Establishment of Special Strength Measuring Curve for Resilience to Freeze and Durability of
Cement Concrete
龚鹏旭 GONG Peng-xu；杨春亮 YANG Chun-liang
（辽宁省交通高等专科学校，沈阳 110122）
（Liaoning Provincial College of Communications，Shenyang 110122，China）
摘要：结合沈铁公路改扩建工程抗冻耐久性水泥混凝土实际情况，对138组抗冻耐久性水泥混凝土立方体抗压强度试件进行了抗压强度和回弹测试，通过建立合适的数学模型,回归分析建立了抗冻耐久性水泥混凝土专用测强曲线。曲线表明抗冻耐久性水泥混凝土的回弹值与其抗压强度之间有着较好的相关性,而且曲线的精度符合回弹法规程中的要求。经工程实践验证，该曲线可作为回弹法检测抗冻耐久性水泥混凝土抗压强度的专用测强曲线。
Abstract: Combined with the highway expansion project the frost resistance of cement concrete actual situation of the 138 groups, the frost resistance of cement concrete compressive strength of specimens and the compressive strength and rebound test, through the establishment of an appropriate mathematical model and regression analysis established the frost resistance of cement concrete strength curve. The curve shows that there is a good correlation between the rebound value and the compressive strength of the cement concrete, and the accuracy of the curve accords with the requirements of the rebound method. The engineering practice proves that the curve can be used as a special strength curve for detecting the compressive strength of cement concrete with frost resistance by rebound method.
关键词：抗冻耐久性水泥混凝土；回弹法；抗压强度；测强曲线
Key words: frost resistance durability of cement concrete；rebound method；compressive strength；strength curve
中图分类号：TU755.7 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）22-0140-03
0 引言
回弹法是一种根据混凝土表面硬度（回弹值）来间接推定混凝土抗压强度的检测方法，因其具有快速、经济、准确等诸多优点而被工程技术人员广泛使用。住房和城乡建设部颁布的《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T23-2011）（以下简称《规程》）给出了全国统一的混凝土测强曲线，工程技术人员可据此对混凝土强度进行推算，也可根据《规程》给出的方法建立专用测强曲线对混凝土强度进行推算。为进一步提高回弹法检测的精度，我国部分地区结合地区或工程实际情况，建立了地区或工程专用的测强曲线[1]，且应用效果较好。
沈铁公路改扩建工程是G1高速辽宁段的一部分，总里程148km。为减轻冻融及氯离子引发的混凝土结构破坏，增加混凝土结构工程使用寿命，沈铁公路改扩建工程地面外露C30及C30以上水泥混凝土均采用了抗冻耐久性水泥混凝土。建设过程中，使用《规程》中全国统一的混凝土测强曲线对混凝土抗压强度进行推算。推算后发现，结构物混凝土回弹强度推算值均较混凝土试件实测抗压强度值偏低。鉴于此，辽宁省高等级公路建设局成立课题组，对该问题进行了细致的分析与研究。课题组通过前期调研分析，制定了详细的试验研究方案[2]，制作138组抗冻耐久性水泥混凝土立方体抗压强度试件，并对试件进行了抗压强度和回弹测试，建立了沈铁公路改扩建工程抗冻耐久性水泥混凝土专用测强曲线。
1 试验方案设计
为建立沈铁公路改扩建工程抗冻耐久性水泥混凝土专用测强曲线，课题组制订了详细的试验方案设计。
1.1 配合比基本信息
课题组通过前期研究发现，对回弹法检测高性能水泥混凝土抗压强度测试精度产生影响最大的因素为混凝土含气量，次为粉煤灰掺量、矿渣粉掺量、胶凝材料掺量和砂率[3]。因此在专用测强曲线建立的初期必须明确各因素的适宜范围。结合工程实际，各施工单位具体配合比情况如下：抗冻耐久性水泥混凝土均采用双掺粉煤灰及矿渣粉的形式[4]，总的胶凝材料掺量控制在364kg/m3~450kg/m3，粉煤灰掺量为胶凝材料掺量的10%~20%，矿渣粉掺量为胶凝材料掺量的8%~20%，砂率在36%~39%之间，同时混凝土入模含气量根据混凝土冻融环境条件及强度等级控制在2.5%~5.5%之间。
1.2 原材料选取
沈铁公路改扩建工程混凝土原材料众多。根据各施工单位原材料选用情况，取具有足够代表性的原材料制作混凝土试件。原材料信息如表1所示。
2 试验方案的实施
2.1 试件制作
根据沈铁公路改扩建工程配合比情况，制作试件138组。试件采用试验室拌合设备进行拌合。试件尺寸为150cm×150cm×150cm，混凝土密度介于2300kg/m3~2500kg/m3之间，试件坍落度在170mm~200mm之间，试件入模含气量基本与施工控制一致。试件经插捣后轻微震动成型，根据实际天气温度情况，1d~2d后拆模进行自然养护，尽可能使拆模日期与构件拆模日期相近[5]。测试龄期分别为7d、28d、56d、180d。试件制作情况如表2所示。
2.2 试验方法
对达到龄期的水泥混凝土试件采用中型回弹仪（标称能量2.207J）进行回弹测试，采用WHY-2000型压力机对试件抗压强度进行测试，测试方法依照《规程》中规定的方法进行。回弹测试结果精确至0.1，混凝土试件抗压强度测试结果精确至0.1MPa。试块破坏后，在试块破坏的边缘测试其碳化深度的平均值[6]。
3 测试结果
通过对138组试件的回弹及抗压强度测试，回弹值介于26-51之间。实测抗压强度与回弹值互相对应关系如图1所示。
4 曲线的建立与选取
4.1 数学模型回归分析
根据试件回弹值与抗压强度对应的关系，在不考虑碳化深度对回弹测试值的影响情况下，选取线性、多项式、幂函数、指数函数4种数学模型进行回归[8]，经过回归得到专用测强曲线技术分析[9]如表3所示。
从回归公式分析结果看，4种数学模型的平均相对误差和相对标准差均满足《规程》的规定。通过回归公式的相关性系数R2可以看出，幂函数最优，其次为线性及二次抛物线函数，再次为指数函数。通过回归后平均相对误差可以看出线性函数、二次抛物线函数和幂函数优于指数函数。通过回归后相对标准差可以看出幂函数及二次抛物线函数最优，依次为线性函数、指数函数。从比较结果看，幂函数拟合效果最优，因此选取该幂函数方程拟合的结果做为抗冻耐久性水泥混凝土专用测强曲线。
4.2 测强曲线精度检验[9]
F检验是线性回归分析中常用的统计检验方法，主要用于解释变量的整体对被解释变量影响的显著性。对幂函数回归曲线的显著性进行计算分析，首先幂函数曲线回归模型进行对数变换得到式（1）。
■（1）
令■
原模型可化为线性模式，式（2）
■（2）
采用Microsoft Excel对回归模型显著性进行分析检验，显著性水平α取0.05，检验结果如表4所示。
从分析结果可以得到F统计量为1.142，F0.05（ 414，414）临界值为1.176，F＜F0.05 （414，414），据此可知ln（Rm）与ln（f■■）之间的线性关系是显著的，也可以说明幂函数曲线回归模型效果是显著的。
另从表3可知，幂函数回归相关性系数为0.880，说明回弹值对抗压强度的拟合程度较好，模型误差较小。
4.3 与规程曲线比较
将新建立的回归曲线与《规程》中附录A曲线及附录B泵送混凝土推算强度曲线进行比较[10]，新建立的曲线推算出来的混凝土抗压强度值整体上大于《规程》中附录A及附录B泵送混凝土强度推算强度。回弹值越低，推算出的强度差值就越大，这种情况与工程实际也是相匹配的。因此采用式1作为抗冻耐久性水泥混凝土回弹强度推算曲线更为合理。
4.4 曲线选取
综上所述，当回弹值介于26~51时，可使用幂函数方程式做为抗冻耐久性混凝土回弹法专用测强曲线，即
■（3）
式中，f■■为短龄期抗冻耐久性混凝土的强度换算值（MPa）；Rm为测区的回弹测定值。
5 测强曲线验证
为进一步验证曲线对现场结构物强度测试误差，课题组选取现场结构物进行曲线精度验证[11]。曲线精度验证主要通过两种形式，一种为钻取同条件养生试件芯样，另一种为钻取混凝土构件芯样，制作的试验件如图2所示。通过不同的芯样实测强度与回弹新曲线推算强度进行比较[12]。验证结果如表5所示。
由表5可以得到，使用公式（3）推测出的抗冻耐久性水泥混凝土抗压强度与实测抗压强度吻合较好。因此，新建立的测强曲线可以作为沈铁公路改扩建工程抗冻耐久性混凝土回弹检测的推算依据。
6 结论
以沈铁公路改扩建工程为依托，通过对抗冻耐久性水泥混凝土测强曲线进行的技术研究，得出以下结论：
①新建立的抗冻耐久性混凝土回弹测强曲线即f■■=1.1475Rm1.0438可以符合《规程》关于测试精度的规定，因此可以用来推算抗冻耐久性混凝土的抗压强度。②中型回弹仪在测试抗冻耐久性混凝土抗压强度时，混凝土强度介于60MPa~70MPa之间时，回弹值与混凝土抗压强度也具有较好的相关性，因此，测试范围可由《规程》的规定的10MPa~60MPa提高至70MPa。③在忽略碳化对回弹检测影响的情况下，混凝土粗骨料为碎石、胶凝材料掺量为300kg/m3~450kg/m3、粉煤灰掺量为胶凝材料掺量的10%~22%，矿渣粉掺量为胶凝材料掺量8%~20%，砂率36%~39%，含气量为2.5%~5.5%时，回弹法检测抗冻耐久性水泥混凝土抗压强度，经验证后，亦可参考使用f■■=1.1475Rm1.0438公式进行强度推算。
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