水泥混凝土路面芯樣劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)影響因素分析

曾佑中（福建省閩路工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，福州350001）

水泥混凝土路面芯樣劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)影響因素分析

曾佑中
（福建省閩路工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，福州350001）

本文通過(guò)對(duì)水泥混凝土路面試驗(yàn)段取芯進(jìn)行芯樣劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，重點(diǎn)分析了水泥混凝土路面取芯過(guò)程與室內(nèi)試驗(yàn)兩個(gè)階段中有可能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響的幾個(gè)重要因素，總結(jié)了該試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)注意的重點(diǎn)事項(xiàng)，期望能為規(guī)范試驗(yàn)人員水泥混凝土芯樣劈裂抗拉強(qiáng)度操作，提高試驗(yàn)結(jié)果精確度提供借鑒。

水泥混凝土路面芯樣劈裂強(qiáng)度影響因素

1 概述

水泥混凝土彎拉強(qiáng)度是水泥混凝土路面在質(zhì)量驗(yàn)收時(shí)的關(guān)鍵指標(biāo)。通常采用對(duì)水泥混凝土面板鉆芯取樣的方式，檢測(cè)所取芯樣的劈裂強(qiáng)度并將結(jié)果換算成彎拉強(qiáng)度用以評(píng)價(jià)。在實(shí)際工作中，由于試驗(yàn)人員操作技能及技術(shù)水平不一，對(duì)水泥混凝土劈裂抗拉試驗(yàn)過(guò)程中的各種影響因素把握不夠準(zhǔn)確，導(dǎo)致所檢測(cè)的水泥混凝土路面強(qiáng)度指標(biāo)會(huì)有一定的偏差，從而影響對(duì)水泥混凝土路面強(qiáng)度指標(biāo)的客觀公正評(píng)價(jià)。

為改善這種情況，筆者單位與三明市公路局合作，在G205國(guó)道路段上采用相同的材料組成、制備條件和養(yǎng)護(hù)條件，鋪筑了單幅長(zhǎng)30m、寬3.75m、設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度5.0MPa、設(shè)計(jì)厚度30cm的水泥混凝土路面試驗(yàn)段，施工過(guò)程中取樣制件標(biāo)準(zhǔn)小梁檢測(cè)其彎拉強(qiáng)度。現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)28d后，及時(shí)鉆取了200個(gè)水泥混凝土芯樣，分別以芯樣不同的長(zhǎng)度、切割方式、試驗(yàn)操作條件和試件平整度等影響因素進(jìn)行劈裂強(qiáng)度比對(duì)試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，總結(jié)歸納了水泥混凝土路面面板劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)的影響因素和試驗(yàn)過(guò)程中的注意事項(xiàng)，以便為廣大試驗(yàn)檢測(cè)工作者提供借鑒。

2 混凝土圓柱體劈裂破壞機(jī)理

圓柱體劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)理是將試件放在劈裂夾具上通過(guò)墊條對(duì)中后放置在壓力機(jī)上，沿試件劈裂面位置線施加一對(duì)均勻地線性荷載，加在試件上的壓力是一條沿柱長(zhǎng)方向的線壓力，試件在上下兩塊承壓板與試件接觸的一個(gè)微小的徑向深度內(nèi)受壓，而離開(kāi)這個(gè)區(qū)域再向軸心發(fā)展后產(chǎn)生一個(gè)均衡的拉應(yīng)力，試件被均衡地劈成兩半，通過(guò)這個(gè)拉應(yīng)力，從而獲取劈裂抗拉強(qiáng)度。

3 不同切割長(zhǎng)度對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響

根據(jù)JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為試驗(yàn)規(guī)程）中《水泥混凝土圓柱體劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》（T0561-2005）對(duì)于劈裂試驗(yàn)所加工芯樣的有關(guān)規(guī)定：對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)芯樣，長(zhǎng)徑比≥1，適宜的長(zhǎng)徑比在1.9～2.1之間，最大長(zhǎng)徑比不能超過(guò)2.1。而我省普通國(guó)省干線公路路面改造工程的水泥混凝土路面面層的設(shè)計(jì)厚度一般為26cm，無(wú)法滿(mǎn)足試驗(yàn)規(guī)程適宜的長(zhǎng)徑比1.9～2.1之間的要求。過(guò)去的一些試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)告訴我們，試件過(guò)長(zhǎng)其劈裂強(qiáng)度將往偏低方向影響。在質(zhì)量驗(yàn)收過(guò)程中，各單位對(duì)試件長(zhǎng)度無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，造成檢測(cè)數(shù)據(jù)有所偏差。為了驗(yàn)證，我們將鉆取的芯樣頂面切割20mm后分別截取長(zhǎng)度為15cm、20cm和25cm進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)，加荷速率恒定在0.06MPa/s。其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，相同直徑不同長(zhǎng)度的芯樣，15cm長(zhǎng)的試件強(qiáng)度最高，其平均彎拉強(qiáng)度比25cm長(zhǎng)度的試件提高0.24MPa。為了研究多長(zhǎng)的試件最能體現(xiàn)面板的真實(shí)彎拉強(qiáng)度，我們?cè)谑┕み^(guò)程中制作的10組小梁試件，標(biāo)養(yǎng)28d后得出標(biāo)準(zhǔn)小梁彎拉強(qiáng)度為6.01MPa。通過(guò)路面鉆芯劈裂強(qiáng)度換算彎拉強(qiáng)度的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示20cm長(zhǎng)度芯樣檢測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)小梁彎拉強(qiáng)度較為接近。結(jié)合目前我省國(guó)省干線公路設(shè)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)層厚度，我們建議采用試件的長(zhǎng)徑比為1.2～1.4之間。

4 芯樣端頭單面切割與雙面切割的影響

由于水泥混凝土路面施工過(guò)程中，路面平整度控制嚴(yán)格，鉆取的芯樣頂部端面也較為平整，大部分試驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)在進(jìn)行芯樣加工時(shí)并未對(duì)頂部端面進(jìn)行切割。且試驗(yàn)規(guī)程對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆取芯樣的頂面是否需要進(jìn)行切割也無(wú)相關(guān)規(guī)定。

為研究混凝土芯樣端頭單面切割與雙面切割對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響，我們對(duì)芯樣進(jìn)行頂部端面切割20mm后保留試件長(zhǎng)度22cm（雙面切）和芯樣底部端面進(jìn)行切割保留芯樣試件長(zhǎng)度22cm（單面切），兩組加工方式分別做了一些比對(duì)試驗(yàn)，加荷速率恒定在0.06MPa/s。其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 雙面切割不同長(zhǎng)度試件彎拉強(qiáng)度對(duì)比

表2 不同切割面、相同長(zhǎng)度（22cm）試件彎拉強(qiáng)度對(duì)比

從比對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果顯示，雙面切割比單面切割芯樣彎拉強(qiáng)度其總平均強(qiáng)度提高0.12MPa。筆者認(rèn)為主要原因有以下兩點(diǎn)：

（1）從混凝土的組成和振搗理論說(shuō)，水泥混凝土在澆筑過(guò)程和澆完靜置階段，混合料可能產(chǎn)生離析和析水，從而普遍引起上下層的質(zhì)量不均勻。在振搗過(guò)程中，由于組成顆粒重新排列，相互擠壓和比重的關(guān)系，水分上浮使混凝土板上部含水量增大，水灰比變化，氣孔增多，因此混凝土板上部的質(zhì)量較下部質(zhì)量稍差。

（2）取芯操作過(guò)程，取芯筒入口瞬間，在較高的轉(zhuǎn)數(shù)作用下，在混凝土表面反復(fù)擺動(dòng)后才能定位，這樣便會(huì)造成芯樣頂部直徑出現(xiàn)不同程度的縮徑現(xiàn)象，將該端部切除，避免可能帶來(lái)的芯樣劈裂面積的不精確。

5 試驗(yàn)操作條件的影響

（1）圓柱體試件對(duì)中的影響

試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定，試驗(yàn)前，在試件中部劃出劈裂面位置線。圓柱體的母線公差為0.15mm。這兩條母線應(yīng)位于同一軸向平面內(nèi)，彼此相對(duì)，兩條線的末端在試件的端面上相連，應(yīng)為通過(guò)圓心的直徑，以明確標(biāo)明承壓面。借助夾具兩側(cè)桿，將試件對(duì)中。試驗(yàn)過(guò)程前，上下承壓線的對(duì)中較為困難，速度也較慢，如果試件不對(duì)中，將會(huì)使試件偏心受壓，劈裂面積也會(huì)發(fā)生變化，有可能造成試件中部斷裂，不能有效均衡地劈成完整的兩半試件。因而影響了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

（2）加荷速率的影響

加荷速率是指單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)力的變化速率，劈裂試驗(yàn)加荷速度的變化對(duì)破壞荷載有較大的影響。在試驗(yàn)檢測(cè)工作過(guò)程中，有的試驗(yàn)檢測(cè)單位所采用的試驗(yàn)機(jī)加荷條件為人工操作，檢測(cè)人員往往忽視了加荷速率對(duì)試件劈裂強(qiáng)度的重要影響，不按照試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定的加荷速率進(jìn)行荷載試驗(yàn)，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果失去可比性、真實(shí)性，直接影響檢測(cè)結(jié)論。為了進(jìn)一步了解加荷速率對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響的大小和規(guī)律，現(xiàn)將30個(gè)芯樣（直徑15cm、長(zhǎng)度20cm）按標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法，以3種不同的速率進(jìn)行試驗(yàn)。其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

比對(duì)結(jié)果顯示，加荷速度過(guò)大形成瞬間沖擊，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果偏高，加荷速度過(guò)慢過(guò)小或不能連續(xù)、均勻的加荷也不能正確反映混凝土的劈裂強(qiáng)度。

表3 不同加荷速率試件彎拉強(qiáng)度對(duì)比

6 承壓面平整度的影響

對(duì)不同長(zhǎng)度芯樣劈裂強(qiáng)度影響的試驗(yàn)分析表明試件長(zhǎng)度越長(zhǎng)，承壓的劈裂面位置線表面平整度凸凹現(xiàn)象越明顯，使試件承壓面加荷變的不均勻，局部受壓，應(yīng)力集中，因而降低了劈裂強(qiáng)度；另外，當(dāng)承壓面出現(xiàn)弧形、竹節(jié)形時(shí)，當(dāng)不平直度過(guò)大時(shí)，就有可能出現(xiàn)類(lèi)似小梁支承點(diǎn)受力狀態(tài)，試驗(yàn)時(shí)易出現(xiàn)未劈先折斷的現(xiàn)象，導(dǎo)致試件報(bào)廢或試驗(yàn)失敗。試驗(yàn)規(guī)程中要求圓柱體的母線公差為0.15mm。然而經(jīng)過(guò)多年來(lái)對(duì)鉆取試件實(shí)測(cè)結(jié)果，如果試件承壓線不經(jīng)研磨加工的話，要想完全達(dá)到0.15mm的公差是非常困難的，這與取芯機(jī)功率的大小、鉆芯人員操作水平及鉆頭的質(zhì)量等都有密切的關(guān)系。

（1）取芯機(jī)質(zhì)量。由于取芯機(jī)屬于非精密加工設(shè)備，無(wú)相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，出廠質(zhì)量不統(tǒng)一，當(dāng)取芯機(jī)自身重量較輕時(shí)，使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生振動(dòng)和顫抖。另外取芯機(jī)給水泵質(zhì)量差出現(xiàn)水泵空轉(zhuǎn)不出水或水泵不能正常給水工作，造成重復(fù)磨耗，導(dǎo)致取出的芯樣表面不夠平直。

（2）取芯筒質(zhì)量。人造金剛石薄壁鉆頭在加工過(guò)程中偷工減料，金剛砂含量少，在遇到強(qiáng)度較高的混凝土和較為堅(jiān)硬的砂石材料時(shí)，鉆取一個(gè)芯樣耗費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，由于同個(gè)部位長(zhǎng)時(shí)間研磨，試件外形難免不一致。有些芯筒與取芯機(jī)主軸連結(jié)螺牙不配套，無(wú)法完全擰緊，造成不同心，使用時(shí)發(fā)生晃動(dòng)，鉆得的試件往往就不是很規(guī)則的圓形，表面粗糙。

（3）取芯人員的操作水平。手工搖進(jìn)加力過(guò)猛經(jīng)常會(huì)發(fā)生反作用力將鉆機(jī)頂起卡鉆現(xiàn)象，此時(shí)不得不停機(jī)修整再二次鉆入。這樣在試件的某一部位就會(huì)出現(xiàn)重復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，磨耗不均，因此使試件外形尺寸發(fā)生變化。

7 提高劈裂抗拉試驗(yàn)準(zhǔn)確度應(yīng)注意的事項(xiàng)

為提高劈裂抗拉試驗(yàn)的水平，減少試驗(yàn)過(guò)程中的錯(cuò)誤、偏差、誤差，在試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)注意以下幾個(gè)主要事項(xiàng)：

（1）建議配備的取芯機(jī)功率應(yīng)大于9HP，鉆孔給進(jìn)速度為45～50mm/min左右。取芯前鉆機(jī)底座應(yīng)水平穩(wěn)妥地置于工作面上，整個(gè)鉆孔過(guò)程必須保持冷卻水的供應(yīng)，嚴(yán)禁斷水。

（2）同一建設(shè)項(xiàng)目，對(duì)芯樣室內(nèi)加工長(zhǎng)徑比宜統(tǒng)一規(guī)定。試件的切割方式采用雙面切割，兩個(gè)端面應(yīng)保持平行，建議其長(zhǎng)度尺寸差應(yīng)在0.25mm以?xún)?nèi)。

（3）試驗(yàn)前先將試件擦拭干凈，與墊層接觸的試件表面應(yīng)清除掉一切浮渣和其他附著物，承壓線凸凹不應(yīng)大于0.15mm，必要時(shí)磨平處理。

（4）劈裂試驗(yàn)時(shí)必須畫(huà)出兩條位于同一軸向平面內(nèi)，彼此相對(duì)的承壓線。應(yīng)采用具有對(duì)中定位裝置的夾具。試驗(yàn)時(shí)注意剔除未劈先折斷現(xiàn)象的數(shù)據(jù)。

（5）劈裂試驗(yàn)的加荷速率應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)程要求執(zhí)行。建議選用恒應(yīng)力加荷試驗(yàn)機(jī)控制，減免人工加荷不均帶來(lái)的影響，提高整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的準(zhǔn)確度。

8 結(jié)語(yǔ)

為客觀公正地評(píng)價(jià)水泥混凝土路面強(qiáng)度指標(biāo)，每位試驗(yàn)檢測(cè)工作者，均應(yīng)認(rèn)真細(xì)致地統(tǒng)一尺度操作和評(píng)定，盡量減少不同因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響因素，并注重試驗(yàn)過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，以便檢測(cè)結(jié)果客觀公正。

[1]JTG E30-2005，公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程[s].

[2]JTG/T F30-2014，公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則[s].