基于拔出法的超高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度檢測試驗(yàn)

卜良桃,劉嬋娟

(湖南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410082)

基于拔出法的超高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度檢測試驗(yàn)

卜良桃,劉嬋娟

(湖南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410082)

為了驗(yàn)證拔出法在超高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度檢測上的適用性,采用先裝拔出法及后裝拔出法對超高強(qiáng)度混凝土進(jìn)行強(qiáng)度檢測試驗(yàn)。試驗(yàn)用超高強(qiáng)混凝土分C120、C150、C180共3個強(qiáng)度等級,每個等級設(shè)置6組試件及相應(yīng)數(shù)量的立方體試塊。利用最小二乘法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,并計(jì)算回歸方程的各類參數(shù),結(jié)果表明,各類參數(shù)都在合理的范圍內(nèi),因此得出拔出法適用于檢測超高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的結(jié)論。通過對比,得出同種材料下先裝拔出法精確度更高、超高強(qiáng)混凝土的測強(qiáng)曲線與鋼纖維砂漿趨勢相近、后裝拔出法的檢測范圍較先裝拔出法更廣的結(jié)論。

混凝土強(qiáng)度檢測;先裝拔出法;后裝拔出法;超高強(qiáng)混凝土;最小二乘法;回歸方程

超高強(qiáng)度混凝土是一種超高強(qiáng)度的水泥基復(fù)合材料[1],具有高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性及自重輕的優(yōu)點(diǎn)。自1997年第一座超高強(qiáng)混凝土人行天橋在加拿大建造以來,該材料的應(yīng)用已從橋梁拓展到結(jié)構(gòu)工程的各個領(lǐng)域。隨著時間的推移和技術(shù)的成熟,超高強(qiáng)混凝土在高層建筑、地下綜合管廊、國防設(shè)施等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[2]。目前高鐵電井管道、工業(yè)構(gòu)筑物等構(gòu)件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工廠化預(yù)制,超高強(qiáng)混凝土產(chǎn)品已實(shí)現(xiàn)了高性能和經(jīng)濟(jì)性的良好平衡。

然而,超高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場檢測還處于空白。目前常用的回彈法只適用于C50及以下強(qiáng)度的混凝土檢測,鉆芯法也存在若取樣部位不當(dāng)容易削弱構(gòu)件承載力或損傷主筋等問題[3-4],且超高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中設(shè)計(jì)更為輕薄,每個構(gòu)件的作用更為關(guān)鍵,現(xiàn)行鉆芯法的取樣辦法對超高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的受損影響更大。由此得出,目前工程現(xiàn)場并沒有有效可行的辦法檢測超高強(qiáng)混凝土的實(shí)際強(qiáng)度。

為此,筆者借鑒混凝土強(qiáng)度的另一常用檢測方法——拔出法,及其在高強(qiáng)混凝土及水泥砂漿強(qiáng)度檢測上的應(yīng)用,對拔出法檢測超高強(qiáng)混凝土的可行性進(jìn)行試驗(yàn)研究,并參考規(guī)范[5-6]方法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。拔出法高效便捷、經(jīng)濟(jì)可靠[7],若能應(yīng)用于超高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度檢測,在超高強(qiáng)度構(gòu)件工廠化預(yù)制的發(fā)展趨勢下,將給實(shí)際工程應(yīng)用帶來更多便捷。

1 試 驗(yàn) 方 案

1.1 試驗(yàn)材料及儀器

試驗(yàn)需超高強(qiáng)度混凝土試件及標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度試塊,材料有木模板、錨固膠、RPC干混料(長沙固力實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn))及潔凈自來水。各混凝土強(qiáng)度等級試件采用的配合比為:C120所采用的單位用水量為9.5%(水與干混料質(zhì)量比),C150采用的單位用水量為8.5%,C180采用的單位用水量為8.0%。

試驗(yàn)需要的儀器如下:壓力機(jī)、ZH-60型多功能后錨固強(qiáng)度檢測儀(圓環(huán)支承)、鉆孔機(jī)、錨固件及固定架。錨固件的埋置深度h=25 mm,拉桿直徑d1=14 mm,錨盤直徑d2=25 mm,拔出儀反力支承內(nèi)徑d3=55 mm。

1.2 試驗(yàn)分組

制作的試件與試塊設(shè)計(jì)為3個強(qiáng)度等級,每個強(qiáng)度等級分為6組,每組由1個200 mm×200 mm×600 mm的超高強(qiáng)混凝土試件及3個100 mm×100 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊組成。不考慮鋼筋網(wǎng)間距對拔出力的影響[8-9]。

1.3 試件制作

支模板(先裝拔出法需預(yù)埋錨固件),將活性粉末混凝土干混料及潔凈自來水按比例混合,并用強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌。澆筑混凝土,并用薄膜覆蓋混凝土表面,靜停24 h。將試件放入水槽中進(jìn)行恒溫80℃熱水養(yǎng)護(hù)72 h(初始升溫速度不大于12℃/h,養(yǎng)護(hù)結(jié)束降溫速度不大于15℃/h)[10-11]。之后拆除模板,保持混凝土表面濕潤,自然養(yǎng)護(hù)28 d。

1.4 先裝拔出法試驗(yàn)

(a)在模板上布置測點(diǎn),保證測點(diǎn)距構(gòu)件邊緣不小于100 mm,相鄰兩測點(diǎn)間距不小于250 mm[5];(b)在測點(diǎn)對應(yīng)位置鉆孔,并用固定架將錨固件固定在模板測點(diǎn)處,使其保持與模板表面垂直且錨固深度為25 mm;(c)采用1.3節(jié)方法制作不同強(qiáng)度等級的試件及試塊,并在相同條件下養(yǎng)護(hù);(d)將錨固件與拔出儀的螺紋套筒及拉桿連接,安裝反力支承圓環(huán)使其緊貼混凝土表面,以保持拉桿與操作面垂直,安裝拔出儀至拉桿上,并使用緊固螺絲擰緊;(e)緩慢旋轉(zhuǎn)搖桿,施加拔出力,控制其速度在0.5～1.0 kN/s,待顯示器讀數(shù)不再增加時停止搖動,記錄極限拔出力[5]。

1.5 后裝拔出法試驗(yàn)

(a)拆模后,在混凝土表面布置測點(diǎn);(b)用鉆孔機(jī)在測點(diǎn)處鉆孔,鉆頭直徑為25 mm,鉆入深度為25 mm;(c)用毛刷清理孔洞,將灰塵清除,并用乙醇溶液擦拭孔洞內(nèi)壁以保證錨固膠與混凝土更好地黏結(jié);(d)向孔洞內(nèi)注入錨固膠,并安放錨固件,用特制的固定架將錨固件固定在孔洞位置,使其與混凝土表面垂直,并保持錨固深度在25 mm;(e)安裝拔出儀,旋轉(zhuǎn)搖桿,緩慢施加拔出力,待顯示器讀數(shù)不再增加時停止搖動,記錄極限拔出力。

1.6 立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

用壓力機(jī)對預(yù)留的立方體試塊進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),并記錄得出的抗壓強(qiáng)度值。

1.7 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)得到的破壞形態(tài)同普通混凝土,均為椎體破壞(偶有錨固膠被拔出的情況)。但先裝拔出法的破壞形態(tài)與后裝拔出法相比更規(guī)整,椎體破壞形態(tài)更理想,后裝拔出法結(jié)果則為近似的椎體破壞。隨著混凝土強(qiáng)度的提高,拉拔之后錨固部分并不與原試件分離,而是受鋼纖維黏結(jié)力的影響牢固地繼續(xù)黏結(jié)在原試件上;在達(dá)到極限拔出力后人為對儀器施加拉拔力,拔出錨固部分的難度也隨強(qiáng)度的提高而增大。部分破壞形態(tài)見圖1、圖2。

圖1 先裝拔出法破壞形態(tài)(C120)Fig.1 Failure mode after tests using cast-in-place pull-out method (C120)

圖2 后裝拔出法破壞形態(tài)(C180)Fig.2 Failure mode after tests using post-install pull-out method (C180)

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

注：F為拔出力代表值,f為立方體抗壓強(qiáng)度代表值。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)規(guī)范[5]的計(jì)算方法求得每組試驗(yàn)的拔出力代表值和立方體抗壓強(qiáng)度代表值,見表1。

2.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[5],采用的回歸方程式如下:

(1)

式中:fcu——混凝土強(qiáng)度換算值,精確至0.1MPa;F——拔出力代表值,精確至0.1kN;A、B——測強(qiáng)公式回歸系數(shù)。

用最小二乘法原理計(jì)算A、B值[12],并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入相應(yīng)公式,解得先裝拔出法A=3.149×103/m2,B=-7.956MPa;后裝拔出法A=3.805×103/m2,B=-29.417MPa。

2.3 一元回歸方程的評價

主要采用相關(guān)系數(shù)r、相對標(biāo)準(zhǔn)差er、平均相對誤差δ、變異系數(shù)Cv等參數(shù)及顯著性檢驗(yàn)對擬合得到的回歸方程進(jìn)行評價。

圖3 拔出法測強(qiáng)曲線Fig.3 Strength curve obtained with pull-out method

先裝拔出法的r=0.953>0.9,表示拔出力與混凝土抗壓強(qiáng)度間有極好的相關(guān)性;er=5.22%<12%,符合規(guī)程要求[4];δ=0.047,誤差值較小,表明該測強(qiáng)公式的準(zhǔn)確度很高;Cv=5.48%,變異系數(shù)小,數(shù)據(jù)的離散程度不高。根據(jù)文獻(xiàn)[13-14]中的方法對回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),得到回歸方程在α=0.01下具有統(tǒng)計(jì)意義,即超高強(qiáng)混凝土先裝拔出力與混凝土抗壓強(qiáng)度間的線性關(guān)系顯著。先裝拔出法測強(qiáng)曲線見圖3中的虛線。

后裝拔出法中計(jì)算得到的r>0.8,er<12%,均符合規(guī)范要求;δ及Cv均較小;顯著性檢驗(yàn)拒絕零假設(shè),回歸方程在顯著性水平α=0.01下具有統(tǒng)計(jì)意義。該結(jié)果表明后裝拔出力與超高強(qiáng)度混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度具有良好的線性相關(guān)性,且擬合得到的測強(qiáng)公式精度高。后裝拔出法測強(qiáng)曲線見圖3中的實(shí)線。

試驗(yàn)時嚴(yán)格控制錨固件的埋置深度及垂直度,保證了清孔質(zhì)量及錨固膠密實(shí)度,因此得到的破壞形態(tài)均為較理想的椎體破壞(偶有錨固膠被拔出的情況,在原構(gòu)件上實(shí)施了補(bǔ)測)。雖有研究表明,隨著混凝土強(qiáng)度的提高,試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性有增大的趨勢[15-16],但經(jīng)過計(jì)算,表明試驗(yàn)得到的各項(xiàng)參數(shù)都在允許的范圍內(nèi)。因此,根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象及試驗(yàn)結(jié)果分析,得到拔出法同樣適用于超高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度檢測的結(jié)論。

3 對 比

對比2種拔出法的參數(shù)計(jì)算結(jié)果可得如下結(jié)論:先裝拔出法及后裝拔出法的測強(qiáng)公式擬合度都較好;先裝拔出法的準(zhǔn)確度更高,后裝拔出法數(shù)據(jù)的離散性較大。從圖3還可看出,同等強(qiáng)度的構(gòu)件,先裝拔出法的拔出力代表值略大于后裝拔出法拔出力代表值。

將試驗(yàn)得到的回歸曲線與《拔出法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》[5]、《拔出法檢測水泥砂漿和纖維水泥砂漿強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》[6]中提供的測強(qiáng)曲線進(jìn)行對比,見圖4、圖5。

圖5 試驗(yàn)超高強(qiáng)混凝土與鋼纖維水泥砂漿回歸曲線對比Fig.5 Comparison of strength regression curves of ultra-high strength concrete and steel fiber cement mortar

圖4 試驗(yàn)超高強(qiáng)混凝土與普通混凝土回歸曲線對比 Fig.4 Comparison of strength regression curves of ultra-high strength concrete and normal concrete

圖6 纖維水泥砂漿拔出法回歸曲線對比Fig.6 Comparison of strength regression curves of different kinds of fiber cement mortar obtained with pull-out method

從圖4、圖5可以看出,在強(qiáng)度范圍內(nèi),同種材料的先裝法與后裝法測強(qiáng)曲線的斜率都較接近;超高強(qiáng)混凝土的回歸曲線斜率更接近鋼纖維水泥砂漿,這是因?yàn)槌邚?qiáng)混凝土的干混料中也摻有大量的鋼纖維。在圖4中,普通混凝土的后裝測強(qiáng)曲線也在先裝曲線的上方,說明在同等強(qiáng)度下,普通混凝土的先裝拔出力也要略大于后裝拔出力,則在實(shí)際應(yīng)用中后裝拔出法的檢測范圍要稍大于先裝法。圖5中鋼纖維水泥砂漿的曲線也具有同樣的特性。

對比3種纖維(聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維、鋼纖維)水泥砂漿的先裝、后裝拔出試驗(yàn)[17-18],得到的回歸曲線見圖6。從圖6可以看出:聚乙烯醇纖維及聚丙烯纖維的測強(qiáng)曲線變化趨勢相似,與鋼纖維相反;同等強(qiáng)度的聚乙烯醇纖維水泥砂漿與聚丙烯纖維水泥砂漿,后裝拔出力均明顯大于先裝拔出力。

4 結(jié) 論

a. 對試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析,結(jié)果表明,回歸方程的各項(xiàng)參數(shù)都符合規(guī)程要求。F檢驗(yàn)的結(jié)果表明,回歸方程在顯著性水平α=0.01下具有統(tǒng)計(jì)意義。

b. 試驗(yàn)得到的破壞形態(tài)均為較理想的椎體破壞。結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析結(jié)果,可得如下結(jié)論:先裝拔出法和后裝拔出法都適用于超高強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度檢測。

c. 對比結(jié)果表明:超高強(qiáng)混凝土先裝拔出法的測強(qiáng)公式較后裝拔出法擬合度更好,數(shù)據(jù)離散性也更小;超高強(qiáng)混凝土的測強(qiáng)曲線與鋼纖維水泥砂漿的測強(qiáng)曲線有相似的變化趨勢;后裝拔出法在超高強(qiáng)混凝土、普通混凝土及鋼纖維水泥砂漿的強(qiáng)度檢測上具有比先裝拔出法更廣的應(yīng)用范圍。

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Strength testing of ultra-high strength concrete using pull-out method

BU Liangtao, LIU Chanjuan

(CollegeofCivilEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,China)

To verify the applicability of the pull-out method in strength testing of ultra-high strength concrete, the cast-in-place pull-out method and post-install pull-out method were used to test the strength of ultra-high strength concrete. The strength of test pieces was graded at threelevels, C120,C150, and C180, and six groups of test pieces and a certain number of test cubes were selected for each strength level. Through experimental data fitting with the least square method and calculation of various parameters of the regression equation, some conclusions are drawn: all kinds of parameters are within reasonable ranges, and the pull-out method is suitable for testing the strength of ultra-high strength concrete. Comparison of data from different pull-out methods shows that, for the same kind of material, the cast-in-place pull-out method has higher accuracy, the strength curve of ultra-high strength concrete has a similar trend to that of steel fiber cement mortar, and the strength detection range of the post-install pull-out test is wider than that of the cast-in-place pull-out test.

concrete strength testing; cast-in-place pull-out method; post-install pull-out method; ultra-high strength concrete; least square method; regression equation

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.04.004

2016-07-22

國家火炬計(jì)劃(2013GH561393);國家自然科學(xué)基金(51278187)

卜良桃(1963—),男,湖南南縣人,教授,博士,主要從事工程結(jié)構(gòu)加固理論與技術(shù)研究。E-mail:plt63@126.com

TU192;TU528.31

A

1000-1980(2017)04-0304-05