關于鉆芯法評定混凝土實體抗壓強度的思考

摘要：本課題組一直持續(xù)對混凝土芯樣的研究工作，獲取了大量的研究數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析總結(jié)，得出芯樣直徑、高徑比、取芯方向及端面平整度對抗壓強度的影響結(jié)論，提出加大微小芯樣或者短芯樣的研究，更好地為工程質(zhì)量建設服務。

Abstract： The research group has been continuously working on the concrete core samples， and has obtained a large number of research data. Through data analysis and summary， it has come to the conclusion that the core sample diameter， height diameter ratio， coring direction and end face flatness have an impact on the compressive strength， and it has put forward to increase the research on micro core samples or short core samples， so as to better serve the construction of project quality.

關鍵詞：芯樣;強度;高徑比;直徑;平整度

1? 概述

用回彈法、超聲回彈綜合法、鉆芯法檢測混凝土結(jié)構(gòu)實體抗壓強度，是目前工程技術人員在混凝土結(jié)構(gòu)實體檢測中常采用的三種方法，由于采用數(shù)字式或指針直讀式回彈儀，數(shù)字式非金屬超聲波儀對現(xiàn)場混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件可以進行重復測試，不破壞混凝土結(jié)構(gòu)，便于大范圍檢測等優(yōu)點，因而在混凝土結(jié)構(gòu)工程實體檢測中得到了技術人員的廣泛應用。但是以鉆芯法為代表的微破損法更具有直觀性，能真實地反映混凝土結(jié)構(gòu)的實際狀況，是不可缺少的評定混凝土實體抗壓強度的有效方法。鉆芯法是利用人造金剛石薄壁鉆頭直接從混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件實體上鉆取若干個（組）芯樣，經(jīng)過雙刀切割機加工制作、自然養(yǎng)護或者飽和養(yǎng)護至規(guī)定齡期，使用試驗機進行抗壓強度檢測用以推定混凝土實體強度的一種不需要進行強度及相關參數(shù)之間換算的檢測方法。縱觀鉆芯法發(fā)展的歷程，建筑、公路、水工、水利水電等行業(yè)根據(jù)自己行業(yè)特點，制訂了具有行業(yè)特點的鉆芯法標準，主要有以下標準[8]：混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測技術標準（GB/T 50784-2013）;《混凝土強度檢驗評定標準》（GB/T50107-2010）;混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范（GB 50204-2015）;水工混凝土試驗規(guī)程（DL/T 5150-2017）;公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程（JTG E30-2005）;水利水電工程施工質(zhì)量檢驗與評定規(guī)程（SL176-2007）;鉆芯法檢測混凝土強度技術規(guī)程（JGJ/T384-2016）;鉆芯法檢測混凝土強度技術規(guī)程（CECS03：2007）;建筑地基檢測技術規(guī)范（JGJ 340-2015）;建筑基樁檢測技術規(guī)范（JGJ106-2014）等。除此之外，還有根據(jù)地方原材料的具體情況，制定了具有地方特色的鉆芯法標準或規(guī)程，所得到的檢測結(jié)果作為處理工程質(zhì)量事故的依據(jù)。

目前，在上述標準或者規(guī)程實施的過程中，主要以直徑100mm，高徑比為1：1的芯樣作為標準芯樣進行混凝土實體強度評定的。對于非標準芯樣如何進行混凝土實體強度評定，沒有統(tǒng)一的標準。在建筑行業(yè)《鉆芯法檢測混凝土強度技術規(guī)程》（CECS03：2007）等標準中規(guī)定：芯樣實際高徑比在0.95～1.05倍要求高徑比之外，相應的測試數(shù)據(jù)無效，在國標《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB 50204-2015）附錄D中規(guī)定：芯樣實際高徑比在0.98～1.02倍要求高徑比之外，相應的測試數(shù)據(jù)無效。另外還有對芯樣試件尺寸偏差及外觀質(zhì)量的要求：如芯樣高度方向的任一直徑與平均直徑相差大于2mm;端面的不平整度在100mm長度內(nèi)大于0.1mm;端面與軸線的不垂直度大于1°;芯樣有裂縫或有其他較大缺陷等[1]。在實際工作中很難達到上述要求的尺寸偏差及外觀質(zhì)量。因此許多檢測單位或科研機構(gòu)對芯樣在本地區(qū)推廣使用及完善和補充現(xiàn)行國家標準開展了研究工作。

直徑100mm，高徑比為1：1的標準芯樣之外的混凝土芯樣，統(tǒng)稱非標準芯樣（以下同）。各單位對非標準芯樣研究主要集中在三個方面：首先是對影響芯樣抗壓強度的因素進行分析研究，主要是分析芯樣尺寸效應（包括高徑比大小、端面不平整度、垂直度、裂縫、缺陷等）、干濕狀態(tài)、混凝土強度等級、粗骨料類型和最大粒徑、混凝土齡期等對抗壓強度的影響;其次，針對不同行業(yè)不同標準規(guī)程中有關混凝土芯樣的規(guī)定和相關取值的探討;三是關于抗壓強度推定及抗壓強度推定區(qū)間判定方法的討論。本文從芯樣尺寸效應是如何影響混凝土強度的問題進行探討，已達共識，并提出合理化建議。

2? 尺寸效應的影響

2.1 不同直徑對混凝土芯樣強度的影響

自2004年以來，本課題組一直持續(xù)對混凝土芯樣的研究工作，獲取了大量的研究數(shù)據(jù)。鉆取的芯樣見圖1，試驗數(shù)據(jù)見表1[4][5]。

“鉆芯法檢測混凝土強度技術規(guī)程”協(xié)會標準和行業(yè)標準等認為修正系數(shù)為1.0，通過對100mm、75mm、48mm三種直徑的芯樣在高徑比1：1時芯樣抗壓強度試驗，明顯得出混凝土實體抗壓強度值fcu，e與預留的混凝土試塊在同等條件養(yǎng)護下的抗壓強度值fcu存在修正系數(shù)，結(jié)合《水工混凝土試驗規(guī)程》（DL/T 5150-2017）中6.4.4第3條規(guī)定[3]：高徑比為1.0的芯樣試件抗壓強度，換算成150*150*150立方體的抗壓強度，應乘以換算系數(shù)（見表2）。將表2和表1按照比例換算得表3，不同直徑的芯樣換算為邊長150mm的立方體試件的抗壓強度換算系數(shù)K1，變化趨勢見圖2。建議芯樣強度值fcu，e除以換算系數(shù)K1后得到的抗壓強度值fcu≥fcu，k，判定為合格。這與現(xiàn)行的《國家標準混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GB50010-2010）中4.1.3條款規(guī)定一致，即結(jié)構(gòu)中混凝土的實體強度與混凝土立方體試件強度之間的差異，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)分析并參考其他國家的有關規(guī)定，對試件混凝土強度的修正系數(shù)取為0.88。

2.2 不同高徑比對混凝土芯樣強度的影響

在《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTG E30-2005）中規(guī)定，標準芯樣的直徑150mm、高徑比為2：1;其他標準中規(guī)定，標準芯樣的直徑100mm、高徑比為1：1。芯樣實際高徑比在0.95～1.05倍或者0.98～1.02倍要求高徑比之外為無效的檢測數(shù)據(jù)。而在實際現(xiàn)場鉆取芯樣的過程中，由于各種原因的存在，滿足標準或者規(guī)程要求的芯樣尺寸會給實際檢測工作帶來一定的困難（補樣），根據(jù)實際情況，課題組對不同高徑比的芯樣進行了研究，得到了芯樣強度和邊長150mm的立方體試件之間的抗壓強度換算系數(shù)K2（見表4），變化趨勢見圖3[6]。

2.3 不同取芯方向?qū)炷列緲訌姸鹊挠绊?/p>

國家標準《普通混凝土力學性能試驗方法標準（GB/T50081-2019）》規(guī)定[2]，混凝土立方體試塊是采用側(cè)面受壓（即試件的承壓面與澆筑面垂直）計算混凝土的抗壓強度代表值。由于實際工作的需要，在混凝土梁、柱及剪力墻上鉆取芯樣，芯樣受力狀況滿足標準要求。但在地圈梁、條形基礎及現(xiàn)澆樓板上取芯時，很難實現(xiàn)取芯方向與混凝土澆筑成型方向垂直，必然抽取與混凝土澆筑成型方向一致的芯樣（即試件的承壓面與澆筑面平行），這與國家標準要求的側(cè)面受壓不一致。本課題組進行了基礎性研究工作，鉆取了試件的承壓面與澆筑面垂直和試件的承壓面與澆筑面平行的芯樣，用平行于澆筑方向的芯樣強度除以垂直于澆筑方向的芯樣強度得到換算系數(shù)K3（見表5）[7]。

雖然不同直徑、不同高徑比影響芯樣強度，但是在相同直徑、相同高徑比的情況下，可以認為直徑、高徑比對不同取芯方向的影響是相同的，從表6可以看出，換算系數(shù)K3都大于1，說明平行于澆筑方向的芯樣強度高于垂直于澆筑方向的芯樣強度。這說明不同取芯方向（即平行于澆筑方向和垂直于澆筑方向）會影響芯樣的抗壓強度。由于取芯方向?qū)炷列緲涌箟簭姸鹊挠绊懯腔A性工作，在知網(wǎng)上查閱的資料較少，建議檢測單位在進行取芯工作中積累經(jīng)驗，獲取更多的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，將更有說服力。

2.4 端面精度對混凝土芯樣強度的影響

目前，對混凝土芯樣端面處理的方法，通常采用雙刀切割機鋸切混凝土芯樣后在采用機械磨平、環(huán)氧膠泥或聚合物水泥砂漿補平等三種端面處理方式，對于抗壓強度小于40MPa的芯樣，也可采用水泥凈漿、水泥砂漿或硫磺膠泥補平。不同端面處理方式對試驗結(jié)果有影響，山東省建筑科學研究院研究表明，鋸切芯樣的抗壓強度比端面加工后芯樣試件的抗壓強度降低10～30%，鄭靚[10]在混凝土芯樣抗壓強度影響因素分析論文中提出：采用硫磺膠泥補平的混凝土芯樣抗壓強度平均值最高，水泥凈漿補平次之，機械磨平最低。對于C25等級芯樣，采用硫磺膠泥補平比機械磨平高出6.4%，硫磺膠泥補平比水泥凈漿補平高出2.8%。由于端面精度的研究屬于基礎性研究，國內(nèi)關于這方面的研究報道甚少。趙恒樹[11]在“回彈法和鉆芯法檢測過程中存在的問題與對策”文章中提出芯樣端面平整度超標會嚴重影響混凝土抗壓強度。本課題組對芯樣平整度做過對比試驗，在鋸切后的芯樣兩端襯墊橡膠再次找平，發(fā)現(xiàn)強度明顯降低30%左右，也曾采用車床用車刀進行端面加工后，再次磨平，經(jīng)測量能夠保證端面精度。對于直徑小的芯樣試件而言，芯樣端面加工情況對強度影響更為敏感，所以在芯樣加工時要特別小心，對于強度低的混凝土芯樣，在芯樣加工過程中容易產(chǎn)生蹦邊現(xiàn)象，得到滿足技術要求的混凝土芯樣比較困難。平整度超標應是一個必須高度重視的重要問題，特別是第三方檢測機構(gòu)的檢測員要加強責任心，否則會影響到檢測構(gòu)件實際強度。

3? 結(jié)論與建議

①現(xiàn)行建筑、公路、水工、水利水電等行業(yè)制訂的鉆芯法標準或者規(guī)程，涉及芯樣直徑的大小、高徑比、取芯方向及端面平整度對抗壓強度的影響的內(nèi)容較少。然在實際現(xiàn)場檢測的過程中，必然會涉及到芯樣直徑、高徑比、取芯方向及端面平整度的問題。本課題組通過對芯樣直徑的大小、高徑比、取芯方向的研究，提出可用換算系數(shù)進行修正，至于在修正時采用多因素疊加還是采用多因素乘積，還需要達成共識。端面平整度精度不僅僅是簡單的修正系數(shù)修約，而是對實體抗壓強度有較大影響的問題，還需要檢測機構(gòu)或者科研單位加大基礎工作的研究，找到切實可行的方法。

②在混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測技術標準（GB/T 50784-2013）中規(guī)定：工程質(zhì)量檢測時，當檢驗批混凝土抗壓強度推定值大于等于設計要求的混凝土抗壓強度等級時，可判定檢驗批混凝土抗壓強度符合設計要求。結(jié)構(gòu)性能檢測時，可采用檢驗批混凝土抗壓強度推定值作為結(jié)構(gòu)復核工程質(zhì)量的依據(jù)。在不同的標準中，對推定值、代表值、實測值、檢測值和換算值表述不一，容易混淆，建議統(tǒng)一。

③取芯檢測混凝土實體抗壓強度受多因素制約，特別是小芯樣的研究，目前集中在直徑70～100mm，對于直徑小于70mm的微小芯樣或者短芯樣的研究，在歷年發(fā)表的文獻資料中涉及較少[9]，隨著時代的發(fā)展，工程結(jié)構(gòu)越來越復雜、增加大批鋼筋用量，大直徑芯樣適用性降低，為了更好的發(fā)揮小芯樣在工程質(zhì)量檢測中應用，為工程結(jié)構(gòu)的質(zhì)量安全提供有力保障，需要加大科研力度。

參考文獻：

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