回弹法检测冬季负温泵送商品混凝土实体抗压强度研究

王大勇

（1. 廊坊市建设工程质量检测中心，河北 廊坊 065000；2. 廊坊市阳光建设工程质量检测有限公司，河北 廊坊 065000）

0 引言

回弹法因其测量工具携带方便、操作简捷而成为工程结构混凝土强度质量控制的重要手段。由于我国地域广阔，各地区混凝土原材料、施工工艺、养护以及外界环境等因素存在差异，导致在应用 JGJ/T 23—2011《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（以下简称“回弹规程”）中泵送混凝土国家统一测强曲线时，回弹法检测结果存在普遍偏低的现象。为提高回弹法检测精度，国内部分地区建立了适合本地区混凝土特点的专用或地区测强曲线[1-2]。从现有研究来看，上述研究成果适用于正常环境下成型结构实体泵送混凝土抗压强度现场检测，但未涉及特殊情况下，如寒冷地区负温环境泵送混凝土浇筑成型结构实体混凝土抗压强度的推定。

回弹法测强曲线制定时，普遍以同条件养护或自然养护立方体试块为研究对象，而立方体试块所处空间位置、环境等较难准确模拟并反应结构构件在尺寸效应以及应力应变、冻融、风场速度、负温、湿度梯度等场环境影响下的实体混凝土强度；同时负温环境下的立方体试块与结构实体混凝土测试面受模板类型、拆模时机以及所处空间环境的综合影响，会造成二者测试面硬度劣化程度不同步，致使后期拟合的回弹测强曲线检测精度存在差异。因而造成以立方体试块抗压强度为基准的、以混凝土测试面硬度来反映其强度质量的回弹法间接检测技术，在采用由试验数据回归拟合测强曲线来计算得到的测区混凝土换算强度，不能真实反映结构实体混凝土的实际强度。

试验采用本地区常用原材料与混凝土配合比，在冬季负温环境中，采取泵送复掺粉煤灰矿粉混凝土浇筑成型足尺结构实体试验模型，在规定龄期对试验用墙体混凝土进行测区回弹值及相应测区碳化深度测量，后在相应回弹测区钻取直径 100mm 芯样测试混凝土抗压强度，以芯样试件抗压强度替代常规立方体试块抗压强度。在试验数据有效性分析后，按最小二乘法原理回归得到回弹法检测冬季负温施工泵送商品混凝土测强曲线，并与国家统一测强曲线比较，同时分析测区混凝土碳化深度取值规则对拟合测强曲线误差的影响，探讨标称能量为 2.207J 中型回弹仪检测泵送混凝土长龄期实体芯样高强度区段的适用性，以及在长龄期实体芯样混凝土高强度区段中对拟合测强曲线的修正问题。

1 试验设计

1.1 原材料及混凝土配合比

水泥（C）为北京立马 42.5 级普通硅酸盐水泥，矿粉（SA）为唐山三水产 S95 级，粉煤灰（FA）为天津市蓟县协合粉煤灰加工厂生产 Ⅱ 级标准灰，细骨料（S）为涿州中砂，粗骨料（G）为三河 5～25mm 粒径碎石，减水剂（JF）为北京方兴 JF-9 型高效泵送防冻减水剂，拌合用水（W）为当地自来水。试验用 C20、C30、C50、C60 四个强度等级的混凝土配合比见表 1。

表 1 试验混凝土配合比 kg/m3

1.2 足尺结构实体试验模型

在确定室外日均环境温度连续 5d 稳定低于 0℃ ，即华北地区严冬季节，采用生产质量稳定且应用量较大的大型商品混凝土搅拌站提供的常用混凝土配合比泵送浇筑 C20、C30、C50、C60 强度等级的足尺结构实体试验模型各 1 个，试验模型及现场试验情况见图 1。

图 1 足尺结构实体试验模型及试验现场

结构混凝土施工与养护按 JGJ 104—2011《建筑工程冬期施工规程》与 GB 50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》实施。足尺结构实体试验模型墙体与楼板按构造配筋，墙体厚度 200mm。泵送混凝土浇筑成型后，保温覆盖养护至 28d 龄期，后裸置备用。

1.3 测试方法

在足尺结构实体试验模型的试验用墙体侧面沿高度方向布设 200mm 200mm 测区，当龄期为 28d、60d、90d、120d、150d、360d、2y、3y 时，选择试验现场温度处于标称能量 2.207J 中型回弹仪工作温度 -4～40℃范围时进行回弹测试与混凝土碳化深度测量，并在对应回弹测区混凝土中钻取直径 100mm 芯样。芯样加工成标准试件后，由压力机进行混凝土力学性能试验。试验用仪器设备均在计量检定校准有效期内，数据测试按现行规程执行[3,4]。

2 试验结果分析

2.1 不同环境泵送成型结构实体混凝土抗压强度比较

正常环境温度与冬季负温环境泵送混凝土剪力墙实体抗压强度随龄期的变化[5,6]见图 2。由图 2 知，任何环境下泵送施工的掺合料混凝土均表现出随混凝土强度等级提高，由芯样抗压强度表征的结构实体混凝土抗压强度均随龄期呈自然对数增长趋势；相同强度等级混凝土在相同龄期时，正常环境温度较冬季负温环境下成型的实体混凝土抗压强度显著偏高，这表明外界环境温度对浇筑成型后混凝土的硬化历程或强度形成过程影响较大。

2.2 与泵送混凝土国家统一回弹测强曲线的比较

式 (1) 为现行回弹规程中泵送混凝土国家统一测强曲线。

式中：

fccu,i——第i个测区混凝土抗压强度换算值，精确至 0.1MPa；

Rm,i——第i个测区回弹值，MPa；

dm,i——第i个测区平均碳化深度值，精确至 0.5mm

图 2 不同环境成型剪力墙混凝土强度与龄期的关系

图 3 芯样混凝土抗压强度与混凝土换算强度比较

经对试验数据统计，得到回弹法国家统一测强曲线的平均相对误差δ为±21.7%，相对标准差er为25.7%，其值均明显低于现行回弹规程中对于地区测强曲线要求的平均相对误差δ不应大于 ±14.0% 且相对标准差er不应大于 17.0%、专用测强曲线要求其平均相对误差δ不应大于 ±12.0% 且相对标准差er不应大于14.0% 的规定。这表明，采用回弹法原位检测冬季负温泵送复掺粉煤灰矿粉混凝土结构实体抗压强度时，按现行回弹规程中泵送混凝土国家统一测强曲线（式 (1)）计算得到的混凝土换算强度低于结构实体芯样混凝土抗压强度，检测精度明显偏低，这会影响正确评价该工况下的结构实体混凝土抗压强度，因此有必要建立回弹法检测冬季负温泵送复掺粉煤灰矿粉混凝土结构实体抗压强度测强曲线。文中平均相对误差δ与强度相对标准差er按式 (2)、(3) 计算，式中符号涵义同现行回弹规程。

2.3 回弹法检测冬季负温泵送商品混凝土测强曲线

2.3.1 试验数据有效性分析

图 4 为按 GB/T 4883—2008《数据的统计处理和解释 正态样本离群值的判断和处理》中 Grubbs 检验法对粗大误差试验数据剔除后的芯样混凝土抗压强度与测区回弹值的关系。由图 4 可知，测区回弹值与其相应测区混凝土中的芯样抗压强度具有显著的相关性。

图 4 芯样混凝土抗压强度与测区回弹值关系

2.3.2 回弹法测强曲线建模

回弹法检测冬季负温泵送商品混凝土实体测强曲线数学模型选取仅含有测区回弹值参数的幂函数和同时含有测区回弹值及相应碳化深度参数的复合幂指数函数两种形式。其中，采用复合幂指数函数形式回归拟合前，对测区碳化深度取值制定如下规则，其中规则 ② 的测区碳化深度取值与现行回弹规程一致：

规则 ①：取测区碳化深度实测值

规则 ②：当测区碳化深度≥6.0mm 时，取 6.0mm

规则 ③：当测区碳化深度≥8.0mm 时，取 8.0mm

规则 ④：当测区碳化深度≥10.0mm 时，取 10.0m

据最小二乘法原理，对 309 组有效试验数据进行拟合，经回归得到的回弹法检测冬季负温泵送商品混凝土测强曲线及其相应相关系数r、平均相对误差δ及相对标准差er统计结果见表 2。由表 2 知：（1）各回归测强曲线的相关系数均在0.9 左右，这表明所选择的因变量与自变量参数间的相关程度极高；（2）测区混凝土碳化深度取值规则对回归测强曲线误差统计结果存在一定程度的影响；（3）按规则 ① 取测区混凝土碳化深度实测值时，得到的回归测强曲线平均相对误差δ为 ±13.5%，相对标准差er为 16.9%，均满足现行回弹规程中对地区测强曲线的误差技术指标的规定。初步选取式 (4) 为回弹法检测冬季负温泵送复掺粉煤灰矿粉混凝土实体测强曲线。

表 2 回归测强曲线及其相关统计量

2.3.3 测区碳化深度对回归测强曲线误差的影响

图 5 为测区混凝土碳化深度与其对应测区回弹值、芯样抗压强度的关系。从图 5 可直观地看出，随混凝土强度的增大，测区碳化深度值大部分呈减小趋势；碳化深度对混凝土测试面硬度（回弹值）有一定程度影响，但规律不明显，这可能是表 2 中幂函数回归曲线与复合幂指数曲线的误差统计结果相差不大的缘故。

图 5 测区碳化深度与回弹值、芯样混凝土抗压强度关系

表 3 是对试验混凝土碳化深度超过 6.0mm 的样本数量及所占比例情况的统计。由表 3 知，测区碳化深度超过 6.0mm 的样本数量占总体的比例为 28.5%，测区碳化深度超过 8.0mm 的样本数量占总体的比例仅为9.4%。对试验混凝土而言，测区混凝土高碳化深度值样本所占比例较小，故在拟合用数学模型中引入碳化深度参数以及采取测区碳化深度取值规则的措施均不能有效提高回归测强曲线的误差统计指标，这与表 2 中各个含碳化深度参数回归测强曲线的误差统计数值变化幅度较小的结果一致。

2.3.4 中型回弹仪在芯样混凝土高强度区段的适用性检验

试验用复掺粉煤灰矿粉混凝土泵送成型的结构实体混凝土后期抗压强度较高，试验数据表明龄期 3y时 C60 强度等级足尺模型剪力墙混凝土中芯样抗压强度最高达 95MPa，强度增幅达到其强度等级标准值的159%。由于现行回弹规程提供的标称能量 2.207J 中型回弹仪对普通混凝土抗压强度的适用区间为 10.0～60.0MPa，因此有必要采用本试验数据，探讨中型回弹仪在芯样高强度区段（60～95MPa）的适用性。

本文回归测强曲线（式 (4)）在芯样混凝土高强度区段的误差统计结果见表 4。由表 4 知：（1）在芯样强度 90.0～95.5MPa 区段内的样本数量偏少；（2）本文回归测强曲线（式 (4)）在芯样混凝土高强度区段的统计量：平均相对误差与相对标准差数值均达到地区测强曲线的误差技术指标规定，这表明中型回弹仪适用于长龄期时由本试验所配制的强度等级混凝土泵送浇筑的结构实体混凝土中芯样抗压强度 95MPa 以内的结构混凝土抗压强度检测。

表 3 测区混凝土碳化深度分布

表 4 实体混凝土芯样高强度区段误差统计

2.3.5 拟合曲线在芯样混凝土高强度区段的修正

图 6 为由本文回归测强曲线（式 (4)）计算得到的测区混凝土换算强度与相应芯样抗压强度的关系。由图6 知，大部分数据散点在 y=x 线附近的分布较为分散。

考虑中型回弹仪在芯样混凝土 60～95MPa 高强度区段检测结构混凝土抗压强度的准确性与稳健性，据最小二乘法原理采用线性数学模型对本文回归测强曲线（式 (4)）进行修正。经回归拟合得到最优线性修正公式见式 (5)，经修正后的测强曲线误差统计结果见表4，修正前后的测区混凝土换算强度与相应芯样抗压强度的比较见图 6。

由图 6 知，修正后较修正前，有更多的数据散点较紧凑的围绕在 y=x 线附近。由表 4 知，从误差统计数值上可以看到，在 60.0～89.9MPa 强度区段的混凝土强度平均相对误差δ与相对标准差er：修正后较修正前的误差统计指标有显著提高；除 90.0～95.5MPa 强度区段误差有所增加外，其他强度区段误差统计值均达到现行回弹规程中专用测强曲线误差技术指标的规定。

图 6 芯样抗压强度与测区混凝土换算强度关系

2.3.6 冬季负温泵送混凝土回弹法测强曲线选择

本文所建立的回弹法检测冬季负温泵送复掺粉煤灰矿粉混凝土实体测强曲线见式 (6)，该式适用于龄期28d～3y、混凝土配制强度等级 C20～C60 的冬季负温泵送复掺粉煤灰矿粉混凝土浇筑成型的结构实体混凝土抗压强度检测，式中f ccu,i,o按式 (4) 计算测区混凝土换算强度值，精确至 0.1MPa。

2.4 回弹法测强曲线整体效果检验

本文回弹法检测冬季负温泵送复掺粉煤灰矿粉混凝土测强曲线（式 (6)）与芯样抗压强度的比较见图 7。在图 7 中，强度数据散点分布具有随机性且基本均匀分布在 y=x 线两侧。

图 7 本文曲线混凝土换算强度与芯样抗压强度比较

3 结论

（1）通过在足尺结构实体试验模型墙体侧面进行测区回弹值、碳化深度值测量以及芯样抗压强度测试，系统研建了基于结构实体标准芯样抗压强度的回弹法检测冬季负温泵送商品混凝土测强曲线，该测强曲线具有足够的检测精度，适用于冬季负温泵送施工复掺粉煤灰矿粉混凝土结构实体强度检测，可供工程结构实体混凝土强度质量检测与控制参考。

（2）拟合测强曲线误差统计结果表明，标称能量为 2.207J 的中型回弹仪可用于长龄期中高强度等级泵送混凝土成型的结构混凝土中芯样强度 90MPa 内的实体混凝土抗压强度检测，拓展了中型回弹仪检测混凝土抗压强度的范围。

（3）在结构实体芯样混凝土高强度区段，采用线性数学模型对回归测强曲线修正，经修正后的测强曲线误差技术指标有显著提高，达到专用测强曲线规定要求，提高了对结构混凝土抗压强度的检测精度与稳健性，可供试验数据统计与处理参考。