王大勇，王亮，張作棟，肖瀟

（1. 廊坊市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心，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，廊坊 065000）

原位單剪法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

王大勇1,2，王亮1，張作棟2，肖瀟2

（1. 廊坊市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心，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，廊坊 065000）

本文通過(guò)專用裝置對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件鉆制的圓柱體小芯樣進(jìn)行原位剪切試驗(yàn)，以及相應(yīng)齡期的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件力學(xué)性能試驗(yàn)，分別獲得了小芯樣原位剪切強(qiáng)度和混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度。研究結(jié)果表明：小芯樣原位剪切強(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(yàn)所建立的原位單剪法測(cè)強(qiáng)曲線具有足夠的檢測(cè)精度，能夠應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體混凝土抗壓強(qiáng)度的檢測(cè)。最后對(duì)抗剪法與原位單剪法的區(qū)別與聯(lián)系加以比較。研究結(jié)果可供工程質(zhì)量檢測(cè)與控制參考。

混凝土；小芯樣；剪切強(qiáng)度；抗壓強(qiáng)度；原位單剪法；測(cè)強(qiáng)曲線；剪壓比

0 引言

在既有建筑結(jié)構(gòu)混凝土現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)度檢測(cè)中，鉆芯法是不可或缺的。誠(chéng)然，從混凝土中鉆取芯樣的方法具有直觀、可靠等優(yōu)點(diǎn)，但試驗(yàn)周期長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)存在一定的損傷，尤其是現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)往超高層、大跨度方向的發(fā)展，結(jié)構(gòu)構(gòu)件密集配筋的情況頻繁出現(xiàn)，會(huì)出現(xiàn)鉆芯法不適用的情況。

隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展以及工程施工對(duì)混凝土大流動(dòng)性的要求，采用在混凝土中鉆微小芯樣推定結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強(qiáng)度將成為可能。原位單剪法是利用小芯樣剪切強(qiáng)度推定結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強(qiáng)度的一種新技術(shù)，適宜現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強(qiáng)度的原位檢測(cè)，尤其是摻加礦物摻合料的商品混凝土。本研究采用本地區(qū)常用原材料配制試驗(yàn)用混凝土，按標(biāo)準(zhǔn)方法成型標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，建立原位單剪法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度曲線，并與各地原位單剪法測(cè)強(qiáng)曲線進(jìn)行比較，最后對(duì)以小芯樣表征的原位芯樣剪切強(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，以及該方法同抗剪法的區(qū)別與聯(lián)系進(jìn)行比較。研究結(jié)果可供工程質(zhì)量檢測(cè)與控制參考。

1 試驗(yàn)原理

原位單剪法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)是在受檢結(jié)構(gòu)構(gòu)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(duì)小芯樣進(jìn)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(jù)公式計(jì)算小芯樣的混凝土剪切強(qiáng)度，建立原位剪切應(yīng)力值與標(biāo)準(zhǔn)立方體試件混凝土抗壓強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系。把得到的原位小芯樣抗剪強(qiáng)度作為自變量，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件混凝土抗壓強(qiáng)度作為因變量，采用最小二乘法擬合技術(shù)，建立混凝土測(cè)強(qiáng)曲線數(shù)學(xué)模型并按照有關(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(cè)技術(shù)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 原材料及混凝土配合比

試驗(yàn)采用本地區(qū)常用原材料：42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥，S95 級(jí)礦粉，Ⅱ 級(jí)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?lái)水?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)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(gè)混凝土強(qiáng)度等級(jí)。

2.2 試驗(yàn)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(yàn)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，每個(gè)強(qiáng)度等級(jí)各制作 12 組同條件試件與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 28d 試件 1 組?；炷翝仓尚秃蟀船F(xiàn)行 GB50204—2012《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(jí)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。

2.3 測(cè)試方法

在 5d、14d、28d、56d、90d、120d、180d 測(cè)試齡期時(shí)，從每個(gè)強(qiáng)度等級(jí)試件中隨機(jī)抽取 3 塊，在每個(gè)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(diào)正、對(duì)中后，搖動(dòng)裝置手柄對(duì)原位小芯樣施加徑向荷載至試件破壞，并記錄數(shù)字儀表顯示的抗剪力峰值，見(jiàn)圖 1；同時(shí)從每個(gè)強(qiáng)度等級(jí)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(yàn)。試驗(yàn)用儀器設(shè)備均檢定有效。

圖 1 原位單剪法試驗(yàn)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 破壞形態(tài)

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

3.2 回歸用數(shù)據(jù)取值

3.2.1 原位單剪芯樣試件強(qiáng)度代表值 ?v,i的取值

據(jù)原位單剪芯樣試件的抗剪力 Fi,j與其相應(yīng)端口處直徑均值計(jì)算得到抗剪強(qiáng)度 ?v,i,j，取每組 3 個(gè)抗剪試件強(qiáng)度的均值作為原位單剪強(qiáng)度代表值 ?，見(jiàn)式 1。

3.2.2 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)度的取值按現(xiàn)行GB50107—2010《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)則來(lái)確定該組標(biāo)準(zhǔn)立方體試件混凝土抗壓強(qiáng)度代表值。

3.3 原位單剪法測(cè)強(qiáng)曲線

3.3.1 原位單剪法測(cè)強(qiáng)曲線建模

把得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，選取線性函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、二次多項(xiàng)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(duì)齡期 5～28d、28～180d 以及 5～180d試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行回歸擬合，得到的原位單剪法測(cè)強(qiáng)曲線見(jiàn)表 1、2、3 所示。不同函數(shù)形式的回歸模型計(jì)算得到的平均相對(duì)誤差 δ及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差 er如表 1～3 所示。

由表 1～3 可知：（1）所擬合不同函數(shù)形式的測(cè)強(qiáng)曲線相關(guān)系數(shù)均較高；（2）表 1 中的早齡期原位單剪法測(cè)強(qiáng)曲線在未剔除任何數(shù)據(jù)的情況下，其誤差指標(biāo)均不滿足專用測(cè)強(qiáng)曲線 er≤14% 的要求，表明早齡期試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性大；表 2中的齡期 28～180d 原位單剪法擬合測(cè)強(qiáng)曲線均滿足專用測(cè)強(qiáng)曲線誤差指標(biāo)要求，且誤差數(shù)值較??；表 3 中齡期 28～180d原位單剪法擬合測(cè)強(qiáng)曲線除非零截距的線性函數(shù)與二次多項(xiàng)式函數(shù)外，其他擬合曲線均不滿足專用測(cè)強(qiáng)曲線誤差指標(biāo)要求。（3）據(jù)早齡期（5～28d）試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按表 3 所得的相應(yīng)擬合測(cè)強(qiáng)曲線計(jì)算所得的誤差數(shù)值均較大，這表明擬合測(cè)強(qiáng)曲線在某區(qū)段的適用性較差，檢測(cè)精度欠佳；按表 2 所得的相應(yīng)擬合測(cè)強(qiáng)曲線計(jì)算，所得誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果亦較大，這表明在一般情況下，擬合測(cè)強(qiáng)曲線延展范圍后的適用性較差，會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)精度降低的結(jié)果。

表 1 齡期 5～28d 早齡期原位單剪法測(cè)強(qiáng)曲線及其統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

表 2 齡期 28～180d 早齡期原位單剪法測(cè)強(qiáng)曲線及其統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

表 3 齡期 5～180d 早齡期原位單剪法測(cè)強(qiáng)曲線及其統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

3.3.2 原位單剪法測(cè)強(qiáng)曲線選擇

由表 1～3 可知，回歸得到的三個(gè)齡期范圍的原位單剪法測(cè)強(qiáng)曲線誤差統(tǒng)計(jì)指標(biāo)相差較大。其中齡期 28～180d 原位單剪法擬合測(cè)強(qiáng)曲線的相關(guān)系數(shù)、平均相對(duì)誤差及相對(duì)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)曲線作為原位單剪法測(cè)強(qiáng)曲線，故本文所得到的原位單剪法專用測(cè)強(qiáng)曲線為：

上式相關(guān)系數(shù)為 0.97，平均相對(duì)誤差 δ 為±5.9%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差 er為 8.1%。式中cicuf, 為第 i 個(gè)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；?v,i為第 i 個(gè)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件所取 3 個(gè)直徑 44mm 芯樣試件單剪強(qiáng)度的算術(shù)平均值，結(jié)果精確至 0.01MPa。

3.3.3 原位單剪法測(cè)強(qiáng)曲線效果檢驗(yàn)

以原位單剪法測(cè)強(qiáng)曲線（式 2）檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)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(jiàn)圖 2。

圖 2 本文曲線推定強(qiáng)度與相應(yīng)立方體試件強(qiáng)度的比較

在圖 2 中，原位單剪法測(cè)強(qiáng)曲線換算強(qiáng)度的散點(diǎn)基本均勻分布在 y=x 線兩側(cè)。

3.4 與其他地區(qū)原位單剪法測(cè)強(qiáng)曲線的比較

國(guó)內(nèi)各科研單位對(duì)原位單剪法進(jìn)行了深入的研究[1-2]，建立了各自的原位單剪法測(cè)強(qiáng)曲線，式 3、4 分別為蘭州地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線和廣西地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線。

圖 3 為本文原位單剪法專用測(cè)強(qiáng)曲線與蘭州測(cè)強(qiáng)曲線及廣西測(cè)強(qiáng)曲線的比較。

由圖 3 可知，由 3 條測(cè)強(qiáng)曲線所計(jì)算的混凝土抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)出隨小芯樣原位單剪強(qiáng)度的增加而增長(zhǎng)的規(guī)律；3 條測(cè)強(qiáng)曲線的混凝土換算抗壓強(qiáng)度在低強(qiáng)階段基本呈平行走勢(shì)，在曲線盡端的高強(qiáng)階段時(shí)趨于重合；相同芯樣單剪強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的混凝土抗壓強(qiáng)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(yàn)混凝土原材料與配合比的區(qū)域性所致，實(shí)際應(yīng)用中宜建立地區(qū)測(cè)強(qiáng)曲線，提高檢測(cè)精度。

圖 3 本文曲線與蘭州曲線、廣西曲線的關(guān)系

3.5 混凝土剪壓比隨齡期的變化

圖 4 為據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的混凝土結(jié)構(gòu)原位小芯樣剪切強(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。

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(qiáng)度低，但粗骨料強(qiáng)度高，以小芯樣表征的混凝土結(jié)構(gòu)原位小芯樣剪切強(qiáng)度受混凝土中粗骨料影響相對(duì)較大；齡期 5d 后，混凝土抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)相對(duì)其混凝土結(jié)構(gòu)原位小芯樣剪切強(qiáng)度增長(zhǎng)較為穩(wěn)定，該齡期范圍內(nèi)的混凝土剪壓比均值為 0.165，標(biāo)準(zhǔn)差為 0.023，變異系數(shù)為0.141?？傊?，混凝土剪壓比隨齡期在較小范圍內(nèi)波動(dòng)，齡期對(duì)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(duì)從結(jié)構(gòu)混凝土中鉆取出的小芯樣進(jìn)行試驗(yàn)室剪切試驗(yàn)，建立其剪切應(yīng)力與標(biāo)準(zhǔn)立方體試件抗壓強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系，而原位單剪法是在結(jié)構(gòu)混凝土中鉆成小芯樣后，直接用專用裝置在結(jié)構(gòu)實(shí)體原位對(duì)小芯樣進(jìn)行剪切試驗(yàn)，得到小芯樣剪切強(qiáng)度，建立原位剪切應(yīng)力值與標(biāo)準(zhǔn)立方體試件抗壓強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系，即一個(gè)為對(duì)取出的芯樣剪切，另一個(gè)在結(jié)構(gòu)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(yīng)力推定混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)。

采用文獻(xiàn) [3] 中與本文原位單剪法相對(duì)應(yīng)齡期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在不對(duì)異常數(shù)據(jù)處理的情況下，得到的相應(yīng)齡期28～180d 的抗剪法與原位單剪法測(cè)強(qiáng)曲線的比較見(jiàn)圖 5。

由圖 5 可知，抗剪法擬合曲線與原位單剪法相應(yīng)回歸曲線并不重合，后者檢測(cè)精度較高。機(jī)理研究表明，抗剪法中剪切芯樣試件的破壞形態(tài)為兩段或三段，表明小芯樣受力狀態(tài)可能為單面剪切或雙面剪切（見(jiàn)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(tài)單一，剪切面受力明確；機(jī)理分析亦表明抗剪法試驗(yàn)中剪切芯樣試件的剪切面受力復(fù)雜，有待進(jìn)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(guān)系

4 結(jié)論

（1）本文所得到的原位單剪法專用測(cè)強(qiáng)曲線的平均相對(duì)誤差 δ 為 ±5.9%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差 er為 8.1%，適合于齡期 28d后的混凝土抗壓強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)原位檢測(cè)，可供工程結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度控制與檢測(cè)參考。

（2）由于原位單剪法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)的檢測(cè)精度高，實(shí)際應(yīng)用中可考慮替代鉆芯法去修正間接檢測(cè)方法的檢測(cè)結(jié)果，以減少鉆芯對(duì)結(jié)構(gòu)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(duì)預(yù)采用的原位單剪法測(cè)強(qiáng)曲線進(jìn)行驗(yàn)證或建立各地區(qū)的專用測(cè)強(qiáng)曲線以適應(yīng)本地區(qū)混凝土的特點(diǎn)，提高檢測(cè)精度。

（4）由于原位單剪法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)是在結(jié)構(gòu)混凝土中鉆成小芯樣單剪試件后，原位直接進(jìn)行抗剪試驗(yàn)，適用于鋼筋配置密集的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，且技術(shù)簡(jiǎn)捷，工效較鉆芯法提高，是符合綠色節(jié)能減排的檢測(cè)技術(shù)。

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

[2]李杰成．抗剪法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)[C]．第十一屆全國(guó)建設(shè)工程無(wú)損檢測(cè)技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[A]，2013,8: 315-323．

[3]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．

［通訊地址］河北省廊坊市富康道 113 號(hào)廊坊市陽(yáng)光建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)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(jí)工程師，從事工程質(zhì)量檢測(cè)鑒定與研究工作。