朱躍武

（中國建筑科學(xué)研究院有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518057）

0 引言

檢測混凝土抗壓強(qiáng)度的方法，主要為非破損間接檢測技術(shù)和微破損直接檢測技術(shù)，間接檢測是通過采集一些回彈值或聲速值間接換算混凝土抗壓強(qiáng)度，采集上述參數(shù)時會受到混凝土表面粗糙度、混凝土含水率、測試設(shè)備與測試方向等（如回彈儀有 0°、+90°、-90°）工況影響，一般誤差較大，但它的優(yōu)點(diǎn)是對結(jié)構(gòu)無損傷。

微破損檢測主要利用混凝土固有的拉、壓、剪等應(yīng)力參數(shù)，通過不同方法采集這些數(shù)據(jù)，由于檢測時會對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微小破損，簡稱微破損或稱直接法，主要包括：鉆芯、后裝拔出和剪壓法等，這些方法具有較高的檢測精度，但也存在工藝復(fù)雜，對結(jié)構(gòu)損傷較大等不足。隨著社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們逐漸提高了安全標(biāo)準(zhǔn)，建筑物的抗震設(shè)防烈度普遍提高，結(jié)構(gòu)的含鋼量增大，導(dǎo)致鋼筋間距變密，已有的鉆芯法會因為直徑較大而損傷鋼筋。為使微破損檢測減少對結(jié)構(gòu)的損傷，不破壞鋼筋，人們先后研究旨在解決鋼筋密集構(gòu)件檢測的新技術(shù)，考慮到泵送混凝土工藝的推廣，骨料粒徑已受到嚴(yán)格的控制，最新微破損法如：拉脫和原位單剪法都是在原位對直徑Ф44 mm，深度 44 mm 的芯樣試件進(jìn)行拉脫或剪切，獲取拉脫強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為混凝土抗壓強(qiáng)度，由于是直接獲得混凝土抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，屬于一種直接法。拉脫法作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已頒布并獲得推廣和應(yīng)用，原位單剪法也通過全國各專業(yè)機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)研究獲得了具有國際先進(jìn)水平的研究成果和全國測強(qiáng)曲線。

1 需解決的問題

眾所周知，不論何種方法，所測到的混凝土強(qiáng)度值均不屬于被測混凝土的實際抗壓強(qiáng)度，因為不同的方法采集的過程不同、機(jī)理不同、涉及到的各種設(shè)備組成和構(gòu)造不同，比如回彈法，當(dāng)表面的粗糙、浮槳、粗細(xì)骨料的成分不同、不同的攪拌工藝、養(yǎng)護(hù)方式、混凝土的含水率、環(huán)境溫度、沖擊桿與被測混凝土角度，建立曲線樣本的來源以及回彈儀的拉簧的性能，內(nèi)部的清潔程度、起跳點(diǎn)的變化等等都會影響回彈值的讀數(shù)。假定只選擇這 10 種影響因素，如果每種因素的影響權(quán)重取 4 % 得誤差，最終對換算強(qiáng)度的影響將達(dá)到 34 %。如果再考慮操作者和碳化測量的影響，其影響更大。當(dāng)然這些影響因素隨著管理的不斷完善，檢測設(shè)備的不斷改進(jìn)，操作人員技術(shù)水平的提高，各種誤差對測試結(jié)果的影響權(quán)重也會不斷縮小。

同樣對微破損檢測技術(shù)也存在不同的影響因素，如常用的鉆芯法，它要通過鉆制芯樣試件、切割、磨平、抗壓，如果按照鉆制芯樣產(chǎn)生的影響為 15 %（筆者曾做過預(yù)制芯樣與鉆制強(qiáng)度對比試驗，其中預(yù)制芯樣比鉆制的強(qiáng)度高大約為 23 %，因此鉆芯后芯樣強(qiáng)度低于混凝土實際強(qiáng)度也是業(yè)內(nèi)人士的共識），切割為 4 %，磨平 4 %、抗壓 1 %，最終對結(jié)果的影響也高達(dá) 22 %。研究對結(jié)構(gòu)損傷小，過程簡單的方法，對檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)的發(fā)展具有一定積極作用，為此先后研究了拉脫法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)和原位單剪法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)，它們是在結(jié)構(gòu)上鉆制直徑Ф44 mm，深度 44 mm 的小芯樣，將芯樣試件在原位拉脫或剪斷，該法減少了對芯樣進(jìn)行切割、打磨、抗壓的過程，也使鉆制小芯樣減少了對結(jié)構(gòu)的損傷，減少了對環(huán)境的污染，不會損傷構(gòu)件內(nèi)的鋼筋。上述兩種方法雖然解決了檢測過程中的部分問題，但同樣存在不足，如芯樣直徑較小，還需要鉆制芯樣試件，鉆制試件產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差用拉脫法或原位單剪法都無法消除，又因為拉脫、單剪芯樣的體積僅有鉆芯法的 7 % 左右，芯樣直徑小，存在同批混凝土強(qiáng)度檢測時樣本量的標(biāo)準(zhǔn)差偏大現(xiàn)象，如何改善微破損檢測技術(shù)，提高檢測精度，這是本文探索的方向。因此本文提出剪切拉拔綜合法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)，下面進(jìn)行系統(tǒng)的介紹。

2 剪切拉拔綜合法的研究

在提出剪切拉拔綜合法之前首先介紹與之相關(guān)的拉脫法和原位單剪法。

2.1 拉脫法

拉脫法是用具有自動夾緊試件的裝置進(jìn)行拉脫試驗，根據(jù)芯樣試件的拉脫強(qiáng)度值推算混凝土抗壓強(qiáng)度的方法?？芍苯佑糜诨炷两Y(jié)構(gòu)的強(qiáng)度檢測，方法比較簡便、快速，總體是無損于混凝土結(jié)構(gòu)使用性能。

拉脫法在混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上原位檢測，直接依據(jù)混凝土力學(xué)性能范疇的拉應(yīng)力推算混凝土抗壓強(qiáng)度，減少了中間物理量轉(zhuǎn)換誤差，拉脫試件是通過一個三爪夾頭施加夾緊力，且有越拉越緊的功能，利用混凝土拉應(yīng)力小于壓應(yīng)力的特點(diǎn)，將試件在原位拉斷，試件拉脫原理圖，如圖 1 所示。

圖1 試件拉脫原理圖

2.2 原位單剪法

原位單剪法是采用在原位用裝有左右剪切頭的剪切裝置，在試件深度 25 mm 位置將芯樣試件剪斷，通過與提升桿串聯(lián)的傳感器采集剪斷試件瞬間的剪切力，利用剪切力推算混凝土強(qiáng)度。由于剪切芯樣的反力由芯樣自身提供，因此被測構(gòu)件的表面、形狀等因素對測試結(jié)果沒有影響，它適應(yīng)一般構(gòu)件、曲面、斜面、凹面不同形狀的混凝土檢測（見圖 2）。

圖2 機(jī)電一體原位剪切

經(jīng)反復(fù)試驗研究，設(shè)計制作了可進(jìn)行拉脫和原位單剪操作的檢測裝置，該裝置可以檢測國家相關(guān)規(guī)范規(guī)定的 C10～C80 各強(qiáng)度等級混凝土試件的拉脫強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，儀器具有輕便、簡單、精度較高，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，可在原位采集混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。

3 拉脫與原位單剪綜合法

拉脫法和原位單剪法的被拉、剪試件尺寸基本相同，但試驗方法不同，試件破壞機(jī)理不同，一個是將試件在軸向拉斷，反映水泥膠凝材料主導(dǎo)的抗拉強(qiáng)度；一個是將試件在徑向位置剪斷，反映粗細(xì)骨料主導(dǎo)的剪切強(qiáng)度。拉脫法和原位單剪法雖然簡化了操作程序，有效提高相關(guān)系數(shù)，降低了平均相對誤差和平均標(biāo)準(zhǔn)差，但因未擺脫鉆芯的過程，存在與鉆芯法相似情況，即同一檢測批中測試結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差偏大，如何才能彌補(bǔ)存在問題，需要研究兩個變量之間的共性和個性；研究兩者之間的內(nèi)在聯(lián)系；探索科學(xué)的計算和顯著性更強(qiáng)的測試方法，這為研究人員提出了巨大的挑戰(zhàn)。

拉脫法和原位單剪法主要特點(diǎn)為：一個拉應(yīng)力，一個剪應(yīng)力，施加的方向不同：一個是軸向，一個是徑向，但每種應(yīng)力都與混凝土抗壓強(qiáng)度高度相關(guān)。如果將兩種方法的檢測數(shù)據(jù)綜合考慮，通過膠凝材料的抗拉強(qiáng)度和粗細(xì)骨料的剪切強(qiáng)度綜合推算混凝土抗壓強(qiáng)度，研究發(fā)現(xiàn)檢測精度明顯提高，該技術(shù)被稱為剪切拉拔綜合法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)，研究過程如下。

3.1 原始數(shù)據(jù)的整理

根據(jù)全國多家科研、檢測、學(xué)校、施工和生產(chǎn)混凝土單位采用兩種檢測方法獲得的原始數(shù)據(jù)，即拉脫值和原位單剪值及對應(yīng)的立方體試件強(qiáng)度，以立方體試件抗壓強(qiáng)度進(jìn)行比對，將不超過 15 % 的試件強(qiáng)度進(jìn)行分組并平均，最終獲得拉脫與原位單剪共計 621 組原始數(shù)據(jù)，由于篇幅有限，本文僅列出部分?jǐn)?shù)據(jù)，拉脫與剪切原始數(shù)據(jù)（見表 1），為了比對拉脫、原位單剪及拉剪綜合方法的精度，要求不對任何原始檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值剔除，分別進(jìn)行拉脫強(qiáng)度、原位單剪強(qiáng)度與立方體試件強(qiáng)度以及剪切強(qiáng)度與拉脫強(qiáng)度值的代數(shù)和與立方體試件強(qiáng)度進(jìn)行回歸分析，通過分析確定并發(fā)現(xiàn)較最佳的檢測技術(shù)與方法。

表1 拉脫強(qiáng)度與原位剪切強(qiáng)度部分原始數(shù)據(jù) MPa

將拉脫法和原位單剪法的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，對拉脫和原位單剪強(qiáng)度求代數(shù)和，簡稱拉剪綜合強(qiáng)度。

3.2 原位單剪的數(shù)據(jù)分析

一種檢測方法是否具有使用價值，應(yīng)分析自變量與從變量是否高度相關(guān)，首先以原位單剪強(qiáng)度作為自變量，而立方體抗壓綜合強(qiáng)度作為從變量，通過 SPSS 和Excel 軟件進(jìn)行回歸分析，觀察其散點(diǎn)圖形狀和計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)冪函數(shù)的相關(guān)系數(shù)為 r=0.917 和 F比=3 269（F 檢驗法是英國統(tǒng)計學(xué)家 Fisher 提出的，主要通過比較兩組數(shù)據(jù)的方差 S2，以確定他們的精密度是否有顯著性差異。F 值越大，誤差越小，顯著性越強(qiáng)），通過與直線和二次方程相比，冪函數(shù)曲線具有較好的相關(guān)性和顯著性，為此選擇該冪函數(shù)曲線作為強(qiáng)度換算曲線，求出平均相對誤差（σ）和平均標(biāo)準(zhǔn)差（e），分析結(jié)果如表 2 所示。

原位單剪強(qiáng)度與立方體試件抗壓強(qiáng)度平均值的回歸分析的散點(diǎn)圖如圖 3 所示，進(jìn)一步證明冪函數(shù)曲線具有較好的相關(guān)性。

3.3 拉脫回歸分析

圖3 原位單剪強(qiáng)度與立方體試件強(qiáng)度平均值的回歸分析散點(diǎn)圖（單位：MPa）

對表 1 中的拉脫值與立方體試件強(qiáng)度進(jìn)行回歸統(tǒng)計，通過 SPSS 和 Excel 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，并繪制出散點(diǎn)圖，選出三條常用測強(qiáng)公式，作為優(yōu)選曲線，每條曲線的參數(shù)估計值和相關(guān)系數(shù)與 F比和原位單剪一樣，最終選擇相關(guān)系數(shù)（r）和 F比值最大的冪函數(shù)作為推薦曲線，然后利用該曲線換算出混凝土抗壓強(qiáng)度，求出平均相對誤差（σ）和平均標(biāo)準(zhǔn)差（e），同樣冪函數(shù)曲線的相關(guān)系數(shù)（r）最大，誤差值最小。模型匯總和參數(shù)估計值如表 3 所示。

拉脫強(qiáng)度與立方體試件強(qiáng)度平均值的回歸分析的散點(diǎn)圖如圖 4 所示，進(jìn)一步表明冪函數(shù)曲線具有較好的相關(guān)性。

表2 單一原位單剪模型匯總和參數(shù)估計值

表3 單一拉脫法模型匯總和參數(shù)估計值

圖4 拉脫強(qiáng)度與立方體試件強(qiáng)度平均值的回歸分析散點(diǎn)圖（單位：MPa）

3.4 剪切拉拔綜合法

拉脫法是沿著試件的軸向?qū)⒃嚰瓟?，反映的是膠凝材料的質(zhì)量，原位單剪法是通過在試件的徑向施加剪切力，將圓形試件剪斷，力的方向垂直于試件軸向，反映的是粗細(xì)骨料的質(zhì)量，因試件受力機(jī)理不同所產(chǎn)生的破壞特征和力學(xué)指標(biāo)也不同。剪切是在試件的固定位置施加剪切力，不會因為試件的其他部位是否存在缺陷而影響結(jié)果，其結(jié)果僅與剪切位置有關(guān)，如果碰到粗骨料，剪力很大，如果碰到缺陷，剪力會很小，但由于是線接觸發(fā)生這種概率較小。而拉脫法則是通過夾持長度 25 mm 的試件沿軸向移動，將夾頭外側(cè)的試件拉斷，斷裂的位置一定發(fā)生在未夾持部分的薄弱位置，這部分長度一般長 20 mm，因此這部分的缺陷大小會影響拉脫強(qiáng)度的大小。考慮粗骨料界面，低強(qiáng)區(qū)等因素，將兩種方法的數(shù)據(jù)相互補(bǔ)充，是否可以提高檢測精度，減少測試誤差，包括同批樣本檢測中的標(biāo)準(zhǔn)差是否得到改善，帶著這些問題，將拉脫強(qiáng)度和原位單剪強(qiáng)度求代數(shù)和，為綜合強(qiáng)度，作為自變量，立方體試件平均強(qiáng)度作為從變量，通過回歸分析發(fā)現(xiàn)，綜合兩者方法后，相關(guān)系數(shù)（r）顯著提高，作為衡量兩者誤差關(guān)系的顯著指標(biāo) F比的顯著性水平也明顯提高，三種方程的各項指標(biāo)見模型匯總和參數(shù)估計值（見表 4）。

計算表明，一元冪函數(shù)的相關(guān)系數(shù) r=0.949 和 F比= 5 559.196，其平均相對誤差 б=13 %，平均標(biāo)準(zhǔn)差e=16 %，從散點(diǎn)圖也可以看出拉剪代數(shù)和綜合法比單一方法其測點(diǎn)分布更趨于線性并匯集在曲線的兩側(cè)，如圖 5 所示。

圖5 拉剪代數(shù)和綜合法散點(diǎn)圖（單位：MPa）

從圖 5 可以發(fā)現(xiàn)，如果采用一元拉剪代數(shù)和的冪函數(shù)進(jìn)行回歸計算，可得到精度高，相關(guān)性較好的測強(qiáng)曲線，因此我們推薦采用的一元冪函數(shù)模型，見式（1）：

剪切拉拔綜合法（拉剪代數(shù)和）一元冪函數(shù)曲線見式（2）：

式中：為第 i 個試件的混凝土換算強(qiáng)度，MPa；fp，si為第 i 個試件的混凝土拉剪強(qiáng)度代數(shù)和，MPa。

由于剪切拉拔綜合法為兩個自變量，一個拉脫值一個單剪值，雖然將兩個自變量相加后的冪函數(shù)相關(guān)曲線具有較好的顯著性和較高的相關(guān)系數(shù)，為了進(jìn)一步探索，如果將兩個變量綜合進(jìn)行二元冪函數(shù)回歸分析，其相關(guān)性是否會改善，為此筆者采用二元冪函數(shù)方程進(jìn)行回歸計算和分析，首先建立其散點(diǎn)圖和曲面圖，分析發(fā)現(xiàn)如果采用二元冪函數(shù)應(yīng)該具有較好的相關(guān)性。

表4 剪切拉拔綜合法（拉脫與原位單剪代數(shù)和）模型匯總和參數(shù)估計值

表5 二元冪函數(shù)模型匯總和參數(shù)估計值

二元冪函數(shù)曲面示意圖和三維散點(diǎn)圖如圖 6、圖 7 所示，圖中原位單剪強(qiáng)度為 X 軸，拉脫強(qiáng)度為 Y 軸，立方體試件抗壓強(qiáng)度為 Z 軸。

圖6 二元冪函數(shù)曲面示意圖（單位：MPa）

圖7 三維散點(diǎn)圖（單位：MPa）

從三維散點(diǎn)圖可以發(fā)現(xiàn)，如果采用二元冪函數(shù)進(jìn)行回歸計算，會否得到精度更高，相關(guān)性更好的測強(qiáng)曲線，因此推薦采用的二元冪函數(shù)模型，見式（3）：

用 Excel 軟件進(jìn)行回歸分析最終得到的模型匯總和參數(shù)估計值如表 5 所示。

回歸分析的結(jié)果表明采用二元冪函數(shù)其相關(guān)系數(shù)達(dá)到 0.96，平均相對誤差與代數(shù)和的一元冪函數(shù)相同，而平均標(biāo)準(zhǔn)差比一元冪函數(shù)大了 1 %，但其值也在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) e=18 % 的范圍內(nèi)。見式（4）。

4 結(jié)論

1）綜合拉脫法和原位單剪法各自優(yōu)勢，將混凝土的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，顯著提高了測強(qiáng)曲線的相關(guān)系數(shù)和檢測精度，剪切拉拔綜合法推進(jìn)了微破損檢測技術(shù)發(fā)展，為市場提供一種精度高，破損小、方便、快捷的一種檢測技術(shù)。

2）剪切拉拔綜合法可在結(jié)構(gòu)上鉆制直徑Ф44 mm，深度 65 mm 的芯樣試件，采用先剪切，后拉脫的原則進(jìn)行；也可與在結(jié)構(gòu)上同時鉆制兩個直徑Ф44 mm，深度 44 mm 的芯樣試件，一個做拉脫，一個做原位單剪；還可以將試件取出，利用夾緊模具夾緊試件，在試驗室完成剪切和拉脫操作。將兩個試件的測試強(qiáng)度代入一元冪函數(shù)或二元冪函數(shù)曲線方程換算混凝土抗壓強(qiáng)度。

3）剪切拉拔綜合法具有對結(jié)構(gòu)損傷小，快捷，操作工藝簡單的特點(diǎn)，適用于鋼筋密集的構(gòu)件檢測，由于可以將試件取出試驗，也適合圓形或不規(guī)則表面的構(gòu)件以及混凝土表面遭受凍害或火燒的混凝土強(qiáng)度檢測。

4）剪切拉拔綜合法除適用與建筑結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度檢測外，也適用鐵路、公路、橋梁和港口碼頭混凝土工程的檢測。