剪切法检测混凝土强度技术_朱跃武
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2 剪切法研究的现状
2012年中国建筑科学院深圳分院分别申报了《抗 剪法检 测混 凝土抗压强 度技术》课 题（住 房和城乡 建设部 2012 年科学技术项目计划 2012－K4－8）和 《原位剪切法检测混 凝土强度技术》课题（2012 年 中国 建 筑科 学 研 究 院 应 用基金 课 题 项目N O . 3 8），并 于 2012 年 7 月 31 日成立全国范围多行业单位组成的 课题组。该课题组由建工、铁路、公路、港工、仪器仪 表行业，分布东、西、南、北，共有 19 个单位 33 位成员 参 加 试 验 研 究 。课 题 组 按 照课 题 研 究 大 纲 开展试 验 研究工作，研制开发了原位剪切、芯样双剪、芯样分段 剪 切 的 仪 器 和 设备，统 一了试 验基 础，分 别 研 究了原 位剪切、芯 样体外单剪和双剪与混 凝土抗 压强 度的拟 合关 系，以 及不 同影 响因素的 试 验 工作，经 过一年试 验研究，建立了全国测强曲线，试验工作按计划完成， 在 2013 年 11 月 18 日通过住房城乡建设部和建研院对 两个课题同时进行验收，验收委员会验收意见如下（将 两个课题验收意见合并）：
剪 切 法 是 通 过 在 结 构 上钻 制 直径 4 4 m m，长 度 44 mm 或 80～100 mm 芯样试件，在原位或试验室内 将芯样试件剪断，利用剪切强度换算混凝土抗压强度，
作者简介：朱跃武 男，高级工程师，研究方向为工程质量检测。
因为剪切法是利用混凝土自身力学特征值剪切强度换算 混凝土抗压强度，所以不受龄期、位置、表面状态的影 响，因此精度较高；其次剪切法钻制的试件直径小，不会 损伤构件中的钢筋；另外剪切法操作简单、快捷，避免了 对试件的二次加工过程，提高了功效，减少了劳动强度。
①验收资料齐全，内容翔实，符合验收要求。 ②课题组在广泛调查研究的基础上，通过大量实 验研究和数据分析，得出的抗剪法（芯样试件双剪）和 原位单剪法检测混凝土抗压强度测强曲线具有广泛的 适用性，可应用于建筑和其他土木工程混凝土结构实体 强度的检测。 ③ 抗 剪法（芯 样试件双剪）和原位单剪法检 测混 凝土抗压强度，技术路线正确，科学合理，操作快捷方 便，检测精度较高，在混凝土结构实体微破损强度检测 技术上有实质性的改进和创新。
F第 1 2四期新应用 our New Applications
2 016 年第34卷第12期
剪切法检测混凝土强度技术
朱跃武，邱 平，石 永，朱丽颖
（中国建筑科学研究院深圳分院，广东 深圳 518057）
【摘要】 剪切法包括：原位单剪法、分段单剪切法和抗剪法（芯样双剪法）等，它是利用混凝土自身的剪切强度换算混凝土 抗压强度，可以用于泵送混凝土、早龄期混凝土以及既有结构混凝土强度检测，是目前唯一一个不受构件形状、表面平整度、粗 糙度影响、不需要对试件进行二次加工，既可以原位，也可以体外检测的技术，它可检测受损混凝土构件强度，可作为超声波探 伤的一种补充，预计该方法是具有一定推广价值的检测新技术。 【关键词】 原位单剪法；分段单剪法；抗剪法（芯样双剪）；原位剪切仪；芯样双剪装置 【中图分类号】 TU755 【文献标志码】 A 【文章编号】 1671－3702（2016）12－0051－06
图 3 原位单剪测强曲线散点图
原位单剪测强曲线拟合方程见公式（1）。
fc
cu.i
=5.9763 f
1.0721 ss.i
（1）
式中：fc
c u.i
为第i个试件混
凝土抗压强度换算值，M
Pa；
f
为第 1.0721
ss.i
i
个试件混凝土原位单剪强度值，MPa。
该回归方程的相关系数 r=0.9516；相对标准差 er
3 剪切法分类
3.1 原位剪切法 3.1.1 原位剪切法原理
原位剪切是采用内径 φ44 mm、外径 φ54 mm 的 空心钻头在结构构件上钻制φ44×44 mm 芯样试件，无 需取出，在原位用装有左右剪切头的剪切装置，在试件 深度 25 mm 位置将芯样试件剪断，通过与提升杆串联的 传感器采集剪断试件瞬间的剪切力，利用剪切力峰值推 算混凝土强度。由于剪切芯样的反力由芯样自身提供， 因此无需要求构件表面、形状是否平整，它适应一般构 件、曲面、斜面、凹面的不同形状的混凝土检测。原位单 剪法原理如图 1 所示，单剪装置如图 2 所示。
1 剪切法基本原理
剪切法是在圆形试件的径向位置，施加一对大小相 等，方向相反，位置相错的剪切力将试件剪断，通过仪器 中的拉力或压力传感器采集剪断试件后的最大剪切峰 值，剪断过程可在原位，也可以在实验室，将剪断试件 的最大峰值（N）除以试件的截面积，求出试件的剪切强 度，利用该强度作为特征值，将剪切强度与抗压强度进 行拟合，建立拟合测强曲线。
=15.4（%）；平均相对误差=12.6 %。
从 180 d 龄期全国测强曲线技术参数可以看出，原
位单剪法全国测强曲线的相对标准差（）和平均相对
误差（er）小于有关规程 er≤17.0 %，≤14.0 % 规定。采 用此幂函数方程计算出“原位单剪法”测强换算强度换
算表如表 1 所示。
3.1.3 优缺点
的一种，其全国测强曲线的平均标准差和平均相对误差
已达到地方标准的误差要求。
3）由于原位剪切受仪器形状的影响，只能在原位
表1 “原位单剪法”测强换算强度表 单位：MPa 原位单剪 抗压 原位单 抗压 原位单 抗压 原位单 抗压
强度 强度 剪强度 强度 剪强度 强度 剪强度 强度
1.6 9.9 4.7 31.4 7.9 54.8 11.1 78.9 1.7 10.6 4.8 32.1 8.0 55.5 11.2 79.6 1.8 11.2 4.9 32.8 8.1 56.3 11.3 80.4 1.9 11.9 5.0 33.6 8.2 57.0 11.4 81.2 2.0 12.6 5.1 34.3 8.3 57.8 11.5 81.9 2.1 13.2 5.2 35.0 8.4 58.5 11.6 82.7 2.2 13.9 5.4 36.4 8.5 59.3 11.7 83.5 2.3 14.6 5.5 37.2 8.6 60.0 11.8 84.2 2.4 15.3 5.6 37.9 8.7 60.8 11.9 85.0 2.5 16.0 5.7 38.6 8.8 61.5 12.0 85.8 2.6 16.6 5.8 39.3 8.9 62.3 12.1 86.5 2.7 17.3 5.9 40.1 9.0 63.0 12.2 87.3 2.8 18.0 6.0 40.8 9.1 63.8 12.3 88.1 2.9 18.7 6.1 41.5 9.3 65.3 12.4 88.8 3.0 19.4 6.2 42.3 9.4 66.0 12.5 89.6 3.1 20.1 6.3 43 9.5 66.8 12.6 90.4 3.2 20.8 6.4 43.7 9.6 67.5 12.7 91.1 3.3 21.5 6.5 44.4 9.7 68.3 12.8 91.9 3.4 22.2 6.6 45.2 9.8 69.0 12.9 92.7 3.5 22.9 6.7 45.9 9.9 69.8 13.0 93.4 3.6 23.6 6.8 46.7 10.0 70.5 13.2 95.0 3.7 24.3 6.9 47.4 10.1 71.3 13.3 95.8 3.8 25.0 7.0 48.1 10.2 72.0 13.4 96.5 3.9 25.7 7.1 48.9 10.3 72.8 13.5 97.3 4.0 26.4 7.2 49.6 10.4 73.6 13.6 98.1 4.1 27.1 7.3 50.3 10.5 74.3 13.7 98.8 4.2 27.8 7.4 51.1 10.6 75.1 13.8 99.6 4.3 28.5 7.5 51.8 10.7 75.8 13.9 100.4 4.4 29.3 7.6 52.6 10.8 76.6 4.5 30.0 7.7 53.3 10.9 77.4 4.6 30.7 7.8 54.0 11.0 78.1
1）原位剪切是通过左右剪切头的凸形台在试件距
构件表面 25 mm 的径向位置将试件剪断，采集的是混凝
土保护层内部的混凝土剪切强度，由于不受表面形状、
粗糙度、曲面、凹面的影响，因此适应各类构件的混凝
土强度检测，如图 4 所示。
（a）平面位置
（b）圆形构件
（c）内弧形构件
图4 不同形状构件的原位剪切
2）原位单剪法的相关系数是已有检测技术中较高
混凝土质量的评估一般以混凝土抗压强度作为评
- 51 -
F 四新应用 our New Applications
来自百度文库
工程质量
第34卷
价指标，虽然混凝土的剪切强度、抗拉强度也是混凝土 固有特征值，但受采集方法的限制，应用还不普及。一 般认为利用混凝土固有特征值进行强度检测，其误差较 小、精度较高，而混凝土抗拉强度是混凝土中所有力学 特征值最小的一种，约为混凝土抗压强度的 3 %～5 %，目 前大部分微破损检测技术均采用混凝土抗拉强度作为检 测特征值，由于敏感性较差，误差相对较大，而混凝土中 的抗剪强度为混凝土抗压强度的 13 %～15 %，因此采用 抗剪强度敏感性较好，精度也较高，是当今检测技术中 具有发展前景的微破损检测技术。
图 1 原位单剪法原理
1－控制面板；2－被测混凝土；3－机械部分；4－外壳
图 2 机电一体原位剪切
3.1.2 原位剪切法测强曲线 依据课题组提供的 1～180 d 龄期试验数据，经回归
- 52 -
第1 2 期
朱跃武等：剪切法检测混凝土强度技术
分析，通过比较拟合后的相关系数、平均标准差和平均 相对误差，最终选择相关系数接近 1，误差最小的幂函 数方程作为原位单剪全国测强曲线，测强曲线散点图如 图 3 所示。
Testing Concrete Strength Technology with Shearing Method
ZHU Yuewu，QIU Ping，SHI Yong，ZHU Liying
（China Academy of Building Research Branch of Shenzhen，Shenzhen Guangdong 518057，China） Abstract：The shearing method including single cut in situ method，segments of single shearing and shear method（dual core samples cut method），it utilizes concrete in terms of their shear strength of concrete in compression can be used pumping concrete，early age concrete and concrete strength of existing structures，is currently the only one shape，the surface flatness，roughness of components from，does not require secondary processing specimens，both in situ and to be in vitro testing technology that can detect damage to the strength of concrete structures can be used as a complement to ultrasonic flaw detection，the process is expected to detect new technologies to promote a certain value. Keywords：in situ single shear method；segmented single shear method；shear method（double cut core sample）；in situ shear apparatus；double shear device for core samples
0 引 言
混凝土强度检测技术广泛用于混凝土施工质量控 制、验收、鉴定、评估等方面。目前，我国常用的结构混 凝土强度检测技术和强度检测方法有：无损检测和微 破损检测。无损检测又分为回弹法、综合法、超声法等， 破损检测又分为钻芯法、拔出法、贯入法等。无损检测 操作方便，但检测结果误差较大。破损检测结果虽精度 较高，但存在工序多、损伤大、操作不便等缺点，例如钻 芯法，芯样的钻取、加工、抗压等过程，一般会导致试件 的抗压强度低于实际强度 25 %，即存在较大负偏差。
④该课题申报的多项国家发明专利已得到受理。 研究成果填补了国内国际空白，为混凝土结构实体强度 检测提供了一种先进、实用的新检测方法。
验收专家一致认为，课题组完成了任务书所规定 的研究内容，一致同意通过验收。研究成果达到国际先 进水平。
建议：尽快编制相关技术标准以利推广应用。 完成课题后，课题相关人员一直致力于剪切设备的 研究开发，从简易的手动剪切装置，已经研究开发了具 有剪切加速均匀、机电一体的剪切仪和具有方向调节压 块的抗剪装置，使功能更全面，受力更合理。
2012年中国建筑科学院深圳分院分别申报了《抗 剪法检 测混 凝土抗压强 度技术》课 题（住 房和城乡 建设部 2012 年科学技术项目计划 2012－K4－8）和 《原位剪切法检测混 凝土强度技术》课题（2012 年 中国 建 筑科 学 研 究 院 应 用基金 课 题 项目N O . 3 8），并 于 2012 年 7 月 31 日成立全国范围多行业单位组成的 课题组。该课题组由建工、铁路、公路、港工、仪器仪 表行业，分布东、西、南、北，共有 19 个单位 33 位成员 参 加 试 验 研 究 。课 题 组 按 照课 题 研 究 大 纲 开展试 验 研究工作，研制开发了原位剪切、芯样双剪、芯样分段 剪 切 的 仪 器 和 设备，统 一了试 验基 础，分 别 研 究了原 位剪切、芯 样体外单剪和双剪与混 凝土抗 压强 度的拟 合关 系，以 及不 同影 响因素的 试 验 工作，经 过一年试 验研究，建立了全国测强曲线，试验工作按计划完成， 在 2013 年 11 月 18 日通过住房城乡建设部和建研院对 两个课题同时进行验收，验收委员会验收意见如下（将 两个课题验收意见合并）：
剪 切 法 是 通 过 在 结 构 上钻 制 直径 4 4 m m，长 度 44 mm 或 80～100 mm 芯样试件，在原位或试验室内 将芯样试件剪断，利用剪切强度换算混凝土抗压强度，
作者简介：朱跃武 男，高级工程师，研究方向为工程质量检测。
因为剪切法是利用混凝土自身力学特征值剪切强度换算 混凝土抗压强度，所以不受龄期、位置、表面状态的影 响，因此精度较高；其次剪切法钻制的试件直径小，不会 损伤构件中的钢筋；另外剪切法操作简单、快捷，避免了 对试件的二次加工过程，提高了功效，减少了劳动强度。
①验收资料齐全，内容翔实，符合验收要求。 ②课题组在广泛调查研究的基础上，通过大量实 验研究和数据分析，得出的抗剪法（芯样试件双剪）和 原位单剪法检测混凝土抗压强度测强曲线具有广泛的 适用性，可应用于建筑和其他土木工程混凝土结构实体 强度的检测。 ③ 抗 剪法（芯 样试件双剪）和原位单剪法检 测混 凝土抗压强度，技术路线正确，科学合理，操作快捷方 便，检测精度较高，在混凝土结构实体微破损强度检测 技术上有实质性的改进和创新。
F第 1 2四期新应用 our New Applications
2 016 年第34卷第12期
剪切法检测混凝土强度技术
朱跃武，邱 平，石 永，朱丽颖
（中国建筑科学研究院深圳分院，广东 深圳 518057）
【摘要】 剪切法包括：原位单剪法、分段单剪切法和抗剪法（芯样双剪法）等，它是利用混凝土自身的剪切强度换算混凝土 抗压强度，可以用于泵送混凝土、早龄期混凝土以及既有结构混凝土强度检测，是目前唯一一个不受构件形状、表面平整度、粗 糙度影响、不需要对试件进行二次加工，既可以原位，也可以体外检测的技术，它可检测受损混凝土构件强度，可作为超声波探 伤的一种补充，预计该方法是具有一定推广价值的检测新技术。 【关键词】 原位单剪法；分段单剪法；抗剪法（芯样双剪）；原位剪切仪；芯样双剪装置 【中图分类号】 TU755 【文献标志码】 A 【文章编号】 1671－3702（2016）12－0051－06
图 3 原位单剪测强曲线散点图
原位单剪测强曲线拟合方程见公式（1）。
fc
cu.i
=5.9763 f
1.0721 ss.i
（1）
式中：fc
c u.i
为第i个试件混
凝土抗压强度换算值，M
Pa；
f
为第 1.0721
ss.i
i
个试件混凝土原位单剪强度值，MPa。
该回归方程的相关系数 r=0.9516；相对标准差 er
3 剪切法分类
3.1 原位剪切法 3.1.1 原位剪切法原理
原位剪切是采用内径 φ44 mm、外径 φ54 mm 的 空心钻头在结构构件上钻制φ44×44 mm 芯样试件，无 需取出，在原位用装有左右剪切头的剪切装置，在试件 深度 25 mm 位置将芯样试件剪断，通过与提升杆串联的 传感器采集剪断试件瞬间的剪切力，利用剪切力峰值推 算混凝土强度。由于剪切芯样的反力由芯样自身提供， 因此无需要求构件表面、形状是否平整，它适应一般构 件、曲面、斜面、凹面的不同形状的混凝土检测。原位单 剪法原理如图 1 所示，单剪装置如图 2 所示。
1 剪切法基本原理
剪切法是在圆形试件的径向位置，施加一对大小相 等，方向相反，位置相错的剪切力将试件剪断，通过仪器 中的拉力或压力传感器采集剪断试件后的最大剪切峰 值，剪断过程可在原位，也可以在实验室，将剪断试件 的最大峰值（N）除以试件的截面积，求出试件的剪切强 度，利用该强度作为特征值，将剪切强度与抗压强度进 行拟合，建立拟合测强曲线。
=15.4（%）；平均相对误差=12.6 %。
从 180 d 龄期全国测强曲线技术参数可以看出，原
位单剪法全国测强曲线的相对标准差（）和平均相对
误差（er）小于有关规程 er≤17.0 %，≤14.0 % 规定。采 用此幂函数方程计算出“原位单剪法”测强换算强度换
算表如表 1 所示。
3.1.3 优缺点
的一种，其全国测强曲线的平均标准差和平均相对误差
已达到地方标准的误差要求。
3）由于原位剪切受仪器形状的影响，只能在原位
表1 “原位单剪法”测强换算强度表 单位：MPa 原位单剪 抗压 原位单 抗压 原位单 抗压 原位单 抗压
强度 强度 剪强度 强度 剪强度 强度 剪强度 强度
1.6 9.9 4.7 31.4 7.9 54.8 11.1 78.9 1.7 10.6 4.8 32.1 8.0 55.5 11.2 79.6 1.8 11.2 4.9 32.8 8.1 56.3 11.3 80.4 1.9 11.9 5.0 33.6 8.2 57.0 11.4 81.2 2.0 12.6 5.1 34.3 8.3 57.8 11.5 81.9 2.1 13.2 5.2 35.0 8.4 58.5 11.6 82.7 2.2 13.9 5.4 36.4 8.5 59.3 11.7 83.5 2.3 14.6 5.5 37.2 8.6 60.0 11.8 84.2 2.4 15.3 5.6 37.9 8.7 60.8 11.9 85.0 2.5 16.0 5.7 38.6 8.8 61.5 12.0 85.8 2.6 16.6 5.8 39.3 8.9 62.3 12.1 86.5 2.7 17.3 5.9 40.1 9.0 63.0 12.2 87.3 2.8 18.0 6.0 40.8 9.1 63.8 12.3 88.1 2.9 18.7 6.1 41.5 9.3 65.3 12.4 88.8 3.0 19.4 6.2 42.3 9.4 66.0 12.5 89.6 3.1 20.1 6.3 43 9.5 66.8 12.6 90.4 3.2 20.8 6.4 43.7 9.6 67.5 12.7 91.1 3.3 21.5 6.5 44.4 9.7 68.3 12.8 91.9 3.4 22.2 6.6 45.2 9.8 69.0 12.9 92.7 3.5 22.9 6.7 45.9 9.9 69.8 13.0 93.4 3.6 23.6 6.8 46.7 10.0 70.5 13.2 95.0 3.7 24.3 6.9 47.4 10.1 71.3 13.3 95.8 3.8 25.0 7.0 48.1 10.2 72.0 13.4 96.5 3.9 25.7 7.1 48.9 10.3 72.8 13.5 97.3 4.0 26.4 7.2 49.6 10.4 73.6 13.6 98.1 4.1 27.1 7.3 50.3 10.5 74.3 13.7 98.8 4.2 27.8 7.4 51.1 10.6 75.1 13.8 99.6 4.3 28.5 7.5 51.8 10.7 75.8 13.9 100.4 4.4 29.3 7.6 52.6 10.8 76.6 4.5 30.0 7.7 53.3 10.9 77.4 4.6 30.7 7.8 54.0 11.0 78.1
1）原位剪切是通过左右剪切头的凸形台在试件距
构件表面 25 mm 的径向位置将试件剪断，采集的是混凝
土保护层内部的混凝土剪切强度，由于不受表面形状、
粗糙度、曲面、凹面的影响，因此适应各类构件的混凝
土强度检测，如图 4 所示。
（a）平面位置
（b）圆形构件
（c）内弧形构件
图4 不同形状构件的原位剪切
2）原位单剪法的相关系数是已有检测技术中较高
混凝土质量的评估一般以混凝土抗压强度作为评
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第34卷
价指标，虽然混凝土的剪切强度、抗拉强度也是混凝土 固有特征值，但受采集方法的限制，应用还不普及。一 般认为利用混凝土固有特征值进行强度检测，其误差较 小、精度较高，而混凝土抗拉强度是混凝土中所有力学 特征值最小的一种，约为混凝土抗压强度的 3 %～5 %，目 前大部分微破损检测技术均采用混凝土抗拉强度作为检 测特征值，由于敏感性较差，误差相对较大，而混凝土中 的抗剪强度为混凝土抗压强度的 13 %～15 %，因此采用 抗剪强度敏感性较好，精度也较高，是当今检测技术中 具有发展前景的微破损检测技术。
图 1 原位单剪法原理
1－控制面板；2－被测混凝土；3－机械部分；4－外壳
图 2 机电一体原位剪切
3.1.2 原位剪切法测强曲线 依据课题组提供的 1～180 d 龄期试验数据，经回归
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第1 2 期
朱跃武等：剪切法检测混凝土强度技术
分析，通过比较拟合后的相关系数、平均标准差和平均 相对误差，最终选择相关系数接近 1，误差最小的幂函 数方程作为原位单剪全国测强曲线，测强曲线散点图如 图 3 所示。
Testing Concrete Strength Technology with Shearing Method
ZHU Yuewu，QIU Ping，SHI Yong，ZHU Liying
（China Academy of Building Research Branch of Shenzhen，Shenzhen Guangdong 518057，China） Abstract：The shearing method including single cut in situ method，segments of single shearing and shear method（dual core samples cut method），it utilizes concrete in terms of their shear strength of concrete in compression can be used pumping concrete，early age concrete and concrete strength of existing structures，is currently the only one shape，the surface flatness，roughness of components from，does not require secondary processing specimens，both in situ and to be in vitro testing technology that can detect damage to the strength of concrete structures can be used as a complement to ultrasonic flaw detection，the process is expected to detect new technologies to promote a certain value. Keywords：in situ single shear method；segmented single shear method；shear method（double cut core sample）；in situ shear apparatus；double shear device for core samples
0 引 言
混凝土强度检测技术广泛用于混凝土施工质量控 制、验收、鉴定、评估等方面。目前，我国常用的结构混 凝土强度检测技术和强度检测方法有：无损检测和微 破损检测。无损检测又分为回弹法、综合法、超声法等， 破损检测又分为钻芯法、拔出法、贯入法等。无损检测 操作方便，但检测结果误差较大。破损检测结果虽精度 较高，但存在工序多、损伤大、操作不便等缺点，例如钻 芯法，芯样的钻取、加工、抗压等过程，一般会导致试件 的抗压强度低于实际强度 25 %，即存在较大负偏差。
④该课题申报的多项国家发明专利已得到受理。 研究成果填补了国内国际空白，为混凝土结构实体强度 检测提供了一种先进、实用的新检测方法。
验收专家一致认为，课题组完成了任务书所规定 的研究内容，一致同意通过验收。研究成果达到国际先 进水平。
建议：尽快编制相关技术标准以利推广应用。 完成课题后，课题相关人员一直致力于剪切设备的 研究开发，从简易的手动剪切装置，已经研究开发了具 有剪切加速均匀、机电一体的剪切仪和具有方向调节压 块的抗剪装置，使功能更全面，受力更合理。