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科普：5種混凝土抗壓強度測試方法
混凝土是土木工程中最常用，也是最重要的材料，其性能也直接關系到建筑物的承載能力與結構安全。混凝土相關參數眾多，但其中最基礎的還是其抗壓強度，無論是常規混凝土，還是高性能混凝土，在設計采用之前，都需要確定其抗壓強度。對于現役建筑，我們也需要現場測試其混凝土強度，以便對其力學性能及耐久性等做出評價。
目前，混凝土抗壓強度測試方法主要有以下幾種：
試塊法；
回彈法；
超聲回彈綜合法；
鉆芯法；
拔出法。
本文我們將對以上幾種方法做一個簡要介紹。
試塊法
01
試塊法是測試混凝土強度最常用的方法之一，也是最可靠、最準確的方法。它通過制作混凝土試塊，并按規定要求進行養護，達到規定時間后，采用混凝土壓力試驗機對其進行抗壓測試，得到試塊的抗壓強度值。
混凝土壓力試驗機
1.1 定義
通常我們所說的抗壓強度都是采用立方體試塊進行測試得到的抗壓強度。
抗壓強度（compressive strength）：立方體試件單位面積上所能承受的最大壓力。
此外還有軸心抗壓強度（棱柱體試件），圓柱體試件抗壓強度，本文暫不做介紹。
1.2 試件的制作與養護
立方體試件尺寸通常有3種，100mm、150mm、200mm，尺寸的選擇應該視混凝土中骨料最大粒徑而定，具體參見下表：
試塊制作應注意以下幾點：
混凝土拌合物在入模前應該保證其勻質性，入模后充分振搗密實，避免分層離析；
試件成型抹面后應立即用塑料薄膜覆蓋表面，或者采用其他方法保持試件表面潮濕；
試件成型后應該在溫度為20±5℃、相對濕度大于50%的室內靜置1-2天；
試件拆模后，應立即放入溫度為20±2℃、相對濕度為95%以上的標準養護室中養護，或在溫度20±2℃不流動的氫氧化鈣飽和溶液中養護。
1.3 抗壓強度試驗
測試混凝土立方體抗壓強度的試件尺寸和數量應符合以下規定：
標準試件是邊長150mm的立方體試件；
邊長100mm和200mm的立方體試件是非標準試件；
每組試件數量應為3塊。
在抗壓試驗過程中，應保證連續均勻加荷，加荷速度應取0.3MPa/s~1.0MPa/s。
當抗壓強度小于30MPa時，加荷速度宜取0.3MPa/s~0.5MPa/s；
當抗壓強度30MPa~60MPa時，加荷速度宜取0.5MPa/s~0.8MPa/s；
當抗壓強度不小于60MPa時，加荷速度宜取0.8MPa/s~1.0MPa/s。
1.4 立方體抗壓強度試驗結果計算
凝土立方體試件抗壓強度應按下式計算：
fcc：混凝土立方體試件抗壓強度（MPa）；
F：試件破壞荷載（N）；
A：試件承壓面積。
立方體試件抗壓強度值的確定應符合以下規定：
取3個試件測值的算術平均值作為該組試件的強度值；
若3個測值的最大或最小值其中一個與中間值的差值超過中間值的15%，則應剔除最大最小值，取中間值作為該組試件的抗壓強度值；
若3個測值中最大最小值與中間值的差值均超過中間值的15%，該組試件的試驗結果無效。
當混凝土強度等級低于C60時，用非標準試件測得的強度值應乘以尺寸換算系數：
邊長200mm的試件，尺寸系數取1.05；
邊長100mm的試件，尺寸系數取0.95。
混凝土強度等級不小于C60的，宜采用標準試件，如采用了非標準試件，尺寸系數應經試驗確定。對于強度等級不大于C100的，在未進行試驗確定的情況下，邊長100mm的試件尺寸系數可取0.95。
回彈法
02
回彈法是一種現場測試混凝土強度的快速便捷的方法，也是目前使用最多的現場混凝土強度檢測方法。
數字回彈儀
2.1 定義
回彈法是用一個彈簧驅動的重錘，通過彈擊桿，彈擊混凝土表面，并實測重錘反彈的距離，以回彈值（反彈距離與彈簧初始長度之比）作為強度相關的指標，來推定混凝土強度的一種方法。
不過，回彈法測試的是混凝土表面的強度，是基于混凝土表面硬度與強度之間存在相關性而建立的一種測試方法。
2.2 現場測試
一般對于單個構件，測區數不宜少于10個。相鄰兩測區的間距不應大于2m，測區離構件端部或施工縫邊緣的距離不宜大于0.5m，且不宜小于0.2m。
每一測區應讀取16個回彈值，每一測點回彈值讀數精確到1。測點應在測區范圍內均勻分布，相鄰兩測點之間的凈距離不宜小于20mm。
回彈值測試完畢后，還應在有代表性的測區上測量碳化深度值，測點數不應少于構件測區數的30%，應取其平均值作為該構件每個測區的碳化深度值。碳化深度測試應采用濃度1%~2%的酚酞酒精溶液，并結合碳化深度測量儀測量已碳化與未碳化混凝土交界面到混凝土表面的垂直距離。
2.3 混凝土強度計算
2.3.1 回彈值計算
回彈值的計算應該從測區的16個回彈值中剔除3個最大值和3個最小值，然后計算剩余10個回彈值的平均值。
Rm：測區平均回彈值，精確到0.1；
Ri：第i個測點的回彈值。
需要注意，正常的回彈測試是水平方向測試，如果不是水平方向檢測混凝土澆筑面，還需要對回彈值進行修正。
Rm=Rma+Raa
Rma：非水平方向檢測時測區回彈值平均值；
Raa：非水平方向檢測時回彈值修正值，查表。
非水平方向檢測時的回彈值修正值(JGJT 23-2011，部分)
如果水平方向檢測混凝土澆筑表面或者澆筑底面時，測區平均回彈值也需要進行修正。
Rtm、Rbm：水平方向檢測混凝土澆筑表面、底面時，測區平均回彈值；
Rta、Rba：混凝土澆筑表面、底面回彈值修正值，查表。
不同澆筑面的回彈值修正值(JGJT 23-2011，部分)
當回彈儀為非水平方向且測試面為混凝土的非澆筑側面時，應先對回彈值進行角度修正，然后對修正后的回彈值進行澆筑面修正。
2.3.2 混凝土強度換算值與推定值
經過以上步驟，得到測試的平均回彈值與平均碳化深度值之后，通過測強曲線來計算混凝土強度。測強曲線有以下幾種：
統一測強曲線
地區測強曲線
專用測強曲線
應該按照專用測強曲線、地區測強曲線、統一測強曲線的順序來選擇測強曲線。其實就是查表，下表就是統一測強曲線的混凝土強度換算表。不過這里得到的只是混凝土強度換算值，還不是最終結果。
回彈法測區混凝土強度換算表(JGJT 23-2011，部分)
我們最終要得到的是混凝土強度推定值（fcu,e），分以下幾種情況：
1.當構件測區數量少于10個時，按下式確定：
fccu,min：構件中最小的測區混凝土強度換算值。
2.當構件測區強度值中出現小于10MPa時，按下式確定：
fcu,e＜10MPa
3.當構件測區數量不少于10個時，還應先計算測區混凝土強度換算值的平均值和標準差：
mfccu：測區混凝土強度換算值的平均值（MPa）；
n：構件測區數；
Sfccu：測區混凝土強度換算值的標準差（MPa）。
混凝土強度推定值按下式確定：
超聲回彈綜合法
03
回彈法因其方便快捷的特性，被廣泛應用于混凝土結構強度現場測試，但也因為方法本身的限制，精度有限。如果現場結構具備對測法測試混凝土波速的話，結合超聲波測試混凝土波速，根據實測波速和回彈值綜合推定混凝土強度，可以一定程度上提高測試可靠性。
混凝土超聲波測試儀
3.1 定義
超聲回彈綜合法：根據實測聲速值和回彈值綜合推定混凝土強度的方法。本方法采用的超聲波換能器頻率為50~100kHz，回彈儀沖擊能量為2.207J。
3.2 現場測試與聲速計算
關于回彈法的現場測試，參考2.2的描述，不過這里不需要再測試碳化深度值。
回彈法測試結束后，在同一測區進行超聲測試，超聲測試應滿足以下要求：
每一測區布置3個測點；
優先采用對測或角測，當結構不具備條件時，可采用單面平測；
測試時換能器應通過耦合劑與混凝土測試面良好耦合。
混凝土中超聲波波速按如下公式計算：
v：測區中混凝土聲速代表值（km/s）；
li：第i個測點的超聲測距；
ti：第i個測點的聲時讀數；
t0：聲時初讀數。
當在混凝土澆筑的頂面或底面測試時，還應該對聲速代表值進行修正：
va=β·v
va：修正后的混凝土聲速代表值（km/s）；
β：超聲波測試面聲速修正系數，在混凝土澆筑的頂面和底面之間對測或斜測時，β=1.034。
3.3 混凝土強度推定
與回彈法類似，超聲回彈綜合法也是將實測并修正后的回彈值、修正值帶入相應的測強曲線，得到混凝土抗壓強度換算值。測強曲線的使用順序與回彈法一樣，專用測強曲線＞地區測強曲線＞統一測強曲線。如采用全國統一測強曲線，可按下式計算，也可以查表得到混凝土強度換算值。
1.當粗骨料為卵石時：
2.當粗骨料為碎石時：
fccu,i：第i個測區混凝土抗壓強度換算值（MPa）
超聲回彈綜合法測區混凝土強度換算表(CECS 02-2005，部分)
超聲回彈綜合法的混凝土強度推定值的確定方法則與回彈法完全一致：
1.當構件測區數量少于10個時，按下式確定：
fccu,min：構件中最小的測區混凝土強度換算值。
2.當構件測區強度值中出現小于10MPa時，按下式確定：
fcu,e＜10MPa
3.當構件測區數量不少于10個時，還應先計算測區混凝土強度換算值的平均值和標準差：
mfccu：測區混凝土強度換算值的平均值（MPa）；
n：構件測區數；
Sfccu：測區混凝土強度換算值的標準差（MPa）。
混凝土強度推定值按下式確定：
鉆芯法
04
鉆芯法是采用鉆芯機在混凝土構件上鉆取芯樣，加工后在實驗室壓力機上進行抗壓強度檢測，屬于直接獲取混凝土抗壓強度的檢測方法。
4.1 定義
鉆芯法：從結構或構件中鉆取圓柱狀試件，得到在檢測齡期混凝土強度的方法。
芯樣試件抗壓強度值：由芯樣試件得到相當于邊長150mm立方體試件的混凝土抗壓強度。
4.2 芯樣的鉆取與加工
芯樣宜在結構或構件的下列部位鉆取：
結構或構件受力較小的部位；
混凝土強度具有代表性的部位；
便于鉆芯機安裝與操作的部位；
宜采用鋼筋探測儀測試或局部剔鑿的方法避開主筋、預埋件和管線。
抗壓芯樣試件的高徑比（H/d）宜為1，芯樣內不宜含有鋼筋，也可有一根直徑不大于10mm的鋼筋，且鋼筋應與芯樣軸線垂直，并離開端面10mm以上。
抗壓芯樣試件宜使用直徑為100mm的芯樣，且其直徑不宜小于骨料最大粒徑的3倍；也可采用小直徑芯樣，但其直徑不應小于70mm且不得小于骨料最大粒徑的2倍。
4.3 芯樣抗壓強度的確定
芯樣抗壓強度按下式計算：
fcu,cor：芯樣試件抗壓強度值（MPa），精確到0,1MPa；
Fc：芯樣試件抗壓試驗的破壞荷載（N）；
Ac：芯樣試件抗壓截面面積（mm2）；
βc：芯樣試件強度換算系數，取1.0，當有可靠試驗依據時，也可通過試驗確定。
計算檢測批混凝土抗壓強度推定值時，最小樣本量不宜小于15個，并按如下方法確定：
1.檢測批混凝土抗壓強度推定值應計算推定區間，推定區間上限值和下限值按下列公式計算：
fcu,cor,m：芯樣試件抗壓強度平均值（MPa）,精確到0.1MPa；
fcu,cor,i：單個芯樣試件抗壓強度值（MPa）,精確到0.1MPa；
fcu,e1：混凝土抗壓強度上限值（MPa）,精確到0.1MPa；
fcu,e2：混凝土抗壓強度下限值（MPa）,精確到0.1MPa；
k1，k2：推定區間上限值系數和下限值系數，查表得到（JGJ/T384-2016，附錄A）；
Scu：芯樣試件抗壓強度樣本標準差（MPa）,精確到0.1MPa
2.fcu,e1和fcu,e2所構成的推定區間的置信度宜為0.9，fcu,e1與fcu,e2之差不宜大于5.0MPa和0.10fcu,cor,m兩者的較大值；
3.fcu,e1與fcu,e2之差大于5.0MPa和0.10fcu,cor,m兩者的較大值時，可適當增加樣本容量，或重新劃分檢測批，直至滿足要求。
4.當無法滿足以上要求時，不宜進行批量推定；
5.宜取作為檢測批混凝土強度的推定值。
拔出法
05
拔出法檢測混凝土強度主要用于既有結構或在建結構的混凝土強度值的檢測與推定，通常適用于抗壓強度10~80MPa的混凝土結構。
拔出法測試儀
5.1 定義
拔出法：通過拉拔安裝在混凝土中的錨固件，測定極限拔出力，并根據預先建立的極限拔出力與混凝土抗壓強度之間的相關關系推定混凝土抗壓強度的檢測方法。拔出法包括后裝拔出法和預埋拔出法。
后裝拔出法：在已硬化的混凝土表面鉆孔、磨槽、嵌入錨固件并安裝拔出儀進行拔出法檢測，測定極限拔出力，并根據預先建立的極限拔出力與混凝土抗壓強度之間的相關關系推定混凝土抗壓強度的檢測方法。
預埋拔出法：對預先埋置在混凝土中的錨盤進行拉拔，測定極限拔出力，并根據預先建立的極限拔出力與混凝土抗壓強度之間的相關關系推定混凝土抗壓強度的檢測方法。
5.2 拔出試驗
拔出法試驗設備分為圓環式和三點式拔出儀，預埋拔出法應采用圓環式拔出儀，粗骨料最大粒徑不大于40mm時也應優先采用圓環式拔出儀。
拔出法測點布置應符合以下要求：
如按單個構件檢測，應在構件上均勻布置3個測點；
如按批抽樣檢測時，每個構件宜布置1個測點，且最小樣本容量不宜少于15個；
?測點宜布置在構件混凝土成型的側面，如不具備條件，可布置在混凝土澆筑面；
在構件的受力較大及薄弱部位應布置測點，相鄰兩測點的間距不應小于 250mm；當采用圓環式拔出儀時，測點距構件邊緣不應小于 100mm；當采用三點式拔出儀時，測點距構件邊緣不應小于 150mm；測試部位的混凝土厚度不宜小于 80mm；
應避開接縫、蜂窩、麻面部位以及鋼筋和預埋件。
測試時，拔出力應連續均勻，其速度控制在0.5~1.0kN/s。拔出力應施加至混凝土破壞，測力顯示器讀數不再增加為止。測試過程中應采取有效措施，防止拔出設備脫落摔壞或傷人。
5.3 混凝土強度換算及推定
5.3.1 混凝土強度換算值可按下列公式計算：
后裝拔出法（圓環式）
后裝拔出法（三點式）
預埋拔出法（圓環式）
fccu：混凝土強度換算值（MPa），精確到0.1MPa；
F：拔出力代表值（kN），精確到0.1kN。
當有專用測強曲線或地方測強曲線時，應優先采用專用測強曲線或地方測強曲線計算。
5.3.2 單個構件混凝土強度推定
單個構件混凝土強度的推定，主要是拔出力代表值的確定，當構件的3個拔出力中最大值和最小值與中間值之差的絕對值小于中間值的15%時，取最小值作為該構件拔出力的代表值。
當不滿足上一條時，需在最小拔出力點附近加測兩個點，然后將這兩個點的拔出力與最小拔出力一起取平均值，再與前一次的拔出力中間值比較，取兩者小值作為該構件拔出力代表值。
確定了拔出力代表值后，帶入上述公式計算強度換算值，并取換算值為單個構件強度推定值：
5.3.2 批抽檢構件混凝土強度推定
首先將抽檢的每個拔出力作為代表值，根據不同方法帶入相應公式，計算出混凝土強度換算值fccu，然后按下列公式計算混凝土強度推定值fcu,e：
fcu,e：混凝土強度推定值；
n：批抽檢構件的測點總數；
fccu,i：第i個測點的混凝土強度換算值；
mfccu：混凝土強度換算值的平均值（MPa）；
Sfccu：檢測批構件混凝土強度換算值的標準差（MPa）。
當全部測點的強度標準差或變異系數出現下列情況時，該批構件應全部按單個構件進行檢測：
當混凝土強度換算值的平均值不大于25MPa時，Sfccu大于4.5MPa；
當混凝土強度換算值的平均值大于25MPa且不大于50MPa時，Sfccu大于5.5MPa；
當混凝土強度換算值平均值大于50MPa時，變異系數δ大于0.1。變異系數δ用下式計算：
以上即為目前常用的幾種混凝土強度測試方法的簡單介紹，幾種方法各有優缺點，在現實工程中，往往多種方法結合應用，相互補充，相互驗證，以最經濟、準確的方式獲取混凝土抗壓強度信息。
參考文獻：
[1] GBT 50081-2019 混凝土物理力學性能試驗方法標準.
[2] JGJ/T23-2011回彈法檢測混凝士抗壓強度技術規程.
[3] CECS 02-2005 超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術規程.
[4] JGJ/T 384-2016 鉆芯法檢測混凝土強度技術規程.
[5] CECS 69-2011 拔出法檢測混凝土強度技術規程.
[6] 吳佳曄等 土木工程檢測與測試 高等教育出版社 2015.
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