原位单剪法检测混凝土抗压强度试验研究

王大勇，王亮，张作栋，肖潇

（1. 廊坊市建设工程质量检测中心，廊坊 065000；2. 廊坊市阳光建设工程质量检测有限公司，廊坊 065000）

原位单剪法检测混凝土抗压强度试验研究

王大勇1,2，王亮1，张作栋2，肖潇2

（1. 廊坊市建设工程质量检测中心，廊坊 065000；2. 廊坊市阳光建设工程质量检测有限公司，廊坊 065000）

本文通过专用装置对混凝土结构构件钻制的圆柱体小芯样进行原位剪切试验，以及相应龄期的标准立方体试件力学性能试验，分别获得了小芯样原位剪切强度和混凝土立方体试件抗压强度。研究结果表明：小芯样原位剪切强度与混凝土立方体试件抗压强度存在显著的相关性；试验所建立的原位单剪法测强曲线具有足够的检测精度，能够应用于现场实体混凝土抗压强度的检测。最后对抗剪法与原位单剪法的区别与联系加以比较。研究结果可供工程质量检测与控制参考。

混凝土；小芯样；剪切强度；抗压强度；原位单剪法；测强曲线；剪压比

0 引言

在既有建筑结构混凝土现场强度检测中，钻芯法是不可或缺的。诚然，从混凝土中钻取芯样的方法具有直观、可靠等优点，但试验周期长，同时对结构存在一定的损伤，尤其是现代建筑结构往超高层、大跨度方向的发展，结构构件密集配筋的情况频繁出现，会出现钻芯法不适用的情况。

随着混凝土技术的发展以及工程施工对混凝土大流动性的要求，采用在混凝土中钻微小芯样推定结构混凝土抗压强度将成为可能。原位单剪法是利用小芯样剪切强度推定结构混凝土抗压强度的一种新技术，适宜现场结构混凝土抗压强度的原位检测，尤其是掺加矿物掺合料的商品混凝土。本研究采用本地区常用原材料配制试验用混凝土，按标准方法成型标准立方体试件，建立原位单剪法检测混凝土抗压强度曲线，并与各地原位单剪法测强曲线进行比较，最后对以小芯样表征的原位芯样剪切强度与其相应立方体试件抗压强度之比的混凝土剪压比随龄期的变化进行分析，以及该方法同抗剪法的区别与联系进行比较。研究结果可供工程质量检测与控制参考。

1 试验原理

原位单剪法检测混凝土抗压强度技术是在受检结构构件混凝土中钻成直径 44mm 的微小芯样（深度约 40mm）后，直接用专用装置对小芯样进行原位剪切，得到小芯样被剪断瞬间的沿芯样径向的剪力峰值，根据公式计算小芯样的混凝土剪切强度，建立原位剪切应力值与标准立方体试件混凝土抗压强度的相关关系。把得到的原位小芯样抗剪强度作为自变量，相应的标准立方体试件混凝土抗压强度作为因变量，采用最小二乘法拟合技术，建立混凝土测强曲线数学模型并按照有关规定借以推定结构混凝土抗压强度的一种检测技术。

2 试验设计

2.1 原材料及混凝土配合比

试验采用本地区常用原材料：42.5 级普通硅酸盐水泥，S95 级矿粉，Ⅱ 级粉煤灰，细骨料为涿州中砂，粗骨料为5～25mm 粒径碎石，减水剂为萘系高效泵送防冻减水剂，拌合用水为当地自来水。混凝土配合比设计采用粉煤灰超量取代水泥、矿粉等量取代部分水泥，并加入适量萘系高效泵送减水剂的方式配制 C20、C40、C60 三个混凝土强度等级。

2.2 试验用标准立方体试块

委托生产质量稳定的某大型商品混凝土公司提供试验混凝土，并按标准工艺制作 150mm×150mm×150mm 标准立方体试件，每个强度等级各制作 12 组同条件试件与标准养护 28d 试件 1 组。混凝土浇筑成型后按现行 GB50204—2012《混凝土结构工程施工质量验收规范》养护 14d，后移至室外阴凉处品字型码放，自然养护，裸置备用。各强度等级混凝土标准养护 28d 立方体试件抗压强度均合格。

2.3 测试方法

在 5d、14d、28d、56d、90d、120d、180d 测试龄期时，从每个强度等级试件中随机抽取 3 块，在每个试件的混凝土浇筑侧面用内径为 44mm 钻头的钻芯机钻制小直径芯样作为待剪试件。用专用装置卡住小芯样轴向中部并调正、对中后，摇动装置手柄对原位小芯样施加径向荷载至试件破坏，并记录数字仪表显示的抗剪力峰值，见图 1；同时从每个强度等级试件中随机抽取 1 组（3 块）立方体试件进行混凝土力学性能试验。试验用仪器设备均检定有效。

图 1 原位单剪法试验

3 试验结果及分析

3.1 破坏形态

原位单剪法是对混凝土芯样的径向施加平行于专用装置承压面的错位剪切力，使混凝土芯样沿径向垂直于芯样轴向出现剪切破坏，故从小芯样的剪切破坏结果和形态看为：小芯样被剪断，低强混凝土端口多表现为斜面，高强混凝土由于脆性较大，其断面多呈较规整状。

3.2 回归用数据取值

3.2.1 原位单剪芯样试件强度代表值 ƒv,i的取值

据原位单剪芯样试件的抗剪力 Fi,j与其相应端口处直径均值计算得到抗剪强度 ƒv,i,j，取每组 3 个抗剪试件强度的均值作为原位单剪强度代表值 ƒ，见式 1。

3.2.2 标准立方体试件混凝土抗压强度的取值

标准立方体试件混凝土抗压强度的取值按现行GB50107—2010《混凝土强度检验评定标准》的规则来确定该组标准立方体试件混凝土抗压强度代表值。

3.3 原位单剪法测强曲线

3.3.1 原位单剪法测强曲线建模

把得到的试验数据进行预处理后，选取线性函数、对数函数、二次多项式函数、幂函数、指数函数等五种函数形式，采用最小二乘法对龄期 5～28d、28～180d 以及 5～180d试验数据分别进行回归拟合，得到的原位单剪法测强曲线见表 1、2、3 所示。不同函数形式的回归模型计算得到的平均相对误差 δ及相对标准差 er如表 1～3 所示。

由表 1～3 可知：（1）所拟合不同函数形式的测强曲线相关系数均较高；（2）表 1 中的早龄期原位单剪法测强曲线在未剔除任何数据的情况下，其误差指标均不满足专用测强曲线 er≤14% 的要求，表明早龄期试验数据离散性大；表 2中的龄期 28～180d 原位单剪法拟合测强曲线均满足专用测强曲线误差指标要求，且误差数值较小；表 3 中龄期 28～180d原位单剪法拟合测强曲线除非零截距的线性函数与二次多项式函数外，其他拟合曲线均不满足专用测强曲线误差指标要求。（3）据早龄期（5～28d）试验数据，按表 3 所得的相应拟合测强曲线计算所得的误差数值均较大，这表明拟合测强曲线在某区段的适用性较差，检测精度欠佳；按表 2 所得的相应拟合测强曲线计算，所得误差统计结果亦较大，这表明在一般情况下，拟合测强曲线延展范围后的适用性较差，会出现检测精度降低的结果。

表 1 龄期 5～28d 早龄期原位单剪法测强曲线及其统计指标

表 2 龄期 28～180d 早龄期原位单剪法测强曲线及其统计指标

表 3 龄期 5～180d 早龄期原位单剪法测强曲线及其统计指标

3.3.2 原位单剪法测强曲线选择

由表 1～3 可知，回归得到的三个龄期范围的原位单剪法测强曲线误差统计指标相差较大。其中龄期 28～180d 原位单剪法拟合测强曲线的相关系数、平均相对误差及相对标准差指标为最佳，本文优选物理意义明确的幂函数曲线作为原位单剪法测强曲线，故本文所得到的原位单剪法专用测强曲线为：

上式相关系数为 0.97，平均相对误差 δ 为±5.9%，相对标准差 er为 8.1%。式中cicuf, 为第 i 个结构或构件混凝土抗压强度推定值，结果精确至 0.1MPa；ƒv,i为第 i 个结构或构件所取 3 个直径 44mm 芯样试件单剪强度的算术平均值，结果精确至 0.01MPa。

3.3.3 原位单剪法测强曲线效果检验

以原位单剪法测强曲线（式 2）检测混凝土结构实体混凝土强度推定值与立方体试件抗压强度的比较见图 2。

图 2 本文曲线推定强度与相应立方体试件强度的比较

在图 2 中，原位单剪法测强曲线换算强度的散点基本均匀分布在 y=x 线两侧。

3.4 与其他地区原位单剪法测强曲线的比较

国内各科研单位对原位单剪法进行了深入的研究[1-2]，建立了各自的原位单剪法测强曲线，式 3、4 分别为兰州地区测强曲线和广西地区测强曲线。

图 3 为本文原位单剪法专用测强曲线与兰州测强曲线及广西测强曲线的比较。

由图 3 可知，由 3 条测强曲线所计算的混凝土抗压强度均表现出随小芯样原位单剪强度的增加而增长的规律；3 条测强曲线的混凝土换算抗压强度在低强阶段基本呈平行走势，在曲线尽端的高强阶段时趋于重合；相同芯样单剪强度所对应的混凝土抗压强度推定值按本文曲线、广西曲线、兰州曲线顺序依次增大。这是试验混凝土原材料与配合比的区域性所致，实际应用中宜建立地区测强曲线，提高检测精度。

图 3 本文曲线与兰州曲线、广西曲线的关系

3.5 混凝土剪压比随龄期的变化

图 4 为据试验数据计算得到的混凝土结构原位小芯样剪切强度与其相应立方体试件抗压强度之比的混凝土剪压比随龄期的变化。

由图 4 可知，龄期 5d 的混凝土剪压比离散较大，究其原因，为该龄期混凝土硬化强度低，但粗骨料强度高，以小芯样表征的混凝土结构原位小芯样剪切强度受混凝土中粗骨料影响相对较大；龄期 5d 后，混凝土抗压强度增长相对其混凝土结构原位小芯样剪切强度增长较为稳定，该龄期范围内的混凝土剪压比均值为 0.165，标准差为 0.023，变异系数为0.141。总之，混凝土剪压比随龄期在较小范围内波动，龄期对剪压比影响不大。

图 4 混凝土剪压比随龄期的变化

3.6 原位单剪法与抗剪法的比较

抗剪法是对从结构混凝土中钻取出的小芯样进行试验室剪切试验，建立其剪切应力与标准立方体试件抗压强度的相关关系，而原位单剪法是在结构混凝土中钻成小芯样后，直接用专用装置在结构实体原位对小芯样进行剪切试验，得到小芯样剪切强度，建立原位剪切应力值与标准立方体试件抗压强度的相关关系，即一个为对取出的芯样剪切，另一个在结构混凝土成芯部位原位剪切芯样，但二者均为利用小芯样的剪切应力推定混凝土抗压强度技术。

采用文献 [3] 中与本文原位单剪法相对应龄期的试验数据，在不对异常数据处理的情况下，得到的相应龄期28～180d 的抗剪法与原位单剪法测强曲线的比较见图 5。

由图 5 可知，抗剪法拟合曲线与原位单剪法相应回归曲线并不重合，后者检测精度较高。机理研究表明，抗剪法中剪切芯样试件的破坏形态为两段或三段，表明小芯样受力状态可能为单面剪切或双面剪切（见图 6）、或介于二者之间；而原位单剪法中剪切芯样试件的破坏形态单一，剪切面受力明确；机理分析亦表明抗剪法试验中剪切芯样试件的剪切面受力复杂，有待进一步研究。

图 6 原位单剪法与抗剪法(单面剪切、双面剪切)的关系

4 结论

（1）本文所得到的原位单剪法专用测强曲线的平均相对误差 δ 为 ±5.9%，相对标准差 er为 8.1%，适合于龄期 28d后的混凝土抗压强度现场原位检测，可供工程结构混凝土强度控制与检测参考。

（2）由于原位单剪法检测混凝土抗压强度技术的检测精度高，实际应用中可考虑替代钻芯法去修正间接检测方法的检测结果，以减少钻芯对结构安全与耐久性的影响。

（3）由于各地混凝土原材料、配合比等的差异，宜对预采用的原位单剪法测强曲线进行验证或建立各地区的专用测强曲线以适应本地区混凝土的特点，提高检测精度。

（4）由于原位单剪法检测混凝土抗压强度技术是在结构混凝土中钻成小芯样单剪试件后，原位直接进行抗剪试验，适用于钢筋配置密集的结构构件，且技术简捷，工效较钻芯法提高，是符合绿色节能减排的检测技术。

[1]杜雷，张 波，周茗如，等．抗剪法及原位单剪法推定混凝土抗压强度的试验研究[J]．工程质量，2013(08):14-17．

[2]李杰成．抗剪法检测混凝土抗压强度技术[C]．第十一届全国建设工程无损检测技术学术会议论文集[A]，2013,8: 315-323．

[3]王大勇，张作栋，王亮，等．抗剪法检测预拌混凝土抗压强度试验研究[J]．商品混凝土，2014(03):30-32,36．

［通讯地址］河北省廊坊市富康道 113 号廊坊市阳光建设工程质量检测有限公司 （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，高级工程师，从事工程质量检测鉴定与研究工作。