科普:5种混凝土抗压强度测试方法

2024-02-04 17:13:04, 建筑质检 广州欧美大地仪器科技有限公司


混凝土是土木工程中最常用,也是最重要的材料,其性能也直接关系到建筑物的承载能力与结构安全。混凝土相关参数众多,但其中最基础的还是其抗压强度,无论是常规混凝土,还是高性能混凝土,在设计采用之前,都需要确定其抗压强度。对于现役建筑,我们也需要现场测试其混凝土强度,以便对其力学性能及耐久性等做出评价。

目前,混凝土抗压强度测试方法主要有以下几种:

试块法;

回弹法;

超声回弹综合法;

钻芯法;

拔出法。

本文我们将对以上几种方法做一个简要介绍。

试块法

01

试块法是测试混凝土强度最常用的方法之一,也是最可靠、最准确的方法。它通过制作混凝土试块,并按规定要求进行养护,达到规定时间后,采用混凝土压力试验机对其进行抗压测试,得到试块的抗压强度值。

混凝土压力试验机

1.1 定义

通常我们所说的抗压强度都是采用立方体试块进行测试得到的抗压强度。

抗压强度(compressive strength):立方体试件单位面积上所能承受的最大压力。

此外还有轴心抗压强度(棱柱体试件),圆柱体试件抗压强度,本文暂不做介绍。

1.2 试件的制作与养护

立方体试件尺寸通常有3种,100mm、150mm、200mm,尺寸的选择应该视混凝土中骨料最大粒径而定,具体参见下表:

试块制作应注意以下几点:

混凝土拌合物在入模前应该保证其匀质性,入模后充分振捣密实,避免分层离析;

试件成型抹面后应立即用塑料薄膜覆盖表面,或者采用其他方法保持试件表面潮湿;

试件成型后应该在温度为20±5℃、相对湿度大于50%的室内静置1-2天;

试件拆模后,应立即放入温度为20±2℃、相对湿度为95%以上的标准养护室中养护,或在温度20±2℃不流动的氢氧化钙饱和溶液中养护。

1.3 抗压强度试验

测试混凝土立方体抗压强度的试件尺寸和数量应符合以下规定:

标准试件是边长150mm的立方体试件;

边长100mm和200mm的立方体试件是非标准试件;

每组试件数量应为3块。

在抗压试验过程中,应保证连续均匀加荷,加荷速度应取0.3MPa/s~1.0MPa/s。

当抗压强度小于30MPa时,加荷速度宜取0.3MPa/s~0.5MPa/s;

当抗压强度30MPa~60MPa时,加荷速度宜取0.5MPa/s~0.8MPa/s;

当抗压强度不小于60MPa时,加荷速度宜取0.8MPa/s~1.0MPa/s。

1.4 立方体抗压强度试验结果计算

凝土立方体试件抗压强度应按下式计算:

fcc:混凝土立方体试件抗压强度(MPa);

F:试件破坏荷载(N);

A:试件承压面积。

立方体试件抗压强度值的确定应符合以下规定:

取3个试件测值的算术平均值作为该组试件的强度值;

若3个测值的最大或最小值其中一个与中间值的差值超过中间值的15%,则应剔除最大最小值,取中间值作为该组试件的抗压强度值;

若3个测值中最大最小值与中间值的差值均超过中间值的15%,该组试件的试验结果无效。

当混凝土强度等级低于C60时,用非标准试件测得的强度值应乘以尺寸换算系数:

边长200mm的试件,尺寸系数取1.05;

边长100mm的试件,尺寸系数取0.95。

混凝土强度等级不小于C60的,宜采用标准试件,如采用了非标准试件,尺寸系数应经试验确定。对于强度等级不大于C100的,在未进行试验确定的情况下,边长100mm的试件尺寸系数可取0.95。

回弹法

02

回弹法是一种现场测试混凝土强度的快速便捷的方法,也是目前使用最多的现场混凝土强度检测方法。

数字回弹仪

2.1 定义

回弹法是用一个弹簧驱动的重锤,通过弹击杆,弹击混凝土表面,并实测重锤反弹的距离,以回弹值(反弹距离与弹簧初始长度之比)作为强度相关的指标,来推定混凝土强度的一种方法。

不过,回弹法测试的是混凝土表面的强度,是基于混凝土表面硬度与强度之间存在相关性而建立的一种测试方法。

2.2 现场测试

一般对于单个构件,测区数不宜少于10个。相邻两测区的间距不应大于2m,测区离构件端部或施工缝边缘的距离不宜大于0.5m,且不宜小于0.2m。

每一测区应读取16个回弹值,每一测点回弹值读数精确到1。测点应在测区范围内均匀分布,相邻两测点之间的净距离不宜小于20mm。

回弹值测试完毕后,还应在有代表性的测区上测量碳化深度值,测点数不应少于构件测区数的30%,应取其平均值作为该构件每个测区的碳化深度值。碳化深度测试应采用浓度1%~2%的酚酞酒精溶液,并结合碳化深度测量仪测量已碳化与未碳化混凝土交界面到混凝土表面的垂直距离。

2.3 混凝土强度计算

2.3.1 回弹值计算

回弹值的计算应该从测区的16个回弹值中剔除3个最大值和3个最小值,然后计算剩余10个回弹值的平均值。

Rm:测区平均回弹值,精确到0.1;

Ri:第i个测点的回弹值。

需要注意,正常的回弹测试是水平方向测试,如果不是水平方向检测混凝土浇筑面,还需要对回弹值进行修正。

Rm=Rma+Raa

Rma:非水平方向检测时测区回弹值平均值;

Raa:非水平方向检测时回弹值修正值,查表。

非水平方向检测时的回弹值修正值(JGJT 23-2011,部分)

如果水平方向检测混凝土浇筑表面或者浇筑底面时,测区平均回弹值也需要进行修正。

Rtm、Rbm:水平方向检测混凝土浇筑表面、底面时,测区平均回弹值;

Rta、Rba:混凝土浇筑表面、底面回弹值修正值,查表。

不同浇筑面的回弹值修正值(JGJT 23-2011,部分)

当回弹仪为非水平方向且测试面为混凝土的非浇筑侧面时,应先对回弹值进行角度修正,然后对修正后的回弹值进行浇筑面修正。

2.3.2 混凝土强度换算值与推定值

经过以上步骤,得到测试的平均回弹值与平均碳化深度值之后,通过测强曲线来计算混凝土强度。测强曲线有以下几种:

统一测强曲线

地区测强曲线

专用测强曲线

应该按照专用测强曲线、地区测强曲线、统一测强曲线的顺序来选择测强曲线。其实就是查表,下表就是统一测强曲线的混凝土强度换算表。不过这里得到的只是混凝土强度换算值,还不是最终结果。

回弹法测区混凝土强度换算表(JGJT 23-2011,部分)

我们最终要得到的是混凝土强度推定值(fcu,e),分以下几种情况:

1.当构件测区数量少于10个时,按下式确定:

fccu,min:构件中最小的测区混凝土强度换算值。

2.当构件测区强度值中出现小于10MPa时,按下式确定:

fcu,e<10MPa

3.当构件测区数量不少于10个时,还应先计算测区混凝土强度换算值的平均值和标准差:

mfccu:测区混凝土强度换算值的平均值(MPa);

n:构件测区数;

Sfccu:测区混凝土强度换算值的标准差(MPa)。

混凝土强度推定值按下式确定:

超声回弹综合法

03

回弹法因其方便快捷的特性,被广泛应用于混凝土结构强度现场测试,但也因为方法本身的限制,精度有限。如果现场结构具备对测法测试混凝土波速的话,结合超声波测试混凝土波速,根据实测波速和回弹值综合推定混凝土强度,可以一定程度上提高测试可靠性。

混凝土超声波测试仪

3.1 定义

超声回弹综合法:根据实测声速值和回弹值综合推定混凝土强度的方法。本方法采用的超声波换能器频率为50~100kHz,回弹仪冲击能量为2.207J。

3.2 现场测试与声速计算

关于回弹法的现场测试,参考2.2的描述,不过这里不需要再测试碳化深度值。

回弹法测试结束后,在同一测区进行超声测试,超声测试应满足以下要求:

每一测区布置3个测点;

优先采用对测或角测,当结构不具备条件时,可采用单面平测;

测试时换能器应通过耦合剂与混凝土测试面良好耦合。

混凝土中超声波波速按如下公式计算:

v:测区中混凝土声速代表值(km/s);

li:第i个测点的超声测距;

ti:第i个测点的声时读数;

t0:声时初读数。

当在混凝土浇筑的顶面或底面测试时,还应该对声速代表值进行修正:

va=β·v

va:修正后的混凝土声速代表值(km/s);

β:超声波测试面声速修正系数,在混凝土浇筑的顶面和底面之间对测或斜测时,β=1.034。

3.3 混凝土强度推定

与回弹法类似,超声回弹综合法也是将实测并修正后的回弹值、修正值带入相应的测强曲线,得到混凝土抗压强度换算值。测强曲线的使用顺序与回弹法一样,专用测强曲线>地区测强曲线>统一测强曲线。如采用全国统一测强曲线,可按下式计算,也可以查表得到混凝土强度换算值。

1.当粗骨料为卵石时:

2.当粗骨料为碎石时:

fccu,i:第i个测区混凝土抗压强度换算值(MPa)

超声回弹综合法测区混凝土强度换算表(CECS 02-2005,部分)

超声回弹综合法的混凝土强度推定值的确定方法则与回弹法完全一致:

1.当构件测区数量少于10个时,按下式确定:

fccu,min:构件中最小的测区混凝土强度换算值。

2.当构件测区强度值中出现小于10MPa时,按下式确定:

fcu,e<10MPa

3.当构件测区数量不少于10个时,还应先计算测区混凝土强度换算值的平均值和标准差:

mfccu:测区混凝土强度换算值的平均值(MPa);

n:构件测区数;

Sfccu:测区混凝土强度换算值的标准差(MPa)。

混凝土强度推定值按下式确定:

钻芯法

04

钻芯法是采用钻芯机在混凝土构件上钻取芯样,加工后在实验室压力机上进行抗压强度检测,属于直接获取混凝土抗压强度的检测方法。

4.1 定义

钻芯法:从结构或构件中钻取圆柱状试件,得到在检测龄期混凝土强度的方法。

芯样试件抗压强度值:由芯样试件得到相当于边长150mm立方体试件的混凝土抗压强度。

4.2 芯样的钻取与加工

芯样宜在结构或构件的下列部位钻取:

结构或构件受力较小的部位;

混凝土强度具有代表性的部位;

便于钻芯机安装与操作的部位;

宜采用钢筋探测仪测试或局部剔凿的方法避开主筋、预埋件和管线。

抗压芯样试件的高径比(H/d)宜为1,芯样内不宜含有钢筋,也可有一根直径不大于10mm的钢筋,且钢筋应与芯样轴线垂直,并离开端面10mm以上。

抗压芯样试件宜使用直径为100mm的芯样,且其直径不宜小于骨料最大粒径的3倍;也可采用小直径芯样,但其直径不应小于70mm且不得小于骨料最大粒径的2倍。

4.3 芯样抗压强度的确定

芯样抗压强度按下式计算:

fcu,cor:芯样试件抗压强度值(MPa),精确到0,1MPa;

Fc:芯样试件抗压试验的破坏荷载(N);

Ac:芯样试件抗压截面面积(mm2);

βc:芯样试件强度换算系数,取1.0,当有可靠试验依据时,也可通过试验确定。

计算检测批混凝土抗压强度推定值时,最小样本量不宜小于15个,并按如下方法确定:

1.检测批混凝土抗压强度推定值应计算推定区间,推定区间上限值和下限值按下列公式计算:

fcu,cor,m:芯样试件抗压强度平均值(MPa),精确到0.1MPa;

fcu,cor,i:单个芯样试件抗压强度值(MPa),精确到0.1MPa;

fcu,e1:混凝土抗压强度上限值(MPa),精确到0.1MPa;

fcu,e2:混凝土抗压强度下限值(MPa),精确到0.1MPa;

k1,k2:推定区间上限值系数和下限值系数,查表得到(JGJ/T384-2016,附录A);

Scu:芯样试件抗压强度样本标准差(MPa),精确到0.1MPa

2.fcu,e1和fcu,e2所构成的推定区间的置信度宜为0.9,fcu,e1与fcu,e2之差不宜大于5.0MPa和0.10fcu,cor,m两者的较大值;

3.fcu,e1与fcu,e2之差大于5.0MPa和0.10fcu,cor,m两者的较大值时,可适当增加样本容量,或重新划分检测批,直至满足要求。

4.当无法满足以上要求时,不宜进行批量推定;

5.宜取作为检测批混凝土强度的推定值。

拔出法

05

拔出法检测混凝土强度主要用于既有结构或在建结构的混凝土强度值的检测与推定,通常适用于抗压强度10~80MPa的混凝土结构。

拔出法测试仪

5.1 定义

拔出法:通过拉拔安装在混凝土中的锚固件,测定极限拔出力,并根据预先建立的极限拔出力与混凝土抗压强度之间的相关关系推定混凝土抗压强度的检测方法。拔出法包括后装拔出法和预埋拔出法。

后装拔出法:在已硬化的混凝土表面钻孔、磨槽、嵌入锚固件并安装拔出仪进行拔出法检测,测定极限拔出力,并根据预先建立的极限拔出力与混凝土抗压强度之间的相关关系推定混凝土抗压强度的检测方法。

预埋拔出法:对预先埋置在混凝土中的锚盘进行拉拔,测定极限拔出力,并根据预先建立的极限拔出力与混凝土抗压强度之间的相关关系推定混凝土抗压强度的检测方法。

5.2 拔出试验

拔出法试验设备分为圆环式和三点式拔出仪,预埋拔出法应采用圆环式拔出仪,粗骨料最大粒径不大于40mm时也应优先采用圆环式拔出仪。

拔出法测点布置应符合以下要求:

如按单个构件检测,应在构件上均匀布置3个测点;

如按批抽样检测时,每个构件宜布置1个测点,且最小样本容量不宜少于15个;

测点宜布置在构件混凝土成型的侧面,如不具备条件,可布置在混凝土浇筑面;

在构件的受力较大及薄弱部位应布置测点,相邻两测点的间距不应小于 250mm;当采用圆环式拔出仪时,测点距构件边缘不应小于 100mm;当采用三点式拔出仪时,测点距构件边缘不应小于 150mm;测试部位的混凝土厚度不宜小于 80mm;

应避开接缝、蜂窝、麻面部位以及钢筋和预埋件。

测试时,拔出力应连续均匀,其速度控制在0.5~1.0kN/s。拔出力应施加至混凝土破坏,测力显示器读数不再增加为止。测试过程中应采取有效措施,防止拔出设备脱落摔坏或伤人。

5.3 混凝土强度换算及推定

5.3.1 混凝土强度换算值可按下列公式计算:

后装拔出法(圆环式)

后装拔出法(三点式)

预埋拔出法(圆环式)

fccu:混凝土强度换算值(MPa),精确到0.1MPa;

F:拔出力代表值(kN),精确到0.1kN。

当有专用测强曲线或地方测强曲线时,应优先采用专用测强曲线或地方测强曲线计算。

5.3.2 单个构件混凝土强度推定

单个构件混凝土强度的推定,主要是拔出力代表值的确定,当构件的3个拔出力中最大值和最小值与中间值之差的绝对值小于中间值的15%时,取最小值作为该构件拔出力的代表值。

当不满足上一条时,需在最小拔出力点附近加测两个点,然后将这两个点的拔出力与最小拔出力一起取平均值,再与前一次的拔出力中间值比较,取两者小值作为该构件拔出力代表值。

确定了拔出力代表值后,带入上述公式计算强度换算值,并取换算值为单个构件强度推定值:

5.3.2 批抽检构件混凝土强度推定

首先将抽检的每个拔出力作为代表值,根据不同方法带入相应公式,计算出混凝土强度换算值fccu,然后按下列公式计算混凝土强度推定值fcu,e:

fcu,e:混凝土强度推定值;

n:批抽检构件的测点总数;

fccu,i:第i个测点的混凝土强度换算值;

mfccu:混凝土强度换算值的平均值(MPa);

Sfccu:检测批构件混凝土强度换算值的标准差(MPa)。

当全部测点的强度标准差或变异系数出现下列情况时,该批构件应全部按单个构件进行检测:

当混凝土强度换算值的平均值不大于25MPa时,Sfccu大于4.5MPa;

当混凝土强度换算值的平均值大于25MPa且不大于50MPa时,Sfccu大于5.5MPa;

当混凝土强度换算值平均值大于50MPa时,变异系数δ大于0.1。变异系数δ用下式计算:

以上即为目前常用的几种混凝土强度测试方法的简单介绍,几种方法各有优缺点,在现实工程中,往往多种方法结合应用,相互补充,相互验证,以最经济、准确的方式获取混凝土抗压强度信息。

参考文献:

[1] GBT 50081-2019 混凝土物理力学性能试验方法标准.

[2] JGJ/T23-2011回弹法检测混凝士抗压强度技术规程.

[3] CECS 02-2005 超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程.

[4] JGJ/T 384-2016 钻芯法检测混凝土强度技术规程.

[5] CECS 69-2011 拔出法检测混凝土强度技术规程.

[6] 吴佳晔等 土木工程检测与测试 高等教育出版社 2015.

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