弧面對壓法檢測蒸壓加氣混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)研究

韓春雷, 楊 亮, 晁廣闊, 賀向杰

(1 河北省混凝土質(zhì)量檢測技術(shù)創(chuàng)新中心，廊坊 065000；2 廊坊市陽光建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司，廊坊 065000)

0 引言

蒸壓加氣混凝土憑借自身具有的質(zhì)量輕、保溫性能好、防火、耐久等諸多優(yōu)勢成為一種建筑產(chǎn)業(yè)鏈上游的綠色節(jié)能墻體材料,并且得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]?？箟簭?qiáng)度是該材料的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一,科學(xué)而準(zhǔn)確地對抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測是確保蒸壓加氣混凝土材料質(zhì)量的關(guān)鍵。目前對蒸壓加氣混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測的依據(jù)為《蒸壓加氣混凝土砌塊》(GB/T 11968—2020)[2]與《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》(GB/T 11969—2020)[3](簡稱《試驗(yàn)方法》)。依據(jù)《試驗(yàn)方法》進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測時,需先將蒸壓加氣混凝土砌塊加工成邊長為100mm的立方體試塊,再置于壓力機(jī)中進(jìn)行抗壓試驗(yàn)測得其破壞壓力值,最后計(jì)算得到抗壓強(qiáng)度值。采用該方法時立方體試塊的加工過程較為繁瑣,需要采用專用的鋸切工具在立方體的六個面進(jìn)行加工,不僅每個面均要求保持平整,而且每相對的兩個面需保持平行、每相鄰的面需保持垂直,試塊制作的質(zhì)量對試驗(yàn)結(jié)果有著顯著的影響。加工過程中稍有不慎則可能導(dǎo)致立方體試塊出現(xiàn)掉角、缺邊等缺陷,有時砌塊內(nèi)部缺陷還會導(dǎo)致立方體試塊出現(xiàn)裂紋、孔洞等缺陷,出現(xiàn)這些缺陷時,只能找試驗(yàn)委托單位另行加送試塊重新試驗(yàn)。另外《試驗(yàn)方法》中規(guī)定:試塊應(yīng)在含水率(10±2)%的范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn),而將試塊含水率調(diào)節(jié)至該標(biāo)準(zhǔn)范圍的試驗(yàn)周期較長,一般情況下需要7晝夜左右,時間不足時會造成試塊內(nèi)部和外部含水率不一致情況的出現(xiàn),嚴(yán)重影響試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性[4]。因此立方體試塊的制作過程與含水率的調(diào)節(jié)成為了制約蒸壓加氣混凝土抗壓強(qiáng)度檢測效率的瓶頸。

近年來,國內(nèi)眾多機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究,致力于提高蒸壓加氣混凝土抗壓強(qiáng)度檢測效率[5-7],此類研究目前主要集中在三個方向:一是改進(jìn)試件的加工方法;二是大幅縮小試件尺寸,以便能快速調(diào)節(jié)含水率至規(guī)定范圍;三是試圖建立不同含水率與標(biāo)準(zhǔn)含水率狀態(tài)下立方體試塊抗壓強(qiáng)度值之間的對應(yīng)關(guān)系。本文的研究路線是沿著前兩個方向展開的。采用鉆取芯樣試件來替代立方試塊,試件的制作過程更加便捷;芯樣試件直徑為38mm、長度約為61mm,其體積比邊長為100mm的立方體試塊縮小了約80%。在施加壓力的環(huán)節(jié),本研究擺脫了芯樣類試件總是在端面施壓的傳統(tǒng)思路,不再對芯樣試件磨平兩端面后再進(jìn)行端面施壓,而是在芯樣試件的側(cè)面直接施加弧面壓力,進(jìn)一步提高了試驗(yàn)的工作效率。

1 試件

1.1 試驗(yàn)材料

選定強(qiáng)度級別為A1.5、A2.0、A2.5、A3.5、A5.0的五種蒸壓加氣混凝土砌塊,每種強(qiáng)度級別的蒸壓加氣混凝土砌塊數(shù)量見表1。

表1 蒸壓加氣混凝土砌塊數(shù)量/塊

1.2 試件制作

在每砌塊上沿發(fā)氣方向均勻布置3個弧面對壓試驗(yàn)測點(diǎn)(測點(diǎn)位置見圖1中的芯樣1),在每個測點(diǎn)處鉆取1個芯樣作為弧面對壓試件,鉆取方向與發(fā)氣方向垂直。弧面對壓試件的制作要求如下:直徑為(38±0.4)mm、長度為(61～75)mm;側(cè)面順直且50mm長度范圍內(nèi)最大偏差不超過0.3mm;側(cè)表面無明顯的裂紋、孔洞及雜質(zhì)等缺陷。

圖1 試件制作位置示意

在與每個測點(diǎn)一側(cè)相鄰的位置各自切取1個邊長為100mm的立方體試塊,用作測試抗壓強(qiáng)度。立方體試塊的制作要求應(yīng)符合《試驗(yàn)方法》中的相關(guān)規(guī)定,圖1中所示試塊位置為立方體試塊布置示意。

在與每個測點(diǎn)另一側(cè)相鄰的位置(圖1中的芯樣2)各自鉆取1個芯樣,用作測試含水率,芯樣直徑大小與長度均與弧面對壓試件相同。

各種試件制作完成后需逐一進(jìn)行編號,弧面對壓試件和立方體試塊的表面尚需標(biāo)注發(fā)氣方向。

1.3 含水率調(diào)節(jié)

將弧面對壓試件與立方體試塊分別用塑料袋進(jìn)行密封,置于室溫陰涼干燥處保存。

用于測試含水率的芯樣,按《試驗(yàn)方法》要求,先稱取質(zhì)量M,再烘至恒質(zhì)M0,最后再按式(1)計(jì)算芯樣的含水率Ws,并以該含水率Ws作為蒸壓加氣混凝土砌塊的初始含水率。

(1)

取出密封塑料袋中的弧面對壓試件和立方體試塊,根據(jù)測出的初始含水率Ws,按如下方法進(jìn)行含水率的調(diào)節(jié),直至各自含水率均達(dá)到(10±2)%范圍內(nèi):1)當(dāng)含水率大于規(guī)定范圍時,則將其置于(60±5)℃的烘箱中烘至所要求的含水率,并采用塑料袋密封后在室溫下放置6h再進(jìn)行試驗(yàn);2)當(dāng)含水率小于規(guī)定范圍時,則將其放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi),每隔一定時間稱量其質(zhì)量并計(jì)算其含水率,直至其含水率滿足規(guī)定要求。

2 試驗(yàn)概況

將含水率調(diào)節(jié)至規(guī)定要求的立方體試塊和弧面對壓試件分別按下列要求進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和弧面對壓試驗(yàn)。

2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

首先測量立方體試塊尺寸并計(jì)算受壓面截面積,然后將其置于試驗(yàn)壓力機(jī)的下壓板中心位置,受壓方向垂直發(fā)氣方向,以(2.0±0.5)kN/s的加荷速率連續(xù)均勻加荷,直至試塊破壞,記錄破壞荷載p1,最后按式(2)計(jì)算立方體試塊的抗壓強(qiáng)度fcc。

(2)

式中A1為立方體試塊的受壓面積。

2.2 弧面對壓試驗(yàn)

2.2.1 儀器設(shè)備

采用自主研制的自動加壓弧面對壓儀進(jìn)行試驗(yàn),設(shè)備示意見圖2～4,其中圖3中的1、2為施壓塊和承壓塊,其尺寸相同方向相反。技術(shù)參數(shù)應(yīng)符合下列規(guī)定:1)弧面施壓塊的弧面曲率半徑R為(19.50±0.05)mm,圓心角為120°,開口寬度B為(33.77±0.09)mm,高度H為(31.00±0.10)mm;制作用的金屬材料屈服強(qiáng)度不應(yīng)小于355MPa,洛氏硬度(HRC)為60±5;2)儀器能保持自動恒荷加壓,加荷行程不小于10mm;3)量程為0～10kN,測量分辨率為0.001kN,具有測量峰值保持功能;4)裝有電振裝置,其振幅和頻率滿足試驗(yàn)要求。

圖2 弧面對壓儀

圖3 施壓塊示意圖

圖4 施壓塊和承壓塊平面示意圖

2.2.2 導(dǎo)荷材料

采用細(xì)度為80～120目[8]、莫氏硬度為9.0～9.5[9]的金剛砂作為導(dǎo)荷材料,依靠金剛砂良好的流動性填充至施壓塊與弧面對壓試件的側(cè)面縫隙之間,起到傳導(dǎo)荷載的作用,壓力能均勻作用在弧面對壓試件的側(cè)面。

2.2.3 試驗(yàn)方法

弧面對壓試驗(yàn)步驟如下:1)將弧面對壓試件豎直置于弧面對壓儀試驗(yàn)空間內(nèi),并保持與弧形空間同軸,移動施壓塊使其內(nèi)壁與試件側(cè)面的間隙為2～3mm,施壓方向與發(fā)氣方向保持垂直;2)向施壓塊內(nèi)壁與弧面對壓試件側(cè)面的間隙內(nèi)灌入導(dǎo)荷材料,至溢出間隙上端;3)開啟電振裝置,振動約5s,使間隙內(nèi)的導(dǎo)荷材料均勻飽滿;4)壓力清零,并設(shè)置在峰值保持狀態(tài);5)啟動自動加力裝置,均勻施加恒定荷載至弧面對壓試件破壞,加荷速率控制在0.2～0.4kN/s;6)記錄破壞荷載值,精確至0.001kN;7)卸荷并取出弧面對壓試件,觀察試件破壞狀態(tài)。

2.2.4 弧面對壓應(yīng)力計(jì)算

按式(3)計(jì)算弧面對壓應(yīng)力值,受壓面積按受壓弧面的投影面積計(jì)算,如式(4)所示。

fi,j=Fi,j/Ai,j

(3)

Ai,j=0.866×Di,j×l

(4)

式中:fi,j為第i砌塊第j測點(diǎn)弧面對壓應(yīng)力值,精確至0.1MPa;Fi,j為第i砌塊第j測點(diǎn)弧面對壓試件破壞荷載,精確至0.001kN;Ai,j為第i砌塊第j測點(diǎn)弧面對壓試件受壓面積,精確至0.01mm2;Di,j為第i砌塊第j測點(diǎn)弧面對壓試件直徑,精確至0.01mm;l為弧面對壓試件的受壓部位的長度,取施壓塊的高度31.00mm;系數(shù)0.866為弧面對壓試件受壓部分寬度與試件直徑的比值。

3 數(shù)據(jù)分析與曲線回歸

3.1 數(shù)據(jù)分析

將每個立方體試塊抗壓強(qiáng)度值和與之相鄰的弧面對壓試件的對壓應(yīng)力值作為一組對應(yīng)數(shù)據(jù)建立對應(yīng)關(guān)系。試驗(yàn)共測得585組對應(yīng)數(shù)據(jù)。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn):同廠家、同強(qiáng)度級別的同次試驗(yàn)數(shù)據(jù)中,立方體抗壓強(qiáng)度值的變異系數(shù)與弧面對壓應(yīng)力變異系數(shù)非常接近,立方體試塊抗壓強(qiáng)度變異系數(shù)平均值為0.0701,弧面對壓應(yīng)力變異系數(shù)平均值為0.0625,二者相差僅0.0076。由此可知,弧面對壓法測試得到的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性與立方體試塊測試得到抗壓強(qiáng)度的穩(wěn)定性基本一致。

585組立方體試塊抗壓強(qiáng)度與弧面對壓應(yīng)力的關(guān)系見圖5。由圖5可見,蒸壓加氣混凝土弧面對壓應(yīng)力值與其立方體試塊抗壓強(qiáng)度值之間具有良好的相關(guān)性,且整體呈明顯的線性關(guān)系,復(fù)合相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.9584。

圖5 抗壓強(qiáng)度與弧面對壓應(yīng)力對應(yīng)關(guān)系

3.2 曲線回歸

以立方體試塊抗壓強(qiáng)度為因變量,以弧面對壓應(yīng)力為自變量,依最小二乘法原理進(jìn)行回歸,擬合得到弧面對壓法檢測蒸壓加氣混凝土抗壓強(qiáng)度測強(qiáng)曲線方程,見式(5)。式(5)平均相對誤差為±5.90%,相對標(biāo)準(zhǔn)差為7.35%。

(5)

4 強(qiáng)度計(jì)算與結(jié)果判定

4.1 抗壓強(qiáng)度平均值計(jì)算

第i個砌塊強(qiáng)度換算值的平均值按式(6)計(jì)算:

(6)

同組3塊砌塊的抗壓強(qiáng)度換算平均值按式(7)計(jì)算:

(7)

4.2 結(jié)果判定

以同組蒸壓加氣混凝土強(qiáng)度換算值判定抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果時,當(dāng)滿足下列兩項(xiàng)條件判定該組蒸壓加氣混凝土砌塊抗壓強(qiáng)度合格,有一項(xiàng)條件不滿足則判定抗壓強(qiáng)度不合格:1)蒸壓加氣混凝土強(qiáng)度換算值平均值不小于強(qiáng)度級別值;2)蒸壓加氣混凝土強(qiáng)度換算值的最小值不小于強(qiáng)度級別值的85%。

5 與傳統(tǒng)試塊試驗(yàn)方法的比對

選取了北京、湖北、山東、廣東和山西等五個省份廠家生產(chǎn)的蒸壓加氣混凝土砌塊進(jìn)行試驗(yàn)比對,砌塊強(qiáng)度級別包括A2.0、A3.5、A5.0三種,比對內(nèi)容為弧面對壓法與傳統(tǒng)的立方體試塊試驗(yàn)方法各自試驗(yàn)過程的用時和抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果。

5.1 試驗(yàn)用時對比

(1)試件制作用時

鉆制3個弧面對壓試件用時約為5min,而切制3個立方體試塊用時約為35～40min,用時縮短約為86.49%。

(2)調(diào)節(jié)含水率用時

弧面對壓試件調(diào)節(jié)含水率至標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)用時間與立方體試塊調(diào)節(jié)含水率至標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)用時相比明顯縮短。以含水率為30%的蒸壓加氣混凝土為例,前者烘至恒質(zhì)用時為20～24h時,后者用時約為70～72h,平均時間縮短了69.01%。恒質(zhì)試件置于濕度為95%以上、溫度為(20±2)℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境中吸濕,至其含水率達(dá)到(10±2)%所用時間:前者為10～12h,后者為40～48h,平均時間縮短了75%。

5.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的比對

依照《試驗(yàn)方法》的要求,對砌塊上切出的立方體試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),測得立方體試塊的抗壓強(qiáng)度平均值和最小值;依本文1.2節(jié)中的要求鉆取對壓試件,并進(jìn)行弧面對壓試驗(yàn),測得弧面對壓強(qiáng)度換算平均值和最小值。對上述兩種測試結(jié)果進(jìn)行比較,見表4,其中相對誤差δ按下式計(jì)算:

由表2可知,采用弧面對壓法與傳統(tǒng)的立方體試塊測試法相比,所測得的蒸壓加氣混凝土抗壓強(qiáng)度平均值和最小值誤差均在7%以內(nèi),所以采用弧面對壓法檢測蒸壓加氣混凝土抗壓強(qiáng)度的結(jié)果可信任。

表2 蒸壓加所混凝土砌塊驗(yàn)證情況統(tǒng)計(jì)

6 結(jié)論

(1)提出了弧面對壓法檢測蒸壓加氣混凝土抗壓強(qiáng)度新技術(shù),采用鉆制的弧面對壓試件替代傳統(tǒng)的立方體試塊,試件的制作過程更加簡便快捷,且試件體積的大幅縮小可明顯縮短調(diào)節(jié)含水率所用時間,試驗(yàn)效率得到明顯提升。

(2)研發(fā)了弧面對壓法試驗(yàn)專用儀器設(shè)備,并制定了試驗(yàn)操作要點(diǎn)。

(3)給出了弧面對壓法檢測蒸壓加氣混凝土測強(qiáng)公式,通過多家產(chǎn)品驗(yàn)證該測強(qiáng)公式具有較高的檢測精度。

(4)弧面對壓法可適用于強(qiáng)度級為A1.5～A5.0蒸壓加氣混凝土抗壓強(qiáng)度檢測。