黃禮維

（中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066）

0 引言

在江習(xí)高速公路（重慶江津到貴州習(xí)水）的建設(shè)中，橋梁工程預(yù)制T梁和現(xiàn)澆箱梁均對(duì)混凝土彈性模量進(jìn)行了設(shè)計(jì)要求，為3.45×104MPa，并且進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)彈性模量不小于設(shè)計(jì)值的90%。江習(xí)高速公路的預(yù)制T梁總設(shè)計(jì)量在2600多片，現(xiàn)澆箱梁也達(dá)到了500多聯(lián)，按照設(shè)計(jì)混凝土彈性模量試驗(yàn)將達(dá)到6200多組（28d齡期和預(yù)應(yīng)力張拉齡期各一組）以上，混凝土彈性模量試驗(yàn)檢測(cè)頻率高、檢測(cè)過程復(fù)雜，耗時(shí)長，試件制作齡期28d后進(jìn)行試驗(yàn)，容易出現(xiàn)3個(gè)試件數(shù)據(jù)超過規(guī)范要求導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果無效，造成現(xiàn)場(chǎng)施工無檢測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)，導(dǎo)致施工成本增加和工期延長，所以如何快速精準(zhǔn)檢測(cè)出混凝土彈性模量數(shù)據(jù)是進(jìn)度控制關(guān)鍵點(diǎn)之一。為解決該問題，開發(fā)研制出帶水準(zhǔn)混凝土彈性模量測(cè)定裝置，本文對(duì)結(jié)構(gòu)與原理進(jìn)行闡述，并介紹其使用方法。

1 混凝土彈性模量測(cè)試過程

混凝土彈性模量測(cè)試過程主要分為測(cè)軸心抗壓強(qiáng)度值、對(duì)中、調(diào)整、預(yù)壓、測(cè)試和再測(cè)軸心抗壓強(qiáng)度6個(gè)步驟：

（1）測(cè)試軸心抗壓強(qiáng)度用于計(jì)算后續(xù)加載值；

（2）在試件上劃線標(biāo)記安裝基準(zhǔn)線，將檢測(cè)裝置安裝于試件基準(zhǔn)線上，水平安裝牢固后，對(duì)中放置于壓力機(jī)上；

（3）在壓力機(jī)上進(jìn)行勻速加載讀取千分表初讀數(shù)及終讀數(shù)，計(jì)算初、終讀數(shù)超限則調(diào)整對(duì)中過程，重復(fù)上述步驟直至初、終讀數(shù)符合要求；

（4）按照勻速加載的速率進(jìn)行預(yù)壓，預(yù)壓不少于2次；

（5）開始測(cè)試試驗(yàn)，在預(yù)壓基礎(chǔ)上卸載至初始荷載，穩(wěn)壓后讀取千分表初始讀數(shù)，勻速加載至終荷載穩(wěn)壓后讀取千分表終讀數(shù)；

（6）松開檢測(cè)裝置，勻速加載至試件破壞，重復(fù)上述步驟直至試驗(yàn)完成。

2 傳統(tǒng)彈性模量測(cè)定裝置存在的問題

目前市場(chǎng)上所用彈性模量測(cè)定裝置由試驗(yàn)員在試件上測(cè)量標(biāo)距劃線定位，將上下支架安裝在定位處，由于上下支架由8個(gè)緊定螺釘進(jìn)行固定，在這個(gè)過程中由于試驗(yàn)員難以同時(shí)進(jìn)行固定，造成上下支架之間標(biāo)距不能精準(zhǔn)至150mm，標(biāo)距的不準(zhǔn)確將直接影響試驗(yàn)結(jié)果的大??；上下支架在安裝完成后的不平行直接導(dǎo)致試驗(yàn)時(shí)對(duì)中步驟不滿足規(guī)范要求，試驗(yàn)員將再次卸下裝置重新組裝，這樣耗時(shí)費(fèi)力也不能精準(zhǔn)測(cè)量出混凝土的彈性模量。

3 帶水準(zhǔn)混凝土彈性模量測(cè)定裝置的結(jié)構(gòu)

針對(duì)上述存在的問題，研制了帶水準(zhǔn)混凝土彈性模量測(cè)定裝置，創(chuàng)新加入圓水準(zhǔn)器設(shè)計(jì)，在緊固安裝裝置過程中可以隨時(shí)觀察水平狀態(tài)，減少對(duì)中失誤及重復(fù)拆裝工作；采用定位板直接定位標(biāo)距150mm，減少了傳統(tǒng)劃線標(biāo)記的過程；采用機(jī)械式千分表進(jìn)行讀數(shù)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，同時(shí)在支架上可以360°任意旋轉(zhuǎn)安裝，解決了傳統(tǒng)千分表方向不能任意調(diào)整的弊端。

3.1 裝置的整體設(shè)計(jì)

開發(fā)研制的帶水準(zhǔn)混凝土彈性模量測(cè)定裝置是測(cè)定混凝土彈性模量的專用設(shè)備，適用于混凝土彈性模量試驗(yàn)檢測(cè)。主要由固定架（上環(huán)及下環(huán)、圓水準(zhǔn)器、緊固螺釘）、讀數(shù)系統(tǒng)（千分表支架、千分表、接觸桿）、定位裝置（定位板、定位螺釘、定位栓、底板）三個(gè)部分組成。帶水準(zhǔn)混凝土彈性模量測(cè)定裝置設(shè)計(jì)三維效果見圖1。

圖1 帶水準(zhǔn)混凝土彈性模量測(cè)定裝置設(shè)計(jì)三維效果圖

3.2 固定架設(shè)計(jì)與加工

根據(jù)現(xiàn)行國家及行業(yè)規(guī)范，混凝土彈性模量試件尺寸 一 般 為150mm×150mm×150mm、100mm×100mm×300mm、200mm×200mm×400mm的圓柱體或相應(yīng)的棱柱體試件，綜合以上因素確定固定支架的內(nèi)徑為222mm能夠基本滿足檢查需要，采用緊固螺母固定，在固定架的上環(huán)及下環(huán)創(chuàng)新加入圓水準(zhǔn)器，采用對(duì)稱設(shè)計(jì)，可以在定位板軸線水平面上確保固定架的水平狀態(tài)，確保固定架的安裝效率和使用效果。

固定架加工采用20mm厚、18mm寬耐腐蝕、不易銹蝕及變形的高強(qiáng)度不銹鋼材制成外徑258mm（內(nèi)徑222mm）的上環(huán)和下環(huán)，然后用同樣材質(zhì)不銹鋼制作8根Ф10mm長度不小于85mm緊定螺釘。在上環(huán)和下環(huán)厚度方向0°、90°、180°、270°分別打孔能夠緊固Ф10mm螺釘?shù)穆菽福c8根緊定螺釘能夠配套使用；然后在上環(huán)厚度方向45°和225°開孔Ф5mm，預(yù)留定位板上面的定位孔，在下環(huán)厚度方向45°和225°開孔Ф8mm，與定位螺釘配套的螺孔。在上環(huán)寬度方向165°和345°預(yù)留Ф10mm固定千分表支架孔，在下環(huán)寬度方向165°和345°預(yù)留Ф8mm固定接觸桿孔。在上環(huán)和下環(huán)寬度方向135°和315°方向安裝四個(gè)Ф12mm×8mm的圓水準(zhǔn)器孔。固定架設(shè)計(jì)及加工圖見圖2。

圖2 固定架設(shè)計(jì)及加工圖（單位：mm）

3.3 讀數(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與加工

千分表支架創(chuàng)新采用深U型設(shè)計(jì)，可以使千分表在支架上360°任意旋轉(zhuǎn)，可以根據(jù)試件在壓力機(jī)中心位置任意調(diào)整千分表方向便于讀取數(shù)據(jù)；根據(jù)規(guī)范要求讀數(shù)裝置可以采用指針式或應(yīng)變式數(shù)字顯示，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需要和讀數(shù)準(zhǔn)確性考慮采用機(jī)械式千分表作為讀數(shù)系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)，其性能穩(wěn)定性優(yōu)于數(shù)顯式千分表。

加強(qiáng)項(xiàng)目監(jiān)管實(shí)現(xiàn)多方位。全年制定出臺(tái)東北四省區(qū)節(jié)水增糧行動(dòng)、農(nóng)村飲水安全等管理制度21項(xiàng)。對(duì)23個(gè)省份的飲水安全和25個(gè)省份的小農(nóng)水重點(diǎn)縣進(jìn)行了稽察和督促整改，通過“飛行”檢查、專項(xiàng)督導(dǎo)、信息化跟蹤、約談通報(bào)，以及強(qiáng)化農(nóng)村水利項(xiàng)目稽察、督促整改等措施，進(jìn)一步強(qiáng)化重點(diǎn)項(xiàng)目和關(guān)鍵環(huán)節(jié)的有效監(jiān)管。強(qiáng)化績效考核，不斷完善小農(nóng)水重點(diǎn)縣、飲水安全和灌區(qū)改造等項(xiàng)目績效考核辦法，并兌現(xiàn)獎(jiǎng)懲，有力促進(jìn)了地方資金落實(shí)和項(xiàng)目規(guī)范建設(shè)。

加工選用千分表精確度為I級(jí)、量程為0～1mm、精度為0.001mm。接觸桿由上盤Ф15mm，下接Ф8mm螺桿，與下環(huán)寬度方向165°和345°預(yù)留Ф8mm固定接觸桿孔配套使用。千分表支架由兩個(gè)深U型組成，材質(zhì)與上下環(huán)一致，全長108mm，厚9mm，寬24mm，上與上環(huán)寬度方向165°和345°預(yù)留Ф10mm孔固定，下用于固定千分表。讀數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及加工圖見圖3。

圖3 讀數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與加工圖（單位：mm）

3.4 定位裝置的設(shè)計(jì)與加工

定位裝置根據(jù)檢測(cè)過程的需要，較傳統(tǒng)標(biāo)記劃線方法簡化操作過程，采用定位板加定位螺栓的方式，定位栓橫向中心線與定位螺釘橫向中心線距離設(shè)計(jì)為150mm，能夠有效快速準(zhǔn)確定位出標(biāo)距150mm，節(jié)約標(biāo)距定位過程時(shí)間。

定位裝置加工定位板2塊，采用與上下環(huán)一致的不銹鋼材質(zhì)，定位板寬25mm，高235mm（包括了底板厚度），厚4mm，定位板下焊接長48mm，寬12mm的底板，能夠讓定位板更能穩(wěn)固。在定位板離地高75mm處開孔Ф8mm螺孔，與下環(huán)厚度方向45°和225°開孔Ф8mm對(duì)齊。在定位板離地高225mm處焊接一個(gè)Ф5mm定位栓，與上環(huán)厚度方向45°和225°開孔Ф5mm的配套使用。定位螺釘2個(gè)，采用與上下環(huán)一致的不銹鋼材質(zhì)，螺釘Ф8mm長度不大于20mm，與定位板離地高75mm處開孔Ф8mm螺孔，與下環(huán)厚度方向45°和225°開孔Ф8mm螺孔均能配套使用[1]。定位裝置設(shè)計(jì)與加工圖見圖4。

圖4 定位裝置設(shè)計(jì)及加工圖（單位：mm）

4 使用方法

4.1 組裝

首先將8根緊定螺釘擰入上環(huán)和下環(huán)預(yù)留螺母孔內(nèi)，使連接緊密，定位板定位栓與上環(huán)預(yù)留孔連接，不能留有縫隙；定位板與下環(huán)預(yù)留孔用定位螺釘連接，連接緊密牢固，將千分表支架固定在上環(huán)預(yù)留孔處，將接觸桿固定在下環(huán)預(yù)留孔處，將千分表安裝在千分表支架上面，千分表可以在支架上360°旋轉(zhuǎn)，且安裝牢固，千分表指針活動(dòng)自由，圓水準(zhǔn)器安裝在上環(huán)及下環(huán)對(duì)稱位置處，將圓水準(zhǔn)器四周密封處理，裝置內(nèi)有較多開孔處及焊接處，進(jìn)行打磨處理。整個(gè)裝置進(jìn)行去棱角工藝處理，防止劃傷試驗(yàn)人員，完成后在裝置表面噴涂一層烤漆，防止氧化銹蝕，同時(shí)可增加外觀美觀度[2-3]（見圖5）。

圖5 組裝實(shí)體圖

4.2 使用

組裝完成后，取出一組試件6個(gè)，將其中3個(gè)做軸心抗壓強(qiáng)度用于計(jì)算加載荷載值，從剩余3根試件任意選擇1根試件將表面擦拭干凈，將裝置8根緊定螺釘松開后從上往下套入試件；用圓水準(zhǔn)器進(jìn)行調(diào)平，然后8根緊定螺釘對(duì)稱緩慢擰入，隨時(shí)觀察圓水準(zhǔn)器是否處于居中狀態(tài)，待擰緊8根緊定螺釘后松開定位板上的定位螺釘；取下定位板，測(cè)量標(biāo)距L=150mm，兩側(cè)千分表對(duì)稱水平安裝，安裝完成后將試件加裝置一起放置于壓力機(jī)中心位置，調(diào)整兩側(cè)千分表方向，便于讀取數(shù)據(jù)；開始加載至初始荷載值F0，并持續(xù)穩(wěn)壓60s后立即讀取兩側(cè)千分表讀數(shù)E10、E20，然后以0.6±0.4MPa/s的連續(xù)加載速度加載至1/3軸心抗壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的荷載值Fa，并持續(xù)穩(wěn)壓60s后立即讀取兩側(cè)千分表讀數(shù)E1、E2；E10、E20與E1、E2均未超過其平均值的20%，開始進(jìn)行預(yù)壓，以上述恒定速率加壓至初始荷載值F0，持續(xù)穩(wěn)壓60s后再以恒定速率加壓至荷載值Fa，試驗(yàn)加壓過程中應(yīng)隨時(shí)觀察圓水準(zhǔn)器居中狀況，持續(xù)穩(wěn)壓60s后卸載至初始荷載值，至少重復(fù)上述預(yù)壓步驟兩次以上；正式試驗(yàn)開始，在上述預(yù)壓最后一次后，保持穩(wěn)壓60s后立即讀取兩側(cè)千分表讀數(shù)E10、E20，再以上述恒定速率加壓至荷載值Fa，保持穩(wěn)壓60s后立即讀取兩側(cè)千分表讀數(shù)E1、E2，讀數(shù)完成后立即松開裝置，以上述恒定速率加載至試件破壞，記錄破壞荷載，剩余2根試件按照上述步驟完成試驗(yàn)。通過公式（1）計(jì)算出單根混凝土彈性模量，取3根混凝土彈性模量平均值作為最終結(jié)果。

式中：

EC——混凝土抗壓彈性模量，MPa；

F0——初始荷載（0.5MPa對(duì)應(yīng)的荷載值），N；

L——標(biāo)距（一般為150mm），mm；

A——試件承壓面積，mm2；

Δn——最后一次加荷變形平均值（E1+E2）/2-(E10+E20)/2），mm。

5 圓水準(zhǔn)器及定位板的作用

傳統(tǒng)檢測(cè)裝置沒有圓水準(zhǔn)器，檢測(cè)過程中裝置安裝難以調(diào)整水平，出現(xiàn)反復(fù)拆裝調(diào)整，造成檢測(cè)用時(shí)長；同時(shí)在檢測(cè)過程中不能有效觀察試件形變方向，有時(shí)因偏心受壓無法察覺導(dǎo)致試件被直接壓壞，從而不能有效檢測(cè)出該組試件的彈性模量值，造成現(xiàn)場(chǎng)無實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以參照。新研制帶水準(zhǔn)混凝土彈性模量測(cè)定裝置安裝了圓水準(zhǔn)器，在裝置安裝過程中可以隨時(shí)觀察水平情況，在緊固過程根據(jù)水準(zhǔn)氣泡的方向進(jìn)行微調(diào)，確保能夠一次將裝置安裝于測(cè)試試件上，同時(shí)在檢測(cè)過程中可以觀察試件受力變形情況，防止偏心受壓等情況，安裝圓水準(zhǔn)器后直接降低重復(fù)安裝次數(shù)，提升混凝土彈性模量檢測(cè)結(jié)果有效性。

定位板能夠準(zhǔn)確定位測(cè)量標(biāo)距150mm，減少了傳統(tǒng)方法中的人工劃線、安裝等步驟，且定位的準(zhǔn)確性和便捷性較傳統(tǒng)方法有較高的提升。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)論證，以定位板的方法進(jìn)行標(biāo)距，其檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性較傳統(tǒng)方法提升10%以上，安裝過程速度較傳統(tǒng)方法減少耗時(shí)5min以上，為整個(gè)混凝土彈性模量測(cè)定提供了良好的基礎(chǔ)條件。

6 使用效果對(duì)比

將帶水準(zhǔn)混凝土彈性模量測(cè)定裝置用于江習(xí)高速公路預(yù)應(yīng)力混凝土彈性模量檢測(cè)工作中，通過近300組混凝土彈性模量試驗(yàn)，采用1人獨(dú)立操作，全部一次標(biāo)距合格，僅3組試驗(yàn)重新對(duì)中一次，平均耗時(shí)約55min，較傳統(tǒng)方法平均耗時(shí)120min能夠節(jié)約時(shí)間一半以上，本裝置檢測(cè)混凝土彈性模量效率提高，檢測(cè)精度也明顯提高。

對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備與帶水準(zhǔn)混凝土彈性模量測(cè)定裝置檢測(cè)過程進(jìn)行對(duì)比，見表1。

表1 新舊方法檢測(cè)對(duì)比表

帶水準(zhǔn)混凝土彈性模量測(cè)定裝置在江習(xí)高速公路工程和西藏加查水電站中成功應(yīng)用（見圖6和圖7），為工地試驗(yàn)室及時(shí)檢測(cè)出混凝土彈性模量參數(shù)提供了有力支撐，最終按照預(yù)期工期和要求順利完成預(yù)應(yīng)力混凝土施工，且混凝土彈性模量指標(biāo)檢測(cè)全部及時(shí)完成。帶水準(zhǔn)混凝土彈性模量測(cè)定裝置既可以測(cè)量棱柱體試件，也可以同時(shí)測(cè)量圓柱形試件，能直接測(cè)試直徑100～200mm的混凝土試件，測(cè)量試件尺寸較傳統(tǒng)設(shè)備范圍大，檢測(cè)混凝土彈性模量過程標(biāo)距準(zhǔn)確、速度快、精度高，操作簡便，外觀大方，在檢測(cè)行業(yè)具有一定推廣意義。

圖6 江習(xí)高速立方體試件檢測(cè)混凝土彈性模量

圖7 加查水電站大直徑圓柱體試件檢測(cè)

7 結(jié)束語

帶水準(zhǔn)混凝土彈性模量測(cè)定裝置的成功研制，解決了傳統(tǒng)混凝土彈性模量設(shè)備及檢測(cè)過程存在的不足，其優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：裝置既可以作為試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備使用，也可作為教學(xué)儀器使用；定位板底板尺寸滿足試驗(yàn)時(shí)不與試件接觸，又能在教學(xué)時(shí)保持裝置“站立”的作用；圓水準(zhǔn)器安裝角度和尺寸，在定位及對(duì)中中均能夠起到關(guān)鍵作用，在試驗(yàn)時(shí)還可以作為變形方向的參考；接觸桿可以自由上下旋轉(zhuǎn)，在千分表固定后直接調(diào)節(jié)接觸桿就能做到千分表快速定位歸零；定位板在快速精準(zhǔn)定位后，保證標(biāo)距150mm的準(zhǔn)確度，同時(shí)提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度；千分表支架U型設(shè)計(jì)能夠滿足千分表在任何角度范圍旋轉(zhuǎn)，保證千分表安裝不受限制；該裝置制作成本低，試驗(yàn)檢測(cè)速度快，效率高，能間接降低檢測(cè)成本。