水泥基灌漿料抗壓強度現場檢測方法試驗研究

卜良桃， 龔文兵

(湖南大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410082)

如今，隨著科學技術不斷升級，材料的更新換代，水泥基灌漿料的性能得到了很好的改善。水泥基灌漿料由于其流動性好、早強、高強、無收縮、微膨脹等高性能，在實際工程中的應用越來越廣泛[1]。水泥基灌漿料初期主要應用于設備基礎二次灌漿、錨固地腳螺栓等方面[2-4]，但如今水泥基灌漿料在工程結構加固中也有著舉足輕重的地位，尤其廣泛地應用在加固復雜節點部位，其良好的流動性保證了節點部位的加固質量。

隨著混凝土結構廣泛運用于現代工程，在使用過程，由于自然環境侵蝕和結構本身荷載的影響，會導致建筑結構出現安全性和耐久性的問題[5]。水泥基灌漿料置換加固混凝土結構是常用的加固方法，然而目前水泥基灌漿料抗壓強度只能通過預留的試塊進行抗壓強度試驗來確定，尚沒有現場檢測標準和規范，因此一旦試塊丟失，現場檢測水泥基灌漿料抗壓強度就成為了一大難題。

如今出臺了許多現場檢測混凝土結構抗壓強度的相關規范，在工程應用上也較為成熟。現場檢測混凝土結構的方法主要有：回彈法、超聲回彈綜合法、先裝拔出法、后裝拔出法和鉆芯法等檢測方法[6]。由于水泥基灌漿料的材料性質和各項性能與混凝土材料相似，所以本試驗的主要內容就是探討和研究混凝土結構的現場檢測方法是否同樣適用于水泥基灌漿料，建立相關的測強公式計算水泥基灌漿料試件的抗壓強度換算值，并且從檢測方法的操作的簡易程度、對原試件的損傷程度和測強公式的精確度3個方面對比分析了5種現場檢測方法。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

水泥基灌漿料：由湖南固力土木工程新材料發展有限公司提供的HPG無收縮自流密實水泥基高強灌漿料。

水：純凈的自來水，且水泥基灌漿料技術要求標準用水量小于16%，本試驗所配置的高性能水泥基灌漿料試件的用水量均小于12%[7]。

1.2 試驗儀器

JW500型砂漿攪拌機，高強混凝土回彈儀，ZH — 60型多功能后錨固強度檢測儀，鉆芯機，拔出法錨固件，超聲波檢測儀，SYE-2000型壓力試驗機等試驗儀器。

1.3 試件制作

本試驗運用5種方法檢測5個強度等級的水泥基灌漿料抗壓強度，每一種強度等級制作了3組試件。每組試件包括3個300 mm×300 mm×300 mm的試件和3個100 mm×100 mm×100 mm的立方體標準試塊。

水泥基灌漿料抗壓強度主要的影響因素是攪拌時的用水量，試驗前期通過反復的試配確定了5個強度等級的水泥基灌漿料的用水量，配制強度等級從高到低的水泥基灌漿料的用水量分別是6.5%、7.0%、8.5%、10%、12%。確定配制的用水量后，制作模板，開始澆筑5個強度等級的水泥基灌漿料試件和試塊。拆模之后，放入養護池當中，進行高溫高濕養護3 d，養護溫度為75 ℃。3 d之后，進行常溫養護28 d。整個養護期間，立方體標準試塊進行同等條件養護[8]。

1.4 試驗過程

回彈法操作參考《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》(JGJ/T23—2011)，將養護好的試件表面進行清理、風干之后，隨機在水泥基灌漿料試件的側面選擇測區，測區面積為0.04 m2，每一個測區選取16個測點，均勻分布在測區內，測區測點平面布置如圖1(a)所示。測量回彈值時，回彈儀軸線與檢測表面保持垂直，然后緩慢施加壓力，精準讀數，迅速復位。回彈測試完成之后，在測區表面取直徑約15 mm孔洞，采用濃度1%～2%的酚酞酒精溶液進行碳化深度測量，測量3次，并取平均值作為檢測結果。

圖1 測點布置圖(單位： mm)Figure 1 Measuring point layout(Unit: mm)

超聲回彈綜合法試驗參考《高強混凝土強度檢測技術規程》(JGJ/T 294-2013)技術要求，對水泥基灌漿料試件進行抗壓強度檢測。每一個強度等級的試件選取9個測區，測區大小為200 mm×200 mm，每個測區選取3個測點，在試件另一對側面各選取8個回彈測點，測點示意圖如圖1(b)所示。本試驗采用對測的檢測方法，試驗開始之前，用酒精將試件表面擦拭干凈，待表面風干之后，探頭涂上耦合劑，開始測試。

先裝拔出法參考《拔出法檢測水泥砂漿和纖維水泥砂漿強度技術規程》(CECS 389：2014)，每一個強度等級的試件布置9個測點，澆筑試件時，在測點位置模板上固定錨固件，錨固件應嚴格垂直于構件側面[10]，埋置深度為25 mm。試驗時取出養護好的試件，安裝圓環式拔出儀，連續均勻的施加拔出力，速度控制在1～2 kN/s，直至將錨固件拔出為止。

后裝拔出法同樣每一個強度等級的試件布置9個測點，每3個測點為一組。鉆孔時，在鉆頭處做好標記，以保證每個錨固件的埋置深度為25mm[11]。將孔內灰塵清理干凈之后，向孔內注入錨固膠，劑量充滿孔深2/3，然后將錨固件放入孔內，直至有少部分膠體溢出為止，迅速將準備好的硬紙片蓋住孔口，防止有更多的膠體溢出。待48 h后膠體達到強度，同樣選用圓環式拔出儀操作，將錨固件拔出，記錄拔出力數值。見圖2。

(a) 后裝拔出法破壞錐體

鉆芯法參照《鉆芯法檢測混凝土強度技術規程》(JGJ/T 384-2016)技術要求，選用相關規格的鉆芯機，每個強度等級的試件鉆取9個芯樣。芯樣取出之后，進行后期切割、打磨等處理，每個成品芯樣的規格是直徑為100 mm，高度是100 mm。將處理完的芯樣放進SYE — 2000型壓力試驗機，進行芯樣抗壓試驗，記錄每一個芯樣的抗壓強度值。

同條件養護的標準立方體試塊養護28 d之后，參照現行國家標準《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002)的規定，在SYE-2000型壓力試驗機上進行標準立方體抗壓試驗，并記錄每個立方體試塊的抗壓強度標準值，最后得出每一個強度等級試件的立方體抗壓強度代表值。

2 試驗數據分析

2.1 試驗數據

通過上述一系列試驗，得到了5種檢測方法檢測水泥基灌漿料試件的抗壓強度的代表值數據，以及標準立方體抗壓強度代表值，試驗數據如表1所示。

表1 試驗數據Table 1 Experimental data 水泥基灌漿料強度等級試件分組回彈法代表值R超聲回彈代表值與聲速值v/(km·s-1)Rh先裝拔出力代表值Fx/kN后裝拔出力代表值Fh/kN芯樣抗壓強度代表值fcor/MPa立方體抗壓強度代表值fcu/MPaA-162.88 4.42 60.24 34.53 14.25 55.31 52.60 A60A-263.45 4.46 62.84 36.56 15.70 55.46 54.60 A-364.14 4.44 63.78 37.87 15.00 55.98 55.80 B-168.21 4.55 67.51 41.38 20.52 66.24 63.20 A70B-269.31 4.57 68.22 44.08 21.88 68.24 64.20 B-370.91 4.59 72.84 44.15 19.80 69.21 67.40C-173.20 4.71 74.81 49.55 25.10 74.98 73.50 A80C-274.98 4.73 75.24 50.95 26.40 75.21 75.30 C-376.26 4.68 76.21 50.12 26.77 76.28 76.80D-177.60 4.80 76.23 53.07 30.43 84.51 81.40A90D-275.61 4.78 77.66 54.70 29.89 86.32 80.90 D-376.51 4.82 78.24 53.36 30.62 84.38 82.50E-180.10 4.84 80.62 59.70 35.30 92.56 91.40A100E-281.64 4.86 81.42 58.32 37.56 94.67 92.30 E-382.97 4.88 82.47 58.54 35.40 95.82 93.70

2.2 試驗數據分析

從試驗數據中可以看出，5種檢測方法得出的抗壓強度代表值與標準立方體抗壓強度代表值之間有一定的聯系。根據相關數學分析方法[12]，對數據進行分析，能夠準確地得出各檢測方法代表值與立方體抗壓強度代表值之間的關系。

回彈法檢測水泥基灌漿料抗壓強度參考文獻中的相關規定，將回彈代表值與立方體抗壓強度值進行多項式擬合，回彈法測強曲線如圖3所示，選用的測強公式模型如下：

圖3 回彈法測強曲線Figure 3 Strength curve of rebound method

fc=A+BR+CR2

式中：fc為水泥基灌漿料試件抗壓強度換算值，MPa；R為回彈代表值；A、B、C為測強公式回歸系數。

根據現有的鉆芯法檢測混凝土抗壓強度的相關規范，將得出的水泥基灌漿料芯樣抗壓強度代表值與標準立方體抗壓強度值進行擬合，得到的測強曲線如圖4所示，測強公式模型如下：

圖4 鉆芯法測強曲線 Figure 4 Strength curve of drilled core method

式中：fcor為芯樣強度代表值，MPa；a、b為測強公式回歸系數。

根據相關規范和文獻，應用回彈代表值、聲速值和立方體抗壓強度值擬合出測強曲面，超聲回彈綜合檢法測強曲面如圖5所示，選用的測強公式模型如下所示：

圖5 超聲回彈綜合法測強曲線Figure 5 Strength curve of ultrasonic-rebound combined method

式中：Rh為回彈代表值；v為聲速代表值；a、b、c為測強公式回歸系數。

拔出法自提出以來，在各類的水泥砂漿抗壓強度的檢測中有了廣泛地運用，建立了許多專用測強曲線。本試驗同樣采用最小二乘法擬合出先裝拔出法和后裝拔出法的測強曲線，先裝拔出法和后裝拔出法測強曲線分別如圖6、圖7所示，測強公式模型如下所示：

圖6 先裝拔出法測強曲線Figure 6 Strength curve of cast-in-place pullout method

圖7 后裝拔出法測強曲線Figure 7 Strength curve of post-install pullout method

fc=A1+B1Fx

fc=A2+B2Fh

式中：Fx為先裝拔出力代表值，kN；Fh為后裝拔出力代表值，kN；A1、B1、A2、B2為測強公式回歸系數。

2.3 相關性及顯著性分析

根據相關的數學方法，對試驗數據進行分析，得出了各檢測方法預測水泥基灌漿料抗壓強度的測強曲線。但由于采用的均是近似方法，對預測結果必須進行相關性和顯著性分析，分析其結果的離散性和精確程度。相關性及顯著性主要相關系數R2、相對標準差er和平均相對誤差δ和3個參數來反映[13]，各參數的計算公式[14]如下所示。

(1)

(2)

(3)

計算結果如表2所示，從表中可以看出，5種檢測方法得到的擬合方程相關系數均較高，說明回彈代表值，拔出力代表值和芯樣的抗壓強度代表值與立方體抗壓強度代表值有很大的相關性，且相關系數越接近1，相關程度越高。相對標準差er可以衡量擬合方程所揭示的規律性的強弱，各檢測方法的相對標準差er均小于12%[15]，說明上述5種方法檢測水泥基灌漿料的抗壓強度的誤差較小。最后，平均相對誤差δ均在6%以內，滿足擬合方程的誤差要求，表明擬合方程預測出來的抗壓強度與實際情況相差較小。從以上的相關性和顯著性分析可以得出：這5種檢測方法均適用于檢測水泥基灌漿料抗壓強度。

表2 各檢測方法擬合方程及相關性各參數Table 2 Regression equation and parameters of experimental data for different detection methods各檢測方法擬合方程相關系數R2平均相對誤差δ/%相對標準差er/%回彈法fc=11.691 33-0.441 02 R+0.017 48 R20.9851.692.17超聲回彈綜合法fc=0.012 73 R0.995 57hν2.838 510.9851.852.15先裝拔出法fc=-5.956 05+1.643 93Fx0.9811.932.46后裝拔出法fc=28.028 85+1.781 04 Fh0.9801.952.63鉆芯法fc=0.956 47 f1.004 17cor0.9871.672.13

3 不同檢測方法對比分析

下面筆者主要從試驗過程中不同檢測方法的操作的簡易程度、對原構件的損壞程度和5種檢測方法的精度等3個方面來進行對比分析，得出5種檢測方法在檢測水泥基灌漿料抗壓強度時的優點和缺點。

第一，從操作方法的簡易程度方面對比，回彈法與超聲回彈綜合法操作最簡便，且檢測周期較短，能夠迅速得出檢測結果。相比之下，拔出法與鉆芯法操作較為繁瑣，且檢測周期更長，特別是先裝拔出法，在構件施工期間就得做好準備工作，例如預埋錨固件。后裝拔出法也需要鉆孔，注膠等一系列操作。鉆芯法的操作除了布點取芯樣之外，后期需要將芯樣進行切割、打磨一系列處理，最后對處理好的芯樣進行抗壓測試。

第二，從對原構件的損壞程度對比，回彈法和超聲回彈綜合法屬于無損檢測[16]，對原構件無損傷，故無需對原構件進行修補處理。然而先裝拔出法與后裝拔出法將錨固件拔出之后，會留下20～30 mm深的錐形坑洼，對原結構造成細微損傷，屬于半無損檢測方法。因此檢測完成之后，需要對原構件進行填平修補。鉆芯法鉆孔深度達到150 mm，甚至會鉆取到受力鋼筋，對主體結構產生較大影響，屬于有損檢測方法。

第三，從檢測結果精度對比，鉆芯法的擬合方程相關系數最高，平均相對誤差也最小，檢測結果最精確，這是由于鉆芯法的芯樣直接來源于原構件，最能直接反映原構件抗壓強度。其次，回彈法與超聲回彈綜合法主要是通過構件表面的硬度來推定抗壓強度，由于水泥基灌漿料的骨料粒徑較小，密實度高，試件表面平整，因此抗壓強度與試件表面硬度相關性高，故回彈法與超聲回彈綜合法的檢測精度僅次于鉆芯法。先裝拔出法精度高于后裝拔出法，主要原因是先裝拔出法錨固件的埋置深度較后裝拔出法易于控制。

4 結論

本試驗分別運用回彈法、超聲回彈綜合法、先裝拔出法、后裝拔出法和鉆芯法5種檢測方法檢測A60、A70、A80、A90、A100共5個強度等級的水泥基灌漿料抗壓強度，得出了以下結論：

d.從5種檢測方法操作的簡易程度、對原構件的損壞程度和精確度等3個方面對比分析，得出了5種檢測方法檢測水泥基灌漿料的適用性及優劣勢，為實際工程現場檢測水泥基灌漿料抗壓強度提供依據。綜合5種檢測方法優缺點可知：超聲回彈綜合法實施操作簡便，施工質量易于控制，測強公式精度高，且對原結構無損傷。因此現場檢測水泥基灌漿料抗壓強度時宜優先選用超聲回彈綜合法。