火灾后机制砂混凝土残余抗压强度回归分析

卢云祥，潘佩瑶，陈 丽，曾 义，李东旭，潘正斌

(贵州中建建筑科研设计院有限公司，贵州 贵阳 550006)

回弹法是以回弹值反映混凝土表面硬度，根据表面硬度推求混凝土的抗压强度的方法，在混凝土工程检测中得到广泛应用[1-3]。虽然在规程中明确规定了回弹法不适用于火灾后混凝土抗压强度的判定，但该方法的原理可以参考，因为火灾后混凝土表面硬度可反映其遭受火灾的损伤程度[4-6]。本文通过大量试验建立了回弹法检测高温后人工机制砂混凝土抗压强度的专用曲线和计算公式。根据高温后冷却方式不同，分为自然冷却和浸水后冷却，分别统计高温后残余抗压强度与回弹值关系，建立计算公式，可为工程实际提供参考。

1 试验试块

通过试验研究机制砂混凝土在高温情况下残余强度影响因素，制作 C 20、C 30、C50混凝土试块，尺寸为100mm×100 mm×100 mm，龄期 ＞28d。材料采用 P·O 42.5 水泥，中砂为新添寨砂，碎石粒径为 0. 5～20 mm，外加剂为聚羧酸高效减水剂。材料选择及配合比如表1所示，其中配合比为水泥∶粉煤灰∶砂∶减水剂[1]。

表1 材料选择及配合比

2 火灾试验

根据受火温度的不同，将同温试块送入高温炉进行加热试验，待达到预定温度后，保持恒温至预定时间。对高温作用后的混凝土试块进行冷却，分为自然冷却和浸水冷却。其中，自然冷却将试块从高温炉中取出后直接在自然条件下静置预定时间；浸水冷却将试块从高温炉中取出后浸水，时间≥10min，然后再在自然条件下静置 ＞24h。

用回弹试验和抗压试验测试试块残余强度。首先将试块置于压力试验机上加载，加热温度为500℃ 以下的试块加载20kN，加热温度为500℃ 以上的试块加载10kN。再用回弹仪在试块2个相对侧面上各回弹8个数据，并记录回弹值；最后在压力机上进行破坏性试验，测出试块抗压强度和碳化深度。在试验过程中均匀加载，混凝土强度等级为 C20时，加载速度为 0.3～0.5 MPa /s；混凝土强度等级为 C 30、C50时，加载速度为 0.5～0.8 MPa/s。

共制作168组、336个试块进行试验，得出试验结果。

3 高温后自然冷却

3.1 高温后自然冷却试验结果

在高温后自然冷却条件下，经试验得出 C 20、C30和 C50残余抗压强度与回弹值统计。对所有数据汇总分析，得出高温后自然冷却条件下抗压强度与回弹值关系曲线图，如图1所示。按不同混凝土强度等级进行回归分析，得出高温后自然冷却 C 20、C30和 C50残余抗压强度与回弹值的关系曲线，如图2所示。按不同温度条件进行回归分析，分别得出300℃、500 ℃、700 ℃ 和800℃ 条件下高温后自然冷却的混凝土残余抗压强度与回弹值的关系曲线，如图3所示。按不同加热时间条件进行回归分析，分别得出30min、60 min、90 min 和120min 条件下高温后自然冷却的混凝土残余抗压强度与回弹值的关系曲线，如图4所示。

图1 自然冷却条件下抗压强度与回弹值

图2 不同强度等级残余抗压强度与回弹值

图3 不同加热条件下抗压强度与回弹值图

图4 不同加热时间下抗压强度与回弹值

3.2 高温后自然冷却拟合公式

根据图 1～图3可知，C 20、C30和 C50混凝土在高温后（加热温度 300～800 ℃，恒温时间 30～120 min）自然冷却时，采用最小二乘法拟合得测强公式（1）。

RmT—试件的平均回弹值，MPa，精确至 0.1 MPa。

根据测强曲线通过实测回弹值计算得出试件的强度换算值，再经《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》附录 E 中对地区测强曲线制定方法的相关规定，按式（2）（3）进行计算，得出强度平均相对误差δ和强度相对标准差er如下。

式中：δ—回归方程式的强度平均相对误差，%，精确至0.1；

er—回归方程式的强度相对标准差，%，精确值0.1；

n—制定回归方程式的试件数。

将该曲线的计算强度分别与图 2～图4曲线的计算强度进行对比得如下结论。

（1）强度等级为 C 20、C30和 C50的混凝土，高温后自然冷却，分别回归所得曲线计算的残余抗压强度与式（1）计算的残余抗压强度进行对比，二者最大偏差为 3.6 MPa。

（2）不同加热温度条件（300 ℃、500 ℃、700 ℃ 和800℃）下，高温后自然冷却，分别回归所得曲线计算的残余抗压强度与式（1）计算的残余抗压强度进行对比，二者最大偏差为 4.8 MPa。

（3）不同加热时间条件（30 min、60 min、90 min、120 min）下，高温后自然冷却，分别回归所得曲线计算的残余抗压强度与式（1）计算的残余抗压强度进行对比，二者最大偏差为 7.9 MPa。

4 高温后浸水再冷却

4.1 高温后浸水冷却试验结果

在高温后浸水再冷却的条件下，C 20、C30和 C 50残余抗压强度与回弹值统计。对所有数据汇总分析，得出高温后浸水冷却条件下抗压强度与回弹值关系曲线图，如图5所示。按不同混凝土强度等级进行回归分析，得出高温后浸水冷却条件下 C 20、C30和 C50残余抗压强度与回弹值的关系曲线，如图6所示。按不同温度条件进行回归分析，分别得出300℃、500 ℃、700 ℃ 和800℃ 条件下高温后浸水冷却的混凝土残余抗压强度与回弹值的关系曲线，如图7所示。按不同加热时间条件进行回归分析，分别得出30min、60 min、90 min 和120min 条件下高温后浸水冷却的混凝土残余抗压强度与回弹值的关系曲线，如图8所示。

图5 浸水冷却条件下抗压强度与回弹值

图6 浸水冷却残余抗压强度与回弹值

图7 不同加热条件下抗压强度与回弹值

图8 不同加热时间下抗压强度与回弹值

4.2 高温后浸水冷却拟合公式

由图6得知，浸水后冷却时，高温后残余抗压强度与回弹值关系曲线采用最小二乘法拟合得测强公式为式（4）。

RmT—试件的平均回弹值，MPa，精确至 0.1 MPa。

根据测强曲线通过实测回弹值计算得出试件的强度换算值，再经《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》附录 E 中对地区测强曲线制定方法的相关规定，按式（5）、式（6）进行计算，得出强度平均相对误差δ和强度相对标准差如下所示。

根据上述统计结果，由回归公式式（1）、式（4）计算的强度平均相对误差和强度评级相对标准差满足 JGJ/T 23—2011《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》对于专业曲线指定的要求。

将该曲线的计算强度分别与图 6、图 7、图8曲线的计算强度进行对比，得出如下结论。

（1）将强度等级为 C 20、C30和 C50的混凝土，经高温后自然冷却，分别回归所得曲线计算的残余抗压强度与式（2）计算的残余抗压强度进行对比，二者最大偏差为 1.8 MPa。

（2）不同加热温度条件（300 ℃、500 ℃、700 ℃和800℃）下，高温后自然冷却，分别回归所得曲线计算的残余抗压强度与式（2）计算的残余抗压强度进行对比，二者最大偏差为 1.5 MPa。

（3）不同加热时间条件（30 min、60 min、90 min、120 min）下，高温后自然冷却，分别回归所得曲线计算的残余抗压强度与式（2）计算的残余抗压强度进行对比，二者最大偏差为 3.4 MPa。

5 结语

（1）根据上述分析，对于高温冷却后基本完整的试件，高温后混凝土的残余抗压强度与回弹值相关性良好。即高温后混凝土表面硬度能够反映其内部损伤程度，故可借鉴回弹法原理进行高温后混凝土残余抗压强度的检测。

（2）对已知混凝土初始强度的检测，当混凝土试件基本完整的情况下，应用回弹法时采用式（1）、式（2）有较高的准确性，但未知混凝土初始强度或内部混凝土已开裂时（如加热至900℃ 的试件），此公式应慎用。

（3）高温后混凝土的性能变化是个非常复杂的过程，无损检测方法亦受到多方面因素的影响。式（1）和式（2）在后续检测工程中应用时，必须进行验证性试验，并据试验结果对公式加以修正，力求更为精确的反映高温后混凝土残余抗压强度。