环压法检测既有灌砌石混凝土抗压强度的研究

程 彦，刘建光，程 杰，左丽梅，柴静江

（1.衢州康平建设工程检测有限公司，浙江 衢州 324000；2.衢州市水利工程质量与安全监督站，浙江 衢州 324000）

1 问题的提出

砌石结构在工程建设中得到广泛应用，如大坝、挡墙、护岸、堤防等，灌砌石混凝土是砌石结构的重要组成部分，混凝土抗压强度对于砌石结构安全性和耐久性具有重要影响。由于灌砌石混凝土整体呈现为不规则形状，且属于小型构件，通用的检测方法如回弹法、超声回弹法、取芯法、拔出法、剪压法、拉脱法等均无法对其进行有效检测，即目前国内尚无检测既有灌砌石混凝土抗压强度方法的标准，导致在加固设计、施工监督、竣工验收、工程质量纠纷、工程事故责任认定中，基本上以定性分析、检查为主，无法定量判断混凝土实际质量状况。因此，研究准确、实用的既有灌砌石混凝土抗压强度检测方法，已成为工程建设中首先要解决的问题。

2 “环压”受力模型和“环压试件”

“拔出法”是通过检测嵌固于混凝土中的锚固件被拔出时的极限抗拔力的数值，通过预先建立的回归曲线，推测现场混凝土抗压强度的一种试验方法。“拔出法”自20世纪30年代问世以来，得到了迅速发展，各国学者对拔出试验的破坏机理进行广泛的研究和探讨[1]。其中，Jensen和Bracestrup通过假设混凝土遵循Mohr - Coulomb破坏准则，混凝土破坏面为理想破坏锥体，分析破坏面上的正应力和剪应力，首次从理论上证明极限抗拔力与混凝土抗压强度呈线性关系[2]。我国从1985年开始进行预埋拔出法和后装拔出法的研究，取得较大进展，CECS 69 —2011《拔出法检测混凝土强度技术规程》[3]即为国内典型的实际应用成果。本次研究把极限抗拔力变为极限压推力（即下述“环压荷载值”），使实际操作更加简便；通过自主研发环压专用夹具，模拟灌砌石混凝土实际应力状态，建立“环压”受力模型，减少数据的波动，提高研究精度和可靠度。

本次研究规定标准混凝土抗压试件（以下简称“抗压试件”）和标准混凝土环压试件（以下简称“环压试件”）的规格尺寸：

（1）抗压试件规格尺寸参照CECS 03∶2007《钻芯法检测混凝土强度技术规程》[4]，采用直径100 mm，高度100 mm的标准芯样试件；

（2）环压试件规格尺寸的确定，主要考虑的因素有：受力路线清晰、形成理想破坏锥体、与试件制备所用的空心钻头配套、施工现场实际情况、试件制备方便等。环压圆柱体直径为80 mm，如果直径过小，环压圆柱体发生折断破坏，而不是锥体破坏；直径过大，无法制取灌砌石混凝土样品。环压圆柱体高度为25 mm，是参考CECS 69 —2011《拔出法检测混凝土强度技术规程》[3]及方便制取灌砌石混凝土样品的结果。设置环压圆柱垫，如果施力装置压头直接压在环压圆柱体上表面，容易发生不均匀受压。凹槽设计成斜坡式，如果是垂直式，有时环压圆柱垫挤出的小颗粒会卡在凹槽内，影响试验结果。环压试件示意见图1。

图1 环压试件示意图 单位：mm

3 试验装置和试验步骤

3.1 试验装置

混凝土配合比试验设备：按照JGJ 55 — 2011《普通混凝土配合比设计规程》[5]规定；钻芯机：有产品合格证并满足相应的要求，具有足够的刚度，操作灵活，固定和移动方便，有水冷却系统，配有可测量钻进深度装置；磁性台钻：吸力足够，配有可测量钻进深度装置；钻芯机钻头：采用人造金刚石薄壁空心钻头，钻头内径为（100 ± 0.5）mm，（80 ± 0.5）mm；磁性台钻钻头：采用烧结薄壁空心钻头，内径为（25 ± 0.2）mm；压力试验机：量程50 kN，精度1%；量程1 000 kN，精度1%，加荷速度可控，配有球形支座；环压专用夹具（见图2）；游标卡尺：量程300 mm，精度0.02 mm；其他试验用具：切割机、磨光机、手持锥磨机、通水设备等。

图2 环压专用夹具 单位：mm

3.2 试验步骤

（1）材料组成：①细骨料：河砂，中砂；②粗骨料：考虑一般灌砌石混凝土施工最大颗粒20 mm，因此采用5 ～ 20 mm碎石；③胶凝材料：复合硅酸盐水泥32.5R，普通硅酸盐水泥42.5；④坍落度：50 ～ 70 mm。

（2）按照不同配合比，拌制强度为7.5 ～ 50.0 MPa、规格尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的混凝土立方体抗压强度试块。

（3）标准条件养护至28 d龄期，取出1个立方体抗压强度试块，固定，按照CECS 03∶2007《钻芯法检测混凝土强度技术规程》[4]规定，从试块侧面钻取1个长度为150 mm的芯样，一端长约35 mm的直径为80 mm，其余直径为100 mm。

（4）把芯样放置在切割机上，切割，磨光机加工，1个长度为150 mm的芯样可制取抗压试件与环压试件各1个。

（5）磁性台钻放在水平的金属台面上，装好25 mm钻头，通电使磁性台钻牢固吸附于金属台面。

（6）放置环压试件于钻头下方，钻头下降刚好与环压试件接触，记录初始读数；钻头上升，通水，启动钻头旋转，钻头开始下降，在环压试件中心钻出凹槽，形成环压圆柱垫；钻头下降至1 ～ 2 mm后停止，钻头上升，停止钻头旋转，停水，取出环压试件。

（7）用手持锥磨机小心沿凹槽外侧一周打磨，形成斜坡式凹槽。

（8）重复（3）～（7）步骤，每个立方体抗压强度试块均制取1个抗压试件与1个环压试件，相同编号，自然干燥。

（9）抗压试件按照CECS 03∶2007《钻芯法检测混凝土强度技术规程》[4]规定，进行抗压强度试验，求出抗压强度值，精确至0.1 MPa。

（10）环压试件试验按以下规定进行：把环压试件置于下压板中心；套上环箍，旋转调距螺栓，使2个调距立柱相互靠近，带动钢带箍紧环压试件；环压试件上面放置圆形橡胶垫片，盖上上压板，圆形橡胶垫片的中心圆孔与上压板的中心圆孔正对；安装固定螺栓，拧紧，固定下压板、环压试件、圆形橡胶垫片与上压板，放置于量程50.00 kN压力试验机球形支座上；压力试验机压头穿过上压板中心圆孔至环压圆柱垫表面，但不能与上压板触碰；缓慢匀速施加荷载至试件破坏，加荷速度控制在（0.08 ± 0.02）kN/s，记录环压荷载值，精确至0.01 kN。

4 公式推导和应用

（1）本次试验共采集了132组（指编号相同的抗压试件与环压试件）有效数据，以相应的环压荷载值为横坐标，抗压强度值为纵坐标，进行数理统计与曲线拟合，混凝土抗压强度换算值可按公式（1）计算：

P = 2.251 4F - 8.597 7 （1）

式中：P为混凝土抗压强度换算值（MPa），精确至0.1 MPa；F为混凝土环压荷载值（kN），精确至0.01 kN。

混凝土抗压强度换算值相当于被测混凝土在所处条件及龄期下，边长150 mm×150 mm×150 mm立方体试块的抗压强度值。

（2）当抗压强度小于10.0 MPa，制备环压试件时，环压圆柱垫边缘破损较为严重，上表面不平整，影响试验结果；本次研究抗压强度值≤50.0 MPa。因此，公式（1）适用范围为10.0 ～ 50.0 MPa时，其线性相关系数达0.98以上，试验的精度和可靠度较为满意。同时，根据SL 25 —2006《浆砌石坝设计规范》[6]、SL 379 — 2007《水工挡土墙设计规范》[7]等相关规范，该适用范围已经可以满足实际需要。

（3）本次研究粗骨料采用最大颗粒20 mm碎石，因此公式（1）适用于最大颗粒20 mm的碎石混凝土。如果实际采用卵石，有待进一步研究。

（4）本次研究虽然是针对灌砌石混凝土展开，但只要是可以制取环压试件的其它碎石混凝土，也可以用公式（1）计算混凝土抗压强度换算值。

5 现场取样和试件制备

（1）现场取样可根据实际情况按下列方法进行：①如果砌石与砌石之间间隔较大，可以用钻芯机直接钻取混合芯块（包含砌石和混凝土）；②如果砌石与砌石之间间隔较小，可以掀开砌石，用切割机直接切取大混凝土块。

（2）混合芯块或大混凝土块，室内按照试验步骤（4）～（7）进行试件制备。

6 相关问题

在试验过程中，应注意以下问题：

（1）环压试件如为折断破坏，非锥体破坏，则该数据无效。

（2）环压试件高度偏差对试验结果有一定影响，规定高度偏差应为（25 ± 0.3）mm。

（3）环压试件高度极差对试验结果有一定影响，且过大的高度极差容易使环压试件不均匀受力，规定高度极差应为0.3 mm。

（4）环箍的弹性保证了环压试件处于四周受限状态，随着使用次数增加会逐渐松弛，应及时予以更换。

（5）圆形橡胶垫片保证环压试件受力均匀及防止表面石子上翘，随着使用时间增加会产生磨损，应及时更换。

（6）施加荷载过程中，有时会出现数值下降后再上升的“假性破坏”现象，规定破坏判定标准为下降幅度超过当时最大值的15%。

7 结 语

试验结果显示，适用范围为10.0 ～ 50.0 MPa时，其线性相关系数达到0.98以上，减小系统误差；对试验中一些注意问题作详细说明，减小随机误差。

本次研究所使用的仪器设备购置加工方便，如钻芯机、磁性台钻、压力试验机等，所用环压专用夹具附有详图。提升了该方法的推广价值。

同时，可以根据混凝土抗压强度换算值，按照相关标准，如SL 176 — 2007《水利水电工程施工质量检验与评定规程》[8]等，评定灌砌石混凝土质量。本次研究，可以为灌砌石混凝土现场质量判断提供一种准确性与实用性兼备的检测方法，对砌石结构现场检测技术进步、加固设计、施工监督、竣工验收、工程质量纠纷、工程事故责任认定等，都将起到积极的推动作用。

参考文献：

[1] 王金山，李海文，石磊，等.拔出法检测混凝土强度技术破坏机理研究综述[J].建筑结构，2010(S2)：562 - 565.

[2] JENSEN B C，Bracestrup M W.Lok - tests determine the compressive strength of concrete[M].Nord：Betong，1976.

[3] 中国建筑科学研究院.拔出法检测混凝土强度技术规程：CECS 69∶2011[S].北京：中国计划出版社，2011.

[4] 中国建筑科学研究院.钻芯法检测混凝土强度技术规程：CECS 03∶2007[S].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[5] 中国建筑科学研究院.普通混凝土配合比设计规程：JGJ 55 —2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[6] 贵州省水利厅.浆砌石坝设计规范：SL 25 — 2006[S].北京：中国水利水电出版社，2006.

[7] 江苏省水利勘测设计研究院有限公司.水工挡土墙设计规范：SL 379 — 2007[S].北京：中国水利水电出版社，2007.

[8] 四川省水利科学研究院.水利水电工程施工质量检验与评定规程：SL 176 — 2007[S].北京：中国水利水电出版社，2007.