回彈法檢測自密實混凝土抗壓強度的可靠性分析

喻 林 楊延玉 譚 濤

1. 河海大學力學與材料學院 江蘇 南京 210098；2. 江蘇建研建設工程質量安全鑒定有限公司 江蘇 南京 211800

自密實混凝土自研制出以來，由于其具備普通混凝土不具備的優越性，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用該技術，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、低成本澆筑的構件中經常用到自密實混凝土[4]。在我國，對自密實混凝土的研究起步比較晚，但發展卻非常迅速，隨著相關研究的展開，自密實混凝土在工業與民用建筑、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]。

現階段，自密實混凝土的研究內容主要包括以下幾個方面：配合比優化設計、工作性能以及混凝土的力學性能（如抗壓強度、黏結強度和彈性模量）[6]。但是，關于自密實混凝土抗壓強度的檢測方法和準確性方面，相應的研究成果比較少。在建筑以及水利行業工程質量檢測與評估工作中，有很多種評價混凝土抗壓強度的檢測方法[7]，但對自密實混凝土抗壓強度的檢測方式還處于研究和試驗階段，回彈法檢測自密實混凝土實體工程質量的精確性尚沒有一個統一的定論[8-9]。本研究經過試驗，對比不同檢測方式（包括回彈法和立方體抗壓強度試驗）檢測自密實混凝土抗壓強度，擬合出自密實混凝土專用的測強曲線。通過分析擬合測強曲線的可靠性，探討回彈法是否適用于評價自密實混凝土的抗壓強度。

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%、針片狀顆粒質量分數0.07%、含泥質量分數0.007%、堆積密度1 620 kg/m3，產自獨術石場；砂的細度模數為2.8、含水率2.8%、含泥質量分數2.6%、孔隙率37%、堆積密度1 630 kg/m3、表觀密度2 570 kg/m3，產自安徽誓節；粉煤灰采用宣城雙樂生產的F類Ⅰ級粉煤灰，SO3質量分數2.5%、含水量0.6%、燒失量5.9%、細度為18.4%；聚羧酸減水劑采用南京瑞迪有限公司生產的HCLIX減水劑，減水率35%；試驗用水采用當地自來水，所用原材料均符合相應規范要求。

1.2 配合比設計

自密實混凝土與普通混凝土的性能要求有所不同，根據CECS 203—2006《自密實混凝土應用技術規程》，主要采用V形漏斗、U形箱等方法評價自密實混凝土的拌和性能。本次試驗采用C15、C20、C25三種常用強度的自密實混凝土，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果

1.3 試件加載與量測

根據表1配合比制作C15、C20、C25三種不同強度等級的標準混凝土立方體試塊，各強度等級均制作14、28、42、56、72、90 d共6個齡期的試塊。同一強度等級、齡期混凝土試件制作8塊（共計144塊），養護條件采用標準養護，即溫度控制在（20±2） ℃，濕度保持在95%以上。當混凝土立方體試塊養護到規定齡期時，分別用回彈儀和JYE-2000型壓力機測試混凝土抗壓強度，然后在破壞的試塊外表面用體積分數為1%～2%的酒精酚酞溶液測定其混凝土碳化深度。

2 試驗結果與分析

2.1 回彈強度與抗壓強度

根據JGJ/T 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》和GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》，對不同齡期、不同強度等級的混凝土試塊試驗結果處理后，得到試塊的回彈值和抗壓強度如表3所示。

從表3可以看出，標準養護的自密實混凝土抗壓強度，早期增長比較快，后期逐漸放緩。強度等級為C15的混凝土試塊14 d齡期時的抗壓強度達到28 d齡期時抗壓強度的86.0%，強度等級為C20和C25的自密實混凝土，14 d齡期時的抗壓強度達到28 d齡期抗壓強度的90%以上。由于在設計配合比時，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齡期內其抗壓強度增長較緩慢。

表3 自密實混凝土回彈值和抗壓強度平均值

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

2.2 碳化深度

進行抗壓強度試驗之后，需根據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》規定的方法測定混凝土試塊的碳化深度，然后計算平均值。計算結果如表4所示。

表4 自密實混凝土立方體試塊碳化深度

為了更直觀地反映標準養護條件下，不同強度等級的自密實混凝土碳化深度與齡期變化關系，根據表4試驗數據，繪制自密實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

根據圖1可以看出，同齡期不同強度等級的自密實混凝土立方體試塊，強度等級越低，其碳化深度越高。相同強度等級的自密實混凝土，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 混凝土測強曲線擬合

根據JGJ/T 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》規定，混凝土測強曲線的擬合宜采用“最小二乘法”，測強曲線的函數模型如式（1）所示：

式中：fcu,e——構件混凝土強度推定值；

Rm——測區或試塊的平均回彈值；

dm——測區的平均碳化深度。

在函數模型中，Rm和dm為2個自變量，fcu,e為因變量，a、b、c為3個常數。對自密實混凝土回彈平均值的回歸分析即是建立fcu,e與Rm、dm的函數關系，獲得a、b、c這3個常數具體的數值。

由于式（1）中的函數為二元非線性冪函數，其形式和求值過程較為復雜，因此可以把問題變為二元一次線性函數進行研究。將式（1）取對數，即可得到式（2）：

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

對108個自密實混凝土試塊平均回彈值進行處理和計算，舍棄3個與平均值相差大于15%的數值，將余下的數據進行擬合。再根據式（3）的函數關系，將擬合得到的二元一次函數方程轉化為二元冪函數方程，擬合結果如式（4）所示：

為反映本研究擬合的測強曲線函數與回彈平均值、碳化深度之間的關系，根據測強曲線方程，分別繪制dm＝0、dm＝3、dm＝6時函數曲線如圖2所示。

圖2 不同碳化深度對應的測強曲線

從圖2可看出，根據擬合的測強曲線，當回彈平均值一定時，自密實混凝土碳化深度越大，抗壓強度推定值越小。

對比泵送混凝土測強曲線（采用規范規定的曲線函數f＝0.033 448 8R1940m×10-0.0173dm）、行業標準統一測強曲線[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混凝土測強曲線，繪制出碳化深度相同（dm＝2）三種測強曲線的走勢圖，如圖3所示。

圖3 深度相同時三種測強曲線走勢

從圖3可看出，當回彈平均值相同且低于35 MPa時，本文擬合的測強曲線抗壓強度推定值比另外兩種測強曲線抗壓強度推定值大；當回彈平均值大于35 MPa時，本文擬合的測強曲線抗壓強度推定值略小于行業標準的統一測強曲線，但仍比泵送混凝土測強曲線抗壓強度推定值大。考慮到本試驗擬合的測強曲線是根據C15、C20、C25這3種等級的自密實混凝土試塊抗壓強度試驗數據得出，試驗中回彈平均值一般低于35 MPa，故該測強曲線適用于回彈值小于35 MPa的情況。當自密實混凝土回彈值大于35 MPa時，可采用行業標準的統一測強曲線。

2.4 誤差驗證

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

表5 誤差驗證結果

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

圖4 抗壓強度誤差百分率

從圖4可看出，強度等級為C20的自密實混凝土試塊，誤差百分率波動較小，較為穩定，平均相對誤差為－5.6%，相對標準差為1.6%；強度等級為C25的自密實混凝土試塊平均相對誤差為－1.1%，相對標準差為1.7%；強度等級為C15的自密實混凝土試塊差值波動較大，平均相對誤差為2.1%，相對標準差為2.0%。上述結果均低于規程中關于專用測強曲線要求的平均相對誤差不應大于±12%，相對標準差不應大于14%，符合規程要求，可靠性較高。

3 結語

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

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，自密實混凝土專用測強曲線誤差不斷增加。

2）同齡期和強度等級的自密實混凝土試塊，回彈值均大于立方體抗壓強度平均值。

3）回彈法可以用來評價自密實混凝土抗壓強度。根據擬合的自密實混凝土測強曲線計算混凝土抗壓強度推定值，誤差在規范允許的范圍之內，可靠性較高。

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