鉆芯法和回彈法檢測隧道襯砌混凝土強(qiáng)度的相關(guān)性

張敬雷

中國國家鐵路集團(tuán)有限公司工程質(zhì)量監(jiān)督管理局，北京100844

隧道襯砌混凝土強(qiáng)度合格是鐵路建設(shè)項(xiàng)目安全質(zhì)量管理的紅線，由混凝土破壞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物報廢的事件頻發(fā)。混凝土強(qiáng)度的影響因素很多，如原材料的廠商和產(chǎn)地，施工期間的養(yǎng)護(hù)工藝以及檢測強(qiáng)度時的檢測方法等［1］。這些因素使測得的混凝土強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生波動。混凝土強(qiáng)度的波動勢必會影響到結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定及使用年限，對混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢測和監(jiān)控，是保證隧道或橋梁等大型結(jié)構(gòu)物安全的重要一環(huán)。

鐵路隧道襯砌混凝土強(qiáng)度檢測常采用回彈法和鉆芯法。回彈法操作簡單，使用條件較寬泛，讀取結(jié)果較為快速，在工程中回彈法是混凝土強(qiáng)度檢測的首選方法［2］，但考慮到碳化、表面浮漿等因素影響，混凝土襯砌存在表面強(qiáng)度低于內(nèi)部強(qiáng)度的情況，在這種情況下采用回彈法檢測是不準(zhǔn)確的。而鉆芯法則可以彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)，檢測結(jié)果精度很高，可直觀反映混凝土強(qiáng)度，但因其局部破壞的檢測方式會對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生一定影響，故不能大范圍使用［3］。本文在制作試件進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)例開展回彈法和鉆芯法檢測對比，為隧道襯砌強(qiáng)度檢測提供借鑒。

1 模型制備與試驗(yàn)

按照鐵路工程隧道襯砌常用混凝土配合比，制作模型試件，對模型按齡期進(jìn)行回彈、鉆芯試驗(yàn)。測得14、28、56、90 d齡期的回彈值，計算混凝土強(qiáng)度推定值，測得28、56、90 d齡期下φ100 mm、高徑比為1∶1的芯樣抗壓強(qiáng)度。通過檢測的強(qiáng)度，對比分析強(qiáng)度變化規(guī)律及兩種檢測方法測出的強(qiáng)度之間的關(guān)系［4］。

1.1 模型制備

制作強(qiáng)度等級為C35的混凝土模型，尺寸為：250 cm×50 cm×40 cm（模型A）和100 cm×50 cm×40 cm（模型B）。混凝土配合比見表1。

表1 模型混凝土配合比 kg·m-3

水泥為P·O 42.5水泥；砂子細(xì)度模數(shù)為2.8；碎石為最大粒徑31.5 mm的級配碎石，級配組成為5~10 mm、10~20 mm、16~31.5 mm，比例為2∶5∶3；摻和料為F類；外加劑為SPC-100的聚羧酸高性能減水劑。

1.2 強(qiáng)度試驗(yàn)

在混凝土模型試件上繪制相同大小的檢測區(qū)域，用于14、28、56、90 d齡期的測試使用。14 d齡期僅開展回彈試驗(yàn)，不鉆芯。其余齡期完成回彈試驗(yàn)后，再進(jìn)行鉆芯試驗(yàn)。

1.2.1 混凝土模型回彈法強(qiáng)度測定

使用回彈儀之前需檢查檢定日期是否在有效期之內(nèi)，并用鋼砧進(jìn)行率定。試驗(yàn)時，回彈儀軸線需始終垂直于混凝土檢測面，雙手慢慢施壓，不要產(chǎn)生滑動，以確保讀數(shù)準(zhǔn)確。回彈檢測共10個測區(qū)（10 cm×10 cm），測區(qū)距邊界5 cm。每個測區(qū)有16個測點(diǎn)，間距不小于2 cm。均勻分布的測點(diǎn)可以客觀反映檢測結(jié)果和混凝土的整體情況，碳化深度檢測不少于測區(qū)數(shù)的30%。測區(qū)表面為混凝土原漿面，若表面凹凸不平或存在蜂窩麻面則需提前打磨平整。依據(jù)TB 10426—2019《鐵路工程結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度檢測規(guī)程》進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與評定。

1.2.2 混凝土模型鉆芯法強(qiáng)度測定

采用DD200型鉆石鉆孔系統(tǒng)取樣，在混凝土齡期28、56、90 d當(dāng)天完成回彈測試，并在同一個測試截面上，鉆取直徑為100 mm的混凝土芯樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。按照齡期分格進(jìn)行取芯，每一齡期取芯2組，共計6根芯樣，通過切割、打磨，制取高徑比為1∶1的混凝土試件。為避免客觀或人為因素導(dǎo)致結(jié)果的不確定性，采用同一鉆機(jī)，由固定人員進(jìn)行取芯、加工芯樣。

2 檢測結(jié)果與分析

2.1 芯樣抗壓強(qiáng)度與回彈法抗壓強(qiáng)度

本次試驗(yàn)的2組共6根芯樣試件抗壓強(qiáng)度結(jié)果一致性較好，取2組試件強(qiáng)度測試值的平均值作為某齡期對應(yīng)的立方體抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同齡期下混凝土模型芯樣抗壓強(qiáng)度

芯樣抗壓強(qiáng)度和齡期的關(guān)系曲線見圖1。可知，模型混凝土到達(dá)28 d齡期后，強(qiáng)度仍有較大幅度增長，成對數(shù)曲線關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2為0.99。28~90 d期間，強(qiáng)度增長了9.7 MPa，增長17.8%；與56 d齡期相比，90 d齡期強(qiáng)度增長了4.9 MPa，增長8.2%。

圖1 芯樣抗壓強(qiáng)度-齡期關(guān)系曲線

根據(jù)TB 10425—2019《鐵路混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》，鋼筋混凝土、素混凝土的強(qiáng)度評定齡期宜采用56 d或更長齡期。當(dāng)設(shè)計文件對混凝土強(qiáng)度評定的齡期有具體要求時，應(yīng)按照設(shè)計規(guī)定執(zhí)行。“宜采用56 d或更長齡期”考慮了標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)性。監(jiān)督檢測或紅線檢查中，按TB/T 3275—2018《鐵路混凝土》第5.4.1條執(zhí)行是可行的，可按90 d齡期檢測鐵路混凝土的抗壓強(qiáng)度。

采用回彈法推定混凝土抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表3。

表3 回彈法推定混凝土抗壓強(qiáng)度

2.2 兩種方法檢測強(qiáng)度對比

回彈法與鉆芯法檢測強(qiáng)度前者小于后者，模型28、56、90 d齡期的強(qiáng)度差異為6.8~9.0 MPa。回彈法與鉆芯法檢測強(qiáng)度的對比見圖2。

圖2 回彈法與鉆芯法檢測強(qiáng)度的對比

為滿足泵送混凝土的施工要求，需要添加一定量的外加劑，同時摻和粉煤灰等。凝膠材料比例增加，表面強(qiáng)度降低，再加上碳化深度等因素影響，導(dǎo)致回彈法測出的強(qiáng)度值偏低。

綜上所述，回彈法操作簡單，可快速測得混凝土強(qiáng)度，其應(yīng)用場景較多，適合結(jié)構(gòu)物強(qiáng)度普查。但采用回彈法檢測混凝土強(qiáng)度時，不能僅僅依靠回彈值推定其強(qiáng)度是否合格，針對強(qiáng)度有疑問的區(qū)域，應(yīng)采用鉆芯法驗(yàn)證，以確保結(jié)構(gòu)物強(qiáng)度檢測評價客觀準(zhǔn)確［5］。

3 工程實(shí)例檢測對比分析

為研究回彈法在工程質(zhì)量監(jiān)督檢測中的可實(shí)施性，對部分在建鐵路開展隧道襯砌混凝土鉆芯法與回彈法對比檢測。對8條鐵路105板隧道襯砌混凝土進(jìn)行了對比檢測，在鉆芯檢測前，對同一板混凝土先進(jìn)行回彈法測試，每板混凝土布置10個測區(qū)，鉆芯孔位與回彈測區(qū)盡量保持一致。所選隧道襯砌混凝土覆蓋西南和華南地區(qū)，包括四川、云南、江西、福建四省，具有一定的代表性。檢測數(shù)據(jù)處理按照TB 10426—2019的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

隧道襯砌邊墻鉆芯檢測105組，共315根芯樣。在鉆芯處提前進(jìn)行回彈檢測，每組檢測10個測區(qū)，其中有75組共計225根芯樣孔位與回彈測區(qū)重疊，共有225對有效數(shù)據(jù)。剔除回彈法推定混凝土抗壓強(qiáng)度大于60 MPa的數(shù)值，對剩余195對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合（圖3），線性擬合公式為f=0.515 8fR+22.411 8，決定系數(shù)為0.124 0。

圖3 隧道襯砌回彈法與鉆芯法檢測強(qiáng)度關(guān)系

由圖3可知：回彈法檢測強(qiáng)度fR與鉆芯法檢測強(qiáng)度f成正相關(guān)關(guān)系，但數(shù)據(jù)分布較為離散，相關(guān)性較小。105組數(shù)據(jù)中，計算所有構(gòu)件回彈法混凝土強(qiáng)度推定值的平均值為43.3 MPa，芯樣抗壓強(qiáng)度平均值為46.8 MPa，鉆芯法檢測強(qiáng)度略高于回彈法。以上105組數(shù)據(jù)覆蓋8條新建線路，具有一定的代表性。

4 結(jié)論

通過模型試驗(yàn)與工程實(shí)例，分析鉆芯法與回彈法檢測的混凝土強(qiáng)度相關(guān)性，從強(qiáng)度隨齡期的增長規(guī)律、芯樣抗壓強(qiáng)度與回彈法推定混凝土強(qiáng)度關(guān)系等方面進(jìn)行了分析。主要結(jié)論如下：

1）回彈法推定混凝土強(qiáng)度與芯樣抗壓強(qiáng)度成正相關(guān)關(guān)系，前者小于后者。對建設(shè)過程中的混凝土強(qiáng)度采用回彈法普查，有懷疑或爭議時應(yīng)進(jìn)行鉆芯法驗(yàn)證。

2）從鉆芯法與回彈法檢測強(qiáng)度相關(guān)性來看，工程對比的105板隧道襯砌的鉆芯法與回彈法檢測強(qiáng)度相關(guān)性較小，離散性較大。監(jiān)督檢測是抽樣檢驗(yàn)，不屬于質(zhì)量普查，檢測結(jié)論應(yīng)明確，宜采用鉆芯法進(jìn)行混凝土強(qiáng)度檢測。

3）考慮冬季施工及混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律等因素，為保障工程質(zhì)量且避免爭議，在工程質(zhì)量監(jiān)督檢測中，隧道襯砌混凝土按90 d齡期進(jìn)行強(qiáng)度檢測是合理的。