王大勇，張作棟，王亮，肖瀟

（廊坊市陽光建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司，河北 廊坊 065000）

抗剪法檢測預(yù)拌混凝土抗壓強(qiáng)度試驗研究

王大勇，張作棟，王亮，肖瀟

（廊坊市陽光建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司，河北 廊坊 065000）

本文研究通過圓柱體小芯樣剪切試驗以及相應(yīng)齡期的混凝土立方體試件力學(xué)性能試驗，分別獲得了小芯樣抗剪強(qiáng)度和立方體試件抗壓強(qiáng)度。試驗結(jié)果表明：小芯樣抗剪強(qiáng)度與混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度存在顯著的相關(guān)性；試驗所建立的抗剪法測強(qiáng)曲線具有足夠的檢測精度，能夠應(yīng)用于預(yù)拌混凝土抗壓強(qiáng)度的現(xiàn)場實體結(jié)構(gòu)檢測。研究結(jié)果可供工程質(zhì)量檢測與控制參考。

混凝土；小芯樣；剪切強(qiáng)度；抗壓強(qiáng)度；測強(qiáng)曲線；剪壓比

0 引言

混凝土強(qiáng)度的現(xiàn)場檢測技術(shù)分為間接檢測技術(shù)與直接檢測技術(shù)兩種。其中間接檢測技術(shù)包括回彈法、超聲回彈綜合法等無損檢測方法，該類方法有許多優(yōu)點，但也存在著一定的局限性，如測試參數(shù)（回彈值、超聲聲速值等）受混凝土配合比、原材料組成等因素影響而導(dǎo)致檢測精度低的情況；在混凝土中鉆取芯樣的直接檢測技術(shù)具有直觀、可靠、精度高的優(yōu)點，但試驗周期長、檢測費用高，同時對結(jié)構(gòu)構(gòu)件存在一定的損傷，影響結(jié)構(gòu)安全。

抗剪法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)是一種新型測強(qiáng)技術(shù)，儀器設(shè)備投資少、檢測精度高，適宜現(xiàn)場結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強(qiáng)度的檢測，尤其是摻加礦物摻合料的預(yù)拌混凝土。本研究采用本地區(qū)常用原材料配制試驗用混凝土，按標(biāo)準(zhǔn)方法成型標(biāo)準(zhǔn)立方體試件建立抗剪法檢測預(yù)拌混凝土抗壓強(qiáng)度曲線，并與各地抗剪法測強(qiáng)曲線進(jìn)行比較，最后對以小芯樣表征的抗剪強(qiáng)度與其相應(yīng)立方體試件抗壓強(qiáng)度之比的混凝土剪壓比隨齡期的變化進(jìn)行分析。研究結(jié)果可供工程質(zhì)量檢測與控制參考。

1 試驗原理與設(shè)計

1.1 試驗原理抗剪法是從混凝土結(jié)構(gòu)實體上鉆取直徑×長度＝44mm×100(150)mm 的小芯樣作為抗剪試件，采用抗剪儀將試件剪斷，試驗原理如圖 1 所示[1]。由得到的抗剪力 F 計算抗剪強(qiáng)度 fv，將得到的抗剪強(qiáng)度作為自變量，相應(yīng)的混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試件抗壓強(qiáng)度作為因變量采用最小二乘法進(jìn)行回歸擬合，建立預(yù)拌混凝土測強(qiáng)曲線，并按照有關(guān)規(guī)定借以推定結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強(qiáng)度的一種檢測技術(shù)。

圖 1 抗剪法試驗原理圖

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 原材料及混凝土配合比

試驗采用本地區(qū)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(xì)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(dāng)?shù)刈詠硭??；炷僚浜媳仍O(shè)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(qiáng)度等級。

1.2.2 試驗用標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊

委托生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的某大型商品混凝土公司提供試驗混凝土并按標(biāo)準(zhǔn)工藝制作 150mm×150mm×150mm 標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，每強(qiáng)度等級各制作 12 組同條件試件與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 28d 試件 1 組。混凝土澆筑成型后按現(xiàn)行 GB50204—2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》養(yǎng)護(hù) 14d，后移至室外陰涼處品字型碼放，自然養(yǎng)護(hù)，裸置備用。各強(qiáng)度等級混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d 立方體試件抗壓強(qiáng)度均合格。

1.2.3 測試方法

在 5d、14d、28d、56d、90d、120d、180d 測試齡期時,從每個強(qiáng)度等級試件中隨機(jī)抽取 3 塊，在每個試件的混凝土澆筑側(cè)面用內(nèi)徑為 44mm 鉆頭的鉆芯機(jī)鉆取小直徑芯樣作為抗剪試件。待小芯樣晾干后測量其實際直徑并記錄。把抗剪試件放入抗剪儀并置于壓力機(jī)上，待對中后加載至試件破壞并記錄壓力機(jī)所顯示的抗剪力值，見圖 2；同時從各強(qiáng)度等級試件中隨機(jī)抽取 1 組（3 塊）立方體試件進(jìn)行混凝土力學(xué)性能試驗。

圖 2 小芯樣抗剪試驗

1.2.4 試驗用儀器設(shè)備

試驗用定型抗剪儀、壓力機(jī)、鉆芯機(jī)等，所有儀器設(shè)備均檢定有效。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 剪切破壞形態(tài)

從抗剪試件的破壞結(jié)果和形態(tài)看，可分為兩種形式：一種是抗剪試件斷為三段，大多發(fā)生在低齡期低強(qiáng)度的小芯樣抗剪試件；另一種是斷為兩段，基本發(fā)生在中高強(qiáng)度等級，并且隨齡期的增加，該現(xiàn)象也越明顯。破壞機(jī)理分析表明：低強(qiáng)混凝土的變形協(xié)調(diào)能力強(qiáng)，兩個抗剪面基本能協(xié)調(diào)同步，故此表現(xiàn)為雙剪斷裂；高強(qiáng)度混凝土彈性模量大、脆性大，其變形協(xié)調(diào)能力差，容易形成不完全雙剪狀態(tài)，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)離散性大，破壞結(jié)果大多為芯樣抗剪試件斷為兩段。

2.2 試驗參數(shù)取值規(guī)則

2.2.1 抗剪試件強(qiáng)度代表值 fv,i的取值

據(jù)抗剪試件的抗剪力 Fi.j與其相應(yīng)直徑均值計算得到抗剪強(qiáng)度 fv,i,j（式 1），取每組 3 個抗剪試件強(qiáng)度的均值作為抗剪強(qiáng)度代表值 fv,i,。

2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)立方體試件混凝土抗壓強(qiáng)度的取值

標(biāo)準(zhǔn)立方體試件混凝土抗壓強(qiáng)度的取值按 GB50107—2010《混凝土強(qiáng)度檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)則來確定該組標(biāo)準(zhǔn)立方體試件混凝土抗壓強(qiáng)度代表值。

2.3 抗剪法測強(qiáng)曲線

2.3.1 抗剪法測強(qiáng)曲線建模

把得到的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，選取線性函數(shù)，對數(shù)函數(shù)、二次多項式函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)等五種函數(shù)形式，采用最小二乘法對齡期 5～28d、28～180d 以及 5～180d試驗數(shù)據(jù)分別進(jìn)行回歸擬合，得到的抗剪法測強(qiáng)曲線見表 1、2、3。不同函數(shù)形式的回歸模型計算得到的平均相對誤差б及相對標(biāo)準(zhǔn)差 εr如表 1～3 所示。

表 1 齡期 5～28d 早齡期抗剪法測強(qiáng)曲線及其統(tǒng)計指標(biāo)

表 2 齡期 28～180d 抗剪法測強(qiáng)曲線及其統(tǒng)計指標(biāo)

表 3 齡期 5～180d 抗剪法測強(qiáng)曲線及其統(tǒng)計指標(biāo)

由表 1～3 可知，（1）所擬合不同函數(shù)形式的測強(qiáng)曲線相關(guān)系數(shù)均較高；（2）早齡期抗剪法測強(qiáng)曲線除截距為零的線性函數(shù)與對數(shù)函數(shù)外、齡期 28～180d 抗剪法測強(qiáng)曲線除截距為零的線性函數(shù)與對數(shù)函數(shù)外，其他測強(qiáng)曲線均滿足專用測強(qiáng)曲線要求；齡期 5～180d 抗剪法測強(qiáng)曲線除對數(shù)函數(shù)和指數(shù)函數(shù)外，其他測強(qiáng)曲線均滿足專用測強(qiáng)曲線要求。

2.3.2 抗剪法測強(qiáng)曲線選擇

由表 1～3 可知：（1）二次多項式函數(shù)與冪函數(shù)測強(qiáng)曲線的相關(guān)系數(shù)、平均相對誤差及相對標(biāo)準(zhǔn)差指標(biāo)為最佳，本文優(yōu)選物理意義明確的冪函數(shù)曲線作為抗剪法測強(qiáng)曲線。（2）回歸的三個齡期范圍的抗剪法冪函數(shù)測強(qiáng)曲線誤差統(tǒng)計指標(biāo)相差不大，故本文所得到的抗剪法專用測強(qiáng)曲線為：fc

cu,i= 4.3814fv,i1.1900

(2)

上式相關(guān)系數(shù)為 0.91，平均相對誤差為 ±9.8%，相對標(biāo)準(zhǔn)差 11.7%。式中 fccu,i為第 i 個結(jié)構(gòu)或構(gòu)件混凝土抗壓強(qiáng)度推定值，結(jié)果精確至 0.1MPa；fv,i為第 i 個結(jié)構(gòu)或構(gòu)件所取 3個直徑 44mm 芯樣抗剪試件強(qiáng)度的算術(shù)平均值，結(jié)果精確至0.01MPa。

2.3.3 抗剪法測強(qiáng)曲線效果檢驗

以抗剪法測強(qiáng)曲線（式 2）檢測預(yù)拌混凝土結(jié)構(gòu)實體混凝土強(qiáng)度推定值與立方體試件抗壓強(qiáng)度的比較見圖 3。在圖3中，抗剪法測強(qiáng)曲線換算強(qiáng)度的散點基本均勻分布在 y=x 線兩側(cè)。

2.4 與其他地區(qū)抗剪法測強(qiáng)曲線的比較

由于直徑 44mm 小芯樣抗剪強(qiáng)度與混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性極高，各地對其進(jìn)行了深入的研究，建立了各自的抗剪法測強(qiáng)曲線[3,4]，式 3、4 依次為蘭州地區(qū)測強(qiáng)曲線與廣西地區(qū)測強(qiáng)曲線?，F(xiàn)結(jié)合試驗數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行比較分析（見圖 4）。

由圖 4 可知：（1）由 3 條測強(qiáng)曲線所計算的混凝土抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)出隨小芯樣抗剪強(qiáng)度的增加而增長的現(xiàn)象。（2）在抗剪強(qiáng)度小于 5.6MPa 時，相同抗剪強(qiáng)度所對應(yīng)的混凝土抗壓強(qiáng)度推定值按廣西曲線、本文曲線、蘭州曲線順序依次增大；在抗剪強(qiáng)度不小于 5.6MPa 時，相同抗剪強(qiáng)度所對應(yīng)的混凝土抗壓強(qiáng)度推定值按蘭州曲線、本文曲線、廣西曲線順序依次增大。這表明抗剪法測強(qiáng)曲線試驗用混凝土存在地方性的特點，實際應(yīng)用中宜建立地區(qū)測強(qiáng)曲線以提高檢測精度。

2.5 混凝土剪壓比隨齡期的變化

圖 5 為依據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算得到的剪壓比隨齡期的變化。

由圖 5 可知，28d 前剪壓比均值為 0.179，標(biāo)準(zhǔn)差為0.026，變異系數(shù)為 0.146；28d 后剪壓比均值為 0.156，標(biāo)準(zhǔn)差為 0.017，變異系數(shù)為 0.109，究其原因為 28d 前混凝土抗壓強(qiáng)度增長緩慢，以小芯樣表征的混凝土剪切強(qiáng)度相對增長較快；28d 后，混凝土抗壓強(qiáng)度增長相對其抗剪強(qiáng)度增長略快的緣故?？傊?，剪壓比隨齡期在較小范圍內(nèi)波動，齡期對剪壓比影響不大。

2.6 需要進(jìn)一步研究的工作

本次試驗僅對粗骨料為 5～25mm 粒徑的碎石預(yù)拌混凝土進(jìn)行了研究，后續(xù)試驗將對混凝土種類（如鋼纖維混凝土、再生混凝土等）進(jìn)行驗證與修正，對混凝土粗集料種類、粒徑以及抗剪用小芯樣含水率對抗剪法測強(qiáng)曲線的影響程度做進(jìn)一步的研究。

3 結(jié)論

（1）利用試驗數(shù)據(jù)擬合得到的抗剪法專用測強(qiáng)曲線具有足夠的精度，適合于預(yù)拌混凝土抗壓強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)實體檢測，可供工程結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度檢測鑒定參考。

（2）抗剪法測強(qiáng)曲線可不必分段擬合，誤差指標(biāo)比較結(jié)果表明，本文抗剪法測強(qiáng)曲線亦適用于早齡期混凝土抗壓強(qiáng)度的檢測。由于各地混凝土原材料、配合比等的差異，宜建立各自的專用測強(qiáng)曲線以提高檢測精度。

（3）由于抗剪法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)是在結(jié)構(gòu)混凝土中鉆取小芯樣抗剪試件后直接進(jìn)行抗剪試驗，工效較鉆芯法明顯提高；此外該方法亦適用于鋼筋配置密集的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，故抗剪法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)推廣應(yīng)用前景廣闊。

[1] 邱平，朱躍武．抗剪法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)[J]. 施工技術(shù)，2012(24): 99-101．

[2] 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(qiáng)度的試驗研究[J]．工程質(zhì)量，2013(08): 14-17．

[3] 李杰成．抗剪法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)[C]．第十一屆全國建設(shè)工程無損檢測技術(shù)學(xué)術(shù)會議論文集[A]，2013,8: 315-323．

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

The study of the shear-resistance method to detect compressive strength of ready-mixed concrete

Wang Dayong, Zhang Zuodong, Wang Liang, Xiao xiao ( Langfang YangGuang Construction Engineering Quality Supervision CO., Ltd., Langfang 065000, Hebei,China)

This test based on the shear experiment of small diameter cylinder cores and the mechanical properties experiment of cube specimens, the small core shear strength and cube specimens compression strength was obtained. The test results showed that the small core shear strength and cube specimens compression strength were significant correlation , using the shear-resistance method to assess the compressive strength of concrete is higher accuracy. At the same time, the shear-resistance method strength curve is established, and it can be applied to the compressive strength of the entity structure which pumped with premixed concrete. The results of the study can be the reference for the engineering quality detection and control.

concrete; small diameter core; shear strength ;compression strength; strength curve; shear compression ratio

王大勇（1974—），男，高級工程師，從事工程質(zhì)量檢測鑒定與研究工作，全國建設(shè)工程無損檢測技術(shù)學(xué)術(shù)委員會委員。