随着建筑结构向超高层、大跨度发展的趋势以及工程结构混凝土对超高层垂直泵送运输的需求, 为满足工程需要, 混凝土配合比也越来越多地采用小粒径粗骨料, 同时现代混凝土还具备高扩展度、大流动性、免振捣以及自密实等工作性能。结构混凝土的这种变化, 使得在配筋密集的结构构件上钻取微小混凝土芯样成为可能。目前, 国内针对圆柱体混凝土芯样, 研究其检测混凝土强度技术的方法较多, 如直拔法^[1] (或拉脱法) 、钻芯法^[2]、抗剪法^[3] (或原位单剪法^[4]) 等, 均是围绕芯样混凝土抗拉、抗压和抗剪等力学性能与混凝土抗压强度的相关关系开展的研究。本文所述的抗折法检测混凝土强度技术是利用从泵送混凝土浇筑成型的实体结构混凝土中钻取的微小芯样试件的名义抗折强度, 与相应立方体试件抗压强度相关关系推定结构混凝土抗压强度的一种新技术。采用廊坊地区常用原材料配置试验用混凝土, 按标准方法成型标准立方体试件, 建立抗折法检测混凝土抗压强度曲线;将试验中获取的微小芯样抗折强度及相应立方体抗压强度数据与国内外相关规范标准中的换算公式进行比较分析, 最后对以微小芯样表征的混凝土折压比进行统计。

　　 抗折法检测混凝土抗压强度技术是在受检结构构件混凝土中钻取直径44mm的微小芯样后, 由专用装置对微小芯样进行跨中单点加荷, 得到微小芯样折断瞬间的弯折力峰值, 然后建立名义抗折强度与标准立方体试件混凝土抗压强度的相关关系。把得到的微小芯样名义抗折强度作为自变量, 相应的标准立方体试件混凝土抗压强度作为因变量, 采用最小二乘法拟合, 建立混凝土测强曲线数学模型, 并按照有关规定以此推定结构混凝土抗压强度。

　　 试验采用廊坊地区常用原材料:42.5级普通硅酸盐水泥, S95级矿粉, Ⅱ级粉煤灰, 细骨料为涿州中砂, 粗骨料为5～25mm粒径碎石, 减水剂为萘系高效泵送防冻减水剂, 拌合用水为廊坊当地自来水。混凝土配合比设计采用粉煤灰超量取代水泥、矿粉等量取代部分水泥, 并加入适量萘系高效泵送减水剂的方式配制C20, C40, C60三个强度等级的混凝土。

　　 委托廊坊地区有代表性的某大型商品混凝土搅拌站提供试验混凝土, 并按标准方法制作150mm×150mm×150mm立方体试件, 每种强度等级各制作12组同条件试件与1组标准养护28d试件, 每组3个试件。立方体试件成型脱模后, 按现行《混凝土结构工程施工质量验收规范》 (GB 50204—2015) 养护14d, 后移至室外阴凉处品字形码放, 自然养护, 裸置备用。各强度等级混凝土标准养护28d立方体试件抗压强度均合格。

　　 在龄期为5, 14, 28, 56, 90, 180d时, 分别从每强度等级试件中随机抽取3个试件, 在每个试件的混凝土浇筑侧面钻取直径44mm、长度不小于120mm的微小芯样作为试验用抗折试件。摇动装置手柄, 对置于专用仪器中的微小芯样施加荷载至试件破坏, 记录数字仪表显示的抗折力峰值, 见图1。同时从每强度等级试件中随机抽取1组 (3个) 立方体试件进行混凝土力学性能测试。

　　 芯样抗折试验采用单点加荷, 由专用装置对圆柱体微小芯样施加垂直于芯样轴向的径向作用力, 使混凝土芯样沿径向发生弯折破坏。

　　 芯样单点加荷弯折后的破坏模式有两种, 如图2所示:一是微小芯样从作用点处折断, 径向断口较规则, 混凝土中砂浆与粗骨料界面处粘结程度高的混凝土、高强混凝土多表现为此种破坏模式 (简称A型) ;二是微小芯样从作用点处折断, 端口表现为斜面, 混凝土中砂浆与粗骨料界面处粘结程度低的混凝土、低强度等级混凝土多表现为此种破坏模式 (简称B型) 。

　　 对于因变量立方体抗压强度的取值按现行《混凝土强度检验评定标准》 (GB 50107—2010) 的取值规则来确定该组标准立方体试件抗压强度代表值。

　　 为与标准棱柱体试件抗折强度相区别, 将本次试验的微小芯样名义抗折强度定义为微小芯样单位径向截面面积A_{i, j}上的抗折力F_{f, i, j}。回归用自变量微小芯样名义抗折强度代表值f_{f, i}按式 (1) 计算。

　　 $\begin{array}{l}f{}_{\text{f},i}={\displaystyle \sum _{j=1}^{3}f}{}_{\text{f},i,j}={\displaystyle \sum _{j=1}^3\frac{F{}_{\text{f},i,j}}{A{}_{i,j}}}={\displaystyle \sum _{j=1}^3\left[F{}_{\text{f},i,j}/\left(\frac{\text{π}d{}_{i,j}^2}{4}\right)\right]}\\ ={\displaystyle \sum _{j=1}^3\frac{4F{}_{\text{f},i,j}}{\text{π}d{}_{i,j}^2}}(1)\end{array}$

　　 式中:f_{f, i}为第i个构件所取3个直径44mm抗弯折芯样的名义抗折强度的算术平均值, MPa;F_{f, i, j}为第i个构件第j个微小芯样的最大抗折力值, kN;A_{i, j}为第i个构件第j个微小芯样断面处横截面面积, mm²;d_{i, j}为第i个构件第j个微小芯样断面处的径向有效直径的算术平均值, mm。

　　 对试验得到的早龄期 (龄期5～28d) 、长龄期 (28～180d) 以及全龄期 (5～180d) 试验数据进行归集, 得到的混凝土立方体试件抗压强度与微小芯样名义抗折强度代表值的关系见图3。

　　 选取零截距线性函数、非零截距线性函数、幂函数、指数函数共4种数学模型, 采用最小二乘法对早龄期、长龄期以及全龄期试验数据分别进行回归, 得到的抗折法检测混凝土抗压强度的测强曲线及相应的平均相对误差δ和相对标准差e_r的统计结果如表1所示。由表1可知:1) 不同函数形式的拟合测强曲线的相关系数均较高;2) 拟合得到的4种函数形式的早龄期测强曲线均满足专用测强曲线误差指标要求, 且误差统计结果均低于10%, 这表明拟合曲线检测精度极高;3) 拟合得到的长龄期测强曲线中, 仅指数函数模型的平均相对误差和相对标准差符合地区测强曲线技术指标要求;4) 拟合得到的4种函数形式的全龄期测强曲线的技术指标均符合地区测强曲线要求, 其中以幂函数形式为最优;5) 采用全龄期幂函数测强曲线对早龄期与长龄期试验数据进行误差统计, 结果表明全龄期幂函数测强曲线在早龄期具有极高的检测精度, 在28～180d龄期时的检测精度亦基本满足相关规定要求。

　　 经比较, 优选物理意义明确的全龄期幂函数曲线作为抗折法检测泵送混凝土测强曲线, 见下式:

　　 $f{}_{\text{c}\text{u},i}^{\text{c}}=14.116f{}_{\text{f},i}^{0.9767}(2)$

　　 式中f^c_{cu, i}为第i个结构或构件混凝土抗压强度推定值, 结果精确至0.1MPa。

　　 式 (2) 相关系数为0.95, 平均相对误差δ为±11.4%, 相对标准差e_r为15.7%。

　　 以抗折法检测泵送混凝土测强曲线 (式 (2) ) 计算得到的混凝土换算强度与立方体试件抗压强度的比较见图4。图4中抗折法测强曲线换算强度的散点基本均匀分布在y=x线两侧;全龄期的混凝土换算强度与立方体试件强度比值的均值为1.011 0, 标准差为0.156 6, 变异系数为15.49%。

　　 我国《普通混凝土力学性能试验方法标准》 (GB/T 50081—2002) 规定:混凝土抗折强度用标准试件的几何尺寸为150mm×150mm×600mm (或550mm) 的棱柱体试件, 当采用两点加载时, 试件的抗折强度f_f按式 (3) 计算。欧洲CEB规范^[5]、美国ACI 318-95规范^[6]、印度IS 456规范^[7]及文献[8]给出的普通混凝土抗折强度f_f与抗压强度f_cu的换算关系分别见式 (4) ～ (7) 。

　　 $\begin{array}{l}f{}_{\text{f}}=\frac{F{}_{\max }l}{bh{}^2}(3)\\ f{}_{\text{f}}=0.80\sqrt{f{}_{\text{c}\text{u}}}(4)\\ f{}_{\text{f}}=0.55\sqrt{f{}_{\text{c}\text{u}}}(5)\\ f{}_{\text{f}}=0.70\sqrt{f{}_{\text{c}\text{u}}}(6)\\ f{}_{\text{f}}=0.1097f{}_{\text{c}\text{u}}+0.4235(7)\end{array}$

　　 式中:F_max为标准试件抗折破坏时的最大破坏荷载, kN;l为支座间的跨度, mm;b为截面宽度, mm;h为截面高度, mm。

　　 本试验对所取圆柱体微小芯样进行单点跨中加载, 加载头直径为4mm的圆弧, 当支座间跨度l=d时, 所得到的微小芯样抗折强度按式 (8) 计算:

　　 $f{}_{\text{f}}=\frac{8F{}_{\max }l}{\text{π}d{}^3}(8)$

　　 式中d为芯样直径, mm。

　　 图5为根据试验数据按式 (8) 计算得到的微小芯样混凝土抗折强度与其相应立方体试件抗压强度的相关关系以及与规范^[5,6,7]及文献[8]的比较。由图5可知, 混凝土抗折强度与混凝土抗压强度间具有较好的相关关系, 通过对混凝土抗压强度的测定可以间接地推定混凝土抗折强度;各规范^[5,6,7]与文献[8]中换算公式计算得到的抗折强度存在差异, 这是由于测定抗折用试件存在尺寸效应以及试验用混凝土原材料质量、配合比有关。图5散点变化趋势表明, 采用直径44mm的微小芯样力学强度可建立与标准棱柱体试件抗折强度的相关数学模型。采用本文试验数据, 经计算得到的混凝土折压比均值为0.146 4, 标准差为0.022 7, 变异系数为15.52%。

　　 (1) 经回归与误差统计分析, 抗折法检测混凝土测强曲线的最优数学模型为幂函数形式。

　　 (2) 本文所建立的抗折法检测混凝土测强曲线适用于由本地区原材料配置的混凝土浇筑成型的5～180d龄期的结构实体混凝土抗压强度现场检测, 该测强曲线可供结构实体混凝土强度检测与控制参考。

　　 (3) 直径44mm的微小芯样力学强度可用来估计结构实体混凝土抗折强度, 具体与混凝土标准抗折试件强度的换算关系有待进一步研究。