回彈法檢測蒸壓粉煤灰磚抗壓強度

王奕智，徐樹全，b，*，曾慶龍，b，于洋洋，韓雨琦

(黑龍江大學(xué) a.建筑工程學(xué)院；b.工程檢測咨詢有限公司，哈爾濱 150080)

0 引 言

回彈法作為非破損檢測方法，是國內(nèi)檢測砌塊抗壓強度較為廣泛的一種方法[1-3]。目前頒布的檢測標(biāo)準(zhǔn)中，《回彈儀評定燒結(jié)普通磚強度等級的方法》(JCT 796-2013)[4]用于普通燒結(jié)磚的強度檢驗。但在回彈法檢測非燒結(jié)磚方面，相關(guān)技術(shù)規(guī)程還不夠完善。在實際工程中，針對非燒結(jié)磚的回彈法檢測還依賴于經(jīng)驗判斷[5-6]，為此有必要建立非燒結(jié)磚的回彈測強曲線。本文通過使用ZC4型回彈儀和600 kN電液伺服萬能機對黑龍江省某工程的65塊蒸壓粉煤灰磚進(jìn)行回彈測試及抗壓強度試驗，參考現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)已有的普通燒結(jié)磚測強曲線，根據(jù)試驗得到回彈值及抗壓強度值，經(jīng)過數(shù)據(jù)回歸分析和曲線擬合提出適合本工程的低強度蒸壓粉煤灰磚回彈法測強曲線的一般公式。

1 試驗概況

本次試驗選用黑龍江省某工程中3棟建筑(33號、66號、72號住宅樓)的65塊蒸壓粉煤灰磚，尺寸為240 mm×110 mm×53 mm標(biāo)準(zhǔn)塊作為試驗試件，分別通過回彈法和抗壓強度試驗得出蒸壓粉煤灰磚的回彈值和實驗室抗壓強度值。

1.1 回彈測試方法

測試磚塊的選取參考規(guī)范[4]中對燒結(jié)磚試樣的取樣要求，被測磚塊外觀質(zhì)量必須是合格完整磚塊，磚各面清潔、平整，對有粉刷層、條面有凸起的須用砂輪磨除，并用毛刷刷去表面粉塵。此外，被測磚要求表面為自然干燥狀態(tài)。

本次試驗采用的回彈測試方法如下：選取好的測試磚塊樣按順序編號，依次放置于壓力機上進(jìn)行回彈測試，并記錄回彈值。使用回彈儀測試時應(yīng)保證回彈儀的軸線始終垂直于磚樣條面，測點位置選取在磚樣條面中間部位，測點的水平間距為20～30 mm，每塊磚樣在兩個條面上各測5點回彈值，選點時盡量避開焦花、裂紋、粘底、凹坑及灰石爆裂點。本次回彈試驗采用ZC4型回彈儀(標(biāo)稱動能 0.735 J)[7-8]。

1.2 抗壓試驗方法

蒸壓粉煤灰磚的抗壓試驗參考《砌墻磚試驗方法》(GB/T 2542-2012)[9]，采用鋸石機將經(jīng)過回彈測試的標(biāo)準(zhǔn)塊從中間部位切割開，交錯疊加用坐漿法找平，并要求疊合的半磚部分長度大于100 mm，制作成標(biāo)準(zhǔn)抗壓強度試件(圖1(a))。試件養(yǎng)護完成后，在黑龍江大學(xué)600 kN電液伺服萬能機下以速度2 kN·s-1進(jìn)行抗壓試驗(圖1(b))，并記錄抗壓強度值。

圖1 抗壓強度試件Fig.1 Compressive strength test piece

2 回彈值影響因素分析

在實際房屋現(xiàn)場檢測實踐中，既有砌體中砌塊的約束條件、受力狀態(tài)、使用環(huán)境及以使用年限各不相同，砌筑砂漿強度等級和砌體所受壓力大小在不同樓層、不同位置各不相同。考慮本次試驗針對的是已使用10 a的既有工程，為了保證回彈檢測蒸壓粉煤灰磚試驗方法的可行性，需要先對不同豎向壓力、含水率、試驗方法及碳化深度對回彈值大小的影響進(jìn)行分析。

2.1 豎向壓力的影響

隨機選取10個砌塊，采用回彈測試方法，利用壓力機對試件分級加載，在加載的過程中使用測磚ZC4型回彈儀測得回彈值。試驗過程將荷載分為5級，對各個試件在20、40、60、80、100 kN豎向壓力下進(jìn)行回彈測試，分別得到10個砌塊在不同豎向壓力作用下的回彈值，10個試件的豎向壓力-回彈平均值數(shù)據(jù)描繪成散點圖，見圖2。

圖2 豎向壓力對回彈值的影響Fig.2 Effect of vertical pressure on rebound value

由圖2可見，在不同豎向壓力下，回彈儀對試件測得的豎向壓力-回彈平均值散點連線略有上升，但總體提高幅度不大，蒸壓粉煤灰磚的回彈值也無明顯波動。因此在使用回彈儀對低強度蒸壓粉煤灰磚進(jìn)行強度測試時，豎向壓力對回彈值的影響可忽略不計。

2.2 含水率的影響

對于潮濕狀態(tài)的試件，其表面的含水率直接影響磚的表面硬度，使回彈值降低，影響回彈法測得的精度。因此被測砌體的含水率直接影響應(yīng)用回彈法檢測蒸壓粉煤灰磚測得的回彈值精度[10-11]。在實際工程中采用回彈法檢測砌體強度時，應(yīng)充分考慮到砌體含水率對回彈值的影響[10]。相同等級的蒸壓粉煤灰磚隨著含水率的增大，其回彈值和抗壓強度值均下降，下降最大可達(dá)13.6%，在使用回彈法檢測蒸壓粉煤灰磚時應(yīng)該考慮含水率對檢測精度的影響，盡量保證其處于最佳含水率為8.6%～11.0%[12]。但本次試驗中采用的試件，均為同一條件下選取砌塊，將其在實驗室中風(fēng)干至相同含水率，故本次試驗中含水率不會對試驗結(jié)果造成影響。

2.3 試驗方法影響

應(yīng)用回彈法研究砌體中磚塊回彈值與抗壓強度值關(guān)系時，需要對回彈值與抗壓強度值進(jìn)行回歸分析建立測強曲線，回彈測試時一般無須對現(xiàn)場回彈值進(jìn)行修正。在進(jìn)行回彈值測量階段，本次檢測項目主要采用兩種試驗方法測試回彈值。

方法1：對實際工程中砌體承重墻檢測區(qū)中的蒸壓粉煤灰磚進(jìn)行現(xiàn)場回彈測試。每塊磚彈擊5個測點，測點橫向為一字型排列，間距不宜過小，測點邊緣與磚邊緣距離不小于20 mm。測試完成后對該磚塊進(jìn)行標(biāo)號記錄。

方法2：用切割機對方法1中標(biāo)號的蒸壓粉煤灰砌體中切出后再將其表面打磨干凈平整，按照文獻(xiàn)[9]將其制作成標(biāo)準(zhǔn)抗壓強度試件，然后將試件放于實驗室壓力機上，加載至20 kN，進(jìn)行回彈測試。

試驗步驟如下：在66號住宅樓1～5層中每層選取3塊磚，共計15塊進(jìn)行試驗方法對比分析。先按照上述方法1在工程現(xiàn)場對15塊蒸壓粉煤灰磚進(jìn)行回彈測試，測試完畢后按照方法2進(jìn)行切割、處理后在實驗室進(jìn)行回彈測試，得到兩組試驗方法的回彈值見圖3。

由圖3可見，雖然同一試件在兩種不同試驗方法下測得的回彈值略有不同，但差值很小，應(yīng)用方法1和方法2測試得到的回彈平均值相差小于5%。因蒸壓粉煤灰磚在以上兩種測試方法下測得的回彈值非常接近，試驗方法對回彈數(shù)值的影響可以忽略不計。

2.4 碳化作用的影響

本次工程中所測試的蒸壓粉煤灰磚磚齡均為10 a，其表面均已充分碳化，無法對樣磚進(jìn)行碳化作用的影響性分析。參考相關(guān)資料：碳化是蒸壓粉煤灰磚中的堿性物質(zhì)與二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使其堿度降低[11]；另外，碳化后有CaCO3和SiO2生成，引起磚空隙發(fā)生改變進(jìn)而增強其強度尤其是表面強度。在相關(guān)學(xué)者[12-13]的砌體碳化作用影響研究中，均闡述并分析了碳化使砌體回彈值稍有增大，但其增幅并不顯著，文獻(xiàn)[12]研究結(jié)果表明碳化作用基本不影響回彈法檢測蒸壓粉煤灰磚的強度精度，故本次試驗不考慮碳化作用的影響。

通過上述試驗及分析可知，應(yīng)用回彈法對蒸壓粉煤灰磚測量強度時，豎向壓力、試驗方法、碳化作用均對測強結(jié)果精度影響不大，在實際工程測試中可以不考慮；含水率對回彈測試結(jié)果影響較大，在進(jìn)行回彈法測試時，需保證被測試樣表面干燥以不影響回彈測試結(jié)果準(zhǔn)確性。

3 試驗結(jié)果與規(guī)范對比

將本次試驗的65個蒸壓粉煤灰磚試件經(jīng)過回彈測試及抗壓試驗得到回彈值與抗壓強度值，將65塊磚隨機平均分成5組，取其平均值進(jìn)行對比分析。分別按照《砌體工程現(xiàn)場檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50315-2011)、四川省地方標(biāo)準(zhǔn)《回彈法評定砌體中燒結(jié)普通磚強度等級技術(shù)規(guī)程》(DBJ51/T 049-2015)、安徽省地方標(biāo)準(zhǔn)《回彈法檢測砌體中普通黏土磚抗壓強度技術(shù)規(guī)程》(DB 34/T234-2002)、福建省地方標(biāo)準(zhǔn)《回彈法檢測砌體中普通黏土磚抗壓強度技術(shù)規(guī)程》(DBJ 13-73-2006)[14]中的測強公式代入計算，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)公式匯總見表1，得到換算強度值，并與抗壓試驗所測得的實驗室抗壓強度值進(jìn)行比較，比較結(jié)果見表2。

表1 相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)回彈法測強公式匯總

表2 相關(guān)測強曲線強度換算結(jié)果對比

由表2可見，國家標(biāo)準(zhǔn)《砌體工程現(xiàn)場檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50315-2011)及地方標(biāo)準(zhǔn)換算得到的抗壓強度值均遠(yuǎn)低于實際砌體抗壓強度值，可見相關(guān)規(guī)范中有關(guān)燒結(jié)磚回彈測強曲線不適用于回彈法檢測蒸壓粉煤灰磚的抗壓強度。相較于傳統(tǒng)燒結(jié)普通磚，蒸壓粉煤灰磚以粉煤灰、石灰、石膏以及骨料為原料，經(jīng)過胚料制備、壓制成型、高壓蒸汽養(yǎng)護等工藝過程制成的實心粉煤灰磚，其制作工藝與燒結(jié)普通磚完全不同。影響蒸壓粉煤灰磚強度的主要因素是由于水泥、石膏、石灰激發(fā)劑的存在使粉煤灰中的Si-O、Al-O鍵破壞，使其快速溶出殘余水化反應(yīng)，同時水化物提供的鈣離子可提升磚體強度，水泥中的C3S、C2S、C3A等礦物的存在，生成CSH附著于粉煤灰粒子表面，也提升了粉煤灰磚的整體強度[15-17]。因此有必要對回彈法檢測蒸壓粉煤灰磚的適用性進(jìn)行探究。

4 測強曲線擬合

因現(xiàn)行各類回彈法檢測砌體抗壓強度規(guī)范無法準(zhǔn)確描述蒸壓粉煤灰磚回彈值與抗壓強度值的關(guān)系。參考文獻(xiàn)[12]中提出的4種不同形式曲線，以單塊磚回彈數(shù)據(jù)為一個組別，將65組原始回彈值-抗壓強度數(shù)據(jù)代入上述文獻(xiàn)提出的回歸公式，結(jié)果見表3。 由表3可見，相較于現(xiàn)行檢測燒結(jié)磚的部分技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，文獻(xiàn)[12]提出的回歸公式在反映本文回彈值為30～37的蒸壓粉煤灰磚抗壓強度效果也并不理想，其中冪函數(shù)表達(dá)式平均相對誤最小為28.49%，高于文獻(xiàn)[4]中地方測強曲線中規(guī)定的平均相對誤差應(yīng)小于13%的要求。

表3 抗壓強度換算結(jié)果

考慮本文磚塊強度區(qū)間在12～18 MPa，不同于文獻(xiàn)的10～30 MPa，以及地方差異可能導(dǎo)致砌塊性能表現(xiàn)不同。在采用其直線函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、拋物線函數(shù)4種形式下，使用origin軟件按最小二乘法對本次試驗的65組原始數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，擬合結(jié)果見表4、圖4。由表4可見，將65組原始數(shù)據(jù)擬合而成的4種回彈值與抗壓強度值的函數(shù)表達(dá)式，其中相關(guān)系數(shù)最大只有0.47，表明在原始數(shù)據(jù)中，兩個變量間的相關(guān)性并不顯著，為了進(jìn)一步探究變量之間的關(guān)系，需要對65組原始數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理。

表4 65組回彈值-抗壓強度數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

圖4 4種函數(shù)形式擬合圖像Fig.4 Fitting images with four function forms

在處理試驗數(shù)據(jù)某一指標(biāo)時，通常采取將數(shù)據(jù)多次平均值的方法來提高檢測精度[12]。平均值在一定條件下可以反映試驗的真實水平，以下將采用平均值替代真值方法處理數(shù)據(jù)。將回彈值-抗壓強度數(shù)據(jù)65組按回彈值從低到高排序，將排序后的數(shù)據(jù)進(jìn)行等距離分組，每組數(shù)據(jù)之間的間距d取0.20，此時組距d(0.20)與全距D(6.19)的比值d/D較小(d/D=0.03)，組內(nèi)方差平均值和誤差帶來的影響可忽略不計；分組后去除組內(nèi)無數(shù)據(jù)的區(qū)間，重新計算每組內(nèi)的回彈值平均值及抗壓強度平均值，可得到18組回彈平均值和抗壓強度平均值數(shù)據(jù)；將處理后的18組數(shù)據(jù)應(yīng)用origin軟件進(jìn)行回歸分析和數(shù)據(jù)擬合，得到蒸壓粉煤灰磚的測強曲線(圖5)。計算各擬合公式的平均相對誤差(%)和相對標(biāo)準(zhǔn)差(%)，結(jié)果見表5。

表5 18組回彈值-抗壓強度數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

圖5 18組回彈值-抗壓強度數(shù)據(jù)擬合圖像Fig.5 Fitting images with 18 groups of rebound value compressive strength data

由表5可見，重新擬合后的4種函數(shù)表達(dá)式的相關(guān)系數(shù)有了一定幅度的提高，平均相對誤差滿足規(guī)范中不大于13.0%的要求，均方相對誤差也滿足規(guī)范中小于16.0%的要求，說明4個回歸方程的擬合效果均滿足規(guī)范中對地方測強曲線的要求，又較為準(zhǔn)確地描述回彈值與抗壓強度的關(guān)系。綜合考慮相關(guān)系數(shù)、平均相對誤差及均方相對誤差，指數(shù)函數(shù)和拋物線函數(shù)的回歸方程預(yù)測效果相似，相關(guān)系數(shù)為0.81，平均相對誤差為4.19%，均方相對誤差為5.23%；將指數(shù)函數(shù)和拋物線函數(shù)系數(shù)簡化后發(fā)現(xiàn)，指數(shù)函數(shù)預(yù)測的強度值總體略高于拋物線預(yù)測的強度值，考慮到工程應(yīng)用安全性，選取預(yù)測效果更為保守的拋物線函數(shù)作為檢測工程低強度蒸壓粉煤灰磚的測強曲線，表達(dá)式為

f=0.03R2-1.13R+18.29

(1)

式中：R為10塊磚樣回彈平均值，30≤R≤37。

5 驗證試驗

為驗證本文提出的測強曲線的可靠性，在黑龍江省某小區(qū)5棟蒸壓粉煤灰磚砌體建筑中進(jìn)行驗證。每棟建筑選取3個測區(qū)，每個測區(qū)切割出1塊完整的砌塊，進(jìn)行實驗室抗壓強度試驗，測得實際抗壓強度值。再于每棟建筑中布置10個回彈測試區(qū)，每個測區(qū)隨機選擇10塊條面向外的磚進(jìn)行回彈測試(圖6)，測得的回彈平均值按式(1)計算得到換算抗壓強度值。將換算強度平均值與實測抗壓強度平均值進(jìn)行比較并計算平均相對誤差。各樓棟試驗結(jié)果見表6，計算均方相對誤差 14.56%。

表6 取樣試驗結(jié)果

圖6 現(xiàn)場回彈檢測Fig.6 Detect photo

由表6可見，回歸方程符合文獻(xiàn)[4]中規(guī)定的地方測強曲線中平均相對誤差小于13%、均方相對誤差小于16%的精度要求。通過實際工程驗證結(jié)果可知，將本文提出的公式應(yīng)用于回彈法檢測回彈值區(qū)間30～37、實際抗壓強度12～18 MPa的蒸壓粉煤灰磚強度是可行的。當(dāng)超出本文測強曲線的測強范圍時，應(yīng)進(jìn)行驗證后使用。

6 結(jié) 論

通過回彈測試及抗壓強度試驗對蒸壓粉煤灰磚抗壓強度探究，得出以下結(jié)論：

1)豎向壓力、試驗方法、碳化作用對推定蒸壓粉煤灰磚的強度精度影響不大，應(yīng)用回彈法測蒸壓粉煤灰磚強度時以上影響因素可忽略不計。

2)通過試驗數(shù)據(jù)應(yīng)用多種表達(dá)式擬合結(jié)果可見，本文建議采用拋物線函數(shù)表達(dá)式作為其擬合曲線。基于此基礎(chǔ)并依據(jù)國家現(xiàn)行規(guī)范和技術(shù)要求，提出了適合本工程的回彈法檢測低強度蒸壓粉煤灰磚的強度曲線，測強公式為f=0.03R2-1.13R+18.29。本文提出的拋物線形式測強曲線經(jīng)驗證試驗表明，該公式誤差較小，滿足精度要求。