基于鉆芯法檢測水利水電工程混凝土強度的實驗研究

楊連喜

(柳城縣防洪堤工程管理處，廣西 柳州 545200)

在工程建設中不斷提高混凝土的強度是保證工程質量和施工安全的重要保證。目前，各種建設項目和科研人員都在不斷地尋找高效、便捷、精確的混凝土強度測試手段。其中，鉆芯法雖然會對混凝土構件結果產生破壞，但其憑借準確性高等優勢被廣泛應用在水利水電工程混凝土強度檢測中[1]。為充分實現鉆芯法在水利水電工程混凝土強度檢測中的有效性、精確性、可靠性，需充分考慮混凝土強度推定值、相對標準不確定度合成值的計算方法[2]。即基于鉆芯法的混凝土強度檢測數值高于推定值則表示檢測結果有效，相對標準不確定合成愈發趨近0，則表示檢測結果精確性更高[3]。

1 鉆芯法原理及優勢

鉆芯法的基本原理是基于混凝土結構利用鉆芯機取得芯樣，借助試驗機對芯樣抗壓強度進行測試，最終得到混凝土結構整體強度。鉆芯法在應用過程中需要在實際工程場地內提取混凝土結構芯樣，雖然會對已經完工的混凝土結構產生破壞，但此種檢測方法能夠更為直觀地反映混凝土內部真實強度，少受到外界因素影響，具有準確性高、可靠性高等優勢。此外，鉆芯法除了能夠應用在混凝土強度檢測外，還能應用在混凝土結構內部缺陷、裂縫檢測等方面，可以為水利水電工程或其他工程設計施工提供技術支持。

2 基于鉆芯法檢測水利水電工程混凝土強度實驗流程

2.1 芯樣抗壓試驗

混凝土芯樣選擇是應用鉆芯法檢測水利水電工程混凝土強度的首要步驟。芯樣選擇時需遵循“鉆芯法檢測混凝土強度的相關技術標準”[3]。待芯樣提取完畢后開展相應預處理工作，具體如下：

(1)取芯后馬上進行清潔干燥處理，待清潔、干燥后，剪去芯心的兩端，確保高度/直徑之比在0.95～1.05之間。

(2)采用磨平機對取樣的兩端進行研磨，保證取樣的末端不平度在0.1mm以內。

(3)采用儀器對隨意直徑、直徑的芯樣高度的偏差進行測量，保證偏差在2mm以內。

(4)采用角尺對芯樣截面及軸線之間的不平度進行測量，不平度為<1°。

(5)在萬能試驗機上完成壓力加載試驗。

芯樣受壓時，其受力、荷載的變化表現為階梯式的特征。初始荷載為預估失效荷載的1/10，在60～90s內完成，并在試件上作用90s，當實際荷載的1/2大于預估荷載時，應立即將其調整至預估失效荷載的1/20。在第一個芯樣產生裂紋時，將其恢復到原來的1/10，隨后繼續加載至預估失效荷載的4/5，并在預估失效荷載的1/20下繼續加載，直至芯樣全部損壞，停止測試。

2.2 混凝土強度推定值計算

推定值計算的主要目的是確定一個科學且合理的混凝土強度檢測對比值，以此來判斷基于鉆芯法水利輸電工程混凝土強度檢測結果的合理性、有效性[4]。即基于鉆芯法所得出的混凝土強度檢測結果高于推定值時，則表示結果可靠、合理[5]。遵循“鉆芯法檢測混凝土強度的相關技術標準”完成芯樣加載試驗后，應用下列公式計算芯樣抗壓強度：

(1)

公式(1)中，f0—芯樣抗壓強度，計算結果保留小數點后一位，單位MPa；F—芯樣壓力上限值，單位kN；d—芯樣直徑，計算結果保留小數點后一位，單位mm。

若想得到混凝土強度推定數值，需要首先計算兩個強度值，即混凝土強度最大值、最小值，由兩個數值構成既定的推定區間，計算公式如下：

f1=f4-g1r

(2)

f2=f4-g2r

(3)

公式(2)與(3)中，最大值系數應用f1表示；最小值系數應用f2表示；芯樣抗壓強度標準差應用r表示；芯樣平均抗壓強度應用f4表示。

根據水利水電工程中混凝土推定值的相關規范，對混凝土芯樣的抗壓強度進行了合理推斷，確定了0.85的可信區間。在此基礎上，提出了5MPa和1/20兩種不同的芯樣強度值，并在此基礎上提出了相應的取值范圍。因此，最后以該區間內極大值為評價指標，對水利工程建設進行混凝土強度評價。通過得到混凝土強度推定數值進而判斷混凝土強度測試結果的精確性，確保該檢測結果與實際混凝土強度數值相符。

2.3 相對標準不確定度合成計算

采用鉆心法對水工混凝土的強度進行測試時，容易受荷載環境、設備和芯樣質量等諸多因素的影響，進而導致最后測試精度下降，無法測得準確的混凝土強度數值[6]。充分考慮多種因素對鉆芯法檢測水利水電工程混凝土強度結果的不利影響，特設定4種不確定因素變量，具體如下：

(1)直徑誤差：即鉆取芯樣、測量芯樣過程中所產生的誤差。在鉆芯法檢測混凝土強度過程中，芯樣強度受到直徑誤差的影響應用xα表示。

(2)試驗荷載差異：即試驗機型號、試件加載速度等因素所導致的荷載差異，該差異針對混凝土強度檢測結果精度產生的影響應用xβ表示。

(3)不垂直度、不平整度：混凝土強度檢測結果受到不垂直度、不平整度的影響程度應用xη、xg表示。

基于上述因素得到如下所示計算公式：

(4)

公式(4)中，u1(xα)—xα的相對標準不確定度；u1(xβ)—xβ的相對標準不確定度；u1(xη)—xη的相對標準不確定度；u1(xg)—xg的相對標準不確定度。

在此基礎上，利用該關系式求出不確定度的相對標準差，最終得到混凝土強度測試的不確定度結果數值。利用百分比表示方法指代不確定度，其余檢測精確度之間存在明顯的負向相關。換言之，伴隨不確定度數值不斷增大，混凝土強度測定精確度逐漸降低。在基于鉆芯法檢測水利水電工程混凝土強度過程中，會受到多種不確定因素影響，為此在混凝土強度檢測過程中需要充分考慮不確定數值大小，確保基于鉆芯法檢測水利水電工程混凝土強度結果的精確性、可靠性。

3 實驗設計及結果

3.1 工程概況

某大型水利水電工程位于深切峽谷地帶，主廠房洞室群是該水利水電工程的主體建筑，位于河流右岸，全長276.99m，最大開挖跨度28.90m，開挖高度68.80m，最大埋深480m。為進一步開展基于鉆芯法的水利水電工程混凝土強度檢測實驗，特選取該水利水電工程案例，前往該工程現場鉆取芯樣，同時在施工現場搭建臨時實驗環境。

3.2 混凝土配比參數

遵循“鉆芯法檢測混凝土強度的相關技術標準”，鉆芯取樣過程中應注重避開關鍵結構為主，如結構鋼筋埋設位置等。在開展本次鉆芯法測量混凝土強度試驗前，依據上述公式，結合工程實際情況確定工程使用的混凝土構件強度推定值，最終推定值計算結果為35.4MPa。

3.3 實驗過程及結果

該水利水電工程混凝土粗骨料直徑相對較大，最大直徑高達28mm。為此，在應用鉆芯法檢測該水利水電工程混凝土強度時，將混凝土芯樣直徑設定為81mm，樣本數量設定為5個，利用試驗機進行抗壓試驗，得到最終實驗結果，詳見表1。

表1 鉆芯法芯樣抗壓試驗結果

由表1可知，5個實驗芯樣直徑均為72mm，但不同編號芯樣的破壞荷載呈現逐漸下降趨勢，其中M5芯樣破壞荷載最低，僅為157.5kN。從破壞荷載與構件抗壓強度關系來看，不同芯樣破壞荷載、構建抗壓強度呈現顯著負相關，即伴隨破壞荷載數值持續降低，構件抗壓強度持續降低。從試驗結果來看，M5編號芯樣的構件抗壓強度最小，鉆孔取芯的抗壓強度達到35.6MPa，超過事先設定的推定值35.4MPa，滿足水利水電工程混凝土設計抗壓強度規范要求。

同時，依據上文提及的計算公式，對相對不確定度予以計算，得到的相對不確定度為4.23%，與實測數據更為接近，證明采用鉆芯法進行混凝土的強度檢驗具有更好的應用前景。

4 基于鉆芯法檢測水利水電工程混凝土強度的注意事項

4.1 芯樣選取注意事項

為規避應用鉆芯取樣過程中破壞結構整體性，在不影響工程正常進行和結構效能的前提下，技術人員往往會結合工程設計圖紙、既往工作經驗等，選擇對構件結構影響最小部位展開取樣，以此來規避取樣過程對重要構件的損傷，如：預埋件、管線等。同時，從鉆芯取樣數量角度來看，應用鉆芯法檢測混凝土強度，擇取芯樣應>3個。鉆孔過程中應將孔底混凝土泥漿、廢渣等排出，待鉆頭冷卻完畢后，指派專業工作人員將鉆孔出口位置溫度控制在<30℃。芯樣取出后所留下的孔洞，需采用相應材料予以修復。如：高強度微膨脹水泥、樹脂輕集料混凝土等，確保取樣后混凝土結構仍能繼續使用。

4.2 鉆芯機應用注意事項

安裝鉆芯機基座時，要保證鉆芯機的基座與混凝土構件表面盡量接近，并采用擴張螺釘固定鉆芯機基座，以防止鉆芯機與混凝土構件之間縫隙對混凝土芯樣采樣質量造成不利影響。若混凝土芯樣存在不良采樣，將嚴重影響鉆芯法在混凝土強度測試中的應用效果，甚至導致最終混凝土強度測試結果無法達到較高的精度要求。

同時，在進行鉆芯作業時，有關人員要根據現場的具體情況以及相應規范來對冷卻水流強度進行合理的設定，通常要控制在3L/min左右，如此才能確保混凝土碎片被沖刷干凈，從而確保鉆芯機工作過程能夠順利進行。值得注意的是，在冷卻水量較小的情況下，為避免出現斷屑等問題，必須降低鉆速。芯樣取芯后，將芯樣裝入芯樣盒中應遵守從上到下的原則，芯樣編號、取樣次數需保證精確。施工人員應對取樣地點各項狀況予以詳盡記錄，確保有關人員能及時掌握芯樣各方面真實狀況。鉆芯工作完成后，工作人員應借助照相機將工程名稱、孔號、孔深等全部資料保存下來，這樣就能及時地找到工程資料，便于后續糾正和回溯工作。

4.3 芯樣處理注意事項

有關人員應按照規范要求對混凝土芯樣進行加工。從水利工程建設實踐來看，在工程使用的混凝土中摻入大量外加劑。因此，必須根據有關規范和施工現場具體情況，對芯樣進行處理與養護。根據對不同類型混凝土芯樣的處理要求，可適當減小表面切割深度，以10mm以下為宜。在對芯樣進行切削加工時不宜采用高速鋸切，易導致崩邊、斷面不均等現象進而影響芯樣的性能。此外，芯樣處理時應預留一定余量，若發現鉆取且處理完成的芯樣無法滿足混凝土強度測試要求，可應用預留出的芯樣余量，再次重復上述芯樣處理過程，確保芯樣處理與樣本可以滿足鉆芯法檢測混凝土強度要求。

5 結語

綜上所述，基于鉆芯法檢測水利水電工程混凝土強度時需要借助芯樣抗壓試驗，利用萬能試驗機推算混凝土強度推定值，將芯樣抗壓試驗結果與之相比對。同時需要確定應用鉆心法檢測混凝土強度的不確定度，應用相對標準不確定度評估混凝土強度最終檢測結果是否更加接近實際混凝土強度。基于此種實驗步驟，結合實際工程案例，得到如下結論：1)鉆孔取芯的抗壓強度達到35.6MPa，超過事先設定的推定值35.4MPa，滿足水利水電工程混凝土設計抗壓強度規范要求；2)相對不確定度為4.23%，與實測數據更為接近，證明采用鉆芯法進行混凝土的強度檢驗具有更好的應用前景。

總之，鉆芯法在水利水電工程混凝土強度檢測中具有精確性高、可靠性高、有效性高等優勢，但其在使用過程中仍存在一定的技術局限，為此在今后研究中應積極探索可以規避鉆芯法技術局限的混凝土強度檢測方法。