程 彥，劉建光，程 杰，左麗梅，柴靜江

（1.衢州康平建設工程檢測有限公司，浙江 衢州 324000；2.衢州市水利工程質量與安全監(jiān)督站，浙江 衢州 324000）

1 問題的提出

砌石結構在工程建設中得到廣泛應用，如大壩、擋墻、護岸、堤防等，灌砌石混凝土是砌石結構的重要組成部分，混凝土抗壓強度對于砌石結構安全性和耐久性具有重要影響。由于灌砌石混凝土整體呈現為不規(guī)則形狀，且屬于小型構件，通用的檢測方法如回彈法、超聲回彈法、取芯法、拔出法、剪壓法、拉脫法等均無法對其進行有效檢測，即目前國內尚無檢測既有灌砌石混凝土抗壓強度方法的標準，導致在加固設計、施工監(jiān)督、竣工驗收、工程質量糾紛、工程事故責任認定中，基本上以定性分析、檢查為主，無法定量判斷混凝土實際質量狀況。因此，研究準確、實用的既有灌砌石混凝土抗壓強度檢測方法，已成為工程建設中首先要解決的問題。

2 “環(huán)壓”受力模型和“環(huán)壓試件”

“拔出法”是通過檢測嵌固于混凝土中的錨固件被拔出時的極限抗拔力的數值，通過預先建立的回歸曲線，推測現場混凝土抗壓強度的一種試驗方法?！鞍纬龇ā弊?0世紀30年代問世以來，得到了迅速發(fā)展，各國學者對拔出試驗的破壞機理進行廣泛的研究和探討[1]。其中，Jensen和Bracestrup通過假設混凝土遵循Mohr - Coulomb破壞準則，混凝土破壞面為理想破壞錐體，分析破壞面上的正應力和剪應力，首次從理論上證明極限抗拔力與混凝土抗壓強度呈線性關系[2]。我國從1985年開始進行預埋拔出法和后裝拔出法的研究，取得較大進展，CECS 69 —2011《拔出法檢測混凝土強度技術規(guī)程》[3]即為國內典型的實際應用成果。本次研究把極限抗拔力變?yōu)闃O限壓推力（即下述“環(huán)壓荷載值”），使實際操作更加簡便；通過自主研發(fā)環(huán)壓專用夾具，模擬灌砌石混凝土實際應力狀態(tài)，建立“環(huán)壓”受力模型，減少數據的波動，提高研究精度和可靠度。

本次研究規(guī)定標準混凝土抗壓試件（以下簡稱“抗壓試件”）和標準混凝土環(huán)壓試件（以下簡稱“環(huán)壓試件”）的規(guī)格尺寸：

（1）抗壓試件規(guī)格尺寸參照CECS 03∶2007《鉆芯法檢測混凝土強度技術規(guī)程》[4]，采用直徑100 mm，高度100 mm的標準芯樣試件；

（2）環(huán)壓試件規(guī)格尺寸的確定，主要考慮的因素有：受力路線清晰、形成理想破壞錐體、與試件制備所用的空心鉆頭配套、施工現場實際情況、試件制備方便等。環(huán)壓圓柱體直徑為80 mm，如果直徑過小，環(huán)壓圓柱體發(fā)生折斷破壞，而不是錐體破壞；直徑過大，無法制取灌砌石混凝土樣品。環(huán)壓圓柱體高度為25 mm，是參考CECS 69 —2011《拔出法檢測混凝土強度技術規(guī)程》[3]及方便制取灌砌石混凝土樣品的結果。設置環(huán)壓圓柱墊，如果施力裝置壓頭直接壓在環(huán)壓圓柱體上表面，容易發(fā)生不均勻受壓。凹槽設計成斜坡式，如果是垂直式，有時環(huán)壓圓柱墊擠出的小顆粒會卡在凹槽內，影響試驗結果。環(huán)壓試件示意見圖1。

圖1 環(huán)壓試件示意圖 單位：mm

3 試驗裝置和試驗步驟

3.1 試驗裝置

混凝土配合比試驗設備：按照JGJ 55 — 2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》[5]規(guī)定；鉆芯機：有產品合格證并滿足相應的要求，具有足夠的剛度，操作靈活，固定和移動方便，有水冷卻系統(tǒng)，配有可測量鉆進深度裝置；磁性臺鉆：吸力足夠，配有可測量鉆進深度裝置；鉆芯機鉆頭：采用人造金剛石薄壁空心鉆頭，鉆頭內徑為（100 ± 0.5）mm，（80 ± 0.5）mm；磁性臺鉆鉆頭：采用燒結薄壁空心鉆頭，內徑為（25 ± 0.2）mm；壓力試驗機：量程50 kN，精度1%；量程1 000 kN，精度1%，加荷速度可控，配有球形支座；環(huán)壓專用夾具（見圖2）；游標卡尺：量程300 mm，精度0.02 mm；其他試驗用具：切割機、磨光機、手持錐磨機、通水設備等。

圖2 環(huán)壓專用夾具 單位：mm

3.2 試驗步驟

（1）材料組成：①細骨料：河砂，中砂；②粗骨料：考慮一般灌砌石混凝土施工最大顆粒20 mm，因此采用5 ～ 20 mm碎石；③膠凝材料：復合硅酸鹽水泥32.5R，普通硅酸鹽水泥42.5；④坍落度：50 ～ 70 mm。

（2）按照不同配合比，拌制強度為7.5 ～ 50.0 MPa、規(guī)格尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的混凝土立方體抗壓強度試塊。

（3）標準條件養(yǎng)護至28 d齡期，取出1個立方體抗壓強度試塊，固定，按照CECS 03∶2007《鉆芯法檢測混凝土強度技術規(guī)程》[4]規(guī)定，從試塊側面鉆取1個長度為150 mm的芯樣，一端長約35 mm的直徑為80 mm，其余直徑為100 mm。

（4）把芯樣放置在切割機上，切割，磨光機加工，1個長度為150 mm的芯樣可制取抗壓試件與環(huán)壓試件各1個。

（5）磁性臺鉆放在水平的金屬臺面上，裝好25 mm鉆頭，通電使磁性臺鉆牢固吸附于金屬臺面。

（6）放置環(huán)壓試件于鉆頭下方，鉆頭下降剛好與環(huán)壓試件接觸，記錄初始讀數；鉆頭上升，通水，啟動鉆頭旋轉，鉆頭開始下降，在環(huán)壓試件中心鉆出凹槽，形成環(huán)壓圓柱墊；鉆頭下降至1 ～ 2 mm后停止，鉆頭上升，停止鉆頭旋轉，停水，取出環(huán)壓試件。

（7）用手持錐磨機小心沿凹槽外側一周打磨，形成斜坡式凹槽。

（8）重復（3）～（7）步驟，每個立方體抗壓強度試塊均制取1個抗壓試件與1個環(huán)壓試件，相同編號，自然干燥。

（9）抗壓試件按照CECS 03∶2007《鉆芯法檢測混凝土強度技術規(guī)程》[4]規(guī)定，進行抗壓強度試驗，求出抗壓強度值，精確至0.1 MPa。

（10）環(huán)壓試件試驗按以下規(guī)定進行：把環(huán)壓試件置于下壓板中心；套上環(huán)箍，旋轉調距螺栓，使2個調距立柱相互靠近，帶動鋼帶箍緊環(huán)壓試件；環(huán)壓試件上面放置圓形橡膠墊片，蓋上上壓板，圓形橡膠墊片的中心圓孔與上壓板的中心圓孔正對；安裝固定螺栓，擰緊，固定下壓板、環(huán)壓試件、圓形橡膠墊片與上壓板，放置于量程50.00 kN壓力試驗機球形支座上；壓力試驗機壓頭穿過上壓板中心圓孔至環(huán)壓圓柱墊表面，但不能與上壓板觸碰；緩慢勻速施加荷載至試件破壞，加荷速度控制在（0.08 ± 0.02）kN/s，記錄環(huán)壓荷載值，精確至0.01 kN。

4 公式推導和應用

（1）本次試驗共采集了132組（指編號相同的抗壓試件與環(huán)壓試件）有效數據，以相應的環(huán)壓荷載值為橫坐標，抗壓強度值為縱坐標，進行數理統(tǒng)計與曲線擬合，混凝土抗壓強度換算值可按公式（1）計算：

P = 2.251 4F - 8.597 7 （1）

式中：P為混凝土抗壓強度換算值（MPa），精確至0.1 MPa；F為混凝土環(huán)壓荷載值（kN），精確至0.01 kN。

混凝土抗壓強度換算值相當于被測混凝土在所處條件及齡期下，邊長150 mm×150 mm×150 mm立方體試塊的抗壓強度值。

（2）當抗壓強度小于10.0 MPa，制備環(huán)壓試件時，環(huán)壓圓柱墊邊緣破損較為嚴重，上表面不平整，影響試驗結果；本次研究抗壓強度值≤50.0 MPa。因此，公式（1）適用范圍為10.0 ～ 50.0 MPa時，其線性相關系數達0.98以上，試驗的精度和可靠度較為滿意。同時，根據SL 25 —2006《漿砌石壩設計規(guī)范》[6]、SL 379 — 2007《水工擋土墻設計規(guī)范》[7]等相關規(guī)范，該適用范圍已經可以滿足實際需要。

（3）本次研究粗骨料采用最大顆粒20 mm碎石，因此公式（1）適用于最大顆粒20 mm的碎石混凝土。如果實際采用卵石，有待進一步研究。

（4）本次研究雖然是針對灌砌石混凝土展開，但只要是可以制取環(huán)壓試件的其它碎石混凝土，也可以用公式（1）計算混凝土抗壓強度換算值。

5 現場取樣和試件制備

（1）現場取樣可根據實際情況按下列方法進行：①如果砌石與砌石之間間隔較大，可以用鉆芯機直接鉆取混合芯塊（包含砌石和混凝土）；②如果砌石與砌石之間間隔較小，可以掀開砌石，用切割機直接切取大混凝土塊。

（2）混合芯塊或大混凝土塊，室內按照試驗步驟（4）～（7）進行試件制備。

6 相關問題

在試驗過程中，應注意以下問題：

（1）環(huán)壓試件如為折斷破壞，非錐體破壞，則該數據無效。

（2）環(huán)壓試件高度偏差對試驗結果有一定影響，規(guī)定高度偏差應為（25 ± 0.3）mm。

（3）環(huán)壓試件高度極差對試驗結果有一定影響，且過大的高度極差容易使環(huán)壓試件不均勻受力，規(guī)定高度極差應為0.3 mm。

（4）環(huán)箍的彈性保證了環(huán)壓試件處于四周受限狀態(tài)，隨著使用次數增加會逐漸松弛，應及時予以更換。

（5）圓形橡膠墊片保證環(huán)壓試件受力均勻及防止表面石子上翹，隨著使用時間增加會產生磨損，應及時更換。

（6）施加荷載過程中，有時會出現數值下降后再上升的“假性破壞”現象，規(guī)定破壞判定標準為下降幅度超過當時最大值的15%。

7 結 語

試驗結果顯示，適用范圍為10.0 ～ 50.0 MPa時，其線性相關系數達到0.98以上，減小系統(tǒng)誤差；對試驗中一些注意問題作詳細說明，減小隨機誤差。

本次研究所使用的儀器設備購置加工方便，如鉆芯機、磁性臺鉆、壓力試驗機等，所用環(huán)壓專用夾具附有詳圖。提升了該方法的推廣價值。

同時，可以根據混凝土抗壓強度換算值，按照相關標準，如SL 176 — 2007《水利水電工程施工質量檢驗與評定規(guī)程》[8]等，評定灌砌石混凝土質量。本次研究，可以為灌砌石混凝土現場質量判斷提供一種準確性與實用性兼?zhèn)涞臋z測方法，對砌石結構現場檢測技術進步、加固設計、施工監(jiān)督、竣工驗收、工程質量糾紛、工程事故責任認定等，都將起到積極的推動作用。

參考文獻：

[1] 王金山，李海文，石磊，等.拔出法檢測混凝土強度技術破壞機理研究綜述[J].建筑結構，2010(S2)：562 - 565.

[2] JENSEN B C，Bracestrup M W.Lok - tests determine the compressive strength of concrete[M].Nord：Betong，1976.

[3] 中國建筑科學研究院.拔出法檢測混凝土強度技術規(guī)程：CECS 69∶2011[S].北京：中國計劃出版社，2011.

[4] 中國建筑科學研究院.鉆芯法檢測混凝土強度技術規(guī)程：CECS 03∶2007[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[5] 中國建筑科學研究院.普通混凝土配合比設計規(guī)程：JGJ 55 —2011[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[6] 貴州省水利廳.漿砌石壩設計規(guī)范：SL 25 — 2006[S].北京：中國水利水電出版社，2006.

[7] 江蘇省水利勘測設計研究院有限公司.水工擋土墻設計規(guī)范：SL 379 — 2007[S].北京：中國水利水電出版社，2007.

[8] 四川省水利科學研究院.水利水電工程施工質量檢驗與評定規(guī)程：SL 176 — 2007[S].北京：中國水利水電出版社，2007.