預制疊合樓板結合面粗糙深度檢測的創新研究

趙建華，吳玉龍，盧康昕，丁晨晨，顧 盛，劉以龍

（1.南京市建筑安裝工程質量檢測中心，江蘇 南京 210017；2.昆山市建設工程質量檢測中心，江蘇 昆山 215337；3.南京理工大學理學院，江蘇 南京 210094）

0 引言

預制裝配式混凝土結構作為一種符合工業化生產方式的結構形式，已成為國內外建筑業發展的主流方向［1］。2016 年國務院下發《關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》中指出，力爭 10 年使裝配式建筑占比新建建筑達 30 %，2017 年住房和城鄉建設部下發《“十三五”裝配式建筑行動方案》，明確了 2020 年前全國裝配式建筑占新建比例 15 % 以上，其中重點推進地區需達到 20 %。2018 年李克強總理在全國兩會上強調要大力推進裝配式發展，修訂相關標準，提高裝配式建筑技術水平。

與傳統建筑模式相比，裝配式建筑工廠化生產有利于提高產品質量、降低安全隱患、減少現場濕作業、縮短施工工期、減少現場人數、降低管理難度、減少現場噪聲與揚塵、提高建筑垃圾回收率、提高施工人員素質和施工技術水平［2］。可以說裝配式建筑的推出，將大大改善傳統建筑模式中人員專業性低、勞動力成本高、施工周期長、對環境影響大等問題。

雖然裝配式建筑有很多優點，但由于其在我國起步晚，發展時間較短，各方面的基礎研究還不夠。因此，在大力推動預制構件生產和裝配式建造過程中，涌現出很多的不足，例如預制構件的質量得不到保證，檢測結果與驗收標準不一致等。本文將針對疊合樓板粗糙面檢測中存在的問題進行分析探討。

1 粗糙面檢測必要性

預制裝配式混凝土結構中疊合樓板、疊合梁、疊合墻板等疊合構件都是通過新舊混凝土結合形成一個整體而協同工作的，因此其抗剪、抗震等性能很大程度上取決于結合面質量。已有研究表明結合面的粗糙度是影響其抗剪性能和抗震性能的重要因素［3］。JGJ 1－2014《裝配式混凝土結構技術規程》中規定“預制構件結合面應設置粗糙面；粗糙面的面積不宜小于結合面的80 %，預制板的粗糙面凹凸深度不應＜4 mm，預制混凝土梁端、柱端、墻端的粗糙面凹凸深度不應＜6 mm。”［4］DGJ 32/J 184－2016《裝配式結構工程施工質量驗收規程》 將其作為主控項目，也做了相關規定“疊合構件的端部鋼筋留出長度和上部粗糙面應符合設計要求，粗糙面無設計要求時，可采用拉毛或鑿毛等方式制作粗糙面。粗糙面凹凸深度不應＜4 mm。”［5］可見，對于預制構件粗糙面的面積和凹凸深度都給出了定量的控制指標。然而，現行規范均無明確的粗糙面凹凸深度的檢測方法，造成在預制構件檢測、驗收時，或是僅通過觀察進行判別，或是不同機構、不同檢測人員采用的方法和測點數不同，使同一構件的檢測結果差別很大，有時甚至產生合格與不合格兩個截然不同的結論。因此，為避免產生爭議，粗糙面凹凸深度檢測實際上一般不列入檢測驗收項目中。面對此問題，為保證工程質量，筆者及其研究人員研發一種有效檢測結合面粗糙深度的方法。

2 粗糙度檢測技術現狀

國內外學者就預制構件粗糙面檢測的問題開展了比較深入的研究，也取得了一定的進展。對于粗糙面面積占比檢測，一方面，可以通過鋼卷尺量距計算；另一方面，也有學者提出通過拍照的方法利用灰度分析計算粗糙面積占比，從而度量是否達標。對于粗糙深度檢測，檢測人員一般是通過觀察，采用測深尺直接測量凹坑的深度，取其平均值作為該構件粗糙深度的檢測結果。但由于檢測步驟不明確，測點數隨意，導致結果很不可靠。不少學者和工程技術人員開始探索更為可靠的粗糙深度檢測方法，主要可分為以下兩種。

2.1 填充法

對于檢測混凝土結合面的粗糙深度，有學者提出采用“填充法”，包括灌砂法、木屑測量法、鐵珠填充法、橡皮泥填充法等。“填充法”的原理是，利用已知體積的填充物對粗糙面進行填充和攤鋪（一般攤鋪呈正方形或矩形），使其大致與粗糙面的凸點齊平，然后量測矩形的長寬，通過計算即可得到粗糙深度值。當然，也可以采用等面積法填充至已知高度，利用填充物的體積計算得到粗糙深度值，如圖 1～2 所示。

圖1 鋪砂工序

圖2 邊長測量

然而，工程檢測人員在采用“填充法”檢測粗糙深度時，會出現不合格的概率特別大，甚至一些用經驗判斷或用測深尺檢測為合格的疊合樓板也會出現不合格情況，這給檢測帶來了巨大的困擾。經筆者深入學習研究發現，粗糙度的問題在機械領域已非常成熟，但在建筑工程領域從業者對其不太了解。“填充法”是通過體積換算得到一個平均高度 h 來表征粗糙深度，而平均高度 h 對應的是輪廓平均偏差 Ra，m，而現行規范所述的“粗糙面凹凸深度”應該指的是平均輪廓最大高度 Ra，m，兩者雖然都可以用來表征粗糙深度，但根本不是一個概念，且 Ra，m< Rz，m，如圖 3～4 所示。因此，根據“填充法”的計算結果直接與規范要求的 4 mm 對比，判定其粗糙深度是否合格，是錯誤的，應進行數學上的換算獲得平均輪廓最大高度 Rz，m進行判斷，但如何根據粗糙面實際情況進行有效的換算或制定換算系數有待研究。另外，“填充法”檢測粗糙深度比較適合在實驗室進行，現場檢測應克服清理費力、場地因素制約等問題。

圖3 輪廓平均偏差示意圖

圖4 最大輪廓高度示意圖

2.2 深度尺-多孔基準板

公布號為 CN 107063058 A 的中國專利文獻［6］提出了“一種預制混凝土構件結合面粗糙度的測評方法”，該方法通過采用測深尺和多孔基準板配合較為便捷地實現了粗糙深度的測量，也與 JGJ 1－2014《裝配式混凝土結構技術規程》和 DGJ 32/J 184－2016《裝配式結構工程施工質量驗收規程》要求的粗糙度指標“粗糙面凹凸深度”相符。但在實際使用過程中，會發現該方法仍不夠準確、可靠度欠佳。經筆者總結，該方法主要存在如下不足：①測量前，在粗糙面上安放基準板時，需要將測區內明顯突出的棱角磨平，這本身就改變了粗糙面的固有特征；②在打磨凸出棱角時，實際情況很難保證磨平后高度相同，使多孔基準板安放不平穩，直接導致所有深度測量值不準確；③由于多孔基準板安放位置由磨平后的諸個最高凸出點決定，而其他凸點均未觸碰多孔基準板，因此將諸個最高凸出點形成的水平面作為基準面，會使所有深度測量值均偏大；④由于多孔基準板上孔洞的間距較大且固定不變，導致無法保證足夠數量的凹點恰好落在孔洞的正下方，使測點深度測量結果偏小。

該方法雖然存在一些不足，但卻給了筆者很大的啟發，在該方法的基礎上進行了改進，研發出了“新型結合面粗糙深度檢測裝置”。

3 結合面粗糙深度檢測裝置設計

經筆者深入研究相關標準及試驗方法，提出了一種用于結合面粗糙深度檢測的新型裝置并已授權實用新型發明專利（公告號 CN 209371989 U）［7］，該裝置克服了現有檢測技術的缺點，可以準確快速地測出結合面粗糙深度。

3.1 裝置的構造組成

粗糙深度檢測裝置的主體結構由支撐框架機構、滑動機構和測深機構 3 部分組成，如圖 5 所示。

圖5 裝置主體結構示意圖

支撐框架機構主要組成包括：矩形支撐框架、四角加強件、可調支腳（4 個）和水準器，如圖 6 所示。支撐框架機構承載整個裝置的重量，并保證深度尺測量時結構可以保持穩固。在進行粗糙深度檢測時，首先就是要將支撐框架機構安放于粗糙面選定區域內，并將可調支腳底部墊砂，調節支腳高度使水準器氣泡居中，使整個裝置保持水平。

圖6 支撐框架機構示意圖

滑動機構是該試驗裝置的創新點所在，主要是通過在支撐框架機構內設置一塊滑動板，滑動板的兩條短邊設置于支撐框架的兩根橫梁的卡槽內并且能夠順暢地進行 Y 方向的滑動。滑動板中部設置有 X 方向的滑槽，設置在滑槽內的測深機構可以實現沿 X 方向的滑動，如圖 7 所示。最終，通過滑動板和測深機構兩者的配合可以實現測深機構在框架內水平面的任意定位。

圖7 滑動機構示意圖

測深機構是該新型粗糙深度檢測裝置的核心部件，主要由測深尺和放大鏡組成，如圖 8 所示。測深尺上部的伸出部與深度探針是一體結構，用手按壓伸出部可以使深度探針沿 Z 方向（深度）豎直落下，當其與構件粗糙面接觸時，可以從尺身的電子顯示器直接讀出深度值，測量完成松手后，依靠彈簧恢復力，深度探針將回到初始位置。放大鏡的作用是，便于觀察并使深度探針更精準地接觸粗糙面上的預定位置，這樣可以使測量結果更加準確且提高測量效率。

圖8 測深機構示意圖

通過各個機構的相互配合，深度探針實際上可以在選定區域內沿 X、Y、Z 三個方向任意平穩地移動，在隨機選取的區域內進行測量。

3.2 粗糙深度檢測的操作步驟和計算方法

3.2.1 測區和測點范圍圈選取

首先，將預制構件平穩地安放于地面（粗糙面朝上），根據構件的尺寸大小將粗糙面分為 N 個測區并對其進行編號，分別記為測區 j（j 為 1～N 的自然數）；然后，在測區 j 內各圈選 9 個具有代表性的測點范圍并畫圈標記，獲得測點范圍圈，分別記為測點范圍圈 i（i 為1～9 的自然數）。

3.2.2 裝置調平

接著，將裝置安放在測區 j 內（可從測區 j=1 開始，按順序進行），使滑動板表面的滑槽方向與粗糙面輪廓線方向基本一致，并在可調支腳底部墊砂使裝置安放穩固，旋動可調支腳的高度微調螺母，使水準器內氣泡居中完成測量前的裝置調平工作。

3.2.3 粗糙深度測量

在完成測區和測點范圍選取并將安放的裝置調平后，即可進行粗糙深度檢測的操作。首先，在測區 j 內，沿 Y 軸方向移動滑動板，使測點范圍圈 i（可從測點范圍圈 i=1 開始，按順序進行）位于滑動板表面的滑槽正下方，然后沿 X 軸方向移動測深尺，當測深尺的探針位于該測點范圍圈內粗糙面的波峰附近時，將深度探針沿 Z 方向按下，通過放大鏡觀察并輕微移動測深尺使深度探針的頭部抵觸波峰最高點，讀取深度值 fj，i，隨后松手使深度探針收起；再沿 X 軸方向移動測深尺，當深度探針位于該測點范圍圈內粗糙面已測波峰相鄰的波谷附近時，將深度探針沿 Z 方向按下，通過放大鏡觀察并輕微移動測深尺使深度探針的頭部抵觸波谷最低點，讀取深度值 gj，i，隨后松手使深度探針收起，完成測區 j 中測點范圍圈 i 內的粗糙深度測量，如圖 9 所示。根據式（1）計算測區 j 中測點范圍圈 i 內的粗糙深度 hj，i。

圖9 粗糙深度測量示意圖

重復上述步驟，完成對測區 j 中其余 8 個測點范圍圈內的粗糙深度測量。按照隨機誤差滿足正態分布原理，將該測區的 9 個粗糙深度值依次剔除 2 個最小值和 2 個最大值，剩余 5 個值的平均值 作為該測區的粗糙面平均深度值，如式（2）所示。

式中：ui表示測區 j 的粗糙面平均深度值，mm；hj，i表示測區 j 中測點范圍圈 i 內的粗糙深度值，mm；min（hj，i，1）與 min（hj，i，2）表示測區 j 中最小的兩個粗糙深度值，mm；max（hj，i，1）與 max（hj，i，2）表示測區 j 中最大的兩個粗糙深度值，mm。

按照相同的方式對其余的（N-1）個測區依次進行檢測，按式（3）計算得到所有 N 個測區的粗糙面平均深度值 u，即為該預制構件的粗糙面深度值。

4 結論

疊合樓板作為裝配式混凝土結構中用量最大的預制構件，其質量關乎整個建筑結構，而結合面粗糙深度作為規范要求的驗收指標，是一項不可缺少的檢測項目。針對目前尚無成熟的檢測方法以及現有各種檢測方法都存在其不可忽視的缺點等情況，本文設計了一種符合驗收規范要求、結構設計巧妙、操作簡便快捷、測量結果準確的粗糙深度檢測裝置及檢測方法。該方法主要具有以下優點。

1）與現有技術需要對粗糙面波峰處進行打磨不同，新型裝置巧妙地通過抬高基準面的方法，不僅不會對被檢測構件造成破壞，也避免了打磨的各處高度不平齊而造成的誤差，保證了測量的準確性。

2）通過滑動機構使深度探針可以在 X、Y、Z 三個方向自由移動并配合放大鏡觀察微調至指定位置，實現了波峰最高點和波谷最低點深度的精準測量，克服了現有方法測量位置的局限性。另外，通過同時對粗糙面波峰及其相鄰波谷的測量比差來表征粗糙深度，優化了現有方法只測量波谷的局限，使粗糙深度的計算更加的合理準確。

3）該裝置及方法克服了填充法費時費力、清理困難、易受場地環境等制約的缺點，具有檢測指標與驗收規范一致、操作便捷、結果準確等優點。