小直徑芯樣混凝土力學性能指標間的換算關系研究

王大勇，樊衛兵

（1. 廊坊市建設工程質量檢測中心，河北 廊坊 065000；2. 廊坊市陽光建設工程質量檢測有限公司，河北 廊坊 065000）

小直徑芯樣混凝土力學性能指標間的換算關系研究

王大勇1,2，樊衛兵2

（1. 廊坊市建設工程質量檢測中心，河北 廊坊 065000；2. 廊坊市陽光建設工程質量檢測有限公司，河北 廊坊 065000）

本文以直徑 44mm 芯樣試件及標準立方體試件為研究對象，研究小芯樣混凝土力學性能與標準立方體試件抗壓強度以及小芯樣混凝土力學性能間的相關關系。研究結果表明，直徑 44mm 芯樣混凝土的抗拉強度、抗折強度、雙剪強度以及單剪強度間存在較好的相關關系，同時小芯樣混凝土抗拉強度、抗折強度、雙剪強度以及單剪強度與立方體試件抗壓強度亦存在良好的相關關系。

混凝土；力學性能；小直徑芯樣；換算關系

0 引言

隨著現代商品混凝土技術的發展以及結構混凝土向著集約化、大流動性，免振搗趨勢發展的同時，現場混凝土強度檢測由測試其表面的間接檢測法（如回彈法）逐步發展到檢測結構構件超過鋼筋保護層厚度的內部混凝土強度成為可能。國內外公認的對于結構構件混凝土內部強度的檢測一般采用鉆芯法[1]鉆取直徑 100mm 芯樣測試其混凝土抗壓強度，但由于構件尺寸較小或配筋密集以及取芯位置、取芯直徑等原因會對結構構件承載能力、耐久性能造成隱患，因此采用結構實體混凝土中的小直徑芯樣推定現場混凝土強度成為工程質量檢測的研究熱點[2-5]。

周明華等[6]研究了直徑 50mm、70mm 芯樣與標準立方體抗壓強度的換算關系，王大勇[7]研究了泵送混凝土成型實體混凝土中直徑 50mm、70mm 小芯樣與標準直徑 100mm 芯樣間的抗壓強度換算關系，田礫等[8]通過研究得到了小芯樣強度離散性較大，與立方體試件強度間存在尺寸效應的結論，蘭可喜等[9]的研究表明采用鉆芯法取得的圓柱體芯樣檢測混凝土抗折強度是可行的。上述研究成果表明，通過對小芯樣強度的測試對推定實體結構混凝土相應力學性能，如抗拉、抗壓、抗折、抗剪以及抗扭強度等結構檢測鑒定所需的力學指標成為可能，因此研究小芯樣混凝土力學性能指標檢測的換算關系也是很有必要的。

由于試驗條件所限，本文僅取得了采用專用裝置測試同強度等級同齡期相同直徑為 44mm 小芯樣抗拉強度、抗折強度、雙剪強度、單剪強度以及立方體試件抗壓強度數據，未進行相應標準試件抗拉強度、抗折強度以及抗剪強度的測試。通過模擬工程現場泵送混凝土成型標準尺寸 150mm×150mm×150mm 立方體試件，測試在立方體試件側面鉆取直徑 44mm 芯樣在齡期14～360d 時的小芯樣混凝土抗拉強度、抗折強度、雙剪強度以及單剪強度。采用最小二乘法回歸擬合，給出相應的小芯樣強度間的換算曲線，同時還對各種通過小芯樣推定結構混凝土抗壓強度的檢測精度進行比較。研究結果可供工程結構混凝土強度質量檢測與控制參考。

1 試驗設計

1.1 小芯樣混凝土力學性能指標的測試

對于小芯樣混凝土力學性能指標的測試采用專用儀器及方法進行，見圖 1 中 a、b、c、d 所示。

圖 1 小芯樣混凝土力學性能指標的測試

1.2 標準立方體試件制作與養護

為保證試驗用直徑 44mm 小芯樣混凝土強度的整體性，混凝土所用最大粗骨料粒徑嚴格控制在 20mm以內。試驗采用本地區常用原材料配制 C20、C40、C60 共三個混凝土強度等級，委托生產質量穩定的大型商品混凝土公司提供試驗用泵送混凝土并澆筑成型150mm×150mm×150mm 標準立方體試件，拆模后按現行 GB 50204—2015《混凝土結構工程施工質量驗收規范》養護 14d 后，自然養護裸置備用；標準立方體試件移至室外陰涼處品字型碼放備用。

1.3 測試方法

在齡期 14d、28d、60d、90d、180d、360d 時，從每個強度等級試件中隨機抽取不少于 2 組立方體試件，一組立方體試件為由混凝土鉆芯機在每個試件側面分別鉆制抗拉、抗折、單剪與雙剪試驗用直徑 44mm 圓柱體混凝土小芯樣，其中抗拉與單剪用小芯樣為原位測試，抗折與雙剪用小芯樣為鉆取后置于專用裝置中進行測試；另一組立方體試件用于得到同齡期的混凝土抗壓強度而進行的試驗壓力機力學破型試驗。試驗用儀器設備均檢定有效。

2 小芯樣混凝土力學性能指標間的換算關系

對于小芯樣力學性能間的函數關系，經比較優選的回歸數學模型為形如式 (1) 的二次函數形式，式中f因變量表示回歸模型的因變量，f自變量表示回歸模型的自變量，系數 A、B、C 為回歸數學模型的待回歸系數，下文表中的系數A、系數 B 與系數 C 均按此回歸模型形式給出，同時計算回歸曲線的相關系數 r、平均相對誤差 δ（式 2）及相對標準差 er（式 3）。

2.1 小芯樣抗拉強度與其他強度間的換算關系

小芯樣抗拉強度與其他強度間的關系見圖 2，其函數關系及統計誤差見表 1，表 1 中的函數關系如雙剪—抗拉表示回歸方程中小芯樣雙剪強度為因變量，自變量為小芯樣抗拉強度，以下同。由表 1 可知，小芯樣抗拉強度與其雙剪強度、單剪強度及抗折強度均具有良好的相關關系，但誤差統計指標略大。

圖 2 小芯樣抗拉強度與其他強度間的關系

表 1 小芯樣抗拉強度與其他強度間的回歸系數及統計指標

2.2 小芯樣抗折強度與其他強度間的換算關系

小芯樣抗拉強度與其他強度間的關系見圖 3，其函數關系及統計誤差見表 2。

圖 3 小芯樣抗折強度與其他強度間的關系

表 2 小芯樣抗折強度與其他強度間的回歸系數及統計指標

由表 2 可知，小芯樣抗折強度與其雙剪強度的統計誤差明顯偏大，與單剪強度及抗拉強度具有良好的相關關系且誤差統計指標較小。

2.3 小芯樣單剪強度與其他強度間的換算關系

小芯樣單剪強度與其他強度間的關系見圖 4，其函數關系及統計誤差見表 3。由表 3 可知，小芯樣單剪強度與其雙剪強度、抗折強度的統計誤差明顯偏大，僅與抗拉強度具有良好的相關關系且誤差統計指標較小。

圖 4 小芯樣單剪強度與其他強度間的關系

表 3 小芯樣單剪強度與其他強度間的回歸系數及統計指標

2.4 小芯樣雙剪強度與其他強度間的換算關系

小芯樣雙剪強度與其他強度間的關系見圖 5，其函數關系及統計誤差見表 4。由表 4 可知，小芯樣雙剪強度與其單剪強度、抗折強度的統計誤差明顯偏大，僅與抗拉強度具有良好的相關關系且誤差統計指標較小。

圖 5 小芯樣雙剪強度與其他強度間的關系

表 4 小芯樣雙剪強度與其他強度間的回歸系數及統計指標

3 立方體試件抗壓強度與小芯樣力學強度的關系

立方體試件抗壓強度與小芯樣力學強度（包括小芯樣抗拉強度、抗折強度、單剪強度及雙剪強度）的關系見圖 6。由圖 6 可知，直徑 44mm 的小芯樣各種力學強度均與立方體試件抗壓強度存在良好的相關關系，并能夠用冪函數數學模型去表征二者的相關關系[3-5]。

圖 6 立方體試件抗壓強度與小芯樣力學性能的關系

4 結論

（1）擬合回歸得到的換算曲線不能通過因變量計算推得自變量數值，即回歸曲線不具有互逆性。

（2）直徑 44mm 的圓柱體混凝土芯樣力學性能指標間具有良好的相關性，但部分回歸公式的誤差統計指標略高，為檢測方法不同所致。

（3）小直徑芯樣混凝土力學性能指標與混凝土抗壓強度具有良好的相關關系，可以建立回歸曲線以推定結構混凝土抗壓強度；對于其與混凝土標準試件的抗折強度及抗拉強度等關系有待進一步的研究。

[1]CECS 03:2007．鉆芯法檢測混凝土強度技術規程[S].

[2]JGJ/T 378—2016．拉脫法檢測混凝土抗壓強度技術規程[S]．

[3]王大勇．直拔法檢測泵送混凝土抗壓強度試驗研究[J]．混凝土世界，2012(04): 65-70．

[4]王大勇，張作棟，王亮，等．抗剪法檢測預拌混凝土抗壓強度試驗研究[J]．商品混凝土，2014(03): 30-32,36．

[5]王大勇，王亮，張作棟，等．原位單剪法檢測混凝土抗壓強度試驗研究[J]．商品混凝土，2014(04): 39-42.

[6]周明華，郭恒寧，劉江．采用小直徑芯樣檢驗結構混凝土抗壓強度取值的探討[J]．建筑技術，2013,29(01): 46-48．

[7]王大勇．小直徑芯樣檢驗結構混凝土抗壓強度研究[J].商品混凝土，2013(03): 14-17．

[8]田礫，孫雪飛，范宏．小直徑芯樣檢測混凝土強度尺寸效應探討[J]．施工技術，2005, 34(08): 46-48．

[9]蘭可喜，崔士起，孔旭文，等．鉆芯法檢測混凝土抗折強度試驗研究[J]．工程質量，2014,32(09): 31-33．

Study on the relationship between the mechanical properties of concrete by small diameter core samples

Wang Dayong1,2, Fan Weibing2
(1. Langfang Construction Engineering Quality Testing Center, Langfang 065000;2. Langfang Yangguang Construction Engineering Quality Supervision Co., Ltd., Langfang 065000)

The relationship between the mechanical properties of small core concrete and the compressive strength of standard Cube Specimens and the mechanical properties of small core samples were studied by using the diameter 44mm core sample and the standard cube specimen as the research objects. The results show that the tensile strength, the diameter of 44mm core concrete flexural strength, shear strength and shear double well correlated strength, while the small cores of the tensile strength of concrete and concrete flexural strength, shear strength and shear strength of single double cube and also there is a good correlation between the compressive strength.The research results can be used for structural concrete strength detection and control reference.

concrete; mechanical property; small diameter core sample;conversion relationship

王大勇（1974—），男，教授級高級工程師，國家一級注冊建造師，中國土木工程學會建設工程無損檢測技術專業委員會委員，結構室主任，現從事工程質量檢測鑒定與研究工作。

［通訊地址］河北省廊坊市安次區龍河高新技術產業區夏榮道 10 號 廊坊市陽光建設工程質量檢測有限公司（065000）