張作棟

（廊坊市陽光建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司，河北 廊坊 065000）

0 引言

近年來，常用的主體結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強度原位無損檢測方法有回彈法、超聲回彈綜合法等，其特點是簡單便捷，對結(jié)構(gòu)無損傷，缺點是測試相對間接；常用的微破損檢測方法有鉆芯法、后裝拔出法、直拔法等，這些方法具有相關(guān)性較高、誤差相對無損檢測較低的特點，但也存在試驗流程及工藝相對復(fù)雜、加工試件會引入一些數(shù)據(jù)誤差的情況，還存在對結(jié)構(gòu)損傷較大等各類不足。但上述檢測技術(shù)在工程質(zhì)量控制及為既有建筑結(jié)構(gòu)提供混凝土力學(xué)指標(biāo)方面起到了重要作用。

1 現(xiàn)場共承臺原位環(huán)箍法介紹

1.1 方法的形成

本文介紹一種新的混凝土強度現(xiàn)場檢測方法——現(xiàn)場共承臺原位環(huán)箍法，其研發(fā)靈感來自于筆者之前參與研究的“直拔法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)”。通過大量實踐，發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行“直拔法”試驗時，偶爾會由于操作不當(dāng)使得固定直拔試件的卡具“夾緊力”過大，有時會將直拔試件在原位“夾斷”而造成無法進(jìn)行后續(xù)試驗，如圖 1 所示。

圖1 非正常破壞的直拔法試件

此類試件受力破壞的異常情況直接啟發(fā)了“環(huán)箍法”的初步想法，經(jīng)過深入研究并不斷完善細(xì)節(jié)，逐步形成了“現(xiàn)場共承臺原位環(huán)箍法”檢測混凝土強度的方法。

1.2 具體實現(xiàn)方式

1.2.1 試件制作

經(jīng)綜合考慮目前泵送混凝土主要骨料情況并結(jié)合以往回彈法等制作測強曲線的過程，最終選定直徑 38 mm 芯樣試件作為“現(xiàn)場共承臺原位環(huán)箍法”的研究對象。

首先在待測混凝土構(gòu)件的合適位置安裝專用承臺，在承臺上固定自動鉆磨機，如圖 2 所示。

圖2 專用承臺及自動鉆磨機安裝

承臺采用鋼板整體制造，中部設(shè)有一個圓形通孔，圓形通孔周圍設(shè)置有 3 個定位套筒，承臺周邊均布導(dǎo)向座孔（本例為 2 個，優(yōu)選 3 個，可有效防止鉆磨機在給進(jìn)過程中的橫向晃動造成試件不標(biāo)準(zhǔn)的狀況產(chǎn)生），導(dǎo)向座孔分別設(shè)有手旋螺絲固定裝置，如圖 3 所示。

圖3 專用承臺及自動鉆磨機

自動鉆磨機由上保持架、加載彈簧、鉆磨機保持架、鉆磨機、導(dǎo)柱、鉆深限位套、下保持架、金剛石鉆磨頭組成。上保持架、下保持架通過導(dǎo)柱連接固定，鉆磨機保持架、鉆深限位套能夠滑動地設(shè)置在導(dǎo)柱上，上保持架與鉆磨機保持架通過加載彈簧連接，鉆磨機底部設(shè)置金剛石鉆磨頭，鉆深限位套用于混凝土試件端面磨平后停鉆。

金剛石鉆磨頭由金剛砂鉆頭、底部原位磨面組成，底部原位磨面設(shè)置在鉆頭薄壁后端，如圖 4 所示。

圖4 金剛石鉆磨頭

將固定后的鉆磨機后退壓縮使加載彈簧產(chǎn)生勢能，通過手旋螺絲鎖緊裝置鎖緊鉆磨機，打開電源、水源，鉆磨機在加載彈簧的驅(qū)動下，沿導(dǎo)柱向下進(jìn)給，直至混凝土試件端部被金剛石鉆磨頭底部的金剛石磨面磨平后，觸動鉆深限位套，自動停止鉆進(jìn)，試件制作完畢。使用上述裝置進(jìn)行試件制作是為了達(dá)到以下目的：

①鉆磨機沿均勻分布在擬鉆制試件位置周邊的相互平行的多個定位軸給進(jìn)，保證鉆制的試件側(cè)壁順直、各截面均勻一致，為后續(xù)試驗提供有利條件；

②與普通金剛石薄壁鉆頭相比，環(huán)箍法鉆制試件的鉆頭底部設(shè)有金剛石磨盤，可以在鉆制試件的終末對試件端部進(jìn)行磨平處理，為后續(xù)試驗提供基準(zhǔn)面，保證試件端面與軸線嚴(yán)格垂直，即在現(xiàn)場制作標(biāo)準(zhǔn)試件。

1.2.2 環(huán)箍法試驗

鉆制試件后，支持兩種試驗方式，一是卸下鉆磨機，保持承臺不動，換裝環(huán)箍儀，以同一承臺為基準(zhǔn)，對試件進(jìn)行原位環(huán)箍試驗，取得試件破壞時的最大壓力值，換算為混凝土強度值，如圖 5 所示；二是將試件取下，在現(xiàn)場將試件放入環(huán)箍儀，以試件端部的磨平面為基準(zhǔn)面與環(huán)箍儀基準(zhǔn)面良好接觸的形式保證試件受到垂直于軸線的環(huán)箍力，對試件進(jìn)行現(xiàn)場環(huán)箍試驗，取得試件破壞時的最大壓力值，換算為混凝土強度值。

圖5 自動原位環(huán)箍儀運作示例

由于第一種方式不易在標(biāo)準(zhǔn)試塊上完成大量試驗并取得試驗數(shù)據(jù)，且其適用的強度范圍受到設(shè)備本身技術(shù)條件限制較大，目前還不太成熟。本文以相對簡單直觀的第二種方式介紹“環(huán)箍法”試驗研究情況。

取下現(xiàn)場制備好的混凝土試件，將試件被磨平的端面向內(nèi)置于環(huán)箍環(huán)內(nèi)，使混凝土試件被磨平端面與環(huán)箍環(huán)底面嚴(yán)密接合，如圖 6（a）所示；進(jìn)行液壓系統(tǒng)動作，使環(huán)箍環(huán)收縮直至混凝土試件破壞，如圖 6（b）所示，記錄破形力?，F(xiàn)場環(huán)箍儀的組成如圖 7 所示。

圖6 環(huán)箍環(huán)試驗運作示例

圖7 現(xiàn)場環(huán)箍儀組成

2 研究方法及技術(shù)路線

2.1 混凝土強度等級及測試齡期分布情況

項目試驗采用邊長為 150 mm 的標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊，混凝土強度等級為 C20、C30、C40、C50、C60，測試齡期為 7、14、28、60、90、180、360 d 及長齡期。

2.2 試塊制作要求及各強度等級、各齡期試塊數(shù)量

選用地區(qū)常用原材料：普通硅酸鹽水泥、中砂、5～25 mm 粒徑碎石、當(dāng)?shù)刈詠硭?；礦物摻合料為粉煤灰、礦粉等?；炷劣盟喾?GB 175-2007《通用硅酸鹽水泥》［1］的規(guī)定；混凝土用砂、石符合 JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》［2］的規(guī)定；混凝土拌合用水符合 JGJ 63-2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》［3］的規(guī)定。

試塊制作及養(yǎng)護(hù)要求：①試模符合 JG/T 237-2008《混凝土試模》［4］的規(guī)定；②每一混凝土強度等級的試塊，應(yīng)在同一盤或同一車混凝土中取出，均勻裝模振動成型；③同一強度等級的混凝土，一次成型完成；④試塊拆模后澆水養(yǎng)護(hù) 7 d，然后按“品”字形碼放在不受日曬雨淋處自然養(yǎng)護(hù)，如圖 8 所示；⑤試塊的測試齡期分為 7、14、28、60、90、180、360 d 及長齡期試塊；⑥試塊制作數(shù)量包括 28 d 齡期每強度等級 3 組（其中 1 組進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)），其它齡期每強度等級 2 組。

圖8 “品”字形碼放的混凝土試塊

2.3 試驗研究方法與程序

1）主要儀器設(shè)備。共承臺原位環(huán)箍混凝土強度測試儀、專用鉆磨機、芯樣切磨設(shè)備、壓力機等。

2）試塊編號規(guī)則。將待測試的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊依次編號，編號規(guī)則以 C20、7 d 試驗為例：6 個試塊依次編號為：200701、200702、200703、200704、200705、200706，其中“20”代表強度為 C20、“07”代表測試齡期為 7 d、“01～06”代表試塊順序號。

3）使用專用試驗臺及鉆具。在 01#～03# 標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊的側(cè)面分別鉆取 1 個Ф100 mm 芯樣，在每個試塊的側(cè)面剩余部分使用專用共承臺鉆磨機鉆制Ф38 mm×65 mm、Ф38 mm×135 mm 環(huán)箍試件各 2 個，如圖 9 所示。

圖9 環(huán)箍試件布置方式

4）按照 J GJ/T 384-2016《鉆芯法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程》［5］要求將Ф100 m m 芯 樣加工后制成標(biāo)準(zhǔn)芯樣進(jìn)行抗壓試驗，獲得破型力，如圖10所示。

圖10 標(biāo)準(zhǔn)芯樣試件切磨加工及試壓

5）待環(huán)箍試件表面自然風(fēng)干后進(jìn)行環(huán)箍測試。在進(jìn)行環(huán)箍測試前，在試件擬環(huán)箍位置使用游標(biāo)卡尺測量相互垂直的兩個直徑長度并記錄，精確至 0.1 mm。環(huán)箍測試時，將試件磨平端面置于環(huán)箍儀底部平面上，啟動環(huán)箍儀對試件施加環(huán)箍力，直至試件破壞，記錄試件破壞荷載值，精確至 1 N，如圖 11 所示。

圖11 環(huán)箍試件及破壞形式

其中：Ф38 mm×65 mm 試件使用 10 mm 環(huán)箍環(huán)在距離磨平面 30 mm 位置進(jìn)行環(huán)箍測試，獲得破型力；Ф38 mm×135 mm 試件使用 10 mm 環(huán)箍環(huán)在距離磨平面 75 mm 位置進(jìn)行環(huán)箍測試，獲得破型力；Ф38 mm×135 mm 試件使用 20 mm 環(huán)箍環(huán)在距離磨平面 30 mm 位置進(jìn)行環(huán)箍測試，獲得破型力。

6）同齡期標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊抗壓強度試驗。另取同時成型、同條件養(yǎng)護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊 3 塊，按照 GB/T 50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo) 準(zhǔn)》［6］進(jìn)行試驗，記錄試塊破型力，精確至 1 N，如圖 12 所示。

圖12 標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊試驗

2.4 試驗數(shù)據(jù)整理

將每個強度等級、每個齡期獲得的標(biāo)準(zhǔn)芯樣試件抗壓強度值、標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊抗壓強度值、環(huán)箍試件環(huán)箍強度值進(jìn)行匯總列表，進(jìn)行如下數(shù)據(jù)分析。

[11]黃廓，姜飛.國際主流媒體發(fā)展戰(zhàn)略研究及其對中國國際傳播的啟示[J].現(xiàn)代傳播（中國傳媒大學(xué)學(xué)報），2013（2）

1）驗證并確認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)芯樣試件抗壓強度值與標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊抗壓強度值的對應(yīng)關(guān)系；

2）對同強度等級同齡期同母體的相同環(huán)箍寬度、不同環(huán)箍深度的環(huán)箍強度數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，分析環(huán)箍深度對試驗數(shù)據(jù)的影響；

3）對同強度等級同齡期同母體的相同環(huán)箍深度、不同環(huán)箍寬度的環(huán)箍強度數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析，分析環(huán)箍寬度對試驗數(shù)據(jù)的影響。

2.5 誤差分析

對所有環(huán)箍深度 30 mm、環(huán)箍寬度 10 mm 的試件的環(huán)箍強度和與其同試塊鉆取的標(biāo)準(zhǔn)芯樣試件抗壓強度值進(jìn)行匯總對應(yīng)分析，比較不同回歸方程的精度，并最終選定最優(yōu)回歸方程形式，確定強度推定公式，分析測強曲線誤差。

3 研究成果

課題共取得原始數(shù)據(jù) 300 余組，齡期涵蓋 14、28、60、90、180、360 d 及 1 y 以上長齡期，設(shè)計強度等級為 C20、C30、C40、C50、C60，實測標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊抗壓強度范圍 20.5～60.9 MPa，實測標(biāo)準(zhǔn)芯樣試件抗壓強度范圍 18.4～92.8 MPa。

3.1 驗證芯樣試件和立方體試塊抗壓強度間的關(guān)系

首先將各強度、各齡期的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊抗壓強度與在同時成型、同條件養(yǎng)護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊上鉆取并加工的標(biāo)準(zhǔn)芯樣試件抗壓強度進(jìn)行比對分析，強度關(guān)系曲線如圖 13 所示，曲線公式如式（1）所示。

圖13 標(biāo)準(zhǔn)芯樣試件與標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊抗壓強度關(guān)系曲線

式中：y為標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊抗壓強度，MPa；x為在同時成型、同條件養(yǎng)護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊上鉆取并加工制作的標(biāo)準(zhǔn)芯樣試件抗壓強度，MPa。

式（1）的相關(guān)系數(shù)R2=0.928 2，在數(shù)據(jù)回歸過程中，采用 39 組數(shù)據(jù)，剔除異常數(shù)據(jù) 0 組。

3.2 不同深度、不同環(huán)箍寬度的環(huán)箍法試驗及數(shù)據(jù)分析

1）對直徑38mm環(huán)箍試件距離試件頂面 75 mm 處使用 10 mm 寬度的環(huán)箍環(huán)進(jìn)行環(huán)箍測試，獲得試件破壞時的最大壓力，與環(huán)箍環(huán)寬度、試件直徑共同計算出環(huán)箍破壞強度；在同一個標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊上同時鉆取并制作直徑 100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)芯樣試件，按標(biāo)準(zhǔn)方法試壓獲得抗壓強度，將環(huán)箍強度與標(biāo)準(zhǔn)芯樣抗壓強度數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到基于“芯樣抗壓強度值”的“深度 75 mm 寬度 10 mm 環(huán)箍”檢測混凝土抗壓強度測強曲線如圖 14 所示，公式如式（2）所示。式中：x為深度 75 mm 寬度 10 mm 環(huán)箍強度，MPa；y為在同一標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊上鉆取并加工制作的標(biāo)準(zhǔn)芯樣試件抗壓強度，MPa。

式（2）的相關(guān)系數(shù)R2=0.725 8；相對標(biāo)準(zhǔn)差er= 19.91 %；平均相對誤差δ=14.32 %，如圖 14 所示。在數(shù)據(jù)回歸過程中，采用 48 組數(shù)據(jù)，剔除異常數(shù)據(jù) 0 組。

圖14 深度 75 mm 寬度 10 mm 環(huán)箍強度關(guān)系曲線

2）對直徑 38 mm 環(huán)箍試件距離試件頂面 30 mm 處使用 10 mm 寬度的環(huán)箍環(huán)進(jìn)行環(huán)箍測試，獲得試件破壞時的最大壓力，與環(huán)箍環(huán)寬度、試件直徑共同計算出環(huán)箍破壞強度；在同一個標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊上同時鉆取并制作直徑 100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)芯樣試件，按標(biāo)準(zhǔn)方法試壓獲得抗壓強度，將環(huán)箍強度與標(biāo)準(zhǔn)芯樣抗壓強度數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到基于“芯樣抗壓強度值”的“深度 30 mm 寬度 10 mm 環(huán)箍”檢測混凝土抗壓強度測強曲線如圖 15 所示，公式如（3）所示。

圖15 深度 30 mm 寬度 10 mm 環(huán)箍強度關(guān)系曲線

式中：x為深度 30 mm 寬度 10 mm 環(huán)箍強度，MPa；y為在同一標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊上鉆取并加工制作的標(biāo)準(zhǔn)芯樣試件抗壓強度，MPa。

式（3）的相關(guān)系數(shù)R2=0.677 2；相對標(biāo)準(zhǔn)差er= 23.04 %；平均相對誤差δ=15.64 %，在數(shù)據(jù)回歸過程中，采用 48 組數(shù)據(jù)，剔除異常數(shù)據(jù) 0 組。

3）對直徑 38 mm 環(huán)箍試件距離試件頂面 30 mm 處使用 20 mm 寬度的環(huán)箍環(huán)進(jìn)行環(huán)箍測試，獲得試件破壞時的最大壓力，與環(huán)箍環(huán)寬度、試件直徑共同計算出環(huán)箍破壞強度；在同一個標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊上同時鉆取并制作直徑 100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)芯樣試件，按標(biāo)準(zhǔn)方法試壓獲得抗壓強度，將環(huán)箍強度與標(biāo)準(zhǔn)芯樣抗壓強度數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到基于“芯樣抗壓強度值”的“深度 30 mm 寬度 20 mm 環(huán)箍”檢測混凝土抗壓強度測強曲線如圖 16 所示，公式如式（4）所示。

式中：x為深度 30 mm 寬度 20 mm 環(huán)箍強度，MPa；y為在同一標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊上鉆取并加工制作的標(biāo)準(zhǔn)芯樣試件抗壓強度，MPa。

式（4）的相關(guān)系數(shù)R2=0.850 2；相對標(biāo)準(zhǔn)差er= 14.81 %；平均相對誤差δ=11.11 %，如圖 16 所示。在數(shù)據(jù)回歸過程中，采用 48 組數(shù)據(jù)，剔除異常數(shù)據(jù) 0 組。

圖16 深度 30 mm 寬度 20 mm 環(huán)箍強度關(guān)系曲線

4）將上述1）、2）的數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?1 所示。

表1 數(shù)據(jù)匯總表

通過表 1 可得出如下結(jié)論：環(huán)箍測試深度在 30 mm 以上時對測試精度影響不大，使用寬度為 20 mm 的環(huán)箍環(huán)進(jìn)行環(huán)箍測試的精度明顯高于 10 mm 寬度的環(huán)箍環(huán)，其測試精度接近專用測強曲線水平。故優(yōu)選 20 mm 寬度環(huán)箍環(huán)進(jìn)行環(huán)箍測試。

4 工程驗證

1）采用鉆芯法對某工程剪力墻構(gòu)件混凝土抗壓強度進(jìn)行檢測，同時使用“共承臺原位環(huán)箍法”進(jìn)行平行比對試驗，結(jié)果如表 2 所示。

表2 實際工程中與鉆芯法的數(shù)據(jù)對比

2）采用回彈法對某工程框架柱構(gòu)件混凝土抗壓強度進(jìn)行檢測，同時使用“共承臺原位環(huán)箍法”進(jìn)行平行比對試驗，結(jié)果如表3 所示。

表3 實際工程中與回彈法的數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)論性意見

5.1 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

與現(xiàn)有混凝土強度檢測方法相比，共承臺原位環(huán)箍法檢測混凝土強度具備如下優(yōu)勢：

1）與直拔法相比，一是環(huán)箍法是對混凝土試件施加環(huán)向壓力，規(guī)避了直拔法使用混凝土抗拉強度“以小博大”的劣勢，精度更高；二是直拔法試件受拉，在最薄弱部位被拉斷，屬于無約束破壞，無法控制試件破壞面的形狀，進(jìn)而造成無法準(zhǔn)確計算破壞面積和抗壓強度，環(huán)箍法試件受環(huán)箍力直至破壞，其受力面為被約束的規(guī)則圓環(huán)，便于計算受力面積和抗壓強度；

2）與回彈法或超聲回彈綜合法相比，環(huán)箍法通過對混凝土試件在距端面一定深度處施加環(huán)箍力直至破壞，測得的強度數(shù)據(jù)更為直接；

3）與鉆芯法相比，一是環(huán)箍法試件直徑較小、深度較淺，可用于密集配筋及薄壁構(gòu)件的檢測；二是環(huán)箍法在現(xiàn)場即可取得檢測數(shù)據(jù)，大幅提高檢測效率；

4）與預(yù)埋或后裝拔出法相比，環(huán)箍法試件受力面為規(guī)則的圓環(huán)，便于計算受力面積；環(huán)箍法破壞面小，便于后期修補。

5.2 創(chuàng)新點

1）與普通鉆芯機取樣方法相比，環(huán)箍法使用專用承臺固定鉆磨機，鉆磨機沿均勻分布在擬鉆制試件位置周邊的相互平行的多個定位軸給進(jìn)，保證鉆制的試件側(cè)壁順直、各截面均勻一致，為后續(xù)試驗提供有利條件；

2）與普通金剛石薄壁鉆頭相比，環(huán)箍法鉆制試件的鉆頭底部設(shè)有金剛石磨盤，可以在鉆制試件的終末對試件端部進(jìn)行磨平處理，為后續(xù)試驗提供基準(zhǔn)面，保證試件端面與軸線嚴(yán)格垂直，達(dá)到在現(xiàn)場制作標(biāo)準(zhǔn)試件的目的；

3）環(huán)箍法支持兩種工作模式，可以在現(xiàn)場鉆制試件，在原位或?qū)⒃嚰∠潞笤诂F(xiàn)場對試件側(cè)壁施加垂直于試件軸線的環(huán)箍力，對試件進(jìn)行環(huán)向持續(xù)夾緊，直至試件破壞，取得破壞時的最大力值。環(huán)箍環(huán)的寬度相對固定，便于準(zhǔn)確計算環(huán)箍應(yīng)力。

6 結(jié)語

本文給出了一種新的混凝土強度現(xiàn)場檢測方法，能夠彌補現(xiàn)有檢測方法的不足，實現(xiàn)在現(xiàn)場完成混凝土強度的快捷、直觀檢測，進(jìn)一步提高檢測的效率和準(zhǔn)確度，使工程質(zhì)量得到更好的控制，同時能夠為完善相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)提供參考。由于時間及條件限制，本文采用的數(shù)據(jù)強度覆蓋面有限、原位智能化一體式試驗設(shè)備有待進(jìn)一步深入研發(fā)。Q