先装拔出法检测水泥砂浆薄层强度现场试验研究

卜良桃+侯琦

摘要：通过对加固工程施工现场的烧结普通粘土砖墙体进行钢筋网水泥砂浆薄层加固，分别进行先装拔出法检测和标准立方体抗压强度测试.现场试验采用M10，M15，M20，M25，M30，M35，M40，M45，M50九个强度等级的水泥砂浆，共设置54个试验组.根据试验结果，拟合出了先装拔出法检测水泥砂浆薄层抗压强度的公式，并对回归方程进行模型检验，提出了水泥砂浆抗压强度个别值的区间预测.本文为水泥砂浆先装拔出法现场检测技术的推广应用和相关技术标准的制订提供了依据.

关键词：先装拔出法;现场检测;水泥砂浆薄层;回归方程;区间预测

中图分类号：TU376 文献标识码：A

Field Test Research on Strength of Cement Mortar Thin Layer

Detected by Cast-in-place Pullout Method

BU Liang-tao， HOU Qi

（College of Civil Engineering， Hunan Univ， Changsha， Hunan410082， China）

Abstract：Based on a local project of the sintered brick wall reinforced with steel mesh cement mortar， pullout inspection and standard cube compressive strength test were constructed. The field test adopts nine kinds of cement mortar with a strength grade of M10， M15， M20， M25， M30， M35， M40， M45， M50. According to the test results， we have obtained the formula of compressive strength of cement mortar thin layer detected by cast-in-place pullout method，inspected the model of linear regression equation and proposed the interval estimation for the individual value of the compressive strength of cement mortar， This paper provides not only a basis for technology popularization and application of cast-in-place pullout method ，but also a basis of the establishment of relevant technical standards for cement mortar field tests.

Key words：cast-in-place pullout method; field test; cement mortar thin layer; regression equation; interval prediction

砌体结构是一种使用年代较早、在中国较为普遍的建筑结构形式.近年来，中国经历了汶川大地震和雅安大地震等自然灾害，震区房屋结构受到了不同程度影响[1].为此，砌体结构的加固一直受到人们的高度关注.对于安全性及抗震性能不符合要求的砌体结构房屋，钢筋网水泥砂浆薄层加固是一种经济可靠的加固方法，该方法通过在墙体上绑扎一定间距的钢筋网，并抹压砂浆薄层进行双面加固，能有效提高砌体结构的承载力，增强结构的安全性和抗震性能.随着砌体房屋安全隐患排查和震损房屋的修缮工作的展开，寻找一种准确、便捷、经济的方法对在建结构和加固结构中水泥砂浆薄层抗压强度进行现场检测成为亟待解决的问题.

目前，国内对于水泥砂浆强度的现场检测一直缺乏完善的技术手段和专门的技术标准.与砂浆材料性能相似的混凝土抗压强度的现场检测方法有很多，技术较为成熟，而在检测混凝土抗压强度的方法中，预埋拔出法是一种简便可行的现场检测方法.该方法通过对混凝土中预先埋设的锚盘进行拉拔试验，测得极限拉拔力，并利用预先建立的测强曲线推算混凝土的抗压强度[2].

考虑到水泥砂浆无粗骨料的影响，较为密实，而且水泥砂浆加固薄层厚度通常仅为25～35 mm，本文结合工程施工现场实际条件，借鉴预埋拔出法检测混凝土强度的试验装置和试验原理，通过对多功能强度检测装置进行技术改进，发明了用于水泥砂浆现场检测的锚固件及其固定架，采用先装拔出法对钢筋网水泥砂浆加固薄层的抗压强度进行现场检测.

1试验方案

1.1试验材料

强度等级42.5 MPa的普通硅酸盐水泥;中砂;洁净自来水;直径8 mm的HRB335级钢筋;HPPC外加剂.

1.2试件制作

试验在某砌体房屋加固工程施工现场进行.选取9片2 m×3 m的240 mm厚烧结普通粘土砖墙体，采用钢筋网水泥砂浆加固[3]（图1）.墙体凿除抹灰面层并铺设间距为150 mm×150 mm的钢筋网片，水泥砂浆加固层厚度为30mm.每片墙体采用一种强度等级的水泥砂浆加固，9片墙体分别采用M10，M15，M20，M25，M30，M35，M40，M45，M50.每片墙体制作6组试件，每组试件由单面墙体上一块1 000 mm×1 000 mm区域的拔出试件和3个70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的标准立方体试块组成.每组试件抹压水泥砂浆时采用同盘水泥砂浆制作对应的标准立方体试块，立方体试件采用带底钢模制作.标准立方体试块和拔出试件在施工现场同等条件下养护.

1.3先装拔出试验

每组试件上取3个钢筋网网格中心作为测点，将砂浆锚固件旋入固定架连接牢固，并安放在测点位置，调节固定架使锚固件与墙面垂直并将固定架在墙体基层上钉紧.抹压15 mm厚底层水泥砂浆，将锚固件周围紧密覆盖住，在底层砂浆终凝前拆除固定架，然后抹压15 mm厚面层水泥砂浆，使锚固件周围测试面平整无缺陷.

拔出试件养护28 d后，进行先装拔出试验.拔出试验装置采用山东乐陵回弹仪厂生产的ZH-60型多功能后锚固拔出仪，试验装置示意图如图2所示.安装拔出仪，按照仪器使用手册的要求施加拔出力直至水泥砂浆加固薄层出现锥状破坏（如图3和图4所示），记录极限拔出力.

1—锚固件;2—拔出仪拉杆;3—反力支承圆环;

4—水泥砂浆薄层;5—基层墙体

1.4立方体抗压强度试验

标准立方体试块养护28 d后，采用标准试验方法将其加荷至破坏，记录试验结果，参照JG70—2009《建筑砂浆性能试验方法》确定每组标准立方体试块的立方体抗压强度.

2试验结果分析

2.1试验结果

将各组拔出试件的先装拔出力与立方体抗压强度值汇总，见表1.由于本文依据的试验采用了M10，M15，M20，M25，M30，M35，M40，M45和M50九个强度等级的水泥砂浆，试验数据数量大，强度等级覆盖面广，因而更有利于试验结果的统计分析和曲线拟合.

（a） 安装反力支承圆环

（b） 安装拉拔仪主机

近年来国内相关研究成果显示，采用圆环式拔出仪测得的砂浆拔出力与其抗压强度存在显著的线性关系[4-6]，因此本文考虑采用最小二乘法对自变量和因变量进行线性回归分析，拟定的回归方程式为：

fm，c=1F+2，（1）

1=∑ni=1fiFi-1n×（∑ni=1Fi）（∑ni=1fi）∑ni=1F2i-1n×（∑ni=1Fi）2， （2）

式中：fm，c为水泥砂浆强度换算值， MPa;F为拔出力， kN;1为测强公式回归系数， 103/mm2;2为测强公式回归系数， MPa;n为先装拔出法试验构件数量;Fi为第i个构件的拔出力， kN;fi为第i个构件的水泥砂浆立方体试块抗压强度， MPa;为拔出力平均值， kN;为水泥砂浆立方体试块抗压强度平均值， MPa.

将试验所得的54组构件拔出力和立方体抗压强度代入式（2）和式 （3）得：

1=4.83，2= -24.47.

所得的先装拔出法检测水泥砂浆薄层抗压强度的回归方程式为fm，c=4.83F-24.47，其中F>5.07.先装拔出法现场检测钢筋网水泥砂浆薄层抗压强度的试验数据拟合结果如图5所示.由于此次现场试验研究数据基数大，采用的水泥砂浆强度等级较多，试验结果有代表性，可以推广到工程中常用的钢筋网水泥砂浆抗压强度的先装拔出法现场检测.

2.2回归方程的统计检验

以往的研究中，对于线性拟合结果的检验常采用相关系数法.本文对于一元回归方程的统计检验，采用F检验法，其本质与相关系数检验法相同 [7].建立统计假设H0：1=0，并根据文献[7]中提供的公式：

回归平方和：SSR=∑ni=1（i-）=8 340.37，

剩余平方和：SSE=∑ni=1（fi-i）=215.9，

F=SSRSSE/（n-2）=8 340.37215.9/（54-2）=2 008.82，

F0.05（1，52）=4.03，F0.01（1，52）=7.17.

F>F0.01，说明假设1=0不成立，可视为回归方程在检验水平α=0.01下具有统计意义，即认为回归方程各变量之间为线性关系的可能性很大.

2.3关于水泥砂浆抗压强度个别值的区间预测

由上述分析得出F和f的线性相关关系具有统计意义，即本文拟合的方程有效.然而，在实际应用中，我们需要通过现场测得的拔出力（即方程中的F）来预测对应的砂浆抗压强度（即f）的取值区间.区间范围内的波动可近似看作由于施工误差和试验误差等原因造成的影响，因而在先装拔出法检测钢筋网水泥砂浆薄层强度时，区间预测可以为技术人员推定水泥砂浆抗压强度个别值提供参考.现场采用先装拔出法检测时，水泥砂浆抗压强度推定值f对应于置信水平为95%的预测区间可以表示为（0-δ（F0），0+δ（F0））.

δ（x0）=tα2（n-2）1+1n+（F0-）∑ni=1F2i-1n（∑ni=1Fi）2，（4）

其中

=1n-2{∑ni=1（fi-）2-[∑ni=1（Fi-）（fi-）]2∑ni=1（Fi-）2}.

本文所依据的试验中，共进行了54组水泥砂浆薄层的先装拔出法检测，根据这54组试验数据拟合的回归曲线可以用于水泥砂浆抗压强度的现场检测和推定.

例如，X40-3组采集的先装拔出力F0为13.07 kN，其中，n=54，取α=0.05时，代入公式（4）得δ（13.07）=4.15.由此可以推定，对应于X40-3组水泥砂浆抗压强度推定值对应于置信水平面为95%的预测区间为（40.67-4.15，40.67+4.15）.

3不同砂浆先装拔出法试验结果对比

本文采用相同的试验装置和试验方法，参与完成了对聚乙烯醇纤维砂浆、聚丙烯纤维砂浆、钢纤维砂浆薄层的抗压强度的先装拔出法试验研究.以上3种纤维砂浆强度等级共设置了M20，M30，M40，M50，M60，M70，M80，M90和M100九种，各自拟合出了先装拔出法测强曲线（见图6）.本文水泥砂浆的现场试验与3种纤维砂浆的拔出试验所采用的方法和试验装置完全相同，而且试验条件与实际工程中的施工工况相同，更有利于进行对照比较.目前，各地已纷纷建立拔出法检测混凝土强度的地方测强曲线[8]，因此，本文的试验成果也可为先装拔出法现场检测水泥砂浆抗压强度测强曲线的建立提供依据.

F/kN

（a） 聚乙烯醇纤维水泥砂浆

F/kN

（b） 聚丙烯纤维水泥砂浆

F/kN

（c） 钢纤维水泥砂浆

从以上先装拔出法测强曲线的对比可以看出，聚乙烯醇纤维砂浆曲线与聚丙烯纤维砂浆曲线差别不大，且与水泥砂浆较为接近.这是由于合成纤维在纤维砂浆中主要起到增韧抗裂的作用，对砂浆强度贡献不大.而钢纤维砂浆曲线在坐标轴上更靠右侧，钢纤维砂浆抗压强度明显高于水泥砂浆和其他2种纤维砂浆，这主要是由于钢纤维掺入砂浆后，纤维跨越砂浆微观裂缝的两边，在钢纤维与裂缝两边砂浆之间形成粘结应力，起到阻止裂缝引发、扩散的作用，同时钢纤维自身能吸收部分能量，因而能大幅度提高砂浆的抗弯强度和抗拉强度.

4结论

1）采用先装拔出法现场检测水泥砂浆加固薄层抗压强度的测强公式为fm，c=4.83F-24.47.

2）本文采用的回归模型对样本数据拟合的效果总体较好，即解释变量“水泥砂浆先装拔出力”对被解释变量“水泥砂浆抗压强度”的绝大部分差异做出了解释.

3）本文对先装拔出法现场检测水泥砂浆抗压强度的模型进行了回归预测，预测区间内的数值波动可以部分解释施工误差和试验误差等因素的干扰，通过现场测得的先装拔出力，可以估计水泥砂浆抗压强度个别值的取值区间.通过X40-3组水泥砂浆抗压强度推定值与立方体抗压强度实测值的比较，证明该预测方法合理有效.

4）聚乙烯醇纤维砂浆曲线与聚丙烯纤维砂浆曲线差别不大，且与水泥砂浆曲线较为接近，而钢纤维砂浆先装法试验结果明显高于以上三者.

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