钻芯法在工程质量检测中的应用与思考

1 前 言

钻芯法是一种用于测试结构实体质量的微破损检测方法。最普遍的应用是检测结构混凝土强度，即利用专用钻机从结构或构件混凝土中钻取芯样进行抗压试验，除了进行必要的形状修正外, 无需进行某种物理量与强度之间的换算。因此，普遍认为这是一种较为直观、可靠、精度高的检测手段。既能够单独使用，也作为回弹法和超声回弹综合法等简接方法测试结果进行修正的依据[1-6]。各行业根据各自行业特点对钻芯法检测混凝土强度做出了相应的规定。如CECS 03：2007《钻芯法检测混凝土强度技术规程》、DL/T 5150-2001《水工混凝土试验规程》、JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》、SL 352-2006《水工混凝土试验规程》、JTS 239-2015《水运工程混凝土结构实体检测技术规程》、JGJ/T 384-2016《钻芯法检测混凝土强度技术规程》均就芯样直径、芯样的端面修整、样品养护、加荷速率、数据处理等作了不同的规定。

钻芯法除检测结构混凝土抗压强度外尚有较多的应用，如混凝土缺陷的直观检查，现浇板厚度、路面厚度等结构尺寸的检测等等。钻芯法与标准试验方法结合可以对结构实体的抗拉强度、抗冻性能、抗渗性能、抗冲磨性能等进行检测。

2 抗拉强度的检测

尽管一般不把混凝土设计成直接抗拉构件，但知道抗拉强度有助于我们进行抗裂验算，估计裂缝发展时荷载大小。如，对于二级裂缝控制等级的钢筋混凝土和预应力混凝土构件，在荷载标准组合下，受拉边缘应力应符合：σck-σpc≤ftk。其中为混凝土轴心抗拉强度标准值[7]。为了保持混凝土结构的连续性以及防止钢筋锈蚀的诸多情况，避免混凝土开裂极其重要。当剪应力引起斜拉应力时，常会出现开裂问题，尤其是由收缩被约束且存在温度梯度时出现的开裂。因此，在许多实际设计计算中虽然没有考虑抗拉强度，但是确定混凝土抗拉强度非常有助于我们了解钢筋混凝土的特性。

对于素混凝土结构，抗拉强度也很重要，例如地震中的大坝。其他一些结构，如高速公路和机场跑道，都是基于抗折强度进行设计的，包含了抗拉强度[8]。

常见的抗拉强度试验方法有3种：直接抗拉试验、劈裂抗拉试验和抗折试验。

2.1 直接抗拉试验

SL 352-2006《水工混凝土试验规程》第4.5章规定了混凝土轴向拉伸试验，其中一种试件为现场钻芯后，将芯样两端切割磨平，用环氧树脂粘接剂在芯样两端粘上拉板，芯样直径150mm，芯样试件长度300～500mm，到预定的龄期后，将样品放在万能试验机上进行拉伸试验。通过调整试验机球面拉力接头，使试件轴线与试验机施力轴线尽可能重合。

式中ft为轴向抗拉强度（MPa），P为破坏荷载（N），A为试件断面面积（mm2）。该规程中规定的芯样直径为150mm，这在目前应用的不是很多，对于常见的水闸、泵站等水工建筑物，最大粗骨料粒径一般在30～50mm，按2倍粒径考虑，试样的直径可减小到100mm。在这，可以在室内用同一批混凝土（最大粗骨料粒径控制在50mm以内）浇筑大的试件，钻取两种直径的样品做对比试验。

DB34/T 2235-2014《钻拉法检测结构混凝土抗拉强度技术规程》给出了一种直接在结构母体上进行混凝土抗拉强度的检测方法。在结构或构件表面钻制芯样，利用芯样外端粘贴钻拉标准块并安装拉拔仪，测定拉断芯样的轴向极限拔出力，计算得到结构混凝土轴心抗拉强度。

式中f1t为混凝土抗拉强度换算值（MPa），P为拉拔力代表值，即芯样破型时的荷载峰值（N），A为芯样承受荷载的计算面积（mm2）。样品直径70～75mm，长度100～150mm，适用于粗骨料粒径不大于35mm的结构混凝土轴心抗拉强度的检测。

2.2 劈裂抗拉试验

劈拉强度是通过劈拉试验得到的。试验时，将用于抗压试验的混凝土圆柱体试件平卧放入试验机压板中间，不断加载直至沿轴向直径方向出现间接拉应力引起的劈裂破坏。压板为半径75mm的弧形钢制垫块。为避免可能会产生较大的压应力，实际试验过程中会在圆柱体试件和压板间加垫一窄形压条，如三合板等。如果不加垫条，则测得的强度会偏低，一般降低8%左右。ASTM C496-90规定垫条厚3mm、宽25mm。英国标准BS1881：117：1983规定使用的硬质纤维板，厚4mm、宽15mm。GB/T 50081-2002规定的垫条为三层胶合板，宽度为20mm，厚度为3～4mm。JGJ/T 384-2016推荐的劈裂抗拉芯样试件的高径比为2，且任何情况下不应小于1。

式中 ft,cor为芯样劈拉强度值（MPa），Ft为破坏荷载（N）， At为试件断面面积（mm2）。βt为芯样试件强度换算系数，通常取0.95。SL 352中没有涉及芯样劈拉试验方法，规定了立方体试件的，试验时垫条为截面5mm×5mm、长约200mm的钢制方垫条，没有规定在钢方条与试件之间放置胶合板。笔者认为，为了更均匀地传递荷载，钢垫条与混凝土试件间应放置胶合板或其他柔性材料。

2.3 抗折试验

抗折强度试验通常采用三点加荷法，即在这些试验中，对素混凝土梁对称的位于梁跨度的1/3处两点施加荷载直至破坏。在混凝土梁底部出现的理论最大拉应力即为断裂模量。通常梁的测试面与浇筑面存在一定的关系，但只要混凝土不离析，则梁的测试面与浇筑面之间的关系不会影响试件的断裂模量[9],[10]。

我国水利行业标准SL 352-2006规定的试件为150mm×150mm×550mm（或600mm）小梁，跨度为450mm；必要时可采用100mm×100mm×400mm（或515mm）小梁，跨度为300mm[11]。交通部标准JTG E30-2005规定的试件为150mm×150mm×550mm（或600mm）小梁，跨度为450mm，或者为 100mm×100mm×400mm小 梁， 跨 度 为300mm[12]。 英 国 标 准 BS 1881-118：1983规 定， 在150mm×150mm×750mm的梁上（跨度为450mm）施加三分点加荷，但是可以使用100mm×100mm的小梁，只要小梁边长至少是骨料最大粒径的3倍。ASTM C78-94的规定与BS 1881-118：1983相似。

JGJ/T384-2016推荐的抗折强度试样为芯样试件，直径100mm，长度350mm，直径不宜小于骨料最大粒径的3倍。

3 抗渗性能检测

GB/T 50082《普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法标准》中混凝土抗渗试验标准试件尺寸为上端直径175mm、下端直径185mm、高150mm的圆台体。很显然，这样的形状，钻芯法无法容易在结构实体上获得。那么在实际实验操作中，将在实体上钻取的直径150mm混凝土芯样切割加工成高150mm的圆柱体，然后把圆柱体放入标准的抗渗试模中，用无收缩水泥砂浆或环氧砂浆把缝隙填充密实，然后进行常规的抗渗试验。这是钻芯法检测结构实体抗渗性能的通常做法。这种做法也得到较多行业标准的认可[13]。

4 抗冻性能检测

GB/T 50082《普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法标准》中快冻法采用的试件尺寸为100mm×100mm×400mm棱柱体试件，每组试件3块，即为标准试件。SL 352-2006中有类似的规定。但是对于实体结构混凝土的抗冻性能方法，国标中没有提供。交通行业在JTS 239-2015《水运工程混凝土结构实体检测技术规程》中规定了采用钻芯法在结构或构件上钻芯（试件尺寸直径100mm×长度 400mm）对结构混凝土抗冻性进行检测；水利行业在SL 734-2016规程附录E中规定了混凝土抗冻试验方法。但是芯样抗冻试件与室内的标准抗冻试件至少存在3点差异：1）尺寸上的差异；2）混凝土成型养护上的差异；3）试样表面的差异。特别是对于芯样试件，侧面和端面均为切割面，导致浆石界面遭到破坏。研究机构的试验结果也表明，由芯样试件得到的冻融循环次数比标准试件的要少很多[14][15][16]。当然形成这种结果的原因有很多，比如骨料粒径和种类、混凝土种类的影响等都不可忽视。目前还缺少系统的研究数据反映芯样的抗冻性能参数和标准试件的抗冻性能参数间的相关性，给实体混凝土的抗冻性检测带来困难。

5 抗冲磨性能检测

抗冲磨性能常见于水工混凝土和水运工程混凝土，以SL352-2006中的水下钢球法为例，利用高速水流带动研磨钢球在规定的时间冲磨混凝土表面，以单位面积上被磨损单位质量所需要的时间来得到混凝土抗冲磨强度。规定的抗冲磨试件尺寸为直径300mm，高度100mm的圆饼。对于结构实体混凝土，若想得到与标准试件一样尺寸的试件，则需要钻取直径300mm的芯样。受钻芯设备或结构配筋的影响，往往难以实现。一般的做法，是钻取直径100mm的芯样，然后利用其他材料将其修补成直径300mm的样品。但是这很显然会带来一个问题，就是修补出的这个外径为300mm、内径为100mm的圆环带的抗磨性能与中间的混凝土部分肯定存在差异，从而带来钢球的分布逐渐产生变化，导致最终的结果失真。笔者认为，可以考虑采用一些抗磨性能好的材料如橡胶来填充环形带，进行大量的比对试验，取得修正系数，用于结构实体的抗冲磨试验。

6 结 语

随着建设行业主管部门对结构实体质量越来越重视，混凝土抗冻、抗渗等长期性能和耐久性能也常出现在结构实体的检测计划中，而此时混凝土已硬化，无法取得与混凝土浇筑时的标准实验样品。很多行业和地方都对此进行了研究，并发布了相应的技术规程[13]。但仍需要开展大量的研究试验，积累实体混凝土性能与实验室标准实验方法得到的性能间的相关性或修正关系，从而获得与实际情况更接近的混凝土性能指标，为工程运行和管理提供技术基础数据。

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[12]JTG E30-2005，公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[S]，北京：人民交通出版社.2005.

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