朱躍武

（中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518057）

0 引言

剪切拉拔綜合法是將拉脫強(qiáng)度和原位單剪強(qiáng)度通過(guò)前期處理，如：相加求代數(shù)和，作為綜合法數(shù)據(jù)的自變量代入一元冪函數(shù)曲線，換算混凝土抗壓強(qiáng)度值，或?qū)ⅰ袄搹?qiáng)度”和“原位單剪強(qiáng)度”作為自變量帶入二元冪函數(shù)方程換算混凝土抗壓強(qiáng)度。為了提高曲線精度，在已有技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)剪拉綜合數(shù)據(jù)中的異常值進(jìn)行剔除，最終形成拉剪綜合曲線，本文將對(duì)剪切拉拔綜合法進(jìn)行系統(tǒng)的分析和工程驗(yàn)證。

1 微破損技術(shù)的形成基礎(chǔ)

混凝土作為量大面廣的建筑材料，在我國(guó)工業(yè)與民用建筑中應(yīng)用非常廣泛，為了確保工程的安全質(zhì)量，國(guó)家相關(guān)規(guī)范規(guī)定了混凝土的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，比如采用與澆筑混凝土同條件標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，用28 d 齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度作驗(yàn)收值。

為了研究可溯源的混凝土強(qiáng)度檢測(cè)技術(shù)，論文先研究立方體試件抗壓試驗(yàn)的破壞機(jī)理。試件靠近墊板附近因約束的作用，中間部分混凝土縱向受壓橫向擴(kuò)張，使外圍混凝土受拉，破壞是由外圍混凝土縱向劈裂，墊板附近混凝土承受剪切力形成角錐型破壞面，從試件的破壞形態(tài)看，主要由中間的多個(gè)劈裂柱體和兩端的剪切椎體組成，立方體試件的極限抗壓力取決于試塊形成多個(gè)獨(dú)立受拉劈裂抗拉柱體時(shí)的抗拉強(qiáng)度和形成兩端椎體的剪切強(qiáng)度。微破損檢測(cè)技術(shù)均是基于壓、拉、剪不同參數(shù)建立與立方體試件抗壓強(qiáng)度的擬合關(guān)系后再換算混凝土抗壓強(qiáng)度，立方體試件受壓破壞與相關(guān)的檢查方法如圖 1 所示。

圖1 立方體試件受壓破壞與相關(guān)的檢查方法（單位：mm）

傳統(tǒng)的鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度，是從宏觀到微觀，即在試件抗壓過(guò)程中，通過(guò)試件受壓后發(fā)生的剪切、劈裂抗拉使試件被分成無(wú)數(shù)個(gè)獨(dú)立單元，匯集這些剪切和抗拉強(qiáng)度值最終溯源混凝土的抗壓強(qiáng)度，如式（1）所示。

鉆芯法具有較好的直觀性，其抗壓強(qiáng)度相當(dāng)于同條件、同齡期立方體試件強(qiáng)度。但它也有不足，對(duì)結(jié)構(gòu)損傷大，容易損傷構(gòu)件內(nèi)的鋼筋，試件需要加工打磨和抗壓，過(guò)程造成能源消耗和垃圾增多。

通過(guò)不同方法采集這些自身力學(xué)參數(shù)，可以得到較高的相關(guān)性擬合曲線，由于檢測(cè)時(shí)會(huì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微小破損，對(duì)此簡(jiǎn)稱微破損法或稱直接法。我國(guó)早期常用的主要檢測(cè)方法包括：鉆芯法、后裝拔出法、后錨固法、剪壓法等微破損檢測(cè)技術(shù)，這些方法具有較高的相關(guān)性高，誤差相比無(wú)損檢測(cè)低的特點(diǎn)，但也存在工藝復(fù)雜，因加工試件引入一些數(shù)據(jù)間的離散情況，還存在對(duì)結(jié)構(gòu)損傷較大等不足。隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們逐漸提高了安全標(biāo)準(zhǔn)，目前建筑物的抗震設(shè)防烈度普遍提高，結(jié)構(gòu)的含鋼量增大，導(dǎo)致鋼筋間距變密，已有的鉆芯法會(huì)因?yàn)橹睆捷^大而損傷鋼筋而遭受用戶質(zhì)疑，為使微破損檢測(cè)減少對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷，不損壞鋼筋，其他幾種微破損檢測(cè)方法也因在面對(duì)高強(qiáng)混凝土檢測(cè)，出現(xiàn)數(shù)據(jù)離差變大的情況發(fā)生。

為了解決遇到的問(wèn)題，人們先后推出旨在解決鋼筋密集構(gòu)件檢測(cè)的新技術(shù)，考慮到泵送混凝土工藝的推廣，骨料粒徑已受到嚴(yán)格的控制，我們先后研發(fā)了《拉脫法》和《原位單剪法》等檢測(cè)技術(shù)，兩種檢測(cè)技術(shù)都是在原位對(duì)直徑Ф44 mm，深度 44 mm 的芯樣試件進(jìn)行拉脫或剪切，拉脫法主要檢測(cè)膠凝材料的強(qiáng)度，剪切法主要是檢測(cè)混凝土中粗細(xì)骨料的強(qiáng)度，兩者側(cè)重不同的材質(zhì)特性，但這些方法在不同的強(qiáng)度區(qū)存在不同的問(wèn)題，最大的問(wèn)題就是，測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差因芯樣直徑較小，變得較大，直接影響測(cè)試精度［1-7］。

2 剪切拉拔綜合法

如何改善微破損檢測(cè)技術(shù)的問(wèn)題，簡(jiǎn)化檢測(cè)方法，減少對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷，提高檢測(cè)精度，降低標(biāo)準(zhǔn)差，充分發(fā)掘形成混凝土強(qiáng)度的各種因素，可以采用剪切拉拔綜合法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)，利用混凝土拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力綜合換算混凝土抗壓強(qiáng)度，該方法像無(wú)損檢測(cè)技術(shù)超聲回彈綜合法一樣該法屬于一種“微破損綜合法”檢測(cè)技術(shù)［8-9］。

2.1 數(shù)據(jù)擬合分析

根據(jù)前面介紹的立方體試件受壓破壞的機(jī)理，抗壓強(qiáng)度實(shí)際是由若干個(gè)被劈裂的柱體和受壓板約束的剪切椎體強(qiáng)度組成的，如果我們?cè)谝粋€(gè)試件上同時(shí)采集混凝土拉應(yīng)力和剪應(yīng)力綜合推算混凝土強(qiáng)度，模擬立方體試件壓壞過(guò)程，一定會(huì)達(dá)到理想的強(qiáng)度換算結(jié)果。

“剪切拉拔綜合法”是在實(shí)體結(jié)構(gòu)混凝土上鉆制直徑 Ф44 mm，深度 65 mm 的芯樣試件，在原位將試件剪斷與拔出，采集剪切強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，如式（2）所示。

如圖 2 所示，通過(guò)獲取拉脫強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，利用擬合曲線轉(zhuǎn)換為混凝土抗壓強(qiáng)度，由于是直接獲得混凝土抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，屬于一種直接法。

為了解剪切拉拔綜合法能否綜合反映混凝土自身剪切和拉拔參數(shù)與混凝土抗壓強(qiáng)度的擬合性能，有效提高精度，首先根據(jù)全國(guó)多家檢測(cè)、科研、學(xué)校、施工和生產(chǎn)混凝土單位采用兩種檢測(cè)方法獲得的原始數(shù)據(jù)，即拉脫值和原位單剪值及對(duì)應(yīng)的立方體試件強(qiáng)度，以立方體試件抗壓強(qiáng)度進(jìn)行比對(duì)，將試件強(qiáng)度不超過(guò) 15 % 的試件強(qiáng)度進(jìn)行分組并平均，最終獲得拉脫與原位單剪共計(jì) 621 組原始數(shù)據(jù)，并將對(duì)應(yīng)的拉脫與剪切原始數(shù)據(jù)進(jìn)行求和，通過(guò)第一次擬合，剔除相對(duì)誤差大于 34 %，共計(jì) 30 組異常值，剩余 591 組數(shù)據(jù)，由于篇幅有限，本文僅列出部分?jǐn)?shù)據(jù)，剪切拉拔與歸一后的強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表 1 所示。

圖2 剪切與拉脫操作

對(duì)表 2 的數(shù)據(jù)采用spass軟件進(jìn)行擬合分析，分析結(jié)果如下。

通過(guò)比對(duì)曲線參數(shù)，發(fā)現(xiàn)冪函數(shù)曲線相關(guān)系數(shù) r 最大，顯著性水平 F 比最顯著，為此選擇冪函數(shù)作為拉剪綜合法測(cè)強(qiáng)曲線。曲線散點(diǎn)圖（見(jiàn)圖 3）一元冪函數(shù)曲線見(jiàn)式（3）：

表1 剪切拉拔與歸一后的強(qiáng)度數(shù)據(jù) MPa

表2 模型匯總和參數(shù)估計(jì)值

采用剪切拉拔強(qiáng)度作為變量換算出混凝土抗壓強(qiáng)度，相關(guān)系數(shù) r=0.96，顯著性水平 F比=6 203.386，求出其平均相對(duì)誤差為：б=12 %；平均標(biāo)準(zhǔn)差 S=14 %?？梢?jiàn)精度已經(jīng)達(dá)到專用曲線的水平。

同樣采用二元冪函數(shù)方程對(duì)原位單剪強(qiáng)度與拉脫強(qiáng)度和立方體試件抗壓強(qiáng)度進(jìn)行擬合分析，分析結(jié)果表明，曲線的相關(guān)系數(shù)為 r=0.96，平均相對(duì)誤差為 б=10 %；平均標(biāo)準(zhǔn)差 S=12 %，精度超過(guò)一元冪函數(shù)曲線，兩條曲線平均相對(duì)誤差和平均標(biāo)準(zhǔn)差都達(dá)到專用曲線的水平，二元冪函數(shù)曲線方程如式（4）所示。

式中：fs，i為原位單剪強(qiáng)度，MPa；fp，i為拉脫強(qiáng)度，MPa。

2.2 低強(qiáng)區(qū)混凝土驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該曲線是否滿足工程檢測(cè)的要求，即在同一條件下，其標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)接近同條件立方體試件強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差，或者小于等于同條件鉆芯法的標(biāo)準(zhǔn)差，帶著這個(gè)問(wèn)題，我們預(yù)制兩面試驗(yàn)墻體，尺寸為長(zhǎng) 2 m，高度 1.5 m，厚度 0.3 m，一面墻體混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為 C35，另一面為 C60，每面墻體預(yù)留同條件標(biāo)準(zhǔn)立方體試件 10 組，并分別在墻體上鉆取各 10 個(gè)直徑Ф100 mm 和Ф75 mm 混凝土芯樣。并按照剪切拉拔法的技術(shù)要求進(jìn)行原位試驗(yàn)，C35 墻體立方體試件、鉆芯和剪切拔出法驗(yàn)證結(jié)果如表 3 所示。

表3 C35 墻體立方體試件、鉆芯和剪切拔出法驗(yàn)證結(jié)果 MPa

對(duì) 4 組數(shù)據(jù)結(jié)果采用直方圖進(jìn)行分析，并求出每組數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，C35 墻體檢測(cè)結(jié)果的直方圖分析如圖 4 所示。

通過(guò)表 3 和圖 4 對(duì) C35 混凝土墻體的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，采用一元冪函數(shù)和二元冪函數(shù)曲線計(jì)算的強(qiáng)度平均值為立方體試件強(qiáng)度的 83 % 和 81 %，標(biāo)準(zhǔn)差分別為 S=3.494 MPa 和 S=3.431 MPa，其中二元冪函數(shù)計(jì)算結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差與立方體試件的 S=3.353 MPa 基本相等，并全部小于鉆芯法的標(biāo)準(zhǔn)差。

2.3 高強(qiáng)區(qū)混凝土驗(yàn)證

同樣我們對(duì) C60 墻體也進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，C60 墻體立方體試件、鉆芯和剪切拔出法驗(yàn)證結(jié)果如表 4 所示。

C60 混凝土屬于高強(qiáng)混凝土，由于強(qiáng)度高，鉆芯時(shí)間長(zhǎng)，鉆頭磨損大，不同直徑對(duì)強(qiáng)度的影響不同，直徑越小，影響越大，同時(shí)將試驗(yàn)結(jié)果繪制直方圖如圖 5 所示，求出每組數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差（S）。

圖4 C35 墻體檢測(cè)結(jié)果直方圖分析（單位：MPa）

圖5 C60 墻體檢測(cè)結(jié)果直方圖分析（單位：MPa）

通過(guò)表 4 和圖 5 對(duì) C60 混凝土墻體的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，采用一元冪函數(shù)和二元冪函數(shù)曲線計(jì)算的強(qiáng)度平均值為立方體試件強(qiáng)度的 96 % 和 90 %，標(biāo)準(zhǔn)差分別為 S=5.432 MPa 和 S=5.278 MPa，其中二元冪函數(shù)計(jì)算結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差與立方體試件的 S=4.777 MPa 相差 0.501 MPa，和低強(qiáng)區(qū)結(jié)果一樣全部小于鉆芯法的標(biāo)準(zhǔn)差。

為什么在高強(qiáng)區(qū)出現(xiàn)拉剪綜合法的標(biāo)準(zhǔn)差大于同條件立方體試件，分析其原因，聯(lián)系鉆芯法強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差的取值情況，可能是在高強(qiáng)混凝土上鉆芯時(shí)，因混凝土強(qiáng)度高，鉆頭磨損快，鉆芯時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)試件外形會(huì)產(chǎn)生一定影響，導(dǎo)致試件產(chǎn)生變形，直接導(dǎo)致拉脫強(qiáng)度偏低，但原位單剪主要剪切混凝土中粗細(xì)骨料的強(qiáng)度，因此影響相對(duì)要小些，兩項(xiàng)因子疊加導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)差偏大，但均小于鉆芯試件抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差。

3 結(jié)論

1）通過(guò)粗差處理后的兩體擬合曲線，一元冪函數(shù)和二元冪函數(shù)的曲線相關(guān)系數(shù)為 r=0.96。一元冪函數(shù)曲線的平均相對(duì)誤差為：б=12 %；平均標(biāo)準(zhǔn)差：S=14 %。二元冪函數(shù)曲線的平均相對(duì)誤差為：б=10 %；平均標(biāo)準(zhǔn)差：S=12 %，優(yōu)于一元冪函數(shù)曲線，兩條曲線均達(dá)到專用曲線的水準(zhǔn)，由于曲線的計(jì)算基礎(chǔ)僅來(lái)源于 591 組數(shù)據(jù)樣本，作為全國(guó)曲線還應(yīng)增加樣本量。

2）在強(qiáng)度低強(qiáng)區(qū)，采用一元冪函數(shù)和二元冪函數(shù)曲線計(jì)算的強(qiáng)度平均值為立方體試件強(qiáng)度的 83 % 和81%，標(biāo)準(zhǔn)差分別為 S=3.494 MPa 和 S=3.431 MPa，其中二元冪函數(shù)計(jì)算結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差與立方體試件的 S=3.353 MPa 基本相等，兩條曲線計(jì)算結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差全部小于鉆芯法的標(biāo)準(zhǔn)差。

3）在強(qiáng)度高強(qiáng)區(qū)，采用一元冪函數(shù)和二元冪函數(shù)曲線計(jì)算的強(qiáng)度平均值為立方體試件強(qiáng)度的 96 % 和 90 %，標(biāo)準(zhǔn)差分別為S=5.432 M Pa和 S=5.278 MPa，其中二元冪函數(shù)計(jì)算結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差與立方體試件標(biāo)準(zhǔn)差 S=4.777 MPa 相差 0.501 MPa，和低強(qiáng)區(qū)結(jié)果一樣全部小于鉆芯法的標(biāo)準(zhǔn)差。

表4 C60 墻體立方體試件、鉆芯和剪切拔出法驗(yàn)證結(jié)果 MPa

4）無(wú)論是在低強(qiáng)區(qū)還是在高強(qiáng)區(qū)，無(wú)論是采用一元冪函數(shù)曲線還是二元冪函數(shù)曲線，剪切拉拔綜合法的強(qiáng)度平均值大于鉆芯法強(qiáng)度平均值。

5）剪切拉拔綜合法充分利用混凝土內(nèi)在性能特點(diǎn)，采用微創(chuàng)的剪切和拉拔手段，用鉆芯法（直徑Ф100 mm）7 % 的混凝土體積創(chuàng)傷，換取比鉆芯法更高或相同的檢測(cè)精度，這對(duì)減少結(jié)構(gòu)損傷、節(jié)能減排、減少實(shí)驗(yàn)室投資、減少?gòu)U棄物、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度具有重大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。

6）剪切拉拔綜合法的研究，開(kāi)創(chuàng)了檢測(cè)技術(shù)的新思路，該技術(shù)具有對(duì)結(jié)構(gòu)損傷小，快捷，操作工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，適用于鋼筋密集的構(gòu)件檢測(cè)。由于可以將試件取出試驗(yàn)，也適合圓形或不規(guī)則表面的構(gòu)件以及混凝土表面遭受凍害或火燒的混凝土強(qiáng)度檢測(cè)。拉剪綜合法除適用與建筑結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度檢測(cè)外，也適用鐵路、公路、橋梁和港口碼頭混凝土工程、裝配式混凝土工程的檢測(cè)。