excel 軟件進行回歸分析，觀察其散點圖形狀和計算結果，發現冪函數的相關系數為 r=0.917 和 F比=3 269（F 檢驗法是英國統計學家 Fisher 提出的，主要通過比較兩組數據的方差 S2，以確定他們的精密度是否有顯著性差異。F 值越大，誤差越小，顯著性越強），通過與直線和二次方程相比，冪函數曲線具有較好的相關性和顯著性，為此選擇該冪函數曲線作為強度換算曲線，求出平均相對誤差（σ）和平均標準差（e），分析結果如表 2 所示。

原位單剪強度與立方體試件抗壓強度平均值的回歸分析的散點圖如圖 3 所示，進一步證明冪函數曲線具有較好的相關性。

3.3 拉脫回歸分析

圖3 原位單剪強度與立方體試件強度平均值的回歸分析散點圖（單位：MPa）

對表 1 中的拉脫值與立方體試件強度進行回歸統計，通過 SPSS 和 Excel 軟件對數據進行回歸分析，并繪制出散點圖，選出三條常用測強公式，作為優選曲線，每條曲線的參數估計值和相關系數與 F比和原位單剪一樣，最終選擇相關系數（r）和 F比值最大的冪函數作為推薦曲線，然后利用該曲線換算出混凝土抗壓強度，求出平均相對誤差（σ）和平均標準差（e），同樣冪函數曲線的相關系數（r）最大，誤差值最小。模型匯總和參數估計值如表 3 所示。

拉脫強度與立方體試件強度平均值的回歸分析的散點圖如圖 4 所示，進一步表明冪函數曲線具有較好的相關性。

表2 單一原位單剪模型匯總和參數估計值

表3 單一拉脫法模型匯總和參數估計值

圖4 拉脫強度與立方體試件強度平均值的回歸分析散點圖（單位：MPa）

3.4 剪切拉拔綜合法

拉脫法是沿著試件的軸向將試件拉斷，反映的是膠凝材料的質量，原位單剪法是通過在試件的徑向施加剪切力，將圓形試件剪斷，力的方向垂直于試件軸向，反映的是粗細骨料的質量，因試件受力機理不同所產生的破壞特征和力學指標也不同。剪切是在試件的固定位置施加剪切力，不會因為試件的其他部位是否存在缺陷而影響結果，其結果僅與剪切位置有關，如果碰到粗骨料，剪力很大，如果碰到缺陷，剪力會很小，但由于是線接觸發生這種概率較小。而拉脫法則是通過夾持長度 25 mm 的試件沿軸向移動，將夾頭外側的試件拉斷，斷裂的位置一定發生在未夾持部分的薄弱位置，這部分長度一般長 20 mm，因此這部分的缺陷大小會影響拉脫強度的大小。考慮粗骨料界面，低強區等因素，將兩種方法的數據相互補充，是否可以提高檢測精度，減少測試誤差，包括同批樣本檢測中的標準差是否得到改善，帶著這些問題，將拉脫強度和原位單剪強度求代數和，為綜合強度，作為自變量，立方體試件平均強度作為從變量，通過回歸分析發現，綜合兩者方法后，相關系數（r）顯著提高，作為衡量兩者誤差關系的顯著指標 F比的顯著性水平也明顯提高，三種方程的各項指標見模型匯總和參數估計值（見表 4）。

計算表明，一元冪函數的相關系數 r=0.949 和 F比= 5 559.196，其平均相對誤差 б=13 %，平均標準差e=16 %，從散點圖也可以看出拉剪代數和綜合法比單一方法其測點分布更趨于線性并匯集在曲線的兩側，如圖 5 所示。

圖5 拉剪代數和綜合法散點圖（單位：MPa）

從圖 5 可以發現，如果采用一元拉剪代數和的冪函數進行回歸計算，可得到精度高，相關性較好的測強曲線，因此我們推薦采用的一元冪函數模型，見式（1）：

剪切拉拔綜合法（拉剪代數和）一元冪函數曲線見式（2）：

式中：為第 i 個試件的混凝土換算強度，MPa；fp，si為第 i 個試件的混凝土拉剪強度代數和，MPa。

由于剪切拉拔綜合法為兩個自變量，一個拉脫值一個單剪值，雖然將兩個自變量相加后的冪函數相關曲線具有較好的顯著性和較高的相關系數，為了進一步探索，如果將兩個變量綜合進行二元冪函數回歸分析，其相關性是否會改善，為此筆者采用二元冪函數方程進行回歸計算和分析，首先建立其散點圖和曲面圖，分析發現如果采用二元冪函數應該具有較好的相關性。

表4 剪切拉拔綜合法（拉脫與原位單剪代數和）模型匯總和參數估計值

表5 二元冪函數模型匯總和參數估計值

二元冪函數曲面示意圖和三維散點圖如圖 6、圖 7 所示，圖中原位單剪強度為 X 軸，拉脫強度為 Y 軸，立方體試件抗壓強度為 Z 軸。

圖6 二元冪函數曲面示意圖（單位：MPa）

圖7 三維散點圖（單位：MPa）

從三維散點圖可以發現，如果采用二元冪函數進行回歸計算，會否得到精度更高，相關性更好的測強曲線，因此推薦采用的二元冪函數模型，見式（3）：

用 Excel 軟件進行回歸分析最終得到的模型匯總和參數估計值如表 5 所示。

回歸分析的結果表明采用二元冪函數其相關系數達到 0.96，平均相對誤差與代數和的一元冪函數相同，而平均標準差比一元冪函數大了 1 %，但其值也在相關標準 e=18 % 的范圍內。見式（4）。

4 結論

1）綜合拉脫法和原位單剪法各自優勢，將混凝土的拉應力和剪應力進行有機的結合，顯著提高了測強曲線的相關系數和檢測精度，剪切拉拔綜合法推進了微破損檢測技術發展，為市場提供一種精度高，破損小、方便、快捷的一種檢測技術。

2）剪切拉拔綜合法可在結構上鉆制直徑Ф44 mm，深度 65 mm 的芯樣試件，采用先剪切，后拉脫的原則進行；也可與在結構上同時鉆制兩個直徑Ф44 mm，深度 44 mm 的芯樣試件，一個做拉脫，一個做原位單剪；還可以將試件取出，利用夾緊模具夾緊試件，在試驗室完成剪切和拉脫操作。將兩個試件的測試強度代入一元冪函數或二元冪函數曲線方程換算混凝土抗壓強度。

3）剪切拉拔綜合法具有對結構損傷小，快捷，操作工藝簡單的特點，適用于鋼筋密集的構件檢測，由于可以將試件取出試驗，也適合圓形或不規則表面的構件以及混凝土表面遭受凍害或火燒的混凝土強度檢測。

4）剪切拉拔綜合法除適用與建筑結構混凝土強度檢測外，也適用鐵路、公路、橋梁和港口碼頭混凝土工程的檢測。