 Hans Journal of Civil Engineering 土木工程, 2013, 2, 79-83 http://dx.doi.org/10.12677/hjce.2013.21014 Published Online February 2013 (http://www.hanspub.org/journal/hjce.html) Inspection of Concrete Compressive Strength with In-Situ Single-Shearing Core* —A Testing Technique Which Has Handy Operation, Wide Applicability, Higher Precision Yuewu Zhu, Ping Qiu, Qihong You China Academy of Building Research, Beijing Email: bw9817@163.com Received: Dec. 11th, 2012; revised: Jan. 4th, 2013; accepted: Jan. 15th, 2013 Abstract: The technique of in-situ single-shearing core for testing concrete compressive strength, drill a core sample with diameter 44 mm, depth 40 mm, and snare the core with shearing-head, which has left and right part. By applying shear force on the core, and cutting off 25 mm depth. According to the core’s concrete shear strength, presume the core’s concrete compressive strength. Keywords: In-Situ Single-Shearing Core; Concrete Shear Strength; Concrete Compressive Strength; Strength Grade; Green Environmental Protection; Energy-Saving 原位单剪法检测混凝土抗压强度* —一种操作简便、适用范围广、精度较高的检测技术 朱跃武，邱 平，游启洪 中国建筑科学研究院，北京 Email: bw9817@163.com 收稿日期：2012 年12 月11 日；修回日期：2013年1月4日；录用日期：2013 年1月15 日 摘 要：原位单剪法检测混凝土抗压强度技术，是在混凝土结构面上钻成直径44 mm、深度 40 mm 的芯样，将 装有左右卡头的剪切头套住芯样后，通过施加剪力将混凝土芯样在深度 25 mm处剪断。用该处的混凝土抗剪强 度推定混凝土抗压强度。 关键词：原位单剪法；混凝土剪切强度；混凝土抗压强度；强度等级；绿色；节能 1. 引言 混凝土抗压强度是结构计算时最重要参数之一， 它的大小不但影响结构的承载能力，也影响结构的耐 久性。作为一栋建筑物，从设计、施工、验收、使用、 维修各个环节均是围绕混凝土抗压强度这个指标进 行工作，因此在质量控制过程中，派生了许多检测混 凝土抗压强度技术，这些技术可分为非破损、微破损、 半破损检测技术。非破损检测混凝土抗强度技术主要 包括[1]：回弹法、超声回弹综合法、贯入法，它的特 点是不损坏结构，利用混凝土表面硬度和表面的均匀 性来推定混凝土抗压强度，缺点是不能反映结构内 部、及核心区内的混凝土抗压强度；微破损检测主要 包括：后装拔出法、后锚固法，它的特点是破损小， 精度高，可以检测核心区的混凝土抗压强度，但存在 操作工艺复杂，周期长等缺陷，比如需要钻孔、扩孔、 打磨、粘接等工序；半破损检测主要是： *资助信息：中国建筑科学研究院 2012 年，科研基金项目，标准规 范类。 Copyright © 2013 Hanspub 79  原位单剪法检测混凝土抗压强度 钻芯法，它通过钻取芯样、经切割、打磨、抗压 后得到其混凝土抗压强度，该法可以有效反映混凝土 核心区的混凝土抗压强度。 由于规范规定钻芯直径为Φ100，芯样取出后还 需要切割、打磨、补平、抗压等工序，过程繁琐，耗 时长、稍有不慎会造成强度损失，误差变大。同时还 有对结构损伤大，无法满足钢混结构、预应力混凝土 结构和钢筋密集构件检测的缺点[2]。 而作为广泛使用的回弹法[3]，是利用混凝土表面 硬度，推定混凝土抗压强度，因此无法反应核心区内 的混凝土质量[4]。而表面硬度又受碳化深度、成型面、 测试方向的诸多因素的影响，因此该技术测试误差较 大，同时由于本身回弹仪构造的原因，当被检测构件 混凝土抗压强度超过C60 时，将不能用普通回弹仪检 测混凝土抗压强度。 2. 原位单剪法检测混凝土抗压强度的提出 在原位直接检测混凝土抗压强度，从技术上很难 实现，多数是从结构上取出样品进行试验或者通过混 凝土的抗剪强度进行换算[5]，而在混凝土构件上进行 原位剪切试验，目前还没有文献记载，为了探索原位 剪切技术，首先应了解混凝土抗压强度与混凝土抗剪 强度之间的关系入手，众所周知混凝土的性能是抗压 强度高，抗拉强度和抗剪强度低。 下面以 C15~C60 混凝土抗压强度与混凝土抗剪、 抗拉的对比关系为例进行说明，见表 1和图 1，图2。 表1中抗拉强度约为抗压强度的 1/10~1/20，而抗 剪强度约为抗压强度的1/10，抗剪强度与抗压强度的 相关性好于抗拉强度与抗压强度的相关性[6]。为此中 国建筑科学研究院技术人员首先提出了原位单剪法 检测混凝土抗压强度检测技术的研究方案，并获得院 科技基金的支持。 原位抗剪法检测混凝土强度技术，是在结构实体 上，使用空心钻头，钻成 Φ44 mm，深度35 mm~40 mm 的混凝土芯样，对其直接进行剪切，并获得混凝土抗 剪强度，再根据混凝土轴心抗压强度与抗剪强度的相 关关系，用混凝土的剪切强度推定混凝土抗压强度。 原位单剪法工作原理示意，见图3所示。 为了实现该技术，经过反复试验和研究，设计发 明了可以进行原位单剪的检测装置，该装置可以检测 Table 1. Concrete strength grade, the tensile and shear strength 表1. 混凝土强度等级与抗拉、抗剪强度 强度等级 fc 抗拉强度 ft 抗剪强度fj C15 1.27 2.25 C20 1.54 2.70 C25 1.78 3.15 C30 2.01 3.55 C35 2.20 3.90 C40 2.39 4.30 C45 2.51 4.65 C50 2.63 5.00 C55 2.74 5.30 C60 2.85 5.60 Figure 1. Tensile strength and compressive strength 图1. 抗拉强度与抗压强度 Figure 2. Shear strength and c ompressive strength 图2. 抗剪强度与抗压强度 C15~C80 各等级混凝土剪切强度，它具有轻便、简单、 精度较高，适用范围广等优点，该装置可随时更换不 同直径、用于剪切混凝土芯样的半圆形剪切头，除直 径Φ44 外，还配有 Φ49、Φ38 两种规格剪切头，以满 Copyright © 2013 Hanspub 80  原位单剪法检测混凝土抗压强度 剪力 剪力 被剪构件 剪断后的试件 Figure 3. Principle diagram of in-situ single-shearin g 图3. 原位单剪工作原理示意图 足不同规格、尺寸混凝土构件的检测，见图 4和图 5。 3. 原位单剪法试验方法 3.1. 试验方案 为了验证该技术的可靠性和科学性，利用常用配 合比，按照 C15~C80 混凝土强度等级，制作 432 块 150 mm × 150 mm × 150 mm的混凝土标准试块，采用 自然养护，按照不同龄期进行剪切和混凝土抗压试 验。试验方案见表 2。 3.2. 试验设备 3.2.1. 钻机 试验采用 HZ-100 型混凝土钻机，该钻机的机械 技术指标为： 1) 最大钻芯直径：Φ100； 2) 最大钻孔深度：300 mm； 3) 主轴转速：1500 r/min； 4) 单相串激电动机功率：1500 W；电压：220 V； 5) 重量：12 kg； 6) 直径为 44 mm 空心薄壁钻头。 3.2.2. 原位单剪仪 原位单剪仪采用加力杆，通过人工加力作为仪器 的动力源。主要技术性能： 1) 检测强度范围：15 MPa~80 MPa； 2) 压力传感器最大压力：不小于 20 kN； 3) 荷载表的精度应大于 10 N(0.01 kN)。 原位单剪仪与荷载表连接见图6。 3.3. 操作 采用直径为 44 mm 空心薄壁钻头，在混凝土试件 上钻出直径 44 mm，深度 40 mm 小芯样[7]，不用取出， Table 2. The number of concrete specimen (piece) 表2. 混凝土试件数量(块) 龄期(d) 强度 等级 1 3 7, 14, 28, 60, 90, 180, 360 小计 C15 - - 7 × 6 块 42块 C20 - - 7 × 6 块 42块 C30 - - 7 × 6 块 42块 C40 - - 7 × 6 块 42块 C50 6块 6块 7 × 6 块 54块 C60 6块 6块 7 × 6 块 54块 C70 6块 6块 7 × 6 块 54块 C80 6块 6块 7 × 6 块 54块 合计 24块 24块 336块 384块 注：每种强度等级，每个龄期，需制作 6块150 mm × 150 mm × 150 mm混 凝土试件，任选其中三块(一组)进行抗压试验，另 3块钻成 Φ44 mm，深度 35 mm~40 mm 各三个抗剪试件，分别进行原位单剪试验。 Figure 4. In-situ single-shearing apparatus of the shear test process 图4. 原位单剪仪的剪切试验过程 Figure 5. In-situ single-shearing apparatus of the shear test process 图5. 原位单剪仪的剪切试验过程 Copyright © 2013 Hanspub 81  原位单剪法检测混凝土抗压强度 压力传感器 机座 左右错位卡头 加力装置 数据采集器 Figure 6. The diagram of in-situ single-shearing 图6. 原位单剪示意图 将原位单剪仪插入芯样间隙内，通过加力杆对夹在芯 样上的错位凸台卡头施加剪力，当剪力大于混凝土的 抗剪强度时，芯样被剪断。而最大峰值通过连接到压 力传感器上的荷载表保存下来，完成一个芯样的剪切 操作，从成孔到剪切，全过程仅需3分钟。 3.4. 数据分析 表中给出 1天、3天、7天、14 天、28 天，强度 等级从 C15~C80 混凝土试块，在自然养护的情况下的 原位单剪抗压强度和所对应150 mm × 150 mm × 150 mm 立方体试块的抗压强度见表 3。 回归数据曲线见图 7，其它各回归曲线的回归参 数和平均相对误差、相对标准差见表 4[8]。 , 1, 11 100% ncu i c icu i f nf (1) 2 , 1, 11 100% 1 ncu i rc icu i f enf (2) 式中：δ——回归方程式的强度平均相对误差(%)，精 确至 0.1%； r e——回归方程式的强度相对标准差(%) ，精确 至0.1%； ,cu i f ——由第 1个试块抗压试验得出的混凝土强 Table 3. Test data 表3. 试验数据 序号 剪切 MPa (x) 抗压 MPa (f)序号 剪切 MPa (x) 抗压 MPa (f) 1 2.96 19.1 14 6.51 46.1 2 3.33 25.5 15 7.01 58.6 3 3.43 22.5 16 7.12 70.4 4 4.47 28.9 17 7.57 62.3 5 4.78 37.6 18 7.72 74 6 4.88 30.5 19 7.96 74.7 7 5.08 36.7 20 8.01 55.9 8 5.09 33.3 21 9.24 84.4 9 5.45 46.9 22 9.39 78.9 10 5.48 46.7 23 9.7 95 11 5.87 48.1 24 10.04 77.2 12 6.21 51.1 25 10.43 104.9 13 2.96 19.1 26 10.71 88.1 Table 4. Parameters of the regression cu r ve 表4. 回归曲线参数 回归方程系数 曲线形式 a b c 相关系数( )r 线性函数 9.843 10.780 - 0.961 幂函数 5.075 1.242 - 0.973 多项式 函数 −0.146 11.900 −17.26 0.961 曲线形式 相对标准 差(%) 平均相对 误差(%) 备注 线性函数 12.0% ±9.2% 1~28 d龄期 幂函数 12.0% ±9.6% 1~28 d龄期 多项式 函数 13.0% ±9.7% 1~28 d龄期 Figure 7. Regression curve 图7. 回归曲线 Copyright © 2013 Hanspub 82  原位单剪法检测混凝土抗压强度 Copyright © 2013 Hanspub 83 度值(MPa)，精确至 0.1 MPa； , c cu i f ——对应用第1个试块计算的强度换算值 (MPa)，精确至 0.1 MPa。 n ——制定回归方程式的数据数量。 从图 7和表 4可以看出，该方法相关性较好，不 同的回归方程，相关系数均为0.961~0.973，相 对 标 准 差为：12.0%~13.0%；平均相对误差为：±9.2%~±9.7%。 经回归分析，综合各条曲线的相关系数、相对标准差、 平均相对误差，本次试验推荐采用线性方程。 4. 结论 4.1. 适用范围广 原位抗剪法检测混凝土强度技术具有准确、快捷 等特点，完全适应于全国范围内的工程建设中混凝土 强度推定的技术要求；符合工程设计、施工(包括安装) 及验收等通用的质量要求；适用工程建设通用的试 验、检验和评定等方法；可供工业与民用建筑、铁路、 公路桥梁、水电、港工等行业使用；适用于钢筋密集 结构，以及早龄期混凝土强度检测推定。 4.2. 可以不受构件表面的影响 原位单剪法是以芯柱轴向母线进行定位，不受结 构表面粗糙度的影响，因此它也适应检测喷射混凝 土，或曲面结构混凝土的抗压强度[8]。 4.3. 应用原位单剪法有以下特点 1) 它可以完成C10~C80所有混凝土抗压强度的 检测。 2) 钻成的混凝土芯样直径小、深度浅，对结构损 伤小，可以对钢混结构、预应力结构和钢筋密集构件 以及早龄期混凝土的抗压强度进行检测。 3) 由于剪切位置是在构件表面以内 25 mm处， 可以反应构件核心区内的混凝土抗压强度，不受表面 等因素的影响。 4) 由于该技术操作简单，工序少，剪切深度固定， 因此误差较小精度较高。 5) 不需要对芯样进行加工、打磨和抗压试验，节 省了因送检、加工芯样等工作的人力、物力；节省电 力等能源消耗，提高了工作效率。 说明原位单剪法是一个具有绿色、节能功效的检 测技术，符合国家提倡的发展方向。 因此，原位单剪法检测混凝土抗压强度的技术开 发，对我国混凝土强度检测技术的进步，具有十分重 要的意义。 参考文献 (References) [1] R. 琼斯, I. 弗格瓦洛. 混凝土非破损试验法[M]. 北京: 中国 建筑工业出版社, 1982. 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