基于水工混凝土抗壓強度影響因素研究

王 洋

(本溪滿族自治縣水務和移民事務服務中心，遼寧 本溪 117100)

0 引 言

鉆芯法測試得到的結構實體混凝土強度可作為工程質量下一步處理提供重要的依據，同時為修正超聲回彈綜合法、回彈法測試結果提供數據支撐。鉆芯法運用特定的專用鉆機微破損被檢測混凝土抗壓強度的一種技術手段，通過對試塊的修正即可完成試驗研究，其中抗壓試驗芯樣來源于混凝土構件或結構，該方法因存在精度高、可靠性強、檢測結果直觀等優點被廣泛應用于工程領域。然而，在混凝土抗壓強度鉆芯法實際檢測過程中發現，為了獲取標準尺寸通常要對鉆取的芯樣處理，芯樣因加工機械的震動、加持不穩等因素易出現斷面不平整、偏斜等問題，而最終的測試結果易受斷面修補材料、修補方法等因素影響；實踐表明，不同的加載速率也可對芯樣強度檢測結果產生影響；另外，試驗規程明確規定了芯樣二次養護環境，即養護環境相對濕度≥95%、溫度20±5℃。然而，溫濕度控制記錄儀因長期處于養護室潮濕環境中易喪失調節功能，從而對芯樣抗壓強度檢測和養護環境溫濕度控制產生偏差[1-4]。

為了準確揭示水工混凝土抗壓強度受養護環境、試驗加載速率、硫磺膠泥補平、補平砂漿強度等因素的影響，通過分析與整理試驗數據揭示了各因素對鉆芯樣強度檢測的影響規律，為提高檢測數據準確性及實現誤差最小化、操作過程規范化目標，提出了有效控制各影響因素的方法和對策[5-8]。

1 試驗研究

1.1 原材料

1)水泥。文章選用28d抗壓和抗折強度為49.5、8.1MPa的P·O42.5水泥，終凝與初凝時間為200、160min，標稠用水量為27.5%。

2)粗細骨料。細骨料選用表觀密度和堆積密度為2680、1570kg/m3的河砂，其細度模數為3.14，含泥量、吸水率為0.6%和1.1%；粗骨料選用表觀密度和堆積密度為2740、1410kg/m3的碎石，級配粒徑為5-40mm，針片狀含量、壓碎指標為2.0%和3.8%。

3)硫磺膠泥。試驗采用的硫磺膠泥為質量比1∶44∶11∶44的聚硫708、粉砂、水泥、硫磺配合成的材料，其收縮率<4%，抗壓和黏結強度為42、11MPa。

4)拌和水。采用普通自來水作為試驗拌和用水[9]。

1.2 試驗配合比

在試驗過程中考慮混凝土參數分析結果、施工環境、工藝變化、原材料質量波動等因素，結合配合比理論設計成果調整出不同強度等級的施工配合比[10]。

配合比設計流程為：①考慮工程設計要求計算配置需要的4種不同的強度等級，考慮水膠比最大允許值和需要的強度等級，初步確定水膠比；②對于用水量的選定按照襯砌施工的和易性要求，并對凝膠材料用量進行計算；③然后依據選定的砂率計算粗細骨料的用量，通過試驗調整選定最大水膠比限制值內且滿足混凝土耐久性、強度要求的水膠比，確定最終的配合比和各材料的用量。最終，制備的混凝土芯樣強度等級為C15、C20、C25、C30，試樣28d抗壓強度及各材料用量，試塊28d抗壓強度及材料用量，見表1。

表1 試塊28d抗壓強度及材料用量

其中，水灰比為用水量與所有凝膠材料的比值；在其他參數固定不變的條件下砂占砂與石之和的比例即為砂率，混凝土塌落度最大且拌和物和易性、黏聚力等物理性能達到最優時的砂率，即為最優砂率；用水量為按照外加劑與摻合料的摻量及品種、骨料最大粒徑等初選用水量，通過混凝土試拌確定符合施工和易性和工程設計要求的最小用水量。

1.3 試驗方法

1)制備芯樣。采用鉆芯、切割、磨平等方法對150mm×150mm×150mm標準混凝土試塊加工處理，獲取直徑為100mm的芯樣。

2)補平芯樣。試驗選用硫磺膠泥和低強度、同強度、高強度等級的砂漿，補平非標準混凝土芯樣平整度不合格的端面，其中硫磺膠泥和砂漿的補平厚度為1-1.3mm、20-25mm[11]。

3)測試芯樣抗壓強度。試驗采用的混凝土芯樣抗壓強度測試儀為CDF-305-2型抗壓抗壓一體化試驗機[12]。

2 試驗結果分析

2.1 補平砂漿強度影響分析

對水工混凝土芯樣利用混凝土強度、低強度和高強度3個等級的砂漿補平，為了探討混凝土芯樣抗壓強度受補平砂漿強度的影響對比分析了其28d抗壓強度。補平砂漿強度對芯樣抗壓的影響程度，見圖1。從圖1可知，芯樣28d強度測試值隨原混凝土強度等級的增加而增大，不同強度等級砂漿補平芯樣的抗壓強度呈現出高強度等級>標準芯樣>同強度等級>低強度等級的變化規律。對于C15強度等級的原混凝土，較標準芯樣而言高強度、同強度、低強度等級砂漿補平芯樣的抗壓強度增大15.2%、減少1.6%和15.7%；對于C20強度等級的原混凝土，較標準芯樣而言高強度、同強度、低強度等級砂漿補平芯樣的抗壓強度增大11.4%、減少3.5%和9.1%；對于C25強度等級的原混凝土，較標準芯樣而言高強度、同強度、低強度等級砂漿補平芯樣的抗壓強度增大17.2%、減少1.3%和14.6%；對于C40強度等級的原混凝土，較標準芯樣而言高強度、同強度、低強度等級砂漿補平芯樣的抗壓強度增大4.0%、減少1.2%和6.1%。因此，針對不符合標準的混凝土芯樣強度利用鉆芯法測試時，宜選用同強度等級的修補砂漿。

圖1 補平砂漿強度對芯樣抗壓的影響程度

2.2 硫酸膠泥補平影響作用

將C15、C20、C25、C30強度等級的原非標準混凝土芯樣利用硫磺膠泥補平，厚度為1.2mm，然后將表面磨平后的芯樣養護至規定齡期測試其抗壓強度。為了探討水工混凝土芯樣抗壓強度受硫磺膠泥芯樣補平材料的影響，對比分析標準芯樣與硫磺膠泥補平芯樣強度測試值。硫磺膠泥補平芯樣的抗壓強度，如圖2。從圖2可知，較普通標準水工混凝土芯樣硫磺膠泥補平芯樣的試塊抗壓強度測試值更高；相對于C15、C20、C25、C30強度等級的標準芯樣抗壓測試值，補平芯樣28d強度測試值提高了1.0、0.5、0.3、0.4MPa為22.6、28.8、32.4、40.6MPa，相對誤差為4.4、2.1、0.6、1.0%。可見，標準芯樣抗壓強度值測試結果與硫磺膠泥補平試樣的相對誤差更小，對于混凝土芯樣的補平可作為一種優質材料。

圖2 硫磺膠泥補平芯樣的抗壓強度

2.3 加載速度影響因素

本試驗以0.2、0.4、0.6MPa/s的加載速率，探討了其對原標準水工混凝土芯樣C15、C20、C25、C30強度等級的影響作用，不同加載速率下的抗壓強度試驗結果。不同加載速率下的芯樣抗壓強度，見圖3。從圖3可知，在0.2-0.6MPa/s區間時隨著加載速率的增加芯樣28d抗壓強度測試值逐漸增大，且水工混凝土芯樣的強度增長幅度隨原強度等級的提高而增大。C15、C20、C25及C30強度等級的原混凝土芯樣在加載速率為0.2MPa/s的情況下，其28d抗壓強度為21.5、27.4、30.5、37.8MPa；C15、C20、C25及C30強度等級的原混凝土芯樣在加載速率為0.4MPa/s的情況下，其28d抗壓強度為22.1、28.4、32.5、40.6MPa，較0.2MPa/s加載速率的抗壓強度測試值提高了1.8%、3.6%、5.7%和7.5%；C15、C20、C25及C30強度等級的原混凝土芯樣在加載速率為0.6MPa/s的情況下，其28d抗壓強度為22.1、28.6、33.6、42.1MPa，較0.2MPa/s加載速率的抗壓強度測試值提高了2.4%、5.9%、9.4%和11.6%，較較0.4MPa/s加載速率的抗壓強度測試值提高了0.4%、2.0%、3.5%和3.8%.因此，為了使試驗結果更加準確及消除加載速率可能產生的誤差，結合試驗規范相關要求選取合適的加載速率為0.35-0.45MPa/s。

圖3 不同加載速率下的芯樣抗壓強度

2.4 養護環境影響分析

本試驗以二次養護環境為變量，探討水工混凝土芯樣28d齡期抗壓強度受自然環境和標準養護環境的強度影響規律。在相對濕度為50%-68%、溫度為26-30℃的自然環境和相對濕度為95%-97%、溫度為18-22℃的標準環境下二次養護C15、C20、C25及C30強度等級的原混凝土芯樣，28d齡期后測試試塊的強度值，二次養護環境的芯樣抗壓強度，見圖4。從圖4可知，對于達到28d齡期的混凝土，二次養護7d的混凝土芯樣抗壓強度在自然環境中大于標準養護環境，且芯樣抗壓強度測試值受標準養護、自然養護的影響程度隨著混凝土強度等級的提高而減少[13]。對于二次標準養護環境的C15、C20、C25及C30強度等級的原混凝土，其28d芯樣強度值為22.6、29.5、34.0、41.5MPa；對于二次自然養護環境的C15、C20、C25及C30強度等級的原混凝土，其28d芯樣強度值為23.6、29.7、34.2、41.8MPa，較二次標準養護環境的強度值增大了3.0%、1.5%、0.7%各0.3%。可見，水工混凝土芯樣在一定程度上也受到二次養護環境的影響，且水下作業為大部分水利工程的施工環境，為了使得強度真實值與試驗結果更加接近，標準養護7d芯樣強度檢測的重要條件。

圖4 二次養護環境的芯樣抗壓強度

3 結 論

混凝土強度受施工氣候、運輸距離、運輸方法及施工設備等因素影響發生一定的改變，對此已有學者開展了大量研究并取得了豐碩成果。為確保混凝土芯樣強度滿足工程項目要求，必須綜合考慮各方面因素準確判斷其影響機理，從而提出有效的管控措施。文章結合實踐經驗和相關資料，考慮從養護環境、加載速率、硫磺膠泥補平、補平砂漿強度4個方面探討了水工混凝土抗壓強度鉆芯樣法檢測結果，得出主要結論有：

1)針對非標準混凝土芯樣宜選用同等級強度砂漿找平，標準芯樣抗壓強度與同等級砂漿補平芯樣的測試結果差值較小；標準芯樣抗壓強度值測試結果與硫磺膠泥補平試樣的相對誤差更小，對于混凝土芯樣的補平可作為一種優質材料。

2)在0.2-0.6MPa/s區間時隨著加載速率的增加芯樣28d抗壓強度測試值逐漸增大，且水工混凝土芯樣的強度增長幅度隨原強度等級的提高而增大；芯樣抗壓強度值受加載速度的影響，為了使試驗結果更加準確及消除加載速率可能產生的誤差，結合試驗規范相關要求選取合適的加載速率為0.35-0.45MPa/s。

3)二次養護7d的混凝土芯樣抗壓強度在自然環境中大于標準養護環境，且芯樣抗壓強度測試值受標準養護、自然養護的影響程度隨著混凝土強度等級的提高而減少；水工混凝土芯樣在一定程度上也受到二次養護環境的影響，水下作業為大部分水利工程的施工環境，為了使得強度真實值與試驗結果更加接近，標準養護7d芯樣強度檢測的重要條件。