鉆芯法在工程質(zhì)量檢測中的應(yīng)用與思考

1 前 言

鉆芯法是一種用于測試結(jié)構(gòu)實(shí)體質(zhì)量的微破損檢測方法。最普遍的應(yīng)用是檢測結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度，即利用專用鉆機(jī)從結(jié)構(gòu)或構(gòu)件混凝土中鉆取芯樣進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，除了進(jìn)行必要的形狀修正外, 無需進(jìn)行某種物理量與強(qiáng)度之間的換算。因此，普遍認(rèn)為這是一種較為直觀、可靠、精度高的檢測手段。既能夠單獨(dú)使用，也作為回彈法和超聲回彈綜合法等簡接方法測試結(jié)果進(jìn)行修正的依據(jù)[1-6]。各行業(yè)根據(jù)各自行業(yè)特點(diǎn)對鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度做出了相應(yīng)的規(guī)定。如CECS 03：2007《鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》、DL/T 5150-2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》、JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》、SL 352-2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》、JTS 239-2015《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)體檢測技術(shù)規(guī)程》、JGJ/T 384-2016《鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》均就芯樣直徑、芯樣的端面修整、樣品養(yǎng)護(hù)、加荷速率、數(shù)據(jù)處理等作了不同的規(guī)定。

鉆芯法除檢測結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強(qiáng)度外尚有較多的應(yīng)用，如混凝土缺陷的直觀檢查，現(xiàn)澆板厚度、路面厚度等結(jié)構(gòu)尺寸的檢測等等。鉆芯法與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法結(jié)合可以對結(jié)構(gòu)實(shí)體的抗拉強(qiáng)度、抗凍性能、抗?jié)B性能、抗沖磨性能等進(jìn)行檢測。

2 抗拉強(qiáng)度的檢測

盡管一般不把混凝土設(shè)計(jì)成直接抗拉構(gòu)件，但知道抗拉強(qiáng)度有助于我們進(jìn)行抗裂驗(yàn)算，估計(jì)裂縫發(fā)展時(shí)荷載大小。如，對于二級(jí)裂縫控制等級(jí)的鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下，受拉邊緣應(yīng)力應(yīng)符合：σck-σpc≤ftk。其中為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值[7]。為了保持混凝土結(jié)構(gòu)的連續(xù)性以及防止鋼筋銹蝕的諸多情況，避免混凝土開裂極其重要。當(dāng)剪應(yīng)力引起斜拉應(yīng)力時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)開裂問題，尤其是由收縮被約束且存在溫度梯度時(shí)出現(xiàn)的開裂。因此，在許多實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算中雖然沒有考慮抗拉強(qiáng)度，但是確定混凝土抗拉強(qiáng)度非常有助于我們了解鋼筋混凝土的特性。

對于素混凝土結(jié)構(gòu)，抗拉強(qiáng)度也很重要，例如地震中的大壩。其他一些結(jié)構(gòu)，如高速公路和機(jī)場跑道，都是基于抗折強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)的，包含了抗拉強(qiáng)度[8]。

常見的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法有3種：直接抗拉試驗(yàn)、劈裂抗拉試驗(yàn)和抗折試驗(yàn)。

2.1 直接抗拉試驗(yàn)

SL 352-2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》第4.5章規(guī)定了混凝土軸向拉伸試驗(yàn)，其中一種試件為現(xiàn)場鉆芯后，將芯樣兩端切割磨平，用環(huán)氧樹脂粘接劑在芯樣兩端粘上拉板，芯樣直徑150mm，芯樣試件長度300～500mm，到預(yù)定的齡期后，將樣品放在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。通過調(diào)整試驗(yàn)機(jī)球面拉力接頭，使試件軸線與試驗(yàn)機(jī)施力軸線盡可能重合。

式中ft為軸向抗拉強(qiáng)度（MPa），P為破壞荷載（N），A為試件斷面面積（mm2）。該規(guī)程中規(guī)定的芯樣直徑為150mm，這在目前應(yīng)用的不是很多，對于常見的水閘、泵站等水工建筑物，最大粗骨料粒徑一般在30～50mm，按2倍粒徑考慮，試樣的直徑可減小到100mm。在這，可以在室內(nèi)用同一批混凝土（最大粗骨料粒徑控制在50mm以內(nèi)）澆筑大的試件，鉆取兩種直徑的樣品做對比試驗(yàn)。

DB34/T 2235-2014《鉆拉法檢測結(jié)構(gòu)混凝土抗拉強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》給出了一種直接在結(jié)構(gòu)母體上進(jìn)行混凝土抗拉強(qiáng)度的檢測方法。在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件表面鉆制芯樣，利用芯樣外端粘貼鉆拉標(biāo)準(zhǔn)塊并安裝拉拔儀，測定拉斷芯樣的軸向極限拔出力，計(jì)算得到結(jié)構(gòu)混凝土軸心抗拉強(qiáng)度。

式中f1t為混凝土抗拉強(qiáng)度換算值（MPa），P為拉拔力代表值，即芯樣破型時(shí)的荷載峰值（N），A為芯樣承受荷載的計(jì)算面積（mm2）。樣品直徑70～75mm，長度100～150mm，適用于粗骨料粒徑不大于35mm的結(jié)構(gòu)混凝土軸心抗拉強(qiáng)度的檢測。

2.2 劈裂抗拉試驗(yàn)

劈拉強(qiáng)度是通過劈拉試驗(yàn)得到的。試驗(yàn)時(shí)，將用于抗壓試驗(yàn)的混凝土圓柱體試件平臥放入試驗(yàn)機(jī)壓板中間，不斷加載直至沿軸向直徑方向出現(xiàn)間接拉應(yīng)力引起的劈裂破壞。壓板為半徑75mm的弧形鋼制墊塊。為避免可能會(huì)產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，實(shí)際試驗(yàn)過程中會(huì)在圓柱體試件和壓板間加墊一窄形壓條，如三合板等。如果不加墊條，則測得的強(qiáng)度會(huì)偏低，一般降低8%左右。ASTM C496-90規(guī)定墊條厚3mm、寬25mm。英國標(biāo)準(zhǔn)BS1881：117：1983規(guī)定使用的硬質(zhì)纖維板，厚4mm、寬15mm。GB/T 50081-2002規(guī)定的墊條為三層膠合板，寬度為20mm，厚度為3～4mm。JGJ/T 384-2016推薦的劈裂抗拉芯樣試件的高徑比為2，且任何情況下不應(yīng)小于1。

式中 ft,cor為芯樣劈拉強(qiáng)度值（MPa），F(xiàn)t為破壞荷載（N）， At為試件斷面面積（mm2）。βt為芯樣試件強(qiáng)度換算系數(shù)，通常取0.95。SL 352中沒有涉及芯樣劈拉試驗(yàn)方法，規(guī)定了立方體試件的，試驗(yàn)時(shí)墊條為截面5mm×5mm、長約200mm的鋼制方墊條，沒有規(guī)定在鋼方條與試件之間放置膠合板。筆者認(rèn)為，為了更均勻地傳遞荷載，鋼墊條與混凝土試件間應(yīng)放置膠合板或其他柔性材料。

2.3 抗折試驗(yàn)

抗折強(qiáng)度試驗(yàn)通常采用三點(diǎn)加荷法，即在這些試驗(yàn)中，對素混凝土梁對稱的位于梁跨度的1/3處兩點(diǎn)施加荷載直至破壞。在混凝土梁底部出現(xiàn)的理論最大拉應(yīng)力即為斷裂模量。通常梁的測試面與澆筑面存在一定的關(guān)系，但只要混凝土不離析，則梁的測試面與澆筑面之間的關(guān)系不會(huì)影響試件的斷裂模量[9],[10]。

我國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL 352-2006規(guī)定的試件為150mm×150mm×550mm（或600mm）小梁，跨度為450mm；必要時(shí)可采用100mm×100mm×400mm（或515mm）小梁，跨度為300mm[11]。交通部標(biāo)準(zhǔn)JTG E30-2005規(guī)定的試件為150mm×150mm×550mm（或600mm）小梁，跨度為450mm，或者為 100mm×100mm×400mm小 梁， 跨 度 為300mm[12]。 英 國 標(biāo) 準(zhǔn) BS 1881-118：1983規(guī) 定， 在150mm×150mm×750mm的梁上（跨度為450mm）施加三分點(diǎn)加荷，但是可以使用100mm×100mm的小梁，只要小梁邊長至少是骨料最大粒徑的3倍。ASTM C78-94的規(guī)定與BS 1881-118：1983相似。

JGJ/T384-2016推薦的抗折強(qiáng)度試樣為芯樣試件，直徑100mm，長度350mm，直徑不宜小于骨料最大粒徑的3倍。

3 抗?jié)B性能檢測

GB/T 50082《普通混凝土長期性能與耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中混凝土抗?jié)B試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸為上端直徑175mm、下端直徑185mm、高150mm的圓臺(tái)體。很顯然，這樣的形狀，鉆芯法無法容易在結(jié)構(gòu)實(shí)體上獲得。那么在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作中，將在實(shí)體上鉆取的直徑150mm混凝土芯樣切割加工成高150mm的圓柱體，然后把圓柱體放入標(biāo)準(zhǔn)的抗?jié)B試模中，用無收縮水泥砂漿或環(huán)氧砂漿把縫隙填充密實(shí)，然后進(jìn)行常規(guī)的抗?jié)B試驗(yàn)。這是鉆芯法檢測結(jié)構(gòu)實(shí)體抗?jié)B性能的通常做法。這種做法也得到較多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可[13]。

4 抗凍性能檢測

GB/T 50082《普通混凝土長期性能與耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中快凍法采用的試件尺寸為100mm×100mm×400mm棱柱體試件，每組試件3塊，即為標(biāo)準(zhǔn)試件。SL 352-2006中有類似的規(guī)定。但是對于實(shí)體結(jié)構(gòu)混凝土的抗凍性能方法，國標(biāo)中沒有提供。交通行業(yè)在JTS 239-2015《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)體檢測技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定了采用鉆芯法在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件上鉆芯（試件尺寸直徑100mm×長度 400mm）對結(jié)構(gòu)混凝土抗凍性進(jìn)行檢測；水利行業(yè)在SL 734-2016規(guī)程附錄E中規(guī)定了混凝土抗凍試驗(yàn)方法。但是芯樣抗凍試件與室內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)抗凍試件至少存在3點(diǎn)差異：1）尺寸上的差異；2）混凝土成型養(yǎng)護(hù)上的差異；3）試樣表面的差異。特別是對于芯樣試件，側(cè)面和端面均為切割面，導(dǎo)致漿石界面遭到破壞。研究機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果也表明，由芯樣試件得到的凍融循環(huán)次數(shù)比標(biāo)準(zhǔn)試件的要少很多[14][15][16]。當(dāng)然形成這種結(jié)果的原因有很多，比如骨料粒徑和種類、混凝土種類的影響等都不可忽視。目前還缺少系統(tǒng)的研究數(shù)據(jù)反映芯樣的抗凍性能參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)試件的抗凍性能參數(shù)間的相關(guān)性，給實(shí)體混凝土的抗凍性檢測帶來困難。

5 抗沖磨性能檢測

抗沖磨性能常見于水工混凝土和水運(yùn)工程混凝土，以SL352-2006中的水下鋼球法為例，利用高速水流帶動(dòng)研磨鋼球在規(guī)定的時(shí)間沖磨混凝土表面，以單位面積上被磨損單位質(zhì)量所需要的時(shí)間來得到混凝土抗沖磨強(qiáng)度。規(guī)定的抗沖磨試件尺寸為直徑300mm，高度100mm的圓餅。對于結(jié)構(gòu)實(shí)體混凝土，若想得到與標(biāo)準(zhǔn)試件一樣尺寸的試件，則需要鉆取直徑300mm的芯樣。受鉆芯設(shè)備或結(jié)構(gòu)配筋的影響，往往難以實(shí)現(xiàn)。一般的做法，是鉆取直徑100mm的芯樣，然后利用其他材料將其修補(bǔ)成直徑300mm的樣品。但是這很顯然會(huì)帶來一個(gè)問題，就是修補(bǔ)出的這個(gè)外徑為300mm、內(nèi)徑為100mm的圓環(huán)帶的抗磨性能與中間的混凝土部分肯定存在差異，從而帶來鋼球的分布逐漸產(chǎn)生變化，導(dǎo)致最終的結(jié)果失真。筆者認(rèn)為，可以考慮采用一些抗磨性能好的材料如橡膠來填充環(huán)形帶，進(jìn)行大量的比對試驗(yàn)，取得修正系數(shù)，用于結(jié)構(gòu)實(shí)體的抗沖磨試驗(yàn)。

6 結(jié) 語

隨著建設(shè)行業(yè)主管部門對結(jié)構(gòu)實(shí)體質(zhì)量越來越重視，混凝土抗凍、抗?jié)B等長期性能和耐久性能也常出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)實(shí)體的檢測計(jì)劃中，而此時(shí)混凝土已硬化，無法取得與混凝土澆筑時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)樣品。很多行業(yè)和地方都對此進(jìn)行了研究，并發(fā)布了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)程[13]。但仍需要開展大量的研究試驗(yàn)，積累實(shí)體混凝土性能與實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法得到的性能間的相關(guān)性或修正關(guān)系，從而獲得與實(shí)際情況更接近的混凝土性能指標(biāo)，為工程運(yùn)行和管理提供技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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