里氏硬度法評(píng)估套筒灌漿料抗壓強(qiáng)度

吳玉龍, 顧 盛, 孫 彬, 丁晨晨, 張舜泉

(1.昆山市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心, 江蘇 昆山 215337; 2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司, 北京 100013; 3.東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 南京 211189)

在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中,鋼筋套筒灌漿連接是一種常用的節(jié)點(diǎn)連接形式[1].套筒灌漿料作為不同構(gòu)件荷載傳遞的媒介,其強(qiáng)度是保證節(jié)點(diǎn)連接可靠性的關(guān)鍵因素[2].然而,在實(shí)際施工中,常增大用水量以增強(qiáng)流動(dòng)性或?yàn)榱斯?jié)省成本使用過期灌漿料,致使灌漿料抗壓強(qiáng)度降低,嚴(yán)重影響連接性能,給整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)埋下嚴(yán)重的安全隱患.

由于套筒位于預(yù)制構(gòu)件內(nèi),灌漿料隱蔽于套筒中,檢測(cè)儀器無(wú)法直接與其接觸,因此目前尚無(wú)有效手段可對(duì)套筒灌漿料實(shí)體強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè).孫彬等[3]提出了用灌漿孔道或出漿孔道聚氯乙烯(PVC)管內(nèi)的灌漿料制作成圓柱體小芯樣并進(jìn)行抗壓試驗(yàn),利用換算公式得出套筒灌漿料標(biāo)準(zhǔn)試件的抗壓強(qiáng)度.由于小芯樣與標(biāo)準(zhǔn)試件的換算公式需通過大量試驗(yàn)獲得，且小芯樣的抗壓強(qiáng)度離散性較大,因此該方法仍處于研究階段.

灌漿孔道或出漿孔道PVC管與套筒內(nèi)的灌漿料是一體的,利用孔道內(nèi)的灌漿料強(qiáng)度表征套筒內(nèi)的灌漿料強(qiáng)度是合適的,因此,可以嘗試采用對(duì)孔道內(nèi)的灌漿料進(jìn)行表面硬度檢測(cè)來推測(cè)其抗壓強(qiáng)度.通過表面硬度推測(cè)材料強(qiáng)度是工程上常用的一種無(wú)損、便捷和有效的檢測(cè)手段,目前主要有砂漿貫入法、混凝土回彈法和里氏硬度法等.砂漿貫入法是利用測(cè)釘定灌貫入砂漿的深度與其抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性實(shí)現(xiàn)砂漿抗壓強(qiáng)度的檢測(cè)方法[4];混凝土回彈法則是利用混凝土表面硬度與其抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性檢測(cè)混凝土的抗壓強(qiáng)度[5].這些方法或彈擊桿尺寸過大、或強(qiáng)度檢測(cè)范圍受限,均不適用于在孔道內(nèi)檢測(cè)高強(qiáng)度套筒灌漿料的實(shí)體抗壓強(qiáng)度.

里氏硬度計(jì)是基于彈性沖擊原理,主要用于測(cè)試金屬材料的硬度.測(cè)試過程中將里氏硬度計(jì)沖擊裝置的沖擊體(碳化鎢或金剛石球頭)從固定位置釋放,沖擊在試樣表面上,測(cè)量球頭距試樣表面1mm處的沖擊速度與反彈速度.用里氏硬度值表征球頭反彈速度與沖擊速度之比[6].原理上,里氏硬度計(jì)并非利用了金屬所特有的性質(zhì),而是利用金屬材料表面硬度與抗拉強(qiáng)度的相關(guān)性,實(shí)現(xiàn)測(cè)試其強(qiáng)度的目的.因此,對(duì)于表面硬度與抗拉強(qiáng)度存在相關(guān)性、均質(zhì)性較好的非金屬材料,理論上里氏硬度計(jì)可以用來對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試.孫彬等[7]提出了用里氏硬度法測(cè)試不同凍融損傷程度的混凝土表面硬度,反映強(qiáng)度損失率等凍融損傷基本特征,取得了非常好的結(jié)果.基于此,在孔道內(nèi)塞入端面光滑平整的橡膠塞,成型孔道內(nèi)灌漿料的檢測(cè)面[8],并采用彈擊桿尺寸和強(qiáng)度檢測(cè)范圍適用的里氏硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)試,以解決套筒灌漿料實(shí)體強(qiáng)度無(wú)法檢測(cè)的難題.為研究套筒灌漿料標(biāo)準(zhǔn)試件表面里氏硬度與抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性,本文設(shè)計(jì)制作了4組套筒灌漿料試件,采用里氏硬度計(jì)對(duì)其表面里氏硬度進(jìn)行測(cè)試,獲得表面里氏硬度的分布規(guī)律并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,制定獲取可靠表面里氏硬度代表值的方法，并研究了套筒灌漿料的表面里氏硬度與其抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性.

1 表面里氏硬度

1.1 試件制作

用北京思達(dá)建茂生產(chǎn)的CGMJM-VI鋼筋套筒連接用灌漿料,設(shè)計(jì)水膠比(質(zhì)量比)為0.12,制作了4組齡期分別為3、7、14、28d的40mm×40mm×160mm 套筒灌漿料標(biāo)準(zhǔn)試件,每組3個(gè)試件.制作過程為：用行星式攪拌機(jī)按照標(biāo)準(zhǔn)攪拌程序進(jìn)行拌制,攪拌完成后注入鋼制三聯(lián)模成型,拆模后移至養(yǎng)護(hù)室按照J(rèn)G/T 408—2013《鋼筋連接用套筒灌漿料》進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù);在灌漿料標(biāo)準(zhǔn)試件達(dá)到相應(yīng)齡期時(shí),將其從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中取出,并在自然狀態(tài)下靜置6h,使其表面自然風(fēng)干.

1.2 試驗(yàn)方法

將試件置于壓力試驗(yàn)機(jī)的2個(gè)承壓板之間持壓,壓力保持在2～3kN.采用DHT-100的D型里氏硬度計(jì)對(duì)各組3個(gè)試件的a側(cè)面進(jìn)行里氏硬度測(cè)試,測(cè)點(diǎn)數(shù)量為16,測(cè)點(diǎn)間距大于5mm.從各組3個(gè)試件中選取2個(gè)試件進(jìn)行b側(cè)面的測(cè)試,對(duì)剩余的第3個(gè)試件進(jìn)行a側(cè)面的第2次測(cè)試,測(cè)點(diǎn)數(shù)量則根據(jù)對(duì)a側(cè)面分析得出的里氏硬度測(cè)點(diǎn)最小取樣數(shù)量確定.文中,3d-1-a表示第1個(gè)試件3d齡期的a側(cè)面,3d-1-a-1表示對(duì)3d-1試件a側(cè)面的第1次測(cè)試，其他類推.在a側(cè)面進(jìn)行第2次測(cè)試時(shí),應(yīng)盡量避開第1次的測(cè)點(diǎn),a、b側(cè)面在標(biāo)準(zhǔn)試件上的相對(duì)位置見圖1.

圖1 測(cè)試面位置示意圖Fig.1 Schematic of test position

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

1.3.1試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)套筒灌漿料標(biāo)準(zhǔn)試件表面里氏硬度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,將12組表面里氏硬度數(shù)據(jù)進(jìn)行柱狀圖統(tǒng)計(jì),結(jié)果見圖2.由圖2可見:12組表面里氏硬度數(shù)據(jù)與正態(tài)分布擬合度很高,表明套筒灌漿料標(biāo)準(zhǔn)試件表面里氏硬度的數(shù)據(jù)可靠;隨機(jī)誤差圍繞表面里氏硬度真值上下波動(dòng),服從正態(tài)分布,說明該表面里氏硬度測(cè)試方法具有可行性.

1.3.2最小取樣數(shù)量的確定

在測(cè)定套筒灌漿料標(biāo)準(zhǔn)試件表面里氏硬度時(shí),如果測(cè)點(diǎn)數(shù)量過少,里氏硬度均值的離散性大,使測(cè)定結(jié)果可靠性不足;增大里氏硬度測(cè)點(diǎn)數(shù)量,可以有效減少數(shù)據(jù)的離散性,使測(cè)定結(jié)果更為可靠,但如果測(cè)點(diǎn)數(shù)量過大,則將大大增加工作量和降低檢測(cè)效率.因此,需要確定一個(gè)合理的測(cè)點(diǎn)最小取樣數(shù)量.

圖2 試件表面里氏硬度分布柱狀圖Fig.2 Histogram of Leeb hardness distribution on surface of test pieces

設(shè)計(jì)取樣數(shù)量n=3、5、7、9、11、13、16,對(duì)4組套筒灌漿料標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行試驗(yàn),統(tǒng)計(jì)其表面里氏硬度的均值m、樣本標(biāo)準(zhǔn)差s和離散系數(shù)η,結(jié)果見圖3.由圖3可見：當(dāng)測(cè)點(diǎn)取樣數(shù)量n≥9時(shí),試件表面里氏硬度的均值m、樣本標(biāo)準(zhǔn)差s和離散系數(shù)η基本趨于穩(wěn)定.因此,最小取樣數(shù)量確定為9.

1.3.3測(cè)試結(jié)果重復(fù)性

為了進(jìn)一步考察同一套筒灌漿料標(biāo)準(zhǔn)試件的2個(gè)對(duì)稱側(cè)面和同一側(cè)面2次測(cè)試的結(jié)果是否具有重復(fù)性,將4組試件每組取前2個(gè)分別進(jìn)行a、b側(cè)面里氏硬度測(cè)試,剩余的1個(gè)試件進(jìn)行a側(cè)面的2次測(cè)試,測(cè)點(diǎn)取樣數(shù)量均為9.

對(duì)a、b側(cè)面和a側(cè)面2次測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并對(duì)每組2個(gè)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn),考察2個(gè)樣本是否存在顯著差異，配對(duì)樣本見表1.取顯著性水平α=0.05,假設(shè)：H0為2個(gè)里氏硬度樣本無(wú)明顯差異;H1為2個(gè)里氏硬度樣本有明顯差異.采用t檢驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)算：

圖3 樣點(diǎn)數(shù)對(duì)試件表面里氏硬度統(tǒng)計(jì)值的影響Fig.3 Influence of sample number on surface Leeb hardness statistic value of specimens

(1)

df=n1+n2-2

(2)

按式(1)和式(2)計(jì)算配對(duì)樣本t值并計(jì)算其絕對(duì)值|t|,結(jié)果見表1.由表1可見：每個(gè)配對(duì)樣本均滿足|t|

1.3.4數(shù)據(jù)處理方法

套筒灌漿料標(biāo)準(zhǔn)試件表面里氏硬度數(shù)據(jù)x服從正態(tài)分布,則：

p(μ-2σ≤x≤μ+2σ)>0.95

(3)

式中：p、μ和σ分別為概率、數(shù)學(xué)期望和標(biāo)準(zhǔn)差.由式(3)可知,表面里氏硬度數(shù)據(jù)出現(xiàn)大于μ+2σ或小于μ-2σ的情況屬于小概率試件,因此可以將這類大

表1 配對(duì)樣本的t檢驗(yàn)結(jié)果Table 1 Result of t-test of paired samples

偏差數(shù)據(jù)作為異常值予以剔除,從而使里氏硬度推算結(jié)果更準(zhǔn)確.為保證表面里氏硬度數(shù)據(jù)均落在區(qū)間內(nèi),經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算分析,制定了將9個(gè)表面里氏硬度數(shù)據(jù)剔除2個(gè)最大值和2個(gè)最小值,剩余5個(gè)值的平均值作為表面里氏硬度代表值的數(shù)據(jù)處理方法,數(shù)據(jù)處理前后結(jié)果對(duì)比見表2.

由表2可見：9組里氏硬度數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理后,其均值更加穩(wěn)定,均值偏差(divation range)、樣本標(biāo)準(zhǔn)差s和離散系數(shù)η顯著減小.該數(shù)據(jù)處理方法同樣在DGJ32/TJ 116—2011《里氏硬度計(jì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)建筑鋼結(jié)構(gòu)鋼材抗拉強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》中運(yùn)用,基本能保證剩余5個(gè)鋼材的里氏硬度值偏差不超過平均值的±15HL.由于鋼筋套筒灌漿料達(dá)不到鋼材的勻質(zhì)性,因此,對(duì)套筒灌漿料標(biāo)準(zhǔn)試件的里氏硬度偏差在±20HL以內(nèi)的數(shù)據(jù),采用該數(shù)據(jù)處理方法有效.

表2 數(shù)據(jù)處理前后結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of results before and after data processing

2 抗壓強(qiáng)度與表面里氏硬度相關(guān)性

2.1 試驗(yàn)方法

為研究套筒灌漿料標(biāo)準(zhǔn)試件的表面里氏硬度與抗壓強(qiáng)度的相關(guān)性,對(duì)4組試件分別進(jìn)行里氏硬度測(cè)試和抗壓試驗(yàn),運(yùn)用1.3.4節(jié)數(shù)據(jù)處理方法獲取表面里氏硬度代表值,并與抗壓強(qiáng)度代表值進(jìn)行回歸擬合.

將套筒灌漿料標(biāo)準(zhǔn)試件平均劃線分為A、B段,每段尺寸為40mm×40mm×80mm,將其置于壓力試驗(yàn)機(jī)承壓板之間持壓,分別測(cè)試A、B段試件前后2個(gè)對(duì)稱面的表面里氏硬度,前后面分別取4個(gè)和5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試,得到每段試件的9個(gè)表面里氏硬度值.表面里氏硬度測(cè)試完成后,將套筒灌漿料標(biāo)準(zhǔn)試件在水泥壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行折斷,形成A、B段試件,再進(jìn)行抗壓試驗(yàn),分別獲得A、B段試件的抗壓強(qiáng)度.

2.2 抗壓強(qiáng)度與表面里氏硬度的回歸擬合

2.2.1齡期影響

將A、B段試件的9個(gè)表面里氏硬度值,去掉2個(gè)最大值和2個(gè)最小值,取剩余5個(gè)值的平均值Hm,作為該段試件的表面里氏硬度代表值,并將該段試件實(shí)際抗壓強(qiáng)度值作為抗壓強(qiáng)度代表值fc,共獲得24對(duì)數(shù)據(jù).試件的表面里氏硬度和抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系見圖4.由圖4可見：套筒灌漿料標(biāo)準(zhǔn)試件的表面里氏硬度和抗壓強(qiáng)度隨齡期延長(zhǎng)的總體變化規(guī)律一致,均隨齡期的延長(zhǎng)而增大;曲線斜率變化規(guī)律表明,齡期7d 內(nèi),兩者增長(zhǎng)最快,7～14d次之,14～28d 增長(zhǎng)最慢且曲線趨于平緩.

圖4 試件表面里氏硬度和抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系Fig.4 Evolvement of surface Leeb hardness and compressive strength with age of specimens

2.2.2回歸公式的建立

A、B段試件的抗壓強(qiáng)度代表值fc與其表面里氏硬度代表值Hm相對(duì)應(yīng),以(Hm,fc)為1個(gè)二維坐標(biāo),分別采用線性、指數(shù)型和冪指數(shù)型關(guān)系進(jìn)行回歸擬合,回歸結(jié)果見表3,回歸曲線見圖5.由表3和圖5可見：套筒灌漿料試件的抗壓強(qiáng)度與表面里氏硬度相關(guān)系數(shù)R均超過0.9,表明其表面里氏硬度和抗壓強(qiáng)度具有強(qiáng)相關(guān)性；試件的表面里氏硬度越大,其抗壓強(qiáng)度越高.其中指數(shù)回歸公式的擬合度最好,這也與諸多文獻(xiàn)[9-11]呈現(xiàn)出的材料里氏硬度與強(qiáng)度的指數(shù)關(guān)系相符.

表3 抗壓強(qiáng)度-表面里氏硬度的回歸結(jié)果Table 3 Regression results of compressive strength and surface Leeb hardness

圖5 抗壓強(qiáng)度-表面里氏硬度的回歸曲線Fig.5 Regression curves of compressive strength-surface Leeb hardness

3 結(jié)論

(1)不同養(yǎng)護(hù)齡期(3、7、14、28d)的套筒灌漿料標(biāo)準(zhǔn)試件表面里氏硬度數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布;當(dāng)測(cè)點(diǎn)取樣數(shù)量不小于9時(shí),試件表面里氏硬度的均值m、樣本標(biāo)準(zhǔn)差s和離散系數(shù)η趨于穩(wěn)定;2次測(cè)試或?qū)ΨQ側(cè)面測(cè)試結(jié)果具有顯著重復(fù)性.

(2)在95%保證率下,采用剔除2個(gè)最大值和2個(gè)最小值的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,套筒灌漿料表面里氏硬度單值與均值偏差、標(biāo)準(zhǔn)差和離散系數(shù)顯著減小,其表面里氏硬度單值與均值偏差在±20HL以內(nèi).

(3)將套筒灌漿料表面里氏硬度代表值與抗壓強(qiáng)度分別采用線性、指數(shù)型和冪指數(shù)型關(guān)系式進(jìn)行回歸擬合,相關(guān)系數(shù)R>0.9,且試件的表面里氏硬度越大,其抗壓強(qiáng)度越高,其中采用指數(shù)回歸擬合的綜合效果最好.

(4)里氏硬度法具有適應(yīng)小截面、操作便捷和檢測(cè)效率高等優(yōu)勢(shì),本文為工程現(xiàn)場(chǎng)套筒灌漿料實(shí)體強(qiáng)度的檢測(cè)提供了方向和依據(jù);存在不足的是,不同品牌灌漿料和孔道中灌漿料表面里氏硬度與抗壓強(qiáng)度相關(guān)關(guān)系的差異性及其影響因素需要進(jìn)一步的研究.