工程結(jié)構(gòu)實(shí)體混凝土強(qiáng)度測(cè)試的準(zhǔn)確性研究

蘇 晶，羅澤權(quán)

（1.武漢漢源既濟(jì)電力有限公司，武漢 430035；2.長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，武漢 430010）

混凝土作為當(dāng)今建筑領(lǐng)域用途最廣、用量最多建筑材料，其抗壓強(qiáng)度是確定新建和已建混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件承載力等力學(xué)性質(zhì)及可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)，同時(shí)也是工程質(zhì)量檢測(cè)的重要內(nèi)容?？茖W(xué)準(zhǔn)確地檢測(cè)工程實(shí)體混凝土強(qiáng)度是工程質(zhì)量控制與事故分析的基礎(chǔ)。一直以來(lái)，行業(yè)都是通過(guò)測(cè)量預(yù)留的標(biāo)準(zhǔn)試件的抗壓強(qiáng)度來(lái)作為施工質(zhì)量指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。盡管這一方法操作簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)性好，但預(yù)留的標(biāo)準(zhǔn)試塊在成型養(yǎng)護(hù)環(huán)境和施工振搗工藝上存在較大差異，而混凝土自身成分復(fù)雜，物理化學(xué)反應(yīng)難以界定與評(píng)價(jià)，因此預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)試件的抗壓強(qiáng)度值只能是對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)本身質(zhì)量的一些片面反映，并不能完全真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)混凝土的真實(shí)強(qiáng)度。以往的研究人員都在探索能更加準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)實(shí)體混凝土真實(shí)強(qiáng)度的方法，并根據(jù)其檢測(cè)原理的不同分為非破損檢測(cè)和局部破損檢測(cè)。非破損檢測(cè)主要為回彈法、超聲波回彈綜合法、聲波法等；局部破損檢測(cè)主要為鉆芯法、貫入阻力法、折斷法等[1～3]。其中回彈法和鉆芯法是目前結(jié)構(gòu)實(shí)體混凝土強(qiáng)度檢測(cè)中最常用的方法。

鉆芯法通過(guò)直接在實(shí)體構(gòu)件上鉆芯取樣進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，能夠直觀地反應(yīng)結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度，避免了內(nèi)外均勻性的差異引起的測(cè)量誤差，但也存在一些先天的缺陷，對(duì)于一些受力較大，安全度不足或者應(yīng)力復(fù)雜的建構(gòu)筑物不易鉆芯，而這些地方剛好是質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。回彈法是根據(jù)混凝土的表面硬度與抗壓強(qiáng)度之間存在的聯(lián)系性而建立起來(lái)的檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度的方法，操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，便于大批量進(jìn)行檢測(cè)，但其檢測(cè)精度受齡期、碳化及構(gòu)件內(nèi)外質(zhì)量差異等較多條件限制，制約了其在工程中的應(yīng)用。本文通過(guò)回彈法和鉆芯法對(duì)馱英水庫(kù)及灌區(qū)工程不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土進(jìn)行檢測(cè)，優(yōu)化這兩種方法在實(shí)際工程中的應(yīng)用，提高檢測(cè)方法的適用性及準(zhǔn)確性。

1 試驗(yàn)材料及方法

本文所選用的混凝土及工程實(shí)體主要為馱英水庫(kù)樞紐標(biāo)段三工區(qū)拌合站及相關(guān)實(shí)體建構(gòu)筑物。立方體試塊抗壓強(qiáng)度測(cè)試依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL 352-2020）中的測(cè)試方法，鉆芯法檢測(cè)依據(jù)規(guī)范《鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度規(guī)程》（CECS03：2017），為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，試驗(yàn)在浙江禮顯試驗(yàn)儀器制造有限公司制造的YES-2000數(shù)顯壓力機(jī)上進(jìn)行。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體構(gòu)筑物的回彈測(cè)試是根據(jù)《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 23-2011）中的測(cè)量方法及國(guó)家統(tǒng)一的測(cè)強(qiáng)曲線，采用北京海創(chuàng)高科科技有限公司生產(chǎn)的HT-225T 數(shù)顯式一體回彈儀進(jìn)行，試驗(yàn)所用相關(guān)儀器均通過(guò)了計(jì)量檢定，且滿足精度要求。

2 回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土回彈法和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

回彈強(qiáng)度是根據(jù)混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)表層硬度來(lái)間接推斷混凝土強(qiáng)度，試驗(yàn)誤差難以避免，因此開展不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土28 d 回彈測(cè)試和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試塊強(qiáng)度值的對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 回彈法和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試塊抗壓強(qiáng)度結(jié)果

由表1 可知，28 d 回彈強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試塊強(qiáng)度差值較大，都在5%以上。結(jié)合前人研究，推斷是實(shí)體構(gòu)件混凝土表面水泥未完全水化而存在一層疏松層，影響了回彈強(qiáng)度值。

2.2 不同齡期混凝土回彈鉆芯法抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

在以往研究中，筆者發(fā)現(xiàn)C15 混凝土回彈值與標(biāo)準(zhǔn)值偏差較大，因此不納入試驗(yàn)。按C20、C25、C30、C40，選用了多組混凝土構(gòu)件，分別采用回彈法和鉆芯法按齡期14、28、60、90、120 d進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 回彈法和芯樣抗壓強(qiáng)度結(jié)果

由表2 可以看出，回彈強(qiáng)度值與標(biāo)準(zhǔn)芯樣強(qiáng)度值的誤差與齡期有較大關(guān)系，為了直觀表現(xiàn)兩者關(guān)系，繪制不同齡期下各強(qiáng)度等級(jí)混凝土構(gòu)件回彈強(qiáng)度值與標(biāo)準(zhǔn)芯樣強(qiáng)度值比值擬合圖（見圖1）。

圖1 不同齡期不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土回彈值與標(biāo)準(zhǔn)芯樣強(qiáng)度比值擬合圖

圖1中，系數(shù)k為直線斜率，即回彈強(qiáng)度值與芯樣強(qiáng)度值的比值。由圖1 可知，齡期在14～60 d 增長(zhǎng)過(guò)程中，強(qiáng)度比值在增加，并逐漸接近1，而當(dāng)齡期超過(guò)60 d 時(shí)，兩種測(cè)試強(qiáng)度比值并未進(jìn)一步增加。這是因?yàn)辇g期未到60 d時(shí)，混凝土表面砂漿層不斷碳化，此時(shí)表面硬度的增長(zhǎng)速度大于整體強(qiáng)度提升速度，而在60 d之后，構(gòu)件水化作用基本完成，使得表面被碳化層覆蓋，因而后期強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢[4]。因此，當(dāng)混凝土齡期不小于60 d 時(shí)，進(jìn)行混凝土回彈測(cè)試，其結(jié)果較為準(zhǔn)確。

3 鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)

3.1 不同養(yǎng)護(hù)條件下立方體試塊與芯樣抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

混凝土強(qiáng)度的形成過(guò)程涉及到其組成成份的物理化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)的快慢與溫度和濕度等條件有著很大關(guān)系，因此養(yǎng)護(hù)條件對(duì)混凝土強(qiáng)度成型有著重要影響。為探究不同養(yǎng)護(hù)條件下立方體試塊抗壓強(qiáng)度與鉆芯法檢測(cè)強(qiáng)度之間的關(guān)聯(lián)，開展了C25和C30兩種強(qiáng)度等級(jí)混凝土在不同養(yǎng)護(hù)條件下28 d齡期抗壓強(qiáng)度測(cè)試，每種強(qiáng)度等級(jí)試件在不同養(yǎng)護(hù)條件下均進(jìn)行了3組共9個(gè)試件，取3組強(qiáng)度測(cè)試的平均值，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同養(yǎng)護(hù)條件下混凝土抗壓強(qiáng)度結(jié)果MPa

由表3 可以看出，兩種強(qiáng)度混凝土預(yù)留試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的28 d 抗壓強(qiáng)度均明顯高于現(xiàn)場(chǎng)同條件養(yǎng)護(hù)試塊和在工程實(shí)體上鉆取標(biāo)準(zhǔn)芯樣的抗壓強(qiáng)度，表明標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試塊無(wú)法代替工程實(shí)體混凝土強(qiáng)度，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，芯樣試驗(yàn)結(jié)果與同條件養(yǎng)護(hù)試塊結(jié)果較為接近，可以考慮在一些要求不高的部位，采用同條件養(yǎng)護(hù)試塊來(lái)作為判定實(shí)體混凝土強(qiáng)度的輔助依據(jù)。

3.2 芯樣抗壓強(qiáng)度隨齡期變化試驗(yàn)

混凝土中水泥的水化、凝結(jié)、硬化過(guò)程是緩慢的物化反應(yīng)過(guò)程，結(jié)構(gòu)混凝土的強(qiáng)度與齡期有著直接關(guān)系。相比于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室下的養(yǎng)護(hù)條件，現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)混凝土的溫度與濕度均不穩(wěn)定，而在利用鉆芯法進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)時(shí)，并未對(duì)齡期有過(guò)多限定，使得最終強(qiáng)度指標(biāo)難以確定。開展多種強(qiáng)度等級(jí)混凝土不同齡期下鉆芯法抗壓強(qiáng)度測(cè)試，以探究結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)情況。不同齡期鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同強(qiáng)度等級(jí)不同齡期芯樣抗壓強(qiáng)度結(jié)果

為了進(jìn)一步研究芯樣強(qiáng)度的準(zhǔn)確性，對(duì)芯樣強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下不同齡期不同等級(jí)強(qiáng)度試塊的強(qiáng)度進(jìn)行比對(duì)，將結(jié)果進(jìn)行擬合（見圖2）。

圖2 不同齡期等級(jí)混凝土芯樣與標(biāo)準(zhǔn)試塊強(qiáng)度比值擬合圖

圖2中，系數(shù)k為直線斜率，即芯樣強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)試塊強(qiáng)度的比值。由圖2可知，當(dāng)混凝土齡期為28 d 時(shí)，此時(shí)芯樣與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試塊強(qiáng)度比值為0.815，此時(shí)的芯樣并未真實(shí)反映結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，混凝土內(nèi)部形成強(qiáng)度的物化反應(yīng)只進(jìn)行了一部分；而當(dāng)混凝土齡期為60 d 時(shí)，其與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試塊強(qiáng)度的比值為0.956，兩者的強(qiáng)度誤差已在5%以內(nèi)，此時(shí)混凝土的強(qiáng)度潛力已基本發(fā)揮，測(cè)量的強(qiáng)度接近其真實(shí)強(qiáng)度，因此考慮在混凝土澆筑60 d之后開展鉆芯取樣檢測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確。

3.3 不同直徑芯樣抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

在開展實(shí)體檢測(cè)作業(yè)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)芯樣的取芯工作量較大，且對(duì)建構(gòu)筑物的整體性有一定影響，而小直徑芯樣不僅取芯工作量小，加工打磨更加方便，同時(shí)能減小對(duì)原有結(jié)構(gòu)物的影響，特別是在部分結(jié)構(gòu)物為提升安全度及抗震性能，提高構(gòu)件的配筋率，鋼筋間距較小情況下，小直徑芯樣檢測(cè)強(qiáng)度更具有優(yōu)勢(shì)，但其可靠度與準(zhǔn)確度存在一定的離散性。

東南大學(xué)曾分別進(jìn)行過(guò)22 組50 mm 和75 mm芯樣的試驗(yàn)，修正系數(shù)（小直徑芯樣與100 mm標(biāo)準(zhǔn)芯樣的強(qiáng)度比值）分別為0.80 和0.95；天津港灣工程研究所和上海建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心也進(jìn)行了大量50 mm 和75 mm 芯樣的試驗(yàn)，其修正系數(shù)均為1.06；中國(guó)建筑科學(xué)研究院的試驗(yàn)結(jié)果表明50 mm和75 mm 的修正系數(shù)均為1.0。造成這種差異的原因主要是各地混凝土骨料不同。

為了探究小直徑芯樣在馱英水庫(kù)及灌區(qū)工程中應(yīng)用的準(zhǔn)確性，進(jìn)行不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)不同小直徑芯樣和標(biāo)準(zhǔn)芯樣的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同直徑不同強(qiáng)度等級(jí)芯樣抗壓強(qiáng)度結(jié)果

由表5可知，無(wú)論是50 mm還是75 mm的芯樣，其強(qiáng)度誤差大部分在5%以內(nèi)，準(zhǔn)確度較高。試驗(yàn)結(jié)果與中國(guó)建筑科學(xué)研究院的試驗(yàn)結(jié)果接近。同時(shí)結(jié)合日常骨料篩分的檢測(cè)數(shù)據(jù)，本次試驗(yàn)中小直徑芯樣強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)芯樣檢測(cè)結(jié)果相差較小的原因與試驗(yàn)混凝土所采用的骨料有一定關(guān)系，骨料粒徑較小，在鉆取芯樣過(guò)程中，對(duì)骨料顆粒的破壞性更小，更大限度保證了結(jié)構(gòu)的完整性。

小直徑芯樣檢測(cè)既可以提升經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)可對(duì)混凝土構(gòu)件的芯樣位置起到拓展作用[5，6]。因此，可以在馱英水庫(kù)及灌區(qū)工程中對(duì)取芯困難或者盡量避免對(duì)原有結(jié)構(gòu)物損傷的工程部位可以采用小直徑芯樣進(jìn)行混凝土強(qiáng)度檢測(cè)。

4 結(jié)論

（1）在馱英水庫(kù)及灌區(qū)工程中，小直徑混凝土芯樣的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果比較接近標(biāo)準(zhǔn)芯樣的強(qiáng)度，對(duì)取芯困難或者盡量避免對(duì)原有結(jié)構(gòu)物損傷的工程部位可以采用小直徑芯樣進(jìn)行混凝土強(qiáng)度檢測(cè)。

（2）回彈法和鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度結(jié)果與齡期有較大關(guān)系，當(dāng)混凝土齡期不小于60 d 時(shí)，進(jìn)行混凝土回彈法或鉆芯法強(qiáng)度檢測(cè)，其結(jié)果較為準(zhǔn)確。