天津地区冬施混凝土测强曲线研究

刘 畅

（天津市农垦房地产开发建设有限公司，天津 300222）

0 引 言

回弹法检测混凝土强度是利用混凝土回弹值与抗压强度之间的关系来推算混凝土抗压强度的一种无损检测方法，也是被国际学术界和工程界公认为混凝土强度的无损检测方法之一。但由于回弹仪的工作原理限制，导致其只能在混凝土表端 10 mm 厚度范围内检测混凝土内部强度的情况，然而混凝土表面因为受到温度、湿度以及碳化等因素的影响，其表面强度与内部真实强度存在一定程度上的偏差，从而需要针对不同情况对其进行修正。相关研究表明：影响“fcu-R”关系的外在因素主要有表面湿度、养护条件、模板材料类型、碳化深度以及龄期［1］，内在因素主要包括混凝土表面疏松层、骨料与水泥基体的粘结程度等［2，3］。

统一测强曲线的建立是以自然养护且混凝土表面干燥为条件，对于冬季施工条件下的混凝土，其养护条件与表面湿润程度和常规条件下有很大差异。已有研究表明［4，5］：在回弹值相同的条件下，表面干燥的混凝土测定的强度要比表面湿润的混凝土测定的强度低，并且混凝土经历干、湿的时间越长，其回弹值的差异也越大。另一方面，混凝土表面的温湿度差异容易造成表面孔隙率不同，对碳化深度也会构成影响，混凝土碳化后，表面硬度提高，但其结构实则疏松，依据回弹值所推算的抗压强度反而偏低［6-8］。为此，众多学者研究了不同混凝土种类回弹测强曲线的多种函数形式，并对其影响因素以及适用性做了分析论证。刘汉勇等［9］学者对瓯江大桥混凝土结构进行了长龄期检测，并对同一批混凝土分别进行了普通回弹仪和高强回弹仪的强度检测，研究表明利用普通回弹仪所建立的测强曲线可以对高强混凝土进行强度检测，且精度较高。朱浮声等［10］从高强回弹仪和普通回弹仪的能量输出比例入手，通过大量混凝土试块试验得到了测强曲线，验证了普通回弹仪在高强混凝土强度检测中的适用性。但目前针对冬季施工条件下回弹法测强曲线的分析还鲜有研究。

在 JGJ/T23-2011《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》［11］（以下简称“规程”）中指出：“有条件的地区和部门，应制定本地区的测强曲线或专用测强曲线。检测单位宜采用专用测强曲线、地区测强曲线、统一测强曲线的顺序选用测强曲线。”为此，本文制备了三种强度等级（C40、C50、C60）的混凝土试块，并置于室外现场环境进行长龄期（150 d）同条件养护，采用不同冲击动能的回弹仪分别建立了测强曲线，分析了抗压强度与回弹值二者之间的相关关系，得到了天津地区冬施条件下的回弹法测强曲线，分析了普通回弹仪（2.207 J）与重型回弹仪（4.5 J）在不同强度等级混凝土强度检测中的适用性，并与全国统一测强曲线进行了对比分析，为建立天津地区专用测强曲线提供了参考。

1 试验概况

1.1 试验方法

本次试验选用的混凝土采用天津地区某混凝土公司配合比，为天津地区工程中常用商品混凝土，浇筑日期为 2016年12月，日平均气温低于 5 ℃，最低气温低于 3 ℃，依据相关规范可判别为冬期施工。制备混凝土原材料信息如表1所示，混凝土成分用料如表2所示。

采用以上原材料与配合比制备出尺寸为150 mm×150 mm×150 mm 的混凝土试块，分别对每种强度等级（C40、C50、C60）下不同龄期（7 d、14 d、28 d、60 d、90 d、600 ℃•d、120 d、150 d）的同条件养护试块进行回弹法强度检测，每一强度等级在每个龄期预留 3 个混凝土试块，所有试块置于室外现场环境进行同条件养护。检测时，擦净试块表面，以浇筑侧面的两个相对面置于压力机的上下承压板之间（见图1），在试块保持压力的状态下，于两个侧面上分别弹击 8 个测点，从每一块试块的 16 个回弹值中分别剔除 3 个最大值和 3 个最小值，余下的 10 个回弹值取平均值作为本组试块的平均回弹值Rm如式（1）所示，精确到 0.1 MPa。之后将试块置于压力试验机做抗压强度试验，记录其抗压强度fcu，精确到 0.1 MPa。每组龄期测定回弹值的同时对混凝土试块进行碳化深度的测量。

表1 试验原材料信息

图1 测点布置图

C40 混凝土采用普通回弹仪（2.207 J）检测混凝土强度；C50 混凝土分别采用普通回弹仪（2.207 J）和 4.5 J 高强回弹仪检测混凝土强度；C60 混凝土采用 4.5 J 高强回弹仪检测混凝土强度，用以进行后续回弹法测强曲线的分析。

1.2 试验仪器

本试验选用的仪器规格及参数如表3所示。

1.3 试验结果

不同龄期下，同条件养护的试块的回弹值与抗压强度试验结果如表4所示。

纵观表4可以分析出 C40 混凝土试块采用普通回弹仪（2.207 J）测出的回弹值与抗压强度呈现出较高程度的相关关系，C50 混凝土试块采用普通回弹仪（2.207 J）测出的回弹值与抗压强度呈现出较高程度的相关关系，C50 和 C60 混凝土试块采用 4.5 J高强回弹仪测出的回弹值与抗压强度相关性不强，对天津地区冬施混凝土的强度检测无太大参考价值。

表2 混凝土成分用料信息

表3 试验仪器及参数

表4 回弹值与抗压强度试验结果

2 冬施混凝土测强曲线分析

2.1 普通回弹仪得到的测强曲线

将 C40、C50 混凝土试块所测得的回弹值和抗压强度的关系绘于二维坐标系中（见图2），可以看出，在不考虑碳化深度的影响后，回弹值与抗压强度呈现出一定程度的相关关系。在此，选取二次函数、幂函数与线性函数分别对检测结果进行回归分析，并按“规程”要求分别计算平均相对误差与相对标准差，三种函数形式的误差及相关系数如表5所示。从表5可以看出：三种函数形式的相关性系数相差不大，平均相对误差与相对标准差也均满足“规程”对专用测强曲线的误差要求。其中，线性函数的相关性系数最高，测强曲线方程如式 2 所示。

式中：fcu为混凝土抗压强度换算值，精确到 0.1 MPa；Rm为回弹平均值，精确到 0.1 MPa。

图2 C40、C50 混凝土回弹值与抗压强度的关系（2.207 J 回弹仪）

2.2 高强回弹仪得到的测强曲线

将重型回弹仪（4.5J）所检测的 C50、C60 混凝土试块的平均回弹值和抗压强度实测数据采用最小二乘法作回归分析，不考虑碳化深度的影响，得出混凝土试块回弹值与抗压强度实测值之间的关系如图3所示，可以看出：检测数据具有较高的离散程度，且分布在坐标图中较广的区域内。同样选取二次函数、幂函数与线性函数对回弹法的检测结果进行回归分析，三种函数形式的误差及相关系数表6所示。从表6可以看出：三种函数形式的相关性系数相差较大，没有呈现出较高的相关关系，三种函数形式的相对标准差均超出了“规程”对专用测强曲线的误差要求。

2.3 与统一测强曲线的对比分析

依据 JGJ/T 23-2011《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》［11］、JGJ/T 294-2013《高强混凝土强度检测技术规程》［12］，由普通回弹仪与高强回弹仪所检测的混凝土抗压强度统一测强曲线的计算模型如式 3、4 所示：

表5 测强曲线函数形式的对比（2.207J 回弹仪）

表6 测强曲线函数形式的对比（4.5 J 回弹仪）

图3 C50、C60 混凝土回弹值与抗压强度的关系（4.5 J 回弹仪）

由 2.1 节普通回弹仪得到的混凝土测强曲线（式2）与全国统一测强曲线对比如图4所示，由图中可以看出：依照式 2 所推算的混凝土强度换算值要比统一测强曲线的强度换算值高，并且随着回弹值Rm的提高，新测强曲线与统一测强曲线的强度换算值也逐步接近。此外，由统一测强曲线得出的强度换算值较实测数据均普遍偏低，可见，采用统一测强曲线计算的混凝土强度换算值偏保守，不适于天津地区冬施混凝土的强度检测。另一方面，统一测强曲线强度换算值与实测数据相差较大，C40、C50 强度等级混凝土试块的平均相对误差分别为 10.418 0 %、10.441 5 %，相对标准差分别为 16.559 3 %、16.261 3 %，其中，相对标准差均超出了“规程”对专用测强曲线的精度要求。而新测强曲线的平均相对误差分别为 4.549 4 %、4.301 7 %，相对标准差分别为 8.235 9 %、7.647 1 %，均满足“规程”对专用测强曲线的精度要求，且远低于统一测强曲线的误差，由此可以看出：新测强曲线分别与 C40、C50 混凝土的回弹值之间均具有较好的统计特性，回归方程的计算精度要高于统一测强曲线。

图4 新测强曲线、统一测强曲线与实测数据的关系（C40，C50）

由 2.2 节的试验结论可知，冲击动能为 4.5 J 的回弹仪在 C50、C60 强度等级混凝土试块中的检测结果具有较高的离散性，三种函数形式的相对标准差均超出了“规程”所规定的误差。依据 2.2 节的试验结论，将相关性系数最高的线性函数与统一测强曲线作对照分析，其结果如图5所示。可以看出：在混凝土试块的抗压强度低于 45 MPa 时，采用线性函数所推算的混凝土强度要高于统一测强曲线所推算的混凝土强度，而当混凝土试块的抗压强度高于 45 MPa 时，规律则呈现相反的趋势。由表4所统计的试验结果可知，抗压强度低于 45 MPa 的几个数据点均分布在龄期 7～14 d，结合本次试验初期的气候条件，在龄期 7～14 d 的阶段，气候寒冷、多风，环境日最高温度基本低于 5 ℃，同条件养护的混凝土试块受外界环境影响严重，导致前期混凝土强度增长缓慢。另一方面，根据普通回弹仪的检测结果并结合对不同冲击动能回弹仪的工作原理分析：普通回弹仪（2.207 J）由于冲击动能较小，受实体混凝土构件表面硬度的影响程度较大，因此所检测出的回弹值更多的反映的是混凝土表面的硬度，混凝土表面的破损情况、潮湿程度均会对回弹值造成较大影响。而 4.5 J 回弹仪由于冲击动能较大，其回弹的影响范围已经透过水泥表层，扩展到骨料和界面的过渡层，因此能更为准确地反映内部结构与真实强度的关系，由表4也可以看出：相比于普通回弹仪所检测的结果，4.5 J 回弹仪所检测的回弹法推定强度更接近实测抗压强度。

图5 新测强曲线、统一测强曲线与实测数据的关系（C50，C60）

3 结 语

本文对三种强度等级的混凝土进行了长龄期下的回弹法测强曲线研究，将预留的试块置于室外现场环境中，分别建立了天津地区在冬季施工条件下，普通回弹仪和高强回弹仪的混凝土测强曲线，并与全国统一测强曲线作了对比分析，得出如下结论。

1）采用普通回弹仪（2.207 J）对 C40、C50 强度等级混凝土试块进行强度检测，试块回弹值与抗压强度呈现出较高程度的相关关系，对其进行三种函数形式的回归分析，二者线性相关性程度较高。而采用统一测强曲线计算的 C40、C50 混凝土强度换算值偏保守，不适于天津地区冬施混凝土的强度检测。

2）采用高强回弹仪（4.5 J）所建立的 C50、C60 强度等级混凝土的测强曲线具有较大的离散性，采用高强混凝土统一测强曲线对 C50、C60 混凝土试块进行回归分析，二者在 45 MPa 前后呈现出相反的趋势。结合不同龄期下的气候特征与回弹仪冲击动能的分析，并依据普通回弹仪对 C40、C50 混凝土的检测结果，可以认为：混凝土表面的情况受外界影响严重，对较低冲击动能回弹仪所检测的回弹值造成较大影响，高强回弹仪所检测的推定强度更接近实测抗压强度，有待结合混凝土内部与外部强度差异作进一步研究。