曾佑中（福建省閩路工程試驗檢測有限公司，福州350001）

水泥混凝土路面芯樣劈裂強度試驗影響因素分析

曾佑中
（福建省閩路工程試驗檢測有限公司，福州350001）

本文通過對水泥混凝土路面試驗段取芯進行芯樣劈裂抗拉強度試驗，重點分析了水泥混凝土路面取芯過程與室內(nèi)試驗兩個階段中有可能對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響的幾個重要因素，總結(jié)了該試驗過程中應(yīng)注意的重點事項，期望能為規(guī)范試驗人員水泥混凝土芯樣劈裂抗拉強度操作，提高試驗結(jié)果精確度提供借鑒。

水泥混凝土路面芯樣劈裂強度影響因素

1 概述

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

為改善這種情況，筆者單位與三明市公路局合作，在G205國道路段上采用相同的材料組成、制備條件和養(yǎng)護條件，鋪筑了單幅長30m、寬3.75m、設(shè)計彎拉強度5.0MPa、設(shè)計厚度30cm的水泥混凝土路面試驗段，施工過程中取樣制件標(biāo)準(zhǔn)小梁檢測其彎拉強度?，F(xiàn)場養(yǎng)護28d后，及時鉆取了200個水泥混凝土芯樣，分別以芯樣不同的長度、切割方式、試驗操作條件和試件平整度等影響因素進行劈裂強度比對試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進行分析研究，總結(jié)歸納了水泥混凝土路面面板劈裂抗拉強度試驗的影響因素和試驗過程中的注意事項，以便為廣大試驗檢測工作者提供借鑒。

2 混凝土圓柱體劈裂破壞機理

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

3 不同切割長度對劈裂強度的影響

根據(jù)JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（以下簡稱為試驗規(guī)程）中《水泥混凝土圓柱體劈裂抗拉強度試驗方法》（T0561-2005）對于劈裂試驗所加工芯樣的有關(guān)規(guī)定：對于現(xiàn)場芯樣，長徑比≥1，適宜的長徑比在1.9～2.1之間，最大長徑比不能超過2.1。而我省普通國省干線公路路面改造工程的水泥混凝土路面面層的設(shè)計厚度一般為26cm，無法滿足試驗規(guī)程適宜的長徑比1.9～2.1之間的要求。過去的一些試驗經(jīng)驗告訴我們，試件過長其劈裂強度將往偏低方向影響。在質(zhì)量驗收過程中，各單位對試件長度無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，造成檢測數(shù)據(jù)有所偏差。為了驗證，我們將鉆取的芯樣頂面切割20mm后分別截取長度為15cm、20cm和25cm進行比對試驗，加荷速率恒定在0.06MPa/s。其試驗結(jié)果見表1。

試驗結(jié)果顯示，相同直徑不同長度的芯樣，15cm長的試件強度最高，其平均彎拉強度比25cm長度的試件提高0.24MPa。為了研究多長的試件最能體現(xiàn)面板的真實彎拉強度，我們在施工過程中制作的10組小梁試件，標(biāo)養(yǎng)28d后得出標(biāo)準(zhǔn)小梁彎拉強度為6.01MPa。通過路面鉆芯劈裂強度換算彎拉強度的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示20cm長度芯樣檢測結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)小梁彎拉強度較為接近。結(jié)合目前我省國省干線公路設(shè)計的路面結(jié)構(gòu)層厚度，我們建議采用試件的長徑比為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，大部分試驗檢測機構(gòu)在進行芯樣加工時并未對頂部端面進行切割。且試驗規(guī)程對現(xiàn)場鉆取芯樣的頂面是否需要進行切割也無相關(guān)規(guī)定。

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

表1 雙面切割不同長度試件彎拉強度對比

表2 不同切割面、相同長度（22cm）試件彎拉強度對比

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

（1）從混凝土的組成和振搗理論說，水泥混凝土在澆筑過程和澆完靜置階段，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)擺動后才能定位，這樣便會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，避免可能帶來的芯樣劈裂面積的不精確。

5 試驗操作條件的影響

（1）圓柱體試件對中的影響

試驗規(guī)程規(guī)定，試驗前，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，兩條線的末端在試件的端面上相連，應(yīng)為通過圓心的直徑，以明確標(biāo)明承壓面。借助夾具兩側(cè)桿，將試件對中。試驗過程前，上下承壓線的對中較為困難，速度也較慢，如果試件不對中，將會使試件偏心受壓，劈裂面積也會發(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間內(nèi)應(yīng)力的變化速率，劈裂試驗加荷速度的變化對破壞荷載有較大的影響。在試驗檢測工作過程中，有的試驗檢測單位所采用的試驗機加荷條件為人工操作，檢測人員往往忽視了加荷速率對試件劈裂強度的重要影響，不按照試驗規(guī)程規(guī)定的加荷速率進行荷載試驗，導(dǎo)致檢測結(jié)果失去可比性、真實性，直接影響檢測結(jié)論。為了進一步了解加荷速率對檢測結(jié)果影響的大小和規(guī)律，現(xiàn)將30個芯樣（直徑15cm、長度20cm）按標(biāo)準(zhǔn)的試驗方法，以3種不同的速率進行試驗。其試驗結(jié)果見表3。

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

表3 不同加荷速率試件彎拉強度對比

6 承壓面平整度的影響

對不同長度芯樣劈裂強度影響的試驗分析表明試件長度越長，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，因而降低了劈裂強度；另外，當(dāng)承壓面出現(xiàn)弧形、竹節(jié)形時，當(dāng)不平直度過大時，就有可能出現(xiàn)類似小梁支承點受力狀態(tài)，試驗時易出現(xiàn)未劈先折斷的現(xiàn)象，導(dǎo)致試件報廢或試驗失敗。試驗規(guī)程中要求圓柱體的母線公差為0.15mm。然而經(jīng)過多年來對鉆取試件實測結(jié)果，如果試件承壓線不經(jīng)研磨加工的話，要想完全達到0.15mm的公差是非常困難的，這與取芯機功率的大小、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）取芯機質(zhì)量。由于取芯機屬于非精密加工設(shè)備，無相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，出廠質(zhì)量不統(tǒng)一，當(dāng)取芯機自身重量較輕時，使用過程中會發(fā)生振動和顫抖。另外取芯機給水泵質(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程中偷工減料，金剛砂含量少，在遇到強度較高的混凝土和較為堅硬的砂石材料時，鉆取一個芯樣耗費的時間較長，由于同個部位長時間研磨，試件外形難免不一致。有些芯筒與取芯機主軸連結(jié)螺牙不配套，無法完全擰緊，造成不同心，使用時發(fā)生晃動，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。手工搖進加力過猛經(jīng)常會發(fā)生反作用力將鉆機頂起卡鉆現(xiàn)象，此時不得不停機修整再二次鉆入。這樣在試件的某一部位就會出現(xiàn)重復(fù)轉(zhuǎn)動，磨耗不均，因此使試件外形尺寸發(fā)生變化。

7 提高劈裂抗拉試驗準(zhǔn)確度應(yīng)注意的事項

為提高劈裂抗拉試驗的水平，減少試驗過程中的錯誤、偏差、誤差，在試驗過程中應(yīng)注意以下幾個主要事項：

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

（2）同一建設(shè)項目，對芯樣室內(nèi)加工長徑比宜統(tǒng)一規(guī)定。試件的切割方式采用雙面切割，兩個端面應(yīng)保持平行，建議其長度尺寸差應(yīng)在0.25mm以內(nèi)。

（3）試驗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，必要時磨平處理。

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

（5）劈裂試驗的加荷速率應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)程要求執(zhí)行。建議選用恒應(yīng)力加荷試驗機控制，減免人工加荷不均帶來的影響，提高整個試驗過程的準(zhǔn)確度。

8 結(jié)語

為客觀公正地評價水泥混凝土路面強度指標(biāo)，每位試驗檢測工作者，均應(yīng)認(rèn)真細(xì)致地統(tǒng)一尺度操作和評定，盡量減少不同因素對試驗結(jié)果的影響因素，并注重試驗過程中的各個環(huán)節(jié)，以便檢測結(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].