里氏硬度法評估套筒灌漿料抗壓強度

吳玉龍, 顧 盛, 孫 彬, 丁晨晨, 張舜泉

(1.昆山市建設工程質量檢測中心, 江蘇 昆山 215337; 2.中國建筑科學研究院有限公司, 北京 100013; 3.東南大學 材料科學與工程學院, 江蘇 南京 211189)

在裝配式混凝土結構中,鋼筋套筒灌漿連接是一種常用的節點連接形式[1].套筒灌漿料作為不同構件荷載傳遞的媒介,其強度是保證節點連接可靠性的關鍵因素[2].然而,在實際施工中,常增大用水量以增強流動性或為了節省成本使用過期灌漿料,致使灌漿料抗壓強度降低,嚴重影響連接性能,給整個建筑結構埋下嚴重的安全隱患.

由于套筒位于預制構件內,灌漿料隱蔽于套筒中,檢測儀器無法直接與其接觸,因此目前尚無有效手段可對套筒灌漿料實體強度進行檢測.孫彬等[3]提出了用灌漿孔道或出漿孔道聚氯乙烯(PVC)管內的灌漿料制作成圓柱體小芯樣并進行抗壓試驗,利用換算公式得出套筒灌漿料標準試件的抗壓強度.由于小芯樣與標準試件的換算公式需通過大量試驗獲得，且小芯樣的抗壓強度離散性較大,因此該方法仍處于研究階段.

灌漿孔道或出漿孔道PVC管與套筒內的灌漿料是一體的,利用孔道內的灌漿料強度表征套筒內的灌漿料強度是合適的,因此,可以嘗試采用對孔道內的灌漿料進行表面硬度檢測來推測其抗壓強度.通過表面硬度推測材料強度是工程上常用的一種無損、便捷和有效的檢測手段,目前主要有砂漿貫入法、混凝土回彈法和里氏硬度法等.砂漿貫入法是利用測釘定灌貫入砂漿的深度與其抗壓強度的相關性實現砂漿抗壓強度的檢測方法[4];混凝土回彈法則是利用混凝土表面硬度與其抗壓強度的相關性檢測混凝土的抗壓強度[5].這些方法或彈擊桿尺寸過大、或強度檢測范圍受限,均不適用于在孔道內檢測高強度套筒灌漿料的實體抗壓強度.

里氏硬度計是基于彈性沖擊原理,主要用于測試金屬材料的硬度.測試過程中將里氏硬度計沖擊裝置的沖擊體(碳化鎢或金剛石球頭)從固定位置釋放,沖擊在試樣表面上,測量球頭距試樣表面1mm處的沖擊速度與反彈速度.用里氏硬度值表征球頭反彈速度與沖擊速度之比[6].原理上,里氏硬度計并非利用了金屬所特有的性質,而是利用金屬材料表面硬度與抗拉強度的相關性,實現測試其強度的目的.因此,對于表面硬度與抗拉強度存在相關性、均質性較好的非金屬材料,理論上里氏硬度計可以用來對其強度進行測試.孫彬等[7]提出了用里氏硬度法測試不同凍融損傷程度的混凝土表面硬度,反映強度損失率等凍融損傷基本特征,取得了非常好的結果.基于此,在孔道內塞入端面光滑平整的橡膠塞,成型孔道內灌漿料的檢測面[8],并采用彈擊桿尺寸和強度檢測范圍適用的里氏硬度計進行測試,以解決套筒灌漿料實體強度無法檢測的難題.為研究套筒灌漿料標準試件表面里氏硬度與抗壓強度的相關性,本文設計制作了4組套筒灌漿料試件,采用里氏硬度計對其表面里氏硬度進行測試,獲得表面里氏硬度的分布規律并進行數據處理,制定獲取可靠表面里氏硬度代表值的方法，并研究了套筒灌漿料的表面里氏硬度與其抗壓強度的相關性.

1 表面里氏硬度

1.1 試件制作

用北京思達建茂生產的CGMJM-VI鋼筋套筒連接用灌漿料,設計水膠比(質量比)為0.12,制作了4組齡期分別為3、7、14、28d的40mm×40mm×160mm 套筒灌漿料標準試件,每組3個試件.制作過程為：用行星式攪拌機按照標準攪拌程序進行拌制,攪拌完成后注入鋼制三聯模成型,拆模后移至養護室按照JG/T 408—2013《鋼筋連接用套筒灌漿料》進行標準養護;在灌漿料標準試件達到相應齡期時,將其從標準養護室中取出,并在自然狀態下靜置6h,使其表面自然風干.

1.2 試驗方法

將試件置于壓力試驗機的2個承壓板之間持壓,壓力保持在2～3kN.采用DHT-100的D型里氏硬度計對各組3個試件的a側面進行里氏硬度測試,測點數量為16,測點間距大于5mm.從各組3個試件中選取2個試件進行b側面的測試,對剩余的第3個試件進行a側面的第2次測試,測點數量則根據對a側面分析得出的里氏硬度測點最小取樣數量確定.文中,3d-1-a表示第1個試件3d齡期的a側面,3d-1-a-1表示對3d-1試件a側面的第1次測試，其他類推.在a側面進行第2次測試時,應盡量避開第1次的測點,a、b側面在標準試件上的相對位置見圖1.

圖1 測試面位置示意圖Fig.1 Schematic of test position

1.3 試驗結果與數據分析

1.3.1試驗結果統計分析

對套筒灌漿料標準試件表面里氏硬度進行統計分析,將12組表面里氏硬度數據進行柱狀圖統計,結果見圖2.由圖2可見:12組表面里氏硬度數據與正態分布擬合度很高,表明套筒灌漿料標準試件表面里氏硬度的數據可靠;隨機誤差圍繞表面里氏硬度真值上下波動,服從正態分布,說明該表面里氏硬度測試方法具有可行性.

1.3.2最小取樣數量的確定

在測定套筒灌漿料標準試件表面里氏硬度時,如果測點數量過少,里氏硬度均值的離散性大,使測定結果可靠性不足;增大里氏硬度測點數量,可以有效減少數據的離散性,使測定結果更為可靠,但如果測點數量過大,則將大大增加工作量和降低檢測效率.因此,需要確定一個合理的測點最小取樣數量.

圖2 試件表面里氏硬度分布柱狀圖Fig.2 Histogram of Leeb hardness distribution on surface of test pieces

設計取樣數量n=3、5、7、9、11、13、16,對4組套筒灌漿料標準試件進行試驗,統計其表面里氏硬度的均值m、樣本標準差s和離散系數η,結果見圖3.由圖3可見：當測點取樣數量n≥9時,試件表面里氏硬度的均值m、樣本標準差s和離散系數η基本趨于穩定.因此,最小取樣數量確定為9.

1.3.3測試結果重復性

為了進一步考察同一套筒灌漿料標準試件的2個對稱側面和同一側面2次測試的結果是否具有重復性,將4組試件每組取前2個分別進行a、b側面里氏硬度測試,剩余的1個試件進行a側面的2次測試,測點取樣數量均為9.

對a、b側面和a側面2次測試的結果進行統計分析,并對每組2個樣本數據進行假設檢驗,考察2個樣本是否存在顯著差異，配對樣本見表1.取顯著性水平α=0.05,假設：H0為2個里氏硬度樣本無明顯差異;H1為2個里氏硬度樣本有明顯差異.采用t檢驗進行驗算：

圖3 樣點數對試件表面里氏硬度統計值的影響Fig.3 Influence of sample number on surface Leeb hardness statistic value of specimens

(1)

df=n1+n2-2

(2)

按式(1)和式(2)計算配對樣本t值并計算其絕對值|t|,結果見表1.由表1可見：每個配對樣本均滿足|t|

1.3.4數據處理方法

套筒灌漿料標準試件表面里氏硬度數據x服從正態分布,則：

p(μ-2σ≤x≤μ+2σ)>0.95

(3)

式中：p、μ和σ分別為概率、數學期望和標準差.由式(3)可知,表面里氏硬度數據出現大于μ+2σ或小于μ-2σ的情況屬于小概率試件,因此可以將這類大

表1 配對樣本的t檢驗結果Table 1 Result of t-test of paired samples

偏差數據作為異常值予以剔除,從而使里氏硬度推算結果更準確.為保證表面里氏硬度數據均落在區間內,經統計計算分析,制定了將9個表面里氏硬度數據剔除2個最大值和2個最小值,剩余5個值的平均值作為表面里氏硬度代表值的數據處理方法,數據處理前后結果對比見表2.

由表2可見：9組里氏硬度數據在數據處理后,其均值更加穩定,均值偏差(divation range)、樣本標準差s和離散系數η顯著減小.該數據處理方法同樣在DGJ32/TJ 116—2011《里氏硬度計現場檢測建筑鋼結構鋼材抗拉強度技術規程》中運用,基本能保證剩余5個鋼材的里氏硬度值偏差不超過平均值的±15HL.由于鋼筋套筒灌漿料達不到鋼材的勻質性,因此,對套筒灌漿料標準試件的里氏硬度偏差在±20HL以內的數據,采用該數據處理方法有效.

表2 數據處理前后結果對比Table 2 Comparison of results before and after data processing

2 抗壓強度與表面里氏硬度相關性

2.1 試驗方法

為研究套筒灌漿料標準試件的表面里氏硬度與抗壓強度的相關性,對4組試件分別進行里氏硬度測試和抗壓試驗,運用1.3.4節數據處理方法獲取表面里氏硬度代表值,并與抗壓強度代表值進行回歸擬合.

將套筒灌漿料標準試件平均劃線分為A、B段,每段尺寸為40mm×40mm×80mm,將其置于壓力試驗機承壓板之間持壓,分別測試A、B段試件前后2個對稱面的表面里氏硬度,前后面分別取4個和5個點進行測試,得到每段試件的9個表面里氏硬度值.表面里氏硬度測試完成后,將套筒灌漿料標準試件在水泥壓力試驗機上進行折斷,形成A、B段試件,再進行抗壓試驗,分別獲得A、B段試件的抗壓強度.

2.2 抗壓強度與表面里氏硬度的回歸擬合

2.2.1齡期影響

將A、B段試件的9個表面里氏硬度值,去掉2個最大值和2個最小值,取剩余5個值的平均值Hm,作為該段試件的表面里氏硬度代表值,并將該段試件實際抗壓強度值作為抗壓強度代表值fc,共獲得24對數據.試件的表面里氏硬度和抗壓強度與齡期的關系見圖4.由圖4可見：套筒灌漿料標準試件的表面里氏硬度和抗壓強度隨齡期延長的總體變化規律一致,均隨齡期的延長而增大;曲線斜率變化規律表明,齡期7d 內,兩者增長最快,7～14d次之,14～28d 增長最慢且曲線趨于平緩.

圖4 試件表面里氏硬度和抗壓強度與齡期的關系Fig.4 Evolvement of surface Leeb hardness and compressive strength with age of specimens

2.2.2回歸公式的建立

A、B段試件的抗壓強度代表值fc與其表面里氏硬度代表值Hm相對應,以(Hm,fc)為1個二維坐標,分別采用線性、指數型和冪指數型關系進行回歸擬合,回歸結果見表3,回歸曲線見圖5.由表3和圖5可見：套筒灌漿料試件的抗壓強度與表面里氏硬度相關系數R均超過0.9,表明其表面里氏硬度和抗壓強度具有強相關性；試件的表面里氏硬度越大,其抗壓強度越高.其中指數回歸公式的擬合度最好,這也與諸多文獻[9-11]呈現出的材料里氏硬度與強度的指數關系相符.

表3 抗壓強度-表面里氏硬度的回歸結果Table 3 Regression results of compressive strength and surface Leeb hardness

圖5 抗壓強度-表面里氏硬度的回歸曲線Fig.5 Regression curves of compressive strength-surface Leeb hardness

3 結論

(1)不同養護齡期(3、7、14、28d)的套筒灌漿料標準試件表面里氏硬度數據服從正態分布;當測點取樣數量不小于9時,試件表面里氏硬度的均值m、樣本標準差s和離散系數η趨于穩定;2次測試或對稱側面測試結果具有顯著重復性.

(2)在95%保證率下,采用剔除2個最大值和2個最小值的方法進行數據處理,套筒灌漿料表面里氏硬度單值與均值偏差、標準差和離散系數顯著減小,其表面里氏硬度單值與均值偏差在±20HL以內.

(3)將套筒灌漿料表面里氏硬度代表值與抗壓強度分別采用線性、指數型和冪指數型關系式進行回歸擬合,相關系數R>0.9,且試件的表面里氏硬度越大,其抗壓強度越高,其中采用指數回歸擬合的綜合效果最好.

(4)里氏硬度法具有適應小截面、操作便捷和檢測效率高等優勢,本文為工程現場套筒灌漿料實體強度的檢測提供了方向和依據;存在不足的是,不同品牌灌漿料和孔道中灌漿料表面里氏硬度與抗壓強度相關關系的差異性及其影響因素需要進一步的研究.