回彈法檢測冬季負溫泵送商品混凝土實體抗壓強度研究

王大勇

（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）

0 引言

回彈法因其測量工具攜帶方便、操作簡捷而成為工程結構混凝土強度質量控制的重要手段。由于我國地域廣闊，各地區混凝土原材料、施工工藝、養護以及外界環境等因素存在差異，導致在應用 JGJ/T 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》（以下簡稱“回彈規程”）中泵送混凝土國家統一測強曲線時，回彈法檢測結果存在普遍偏低的現象。為提高回彈法檢測精度，國內部分地區建立了適合本地區混凝土特點的專用或地區測強曲線[1-2]。從現有研究來看，上述研究成果適用于正常環境下成型結構實體泵送混凝土抗壓強度現場檢測，但未涉及特殊情況下，如寒冷地區負溫環境泵送混凝土澆筑成型結構實體混凝土抗壓強度的推定。

回彈法測強曲線制定時，普遍以同條件養護或自然養護立方體試塊為研究對象，而立方體試塊所處空間位置、環境等較難準確模擬并反應結構構件在尺寸效應以及應力應變、凍融、風場速度、負溫、濕度梯度等場環境影響下的實體混凝土強度；同時負溫環境下的立方體試塊與結構實體混凝土測試面受模板類型、拆模時機以及所處空間環境的綜合影響，會造成二者測試面硬度劣化程度不同步，致使后期擬合的回彈測強曲線檢測精度存在差異。因而造成以立方體試塊抗壓強度為基準的、以混凝土測試面硬度來反映其強度質量的回彈法間接檢測技術，在采用由試驗數據回歸擬合測強曲線來計算得到的測區混凝土換算強度，不能真實反映結構實體混凝土的實際強度。

試驗采用本地區常用原材料與混凝土配合比，在冬季負溫環境中，采取泵送復摻粉煤灰礦粉混凝土澆筑成型足尺結構實體試驗模型，在規定齡期對試驗用墻體混凝土進行測區回彈值及相應測區碳化深度測量，后在相應回彈測區鉆取直徑 100mm 芯樣測試混凝土抗壓強度，以芯樣試件抗壓強度替代常規立方體試塊抗壓強度。在試驗數據有效性分析后，按最小二乘法原理回歸得到回彈法檢測冬季負溫施工泵送商品混凝土測強曲線，并與國家統一測強曲線比較，同時分析測區混凝土碳化深度取值規則對擬合測強曲線誤差的影響，探討標稱能量為 2.207J 中型回彈儀檢測泵送混凝土長齡期實體芯樣高強度區段的適用性，以及在長齡期實體芯樣混凝土高強度區段中對擬合測強曲線的修正問題。

1 試驗設計

1.1 原材料及混凝土配合比

水泥（C）為北京立馬 42.5 級普通硅酸鹽水泥，礦粉（SA）為唐山三水產 S95 級，粉煤灰（FA）為天津市薊縣協合粉煤灰加工廠生產 Ⅱ 級標準灰，細骨料（S）為涿州中砂，粗骨料（G）為三河 5～25mm 粒徑碎石，減水劑（JF）為北京方興 JF-9 型高效泵送防凍減水劑，拌合用水（W）為當地自來水。試驗用 C20、C30、C50、C60 四個強度等級的混凝土配合比見表 1。

表 1 試驗混凝土配合比 kg/m3

1.2 足尺結構實體試驗模型

在確定室外日均環境溫度連續 5d 穩定低于 0℃ ，即華北地區嚴冬季節，采用生產質量穩定且應用量較大的大型商品混凝土攪拌站提供的常用混凝土配合比泵送澆筑 C20、C30、C50、C60 強度等級的足尺結構實體試驗模型各 1 個，試驗模型及現場試驗情況見圖 1。

圖 1 足尺結構實體試驗模型及試驗現場

結構混凝土施工與養護按 JGJ 104—2011《建筑工程冬期施工規程》與 GB 50204—2015《混凝土結構工程施工質量驗收規范》實施。足尺結構實體試驗模型墻體與樓板按構造配筋，墻體厚度 200mm。泵送混凝土澆筑成型后，保溫覆蓋養護至 28d 齡期，后裸置備用。

1.3 測試方法

在足尺結構實體試驗模型的試驗用墻體側面沿高度方向布設 200mm 200mm 測區，當齡期為 28d、60d、90d、120d、150d、360d、2y、3y 時，選擇試驗現場溫度處于標稱能量 2.207J 中型回彈儀工作溫度 -4～40℃范圍時進行回彈測試與混凝土碳化深度測量，并在對應回彈測區混凝土中鉆取直徑 100mm 芯樣。芯樣加工成標準試件后，由壓力機進行混凝土力學性能試驗。試驗用儀器設備均在計量檢定校準有效期內，數據測試按現行規程執行[3,4]。

2 試驗結果分析

2.1 不同環境泵送成型結構實體混凝土抗壓強度比較

正常環境溫度與冬季負溫環境泵送混凝土剪力墻實體抗壓強度隨齡期的變化[5,6]見圖 2。由圖 2 知，任何環境下泵送施工的摻合料混凝土均表現出隨混凝土強度等級提高，由芯樣抗壓強度表征的結構實體混凝土抗壓強度均隨齡期呈自然對數增長趨勢；相同強度等級混凝土在相同齡期時，正常環境溫度較冬季負溫環境下成型的實體混凝土抗壓強度顯著偏高，這表明外界環境溫度對澆筑成型后混凝土的硬化歷程或強度形成過程影響較大。

2.2 與泵送混凝土國家統一回彈測強曲線的比較

式 (1) 為現行回彈規程中泵送混凝土國家統一測強曲線。

式中：

fccu,i——第i個測區混凝土抗壓強度換算值，精確至 0.1MPa；

Rm,i——第i個測區回彈值，MPa；

dm,i——第i個測區平均碳化深度值，精確至 0.5mm

圖 2 不同環境成型剪力墻混凝土強度與齡期的關系

圖 3 芯樣混凝土抗壓強度與混凝土換算強度比較

經對試驗數據統計，得到回彈法國家統一測強曲線的平均相對誤差δ為±21.7%，相對標準差er為25.7%，其值均明顯低于現行回彈規程中對于地區測強曲線要求的平均相對誤差δ不應大于 ±14.0% 且相對標準差er不應大于 17.0%、專用測強曲線要求其平均相對誤差δ不應大于 ±12.0% 且相對標準差er不應大于14.0% 的規定。這表明，采用回彈法原位檢測冬季負溫泵送復摻粉煤灰礦粉混凝土結構實體抗壓強度時，按現行回彈規程中泵送混凝土國家統一測強曲線（式 (1)）計算得到的混凝土換算強度低于結構實體芯樣混凝土抗壓強度，檢測精度明顯偏低，這會影響正確評價該工況下的結構實體混凝土抗壓強度，因此有必要建立回彈法檢測冬季負溫泵送復摻粉煤灰礦粉混凝土結構實體抗壓強度測強曲線。文中平均相對誤差δ與強度相對標準差er按式 (2)、(3) 計算，式中符號涵義同現行回彈規程。

2.3 回彈法檢測冬季負溫泵送商品混凝土測強曲線

2.3.1 試驗數據有效性分析

圖 4 為按 GB/T 4883—2008《數據的統計處理和解釋 正態樣本離群值的判斷和處理》中 Grubbs 檢驗法對粗大誤差試驗數據剔除后的芯樣混凝土抗壓強度與測區回彈值的關系。由圖 4 可知，測區回彈值與其相應測區混凝土中的芯樣抗壓強度具有顯著的相關性。

圖 4 芯樣混凝土抗壓強度與測區回彈值關系

2.3.2 回彈法測強曲線建模

回彈法檢測冬季負溫泵送商品混凝土實體測強曲線數學模型選取僅含有測區回彈值參數的冪函數和同時含有測區回彈值及相應碳化深度參數的復合冪指數函數兩種形式。其中，采用復合冪指數函數形式回歸擬合前，對測區碳化深度取值制定如下規則，其中規則 ② 的測區碳化深度取值與現行回彈規程一致：

規則 ①：取測區碳化深度實測值

規則 ②：當測區碳化深度≥6.0mm 時，取 6.0mm

規則 ③：當測區碳化深度≥8.0mm 時，取 8.0mm

規則 ④：當測區碳化深度≥10.0mm 時，取 10.0m

據最小二乘法原理，對 309 組有效試驗數據進行擬合，經回歸得到的回彈法檢測冬季負溫泵送商品混凝土測強曲線及其相應相關系數r、平均相對誤差δ及相對標準差er統計結果見表 2。由表 2 知：（1）各回歸測強曲線的相關系數均在0.9 左右，這表明所選擇的因變量與自變量參數間的相關程度極高；（2）測區混凝土碳化深度取值規則對回歸測強曲線誤差統計結果存在一定程度的影響；（3）按規則 ① 取測區混凝土碳化深度實測值時，得到的回歸測強曲線平均相對誤差δ為 ±13.5%，相對標準差er為 16.9%，均滿足現行回彈規程中對地區測強曲線的誤差技術指標的規定。初步選取式 (4) 為回彈法檢測冬季負溫泵送復摻粉煤灰礦粉混凝土實體測強曲線。

表 2 回歸測強曲線及其相關統計量

2.3.3 測區碳化深度對回歸測強曲線誤差的影響

圖 5 為測區混凝土碳化深度與其對應測區回彈值、芯樣抗壓強度的關系。從圖 5 可直觀地看出，隨混凝土強度的增大，測區碳化深度值大部分呈減小趨勢；碳化深度對混凝土測試面硬度（回彈值）有一定程度影響，但規律不明顯，這可能是表 2 中冪函數回歸曲線與復合冪指數曲線的誤差統計結果相差不大的緣故。

圖 5 測區碳化深度與回彈值、芯樣混凝土抗壓強度關系

表 3 是對試驗混凝土碳化深度超過 6.0mm 的樣本數量及所占比例情況的統計。由表 3 知，測區碳化深度超過 6.0mm 的樣本數量占總體的比例為 28.5%，測區碳化深度超過 8.0mm 的樣本數量占總體的比例僅為9.4%。對試驗混凝土而言，測區混凝土高碳化深度值樣本所占比例較小，故在擬合用數學模型中引入碳化深度參數以及采取測區碳化深度取值規則的措施均不能有效提高回歸測強曲線的誤差統計指標，這與表 2 中各個含碳化深度參數回歸測強曲線的誤差統計數值變化幅度較小的結果一致。

2.3.4 中型回彈儀在芯樣混凝土高強度區段的適用性檢驗

試驗用復摻粉煤灰礦粉混凝土泵送成型的結構實體混凝土后期抗壓強度較高，試驗數據表明齡期 3y時 C60 強度等級足尺模型剪力墻混凝土中芯樣抗壓強度最高達 95MPa，強度增幅達到其強度等級標準值的159%。由于現行回彈規程提供的標稱能量 2.207J 中型回彈儀對普通混凝土抗壓強度的適用區間為 10.0～60.0MPa，因此有必要采用本試驗數據，探討中型回彈儀在芯樣高強度區段（60～95MPa）的適用性。

本文回歸測強曲線（式 (4)）在芯樣混凝土高強度區段的誤差統計結果見表 4。由表 4 知：（1）在芯樣強度 90.0～95.5MPa 區段內的樣本數量偏少；（2）本文回歸測強曲線（式 (4)）在芯樣混凝土高強度區段的統計量：平均相對誤差與相對標準差數值均達到地區測強曲線的誤差技術指標規定，這表明中型回彈儀適用于長齡期時由本試驗所配制的強度等級混凝土泵送澆筑的結構實體混凝土中芯樣抗壓強度 95MPa 以內的結構混凝土抗壓強度檢測。

表 3 測區混凝土碳化深度分布

表 4 實體混凝土芯樣高強度區段誤差統計

2.3.5 擬合曲線在芯樣混凝土高強度區段的修正

圖 6 為由本文回歸測強曲線（式 (4)）計算得到的測區混凝土換算強度與相應芯樣抗壓強度的關系。由圖6 知，大部分數據散點在 y=x 線附近的分布較為分散。

考慮中型回彈儀在芯樣混凝土 60～95MPa 高強度區段檢測結構混凝土抗壓強度的準確性與穩健性，據最小二乘法原理采用線性數學模型對本文回歸測強曲線（式 (4)）進行修正。經回歸擬合得到最優線性修正公式見式 (5)，經修正后的測強曲線誤差統計結果見表4，修正前后的測區混凝土換算強度與相應芯樣抗壓強度的比較見圖 6。

由圖 6 知，修正后較修正前，有更多的數據散點較緊湊的圍繞在 y=x 線附近。由表 4 知，從誤差統計數值上可以看到，在 60.0～89.9MPa 強度區段的混凝土強度平均相對誤差δ與相對標準差er：修正后較修正前的誤差統計指標有顯著提高；除 90.0～95.5MPa 強度區段誤差有所增加外，其他強度區段誤差統計值均達到現行回彈規程中專用測強曲線誤差技術指標的規定。

圖 6 芯樣抗壓強度與測區混凝土換算強度關系

2.3.6 冬季負溫泵送混凝土回彈法測強曲線選擇

本文所建立的回彈法檢測冬季負溫泵送復摻粉煤灰礦粉混凝土實體測強曲線見式 (6)，該式適用于齡期28d～3y、混凝土配制強度等級 C20～C60 的冬季負溫泵送復摻粉煤灰礦粉混凝土澆筑成型的結構實體混凝土抗壓強度檢測，式中f ccu,i,o按式 (4) 計算測區混凝土換算強度值，精確至 0.1MPa。

2.4 回彈法測強曲線整體效果檢驗

本文回彈法檢測冬季負溫泵送復摻粉煤灰礦粉混凝土測強曲線（式 (6)）與芯樣抗壓強度的比較見圖 7。在圖 7 中，強度數據散點分布具有隨機性且基本均勻分布在 y=x 線兩側。

圖 7 本文曲線混凝土換算強度與芯樣抗壓強度比較

3 結論

（1）通過在足尺結構實體試驗模型墻體側面進行測區回彈值、碳化深度值測量以及芯樣抗壓強度測試，系統研建了基于結構實體標準芯樣抗壓強度的回彈法檢測冬季負溫泵送商品混凝土測強曲線，該測強曲線具有足夠的檢測精度，適用于冬季負溫泵送施工復摻粉煤灰礦粉混凝土結構實體強度檢測，可供工程結構實體混凝土強度質量檢測與控制參考。

（2）擬合測強曲線誤差統計結果表明，標稱能量為 2.207J 的中型回彈儀可用于長齡期中高強度等級泵送混凝土成型的結構混凝土中芯樣強度 90MPa 內的實體混凝土抗壓強度檢測，拓展了中型回彈儀檢測混凝土抗壓強度的范圍。

（3）在結構實體芯樣混凝土高強度區段，采用線性數學模型對回歸測強曲線修正，經修正后的測強曲線誤差技術指標有顯著提高，達到專用測強曲線規定要求，提高了對結構混凝土抗壓強度的檢測精度與穩健性，可供試驗數據統計與處理參考。