粤西地区花岗岩机制砂混凝土回弹专用曲线的建立

2020-12-30张雨雷

工程质量 2020年11期

王浩，丛逢，张雨雷

（1.中交一航局第一工程有限公司，天津 300457；2.中交一航局城市交通工程有限公司，天津 300457；3.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

当前 JGJ/T 23－2011《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》中涉及的测强曲线是针对天然砂混凝土制定的，对于是否适合于机制砂混凝土还需要进一步的研究。不少学者基于此问题开展试验研究，邹启贤等［1］针对沪蓉西高速公路工程建立的测强曲线可靠性较全国统一测强曲线高。同样，王明贵［2］建立的石屑混凝土回弹测强曲线相关性也较好。另外，谢峥［3］的研究结果表明红水河河段石灰岩机制砂混凝土如套用全国统一测强曲线推测强度值与实际值有较大的偏差，其相对标准差 er甚至大于 14 %。以上的研究结果均表明在机制砂混凝土回弹值推定强度的过程中采用全国统一的测强曲线有些差强人意，其精度和可靠性略逊于地区测强曲线和专用测强曲线。

花岗岩与石灰岩在力学性能指标上存在差异，因此推断花岗岩机制砂混凝土的强度使用原有的针对石灰岩机制砂混凝土的回弹法测强曲线可能存在一定差异［4］。同时根据刘自强［5］的研究，应减少人为误差的影响造成的推定结果与实体强度的偏差。粤西地区盛产花岗岩，在工程实体上应用花岗岩机制砂混凝土的过程中，根据实体回弹值检测结果推定强度结果值偏低，但通过钻取芯样进行抗压强度测试，揭示抗压强度却是满足要求的。为了验收通过项目上采取的一般做法为通过增加水泥用量使得回弹值增大，增加水泥用量只为了提高回弹结果，造成强度冗余，也增加了额外的成本，因此因地制宜，建立专用机制砂混凝土回弹法测强曲线意义重大。

1 回弹法

1.1 基本原理

因弹击在混凝土的表面发生，所以回弹法属于表面硬度法［6－7］。回弹检测前，必须在标准钢砧上进行率定试验。初始状态弹击锤连接弹簧弹性势能如式（1）所示。

式中：k 为弹簧刚度系数，N/mm；x 为弹击锤连接弹簧压缩长度，mm。

混凝土受撞击后产生弹性恢复力，由此恢复力产生的势能如式（2）所示。

l 为被弹回时弹簧的拉伸长度。因此回弹过程所消耗的能量如式（3）所示。

令 R=l/x，将该值称为回弹值。则式（3）可转换式（4）。

由式（4）可知，混凝土的回弹值相当于回弹仪的弹击过程中能量损失的体现。通常利用大量相关的实测数据建立混凝土强度与回弹值和碳化深度值的关系，拟合关系公式作为实用的经验公式。

1.2 优点与局限性

1）回弹法的优点。具有无损伤检测、设备轻便、测量简单易于掌握、数据直观相关性较强、检测效率高，费用较为低廉，获得工程界的广泛认可，可满足对混凝土强度进行抽检、摸底、复验等目的。

2）回弹法的局限性［8－9］。受制于强度和龄期上限的限制、混凝土内部受损或存在缺陷时，不能直接检测，为间接测量值，影响测量精度的外部因素较多，湿度、碳化深度、测量角度、测量位置处的实际情况也直接影响测量结果。

2 专用测强曲线建立

虽然检测规程给出了统一的测强曲线公式及混凝土强度换算表，但是我国国土面积辽阔，混凝土基材存在区域性差异，使现行的标准不能与其相匹配。本次统计和对比采用回弹法和立方体抗压试验得到的不同配比的机制砂混凝土的抗压强度，在符合相关规范要求的前提下，建立粤西地区机制砂混凝土专用测强曲线，为回弹法测试实体混凝土抗压强度提供更准确的指导。

为了建立粤西地区机制砂混凝土专用测强曲线，参照 JGJ/T 23－2011《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》附录 E 的要求。依照规范结合实际情况选取施工理论配合比作为本次粤西地区机制砂混凝土专用测强曲线使用配合比，本次选用共计 7 个强度等级配合比，且每一强度等级设计龄期包括 3、7、14、28、60 d，共计 5 个不同龄期，基于上面的设计共计 35 组试块，每组试块制作 6 个 150 mm 立方体试块，如表 1 所示。

试块的养护为，在成型 24 h 后，将试块移至同条件下进行养护，试块拆模日期与构件的拆模日期相同。根据统计的平均回弹值、立方体抗压强度值、平均碳化深度值来进行地区和专用测强曲线的回归，同时计算回归方程的强度平均相对误差 δ 和强度相对标准差 er，当二者符合 JGJ/T 23－2011《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》第 6.3.1 条规定时，申报上级主管审批。

表1 粤西地区机制砂混凝土专用测强曲线试件组设计表

鉴于表 1 中设计的 210 块立方体混凝土试块龄期虽然满足规范要求的 5 个不同龄期的要求，但存在最大龄期仅为 60 d，因此通过对工程实体中预留部分试块的溯源，找到 76 块龄期在 60～178 d 之间的试块对其进行平均回弹值、立方体抗压强度值、平均碳化深度值测量，并将测量结果汇总进本次回归数据表中丰富了试验数据。

本次数据中存在龄期 60 d，碳化深度已经 1 mm 的试块出现这种状况的原因可能有以下两点。

1）机制砂较天然砂棱角性明显，其在混凝土中更容易因收缩产生应力集中，导致微裂缝的发育促进碳化的发展；

2）由于机制砂母岩特性及石粉的共同作用，导致表面碳化发展迅速。

通过对 286 块试块的测量值统计结果进行二元指数乘幂混合回归拟合，分析建立粤西地区机制砂混凝土专用测强曲线见式（5），相关系数（r）为 0.859 1，平均相对误差（δ）为 9.14 %，相对标准差（er）为 12.61 %，符合规范专用测强曲线的要求。强度与回弹及碳化的常规残差如图 1～2 所示。这里将实测强度与拟合曲线计算的强度绘制于图 3 中。

其中：fccu为立方体抗压强度推定值，MPa；Rm为测区平均回弹值，精确至 0.1；dm为平均碳化值，每次精确至 0.25 mm。

图1 强度与回弹的常规残差

图2 强度与碳化的常规残差

图3 真实强度与计算强度对比

为了便于对比，图 4 绘制没有碳化的回弹值与立方体抗压强度的关系，通过图 4 可以明显看出，同一回弹值由专用测强曲线推定的强度大于统一测强曲线，尤其是在低回弹值情况下甚至有 10 MPa 的偏差，同时专用测强曲线的平均相对误差（δ）为 9.14 %，相对标准差（er）为 12.61 % 有较低的偏差，建议申报上级主管审批。避免单纯为了提高回弹值造成强度冗余与额外成本的增加。