回彈法檢測自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的可靠性分析

喻 林 楊延玉 譚 濤

1. 河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院 江蘇 南京 210098；2. 江蘇建研建設(shè)工程質(zhì)量安全鑒定有限公司 江蘇 南京 211800

自密實(shí)混凝土自研制出以來，由于其具備普通混凝土不具備的優(yōu)越性，在澆筑成形過程中不用振搗，減少了施工工序，該種混凝土的研究與實(shí)踐在許多國家廣泛開展起來[1-3]。日本首先在工程項目中推廣和應(yīng)用該技術(shù)，在一些振搗困難的部位、需要泵送工藝施工的高層、超高層建筑以及需要高效率、低成本澆筑的構(gòu)件中經(jīng)常用到自密實(shí)混凝土[4]。在我國，對自密實(shí)混凝土的研究起步比較晚，但發(fā)展卻非常迅速，隨著相關(guān)研究的展開，自密實(shí)混凝土在工業(yè)與民用建筑、水利工程、橋梁和隧道等工程中得到了普遍的利用，獲得了很高的工程效益[5]。

現(xiàn)階段，自密實(shí)混凝土的研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面：配合比優(yōu)化設(shè)計、工作性能以及混凝土的力學(xué)性能（如抗壓強(qiáng)度、黏結(jié)強(qiáng)度和彈性模量）[6]。但是，關(guān)于自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的檢測方法和準(zhǔn)確性方面，相應(yīng)的研究成果比較少。在建筑以及水利行業(yè)工程質(zhì)量檢測與評估工作中，有很多種評價混凝土抗壓強(qiáng)度的檢測方法[7]，但對自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的檢測方式還處于研究和試驗階段，回彈法檢測自密實(shí)混凝土實(shí)體工程質(zhì)量的精確性尚沒有一個統(tǒng)一的定論[8-9]。本研究經(jīng)過試驗，對比不同檢測方式（包括回彈法和立方體抗壓強(qiáng)度試驗）檢測自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度，擬合出自密實(shí)混凝土專用的測強(qiáng)曲線。通過分析擬合測強(qiáng)曲線的可靠性，探討回彈法是否適用于評價自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

水泥采用寧國海螺水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5級水泥；中石為顆粒級配良好的碎石，粒徑5～20 mm、孔隙率0.37%、針片狀顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.07%、含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.007%、堆積密度1 620 kg/m3，產(chǎn)自獨(dú)術(shù)石場；砂的細(xì)度模數(shù)為2.8、含水率2.8%、含泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.6%、孔隙率37%、堆積密度1 630 kg/m3、表觀密度2 570 kg/m3，產(chǎn)自安徽誓節(jié)；粉煤灰采用宣城雙樂生產(chǎn)的F類Ⅰ級粉煤灰，SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.5%、含水量0.6%、燒失量5.9%、細(xì)度為18.4%；聚羧酸減水劑采用南京瑞迪有限公司生產(chǎn)的HCLIX減水劑，減水率35%；試驗用水采用當(dāng)?shù)刈詠硭?，所用原材料均符合相?yīng)規(guī)范要求。

1.2 配合比設(shè)計

自密實(shí)混凝土與普通混凝土的性能要求有所不同，根據(jù)CECS 203—2006《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，主要采用V形漏斗、U形箱等方法評價自密實(shí)混凝土的拌和性能。本次試驗采用C15、C20、C25三種常用強(qiáng)度的自密實(shí)混凝土，配合比見表1，混凝土拌和物工作性能見表2。

表1 自密實(shí)混凝土配合比單位：kg/m3

表2 混凝土拌和物工作性能測試結(jié)果

1.3 試件加載與量測

根據(jù)表1配合比制作C15、C20、C25三種不同強(qiáng)度等級的標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊，各強(qiáng)度等級均制作14、28、42、56、72、90 d共6個齡期的試塊。同一強(qiáng)度等級、齡期混凝土試件制作8塊（共計144塊），養(yǎng)護(hù)條件采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，即溫度控制在（20±2） ℃，濕度保持在95%以上。當(dāng)混凝土立方體試塊養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期時，分別用回彈儀和JYE-2000型壓力機(jī)測試混凝土抗壓強(qiáng)度，然后在破壞的試塊外表面用體積分?jǐn)?shù)為1%～2%的酒精酚酞溶液測定其混凝土碳化深度。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 回彈強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度

根據(jù)JGJ/T 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》和GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，對不同齡期、不同強(qiáng)度等級的混凝土試塊試驗結(jié)果處理后，得到試塊的回彈值和抗壓強(qiáng)度如表3所示。

從表3可以看出，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度，早期增長比較快，后期逐漸放緩。強(qiáng)度等級為C15的混凝土試塊14 d齡期時的抗壓強(qiáng)度達(dá)到28 d齡期時抗壓強(qiáng)度的86.0%，強(qiáng)度等級為C20和C25的自密實(shí)混凝土，14 d齡期時的抗壓強(qiáng)度達(dá)到28 d齡期抗壓強(qiáng)度的90%以上。由于在設(shè)計配合比時，粉煤灰摻量占總膠凝材料的50%左右，摻量較多，而粉煤灰水化過程較普通硅酸鹽水泥慢[10]，所以在28～90 d齡期內(nèi)其抗壓強(qiáng)度增長較緩慢。

表3 自密實(shí)混凝土回彈值和抗壓強(qiáng)度平均值

同齡期和強(qiáng)度等級的自密實(shí)混凝土試塊，回彈值均大于立方體抗壓強(qiáng)度平均值。C15強(qiáng)度等級混凝土14 d最大差值為6.8 MPa，占實(shí)際抗壓強(qiáng)度的37.0%；C25強(qiáng)度等級混凝土90 d最小差值為2.2 MPa，占實(shí)際抗壓強(qiáng)度的6.4%。

2.2 碳化深度

進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗之后，需根據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的方法測定混凝土試塊的碳化深度，然后計算平均值。計算結(jié)果如表4所示。

表4 自密實(shí)混凝土立方體試塊碳化深度

為了更直觀地反映標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，不同強(qiáng)度等級的自密實(shí)混凝土碳化深度與齡期變化關(guān)系，根據(jù)表4試驗數(shù)據(jù)，繪制自密實(shí)混凝土碳化深度變化圖，如圖1所示。

圖1 混凝土碳化深度隨齡期變化

根據(jù)圖1可以看出，同齡期不同強(qiáng)度等級的自密實(shí)混凝土立方體試塊，強(qiáng)度等級越低，其碳化深度越高。相同強(qiáng)度等級的自密實(shí)混凝土，其碳化深度隨著齡期而緩慢地增長，14 d齡期時碳化深度最大值為1.5 mm，90 d齡期時碳化深度最大值為2.5 mm。碳化深度變化較小。

2.3 混凝土測強(qiáng)曲線擬合

根據(jù)JGJ/T 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，混凝土測強(qiáng)曲線的擬合宜采用“最小二乘法”，測強(qiáng)曲線的函數(shù)模型如式（1）所示：

式中：fcu,e——構(gòu)件混凝土強(qiáng)度推定值；

Rm——測區(qū)或試塊的平均回彈值；

dm——測區(qū)的平均碳化深度。

在函數(shù)模型中，Rm和dm為2個自變量，fcu,e為因變量，a、b、c為3個常數(shù)。對自密實(shí)混凝土回彈平均值的回歸分析即是建立fcu,e與Rm、dm的函數(shù)關(guān)系，獲得a、b、c這3個常數(shù)具體的數(shù)值。

由于式（1）中的函數(shù)為二元非線性冪函數(shù)，其形式和求值過程較為復(fù)雜，因此可以把問題變?yōu)槎淮尉€性函數(shù)進(jìn)行研究。將式（1）取對數(shù)，即可得到式（2）：

令y＝ln fcu,e，x1＝ln Rm，x2＝dm，A＝ln a，B＝b，C＝cln 10，則問題轉(zhuǎn)化為對式（3）進(jìn)行擬合：

對108個自密實(shí)混凝土試塊平均回彈值進(jìn)行處理和計算，舍棄3個與平均值相差大于15%的數(shù)值，將余下的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。再根據(jù)式（3）的函數(shù)關(guān)系，將擬合得到的二元一次函數(shù)方程轉(zhuǎn)化為二元冪函數(shù)方程，擬合結(jié)果如式（4）所示：

為反映本研究擬合的測強(qiáng)曲線函數(shù)與回彈平均值、碳化深度之間的關(guān)系，根據(jù)測強(qiáng)曲線方程，分別繪制dm＝0、dm＝3、dm＝6時函數(shù)曲線如圖2所示。

圖2 不同碳化深度對應(yīng)的測強(qiáng)曲線

從圖2可看出，根據(jù)擬合的測強(qiáng)曲線，當(dāng)回彈平均值一定時，自密實(shí)混凝土碳化深度越大，抗壓強(qiáng)度推定值越小。

對比泵送混凝土測強(qiáng)曲線（采用規(guī)范規(guī)定的曲線函數(shù)f＝0.033 448 8R1940m×10-0.0173dm）、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一測強(qiáng)曲線[11]（采用前人研究成果：f＝0.011 3R2.283m×10-0.0163dm）和本文擬合的自密實(shí)混凝土測強(qiáng)曲線，繪制出碳化深度相同（dm＝2）三種測強(qiáng)曲線的走勢圖，如圖3所示。

圖3 深度相同時三種測強(qiáng)曲線走勢

從圖3可看出，當(dāng)回彈平均值相同且低于35 MPa時，本文擬合的測強(qiáng)曲線抗壓強(qiáng)度推定值比另外兩種測強(qiáng)曲線抗壓強(qiáng)度推定值大；當(dāng)回彈平均值大于35 MPa時，本文擬合的測強(qiáng)曲線抗壓強(qiáng)度推定值略小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一測強(qiáng)曲線，但仍比泵送混凝土測強(qiáng)曲線抗壓強(qiáng)度推定值大?？紤]到本試驗擬合的測強(qiáng)曲線是根據(jù)C15、C20、C25這3種等級的自密實(shí)混凝土試塊抗壓強(qiáng)度試驗數(shù)據(jù)得出，試驗中回彈平均值一般低于35 MPa，故該測強(qiáng)曲線適用于回彈值小于35 MPa的情況。當(dāng)自密實(shí)混凝土回彈值大于35 MPa時，可采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一測強(qiáng)曲線。

2.4 誤差驗證

為了驗證本研究擬合自密實(shí)混凝土測強(qiáng)曲線的可靠性，將36個不同齡期和強(qiáng)度等級的試塊通過回彈儀測試其平均回彈值，根據(jù)測強(qiáng)曲線得到抗壓強(qiáng)度推定值，將其與立方體抗壓強(qiáng)度試驗得到的標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度做對比，對比結(jié)果見表5。

表5 誤差驗證結(jié)果

為了更直觀地反映誤差的大小，根據(jù)表5可得到抗壓強(qiáng)度推定值誤差百分率，如圖4所示。

圖4 抗壓強(qiáng)度誤差百分率

從圖4可看出，強(qiáng)度等級為C20的自密實(shí)混凝土試塊，誤差百分率波動較小，較為穩(wěn)定，平均相對誤差為－5.6%，相對標(biāo)準(zhǔn)差為1.6%；強(qiáng)度等級為C25的自密實(shí)混凝土試塊平均相對誤差為－1.1%，相對標(biāo)準(zhǔn)差為1.7%；強(qiáng)度等級為C15的自密實(shí)混凝土試塊差值波動較大，平均相對誤差為2.1%，相對標(biāo)準(zhǔn)差為2.0%。上述結(jié)果均低于規(guī)程中關(guān)于專用測強(qiáng)曲線要求的平均相對誤差不應(yīng)大于±12%，相對標(biāo)準(zhǔn)差不應(yīng)大于14%，符合規(guī)程要求，可靠性較高。

3 結(jié)語

本研究分別用回彈法和立方體抗壓強(qiáng)度試驗檢測自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度，利用“最小二乘法”擬合出自密實(shí)混凝土專用測強(qiáng)曲線，得出以下主要結(jié)論：

1）混凝土碳化深度隨著齡期緩慢增長。隨著碳化深度的增加，自密實(shí)混凝土專用測強(qiáng)曲線誤差不斷增加。

2）同齡期和強(qiáng)度等級的自密實(shí)混凝土試塊，回彈值均大于立方體抗壓強(qiáng)度平均值。

3）回彈法可以用來評價自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度。根據(jù)擬合的自密實(shí)混凝土測強(qiáng)曲線計算混凝土抗壓強(qiáng)度推定值，誤差在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)，可靠性較高。

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