卜良桃， 龔文兵

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410082)

如今，隨著科學(xué)技術(shù)不斷升級(jí)，材料的更新?lián)Q代，水泥基灌漿料的性能得到了很好的改善。水泥基灌漿料由于其流動(dòng)性好、早強(qiáng)、高強(qiáng)、無(wú)收縮、微膨脹等高性能，在實(shí)際工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。水泥基灌漿料初期主要應(yīng)用于設(shè)備基礎(chǔ)二次灌漿、錨固地腳螺栓等方面[2-4]，但如今水泥基灌漿料在工程結(jié)構(gòu)加固中也有著舉足輕重的地位，尤其廣泛地應(yīng)用在加固復(fù)雜節(jié)點(diǎn)部位，其良好的流動(dòng)性保證了節(jié)點(diǎn)部位的加固質(zhì)量。

隨著混凝土結(jié)構(gòu)廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代工程，在使用過程，由于自然環(huán)境侵蝕和結(jié)構(gòu)本身荷載的影響，會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)安全性和耐久性的問題[5]。水泥基灌漿料置換加固混凝土結(jié)構(gòu)是常用的加固方法，然而目前水泥基灌漿料抗壓強(qiáng)度只能通過預(yù)留的試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)確定，尚沒有現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，因此一旦試塊丟失，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)水泥基灌漿料抗壓強(qiáng)度就成為了一大難題。

如今出臺(tái)了許多現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度的相關(guān)規(guī)范，在工程應(yīng)用上也較為成熟。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的方法主要有：回彈法、超聲回彈綜合法、先裝拔出法、后裝拔出法和鉆芯法等檢測(cè)方法[6]。由于水泥基灌漿料的材料性質(zhì)和各項(xiàng)性能與混凝土材料相似，所以本試驗(yàn)的主要內(nèi)容就是探討和研究混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法是否同樣適用于水泥基灌漿料，建立相關(guān)的測(cè)強(qiáng)公式計(jì)算水泥基灌漿料試件的抗壓強(qiáng)度換算值，并且從檢測(cè)方法的操作的簡(jiǎn)易程度、對(duì)原試件的損傷程度和測(cè)強(qiáng)公式的精確度3個(gè)方面對(duì)比分析了5種現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

水泥基灌漿料：由湖南固力土木工程新材料發(fā)展有限公司提供的HPG無(wú)收縮自流密實(shí)水泥基高強(qiáng)灌漿料。

水：純凈的自來(lái)水，且水泥基灌漿料技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)用水量小于16%，本試驗(yàn)所配置的高性能水泥基灌漿料試件的用水量均小于12%[7]。

1.2 試驗(yàn)儀器

JW500型砂漿攪拌機(jī)，高強(qiáng)混凝土回彈儀，ZH — 60型多功能后錨固強(qiáng)度檢測(cè)儀，鉆芯機(jī)，拔出法錨固件，超聲波檢測(cè)儀，SYE-2000型壓力試驗(yàn)機(jī)等試驗(yàn)儀器。

1.3 試件制作

本試驗(yàn)運(yùn)用5種方法檢測(cè)5個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的水泥基灌漿料抗壓強(qiáng)度，每一種強(qiáng)度等級(jí)制作了3組試件。每組試件包括3個(gè)300 mm×300 mm×300 mm的試件和3個(gè)100 mm×100 mm×100 mm的立方體標(biāo)準(zhǔn)試塊。

水泥基灌漿料抗壓強(qiáng)度主要的影響因素是攪拌時(shí)的用水量，試驗(yàn)前期通過反復(fù)的試配確定了5個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的水泥基灌漿料的用水量，配制強(qiáng)度等級(jí)從高到低的水泥基灌漿料的用水量分別是6.5%、7.0%、8.5%、10%、12%。確定配制的用水量后，制作模板，開始澆筑5個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的水泥基灌漿料試件和試塊。拆模之后，放入養(yǎng)護(hù)池當(dāng)中，進(jìn)行高溫高濕養(yǎng)護(hù)3 d，養(yǎng)護(hù)溫度為75 ℃。3 d之后，進(jìn)行常溫養(yǎng)護(hù)28 d。整個(gè)養(yǎng)護(hù)期間，立方體標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行同等條件養(yǎng)護(hù)[8]。

1.4 試驗(yàn)過程

回彈法操作參考《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T23—2011)，將養(yǎng)護(hù)好的試件表面進(jìn)行清理、風(fēng)干之后，隨機(jī)在水泥基灌漿料試件的側(cè)面選擇測(cè)區(qū)，測(cè)區(qū)面積為0.04 m2，每一個(gè)測(cè)區(qū)選取16個(gè)測(cè)點(diǎn)，均勻分布在測(cè)區(qū)內(nèi)，測(cè)區(qū)測(cè)點(diǎn)平面布置如圖1(a)所示。測(cè)量回彈值時(shí)，回彈儀軸線與檢測(cè)表面保持垂直，然后緩慢施加壓力，精準(zhǔn)讀數(shù)，迅速?gòu)?fù)位?；貜棞y(cè)試完成之后，在測(cè)區(qū)表面取直徑約15 mm孔洞，采用濃度1%～2%的酚酞酒精溶液進(jìn)行碳化深度測(cè)量，測(cè)量3次，并取平均值作為檢測(cè)結(jié)果。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖(單位： mm)Figure 1 Measuring point layout(Unit: mm)

超聲回彈綜合法試驗(yàn)參考《高強(qiáng)混凝土強(qiáng)度檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 294-2013)技術(shù)要求，對(duì)水泥基灌漿料試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測(cè)。每一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的試件選取9個(gè)測(cè)區(qū)，測(cè)區(qū)大小為200 mm×200 mm，每個(gè)測(cè)區(qū)選取3個(gè)測(cè)點(diǎn)，在試件另一對(duì)側(cè)面各選取8個(gè)回彈測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)示意圖如圖1(b)所示。本試驗(yàn)采用對(duì)測(cè)的檢測(cè)方法，試驗(yàn)開始之前，用酒精將試件表面擦拭干凈，待表面風(fēng)干之后，探頭涂上耦合劑，開始測(cè)試。

先裝拔出法參考《拔出法檢測(cè)水泥砂漿和纖維水泥砂漿強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(CECS 389：2014)，每一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的試件布置9個(gè)測(cè)點(diǎn)，澆筑試件時(shí)，在測(cè)點(diǎn)位置模板上固定錨固件，錨固件應(yīng)嚴(yán)格垂直于構(gòu)件側(cè)面[10]，埋置深度為25 mm。試驗(yàn)時(shí)取出養(yǎng)護(hù)好的試件，安裝圓環(huán)式拔出儀，連續(xù)均勻的施加拔出力，速度控制在1～2 kN/s，直至將錨固件拔出為止。

后裝拔出法同樣每一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的試件布置9個(gè)測(cè)點(diǎn)，每3個(gè)測(cè)點(diǎn)為一組。鉆孔時(shí)，在鉆頭處做好標(biāo)記，以保證每個(gè)錨固件的埋置深度為25mm[11]。將孔內(nèi)灰塵清理干凈之后，向孔內(nèi)注入錨固膠，劑量充滿孔深2/3，然后將錨固件放入孔內(nèi)，直至有少部分膠體溢出為止，迅速將準(zhǔn)備好的硬紙片蓋住孔口，防止有更多的膠體溢出。待48 h后膠體達(dá)到強(qiáng)度，同樣選用圓環(huán)式拔出儀操作，將錨固件拔出，記錄拔出力數(shù)值。見圖2。

(a) 后裝拔出法破壞錐體

鉆芯法參照《鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 384-2016)技術(shù)要求，選用相關(guān)規(guī)格的鉆芯機(jī)，每個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的試件鉆取9個(gè)芯樣。芯樣取出之后，進(jìn)行后期切割、打磨等處理，每個(gè)成品芯樣的規(guī)格是直徑為100 mm，高度是100 mm。將處理完的芯樣放進(jìn)SYE — 2000型壓力試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行芯樣抗壓試驗(yàn)，記錄每一個(gè)芯樣的抗壓強(qiáng)度值。

同條件養(yǎng)護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊養(yǎng)護(hù)28 d之后，參照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)的規(guī)定，在SYE-2000型壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓試驗(yàn)，并記錄每個(gè)立方體試塊的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，最后得出每一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)試件的立方體抗壓強(qiáng)度代表值。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過上述一系列試驗(yàn)，得到了5種檢測(cè)方法檢測(cè)水泥基灌漿料試件的抗壓強(qiáng)度的代表值數(shù)據(jù)，以及標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度代表值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data 水泥基灌漿料強(qiáng)度等級(jí)試件分組回彈法代表值R超聲回彈代表值與聲速值v/(km·s-1)Rh先裝拔出力代表值Fx/kN后裝拔出力代表值Fh/kN芯樣抗壓強(qiáng)度代表值fcor/MPa立方體抗壓強(qiáng)度代表值fcu/MPaA-162.88 4.42 60.24 34.53 14.25 55.31 52.60 A60A-263.45 4.46 62.84 36.56 15.70 55.46 54.60 A-364.14 4.44 63.78 37.87 15.00 55.98 55.80 B-168.21 4.55 67.51 41.38 20.52 66.24 63.20 A70B-269.31 4.57 68.22 44.08 21.88 68.24 64.20 B-370.91 4.59 72.84 44.15 19.80 69.21 67.40C-173.20 4.71 74.81 49.55 25.10 74.98 73.50 A80C-274.98 4.73 75.24 50.95 26.40 75.21 75.30 C-376.26 4.68 76.21 50.12 26.77 76.28 76.80D-177.60 4.80 76.23 53.07 30.43 84.51 81.40A90D-275.61 4.78 77.66 54.70 29.89 86.32 80.90 D-376.51 4.82 78.24 53.36 30.62 84.38 82.50E-180.10 4.84 80.62 59.70 35.30 92.56 91.40A100E-281.64 4.86 81.42 58.32 37.56 94.67 92.30 E-382.97 4.88 82.47 58.54 35.40 95.82 93.70

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，5種檢測(cè)方法得出的抗壓強(qiáng)度代表值與標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度代表值之間有一定的聯(lián)系。根據(jù)相關(guān)數(shù)學(xué)分析方法[12]，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠準(zhǔn)確地得出各檢測(cè)方法代表值與立方體抗壓強(qiáng)度代表值之間的關(guān)系。

回彈法檢測(cè)水泥基灌漿料抗壓強(qiáng)度參考文獻(xiàn)中的相關(guān)規(guī)定，將回彈代表值與立方體抗壓強(qiáng)度值進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，回彈法測(cè)強(qiáng)曲線如圖3所示，選用的測(cè)強(qiáng)公式模型如下：

圖3 回彈法測(cè)強(qiáng)曲線Figure 3 Strength curve of rebound method

fc=A+BR+CR2

式中：fc為水泥基灌漿料試件抗壓強(qiáng)度換算值，MPa；R為回彈代表值；A、B、C為測(cè)強(qiáng)公式回歸系數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)有的鉆芯法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度的相關(guān)規(guī)范，將得出的水泥基灌漿料芯樣抗壓強(qiáng)度代表值與標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度值進(jìn)行擬合，得到的測(cè)強(qiáng)曲線如圖4所示，測(cè)強(qiáng)公式模型如下：

圖4 鉆芯法測(cè)強(qiáng)曲線 Figure 4 Strength curve of drilled core method

式中：fcor為芯樣強(qiáng)度代表值，MPa；a、b為測(cè)強(qiáng)公式回歸系數(shù)。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)，應(yīng)用回彈代表值、聲速值和立方體抗壓強(qiáng)度值擬合出測(cè)強(qiáng)曲面，超聲回彈綜合檢法測(cè)強(qiáng)曲面如圖5所示，選用的測(cè)強(qiáng)公式模型如下所示：

圖5 超聲回彈綜合法測(cè)強(qiáng)曲線Figure 5 Strength curve of ultrasonic-rebound combined method

式中：Rh為回彈代表值；v為聲速代表值；a、b、c為測(cè)強(qiáng)公式回歸系數(shù)。

拔出法自提出以來(lái)，在各類的水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的檢測(cè)中有了廣泛地運(yùn)用，建立了許多專用測(cè)強(qiáng)曲線。本試驗(yàn)同樣采用最小二乘法擬合出先裝拔出法和后裝拔出法的測(cè)強(qiáng)曲線，先裝拔出法和后裝拔出法測(cè)強(qiáng)曲線分別如圖6、圖7所示，測(cè)強(qiáng)公式模型如下所示：

圖6 先裝拔出法測(cè)強(qiáng)曲線Figure 6 Strength curve of cast-in-place pullout method

圖7 后裝拔出法測(cè)強(qiáng)曲線Figure 7 Strength curve of post-install pullout method

fc=A1+B1Fx

fc=A2+B2Fh

式中：Fx為先裝拔出力代表值，kN；Fh為后裝拔出力代表值，kN；A1、B1、A2、B2為測(cè)強(qiáng)公式回歸系數(shù)。

2.3 相關(guān)性及顯著性分析

根據(jù)相關(guān)的數(shù)學(xué)方法，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了各檢測(cè)方法預(yù)測(cè)水泥基灌漿料抗壓強(qiáng)度的測(cè)強(qiáng)曲線。但由于采用的均是近似方法，對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果必須進(jìn)行相關(guān)性和顯著性分析，分析其結(jié)果的離散性和精確程度。相關(guān)性及顯著性主要相關(guān)系數(shù)R2、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差er和平均相對(duì)誤差δ和3個(gè)參數(shù)來(lái)反映[13]，各參數(shù)的計(jì)算公式[14]如下所示。

(1)

(2)

(3)

計(jì)算結(jié)果如表2所示，從表中可以看出，5種檢測(cè)方法得到的擬合方程相關(guān)系數(shù)均較高，說(shuō)明回彈代表值，拔出力代表值和芯樣的抗壓強(qiáng)度代表值與立方體抗壓強(qiáng)度代表值有很大的相關(guān)性，且相關(guān)系數(shù)越接近1，相關(guān)程度越高。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差er可以衡量擬合方程所揭示的規(guī)律性的強(qiáng)弱，各檢測(cè)方法的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差er均小于12%[15]，說(shuō)明上述5種方法檢測(cè)水泥基灌漿料的抗壓強(qiáng)度的誤差較小。最后，平均相對(duì)誤差δ均在6%以內(nèi)，滿足擬合方程的誤差要求，表明擬合方程預(yù)測(cè)出來(lái)的抗壓強(qiáng)度與實(shí)際情況相差較小。從以上的相關(guān)性和顯著性分析可以得出：這5種檢測(cè)方法均適用于檢測(cè)水泥基灌漿料抗壓強(qiáng)度。

表2 各檢測(cè)方法擬合方程及相關(guān)性各參數(shù)Table 2 Regression equation and parameters of experimental data for different detection methods各檢測(cè)方法擬合方程相關(guān)系數(shù)R2平均相對(duì)誤差δ/%相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差er/%回彈法fc=11.691 33-0.441 02 R+0.017 48 R20.9851.692.17超聲回彈綜合法fc=0.012 73 R0.995 57hν2.838 510.9851.852.15先裝拔出法fc=-5.956 05+1.643 93Fx0.9811.932.46后裝拔出法fc=28.028 85+1.781 04 Fh0.9801.952.63鉆芯法fc=0.956 47 f1.004 17cor0.9871.672.13

3 不同檢測(cè)方法對(duì)比分析

下面筆者主要從試驗(yàn)過程中不同檢測(cè)方法的操作的簡(jiǎn)易程度、對(duì)原構(gòu)件的損壞程度和5種檢測(cè)方法的精度等3個(gè)方面來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析，得出5種檢測(cè)方法在檢測(cè)水泥基灌漿料抗壓強(qiáng)度時(shí)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

第一，從操作方法的簡(jiǎn)易程度方面對(duì)比，回彈法與超聲回彈綜合法操作最簡(jiǎn)便，且檢測(cè)周期較短，能夠迅速得出檢測(cè)結(jié)果。相比之下，拔出法與鉆芯法操作較為繁瑣，且檢測(cè)周期更長(zhǎng)，特別是先裝拔出法，在構(gòu)件施工期間就得做好準(zhǔn)備工作，例如預(yù)埋錨固件。后裝拔出法也需要鉆孔，注膠等一系列操作。鉆芯法的操作除了布點(diǎn)取芯樣之外，后期需要將芯樣進(jìn)行切割、打磨一系列處理，最后對(duì)處理好的芯樣進(jìn)行抗壓測(cè)試。

第二，從對(duì)原構(gòu)件的損壞程度對(duì)比，回彈法和超聲回彈綜合法屬于無(wú)損檢測(cè)[16]，對(duì)原構(gòu)件無(wú)損傷，故無(wú)需對(duì)原構(gòu)件進(jìn)行修補(bǔ)處理。然而先裝拔出法與后裝拔出法將錨固件拔出之后，會(huì)留下20～30 mm深的錐形坑洼，對(duì)原結(jié)構(gòu)造成細(xì)微損傷，屬于半無(wú)損檢測(cè)方法。因此檢測(cè)完成之后，需要對(duì)原構(gòu)件進(jìn)行填平修補(bǔ)。鉆芯法鉆孔深度達(dá)到150 mm，甚至?xí)@取到受力鋼筋，對(duì)主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，屬于有損檢測(cè)方法。

第三，從檢測(cè)結(jié)果精度對(duì)比，鉆芯法的擬合方程相關(guān)系數(shù)最高，平均相對(duì)誤差也最小，檢測(cè)結(jié)果最精確，這是由于鉆芯法的芯樣直接來(lái)源于原構(gòu)件，最能直接反映原構(gòu)件抗壓強(qiáng)度。其次，回彈法與超聲回彈綜合法主要是通過構(gòu)件表面的硬度來(lái)推定抗壓強(qiáng)度，由于水泥基灌漿料的骨料粒徑較小，密實(shí)度高，試件表面平整，因此抗壓強(qiáng)度與試件表面硬度相關(guān)性高，故回彈法與超聲回彈綜合法的檢測(cè)精度僅次于鉆芯法。先裝拔出法精度高于后裝拔出法，主要原因是先裝拔出法錨固件的埋置深度較后裝拔出法易于控制。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)分別運(yùn)用回彈法、超聲回彈綜合法、先裝拔出法、后裝拔出法和鉆芯法5種檢測(cè)方法檢測(cè)A60、A70、A80、A90、A100共5個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的水泥基灌漿料抗壓強(qiáng)度，得出了以下結(jié)論：

d.從5種檢測(cè)方法操作的簡(jiǎn)易程度、對(duì)原構(gòu)件的損壞程度和精確度等3個(gè)方面對(duì)比分析，得出了5種檢測(cè)方法檢測(cè)水泥基灌漿料的適用性及優(yōu)劣勢(shì)，為實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)水泥基灌漿料抗壓強(qiáng)度提供依據(jù)。綜合5種檢測(cè)方法優(yōu)缺點(diǎn)可知：超聲回彈綜合法實(shí)施操作簡(jiǎn)便，施工質(zhì)量易于控制，測(cè)強(qiáng)公式精度高，且對(duì)原結(jié)構(gòu)無(wú)損傷。因此現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)水泥基灌漿料抗壓強(qiáng)度時(shí)宜優(yōu)先選用超聲回彈綜合法。