钻芯取样位置对混凝土强度的影响研究

2018-08-10李琳

新型建筑材料 2018年7期

李琳

（太原市建设工程质量监督站，山西太原 030001）

0 引言

商品混凝土因具有拌制速度快、污染小、性能稳定、造价相对较低等特点而被广泛应用和推广。但在具体施工时，由于浇筑和振捣等不确定性的影响因素，导致成型后的混凝土构件不能达到指定龄期时的强度，从而会导致建筑在后续使用过程中出现相应的不安全因素。因此，在混凝土结构浇筑完成后，由于施工时未对混凝土材料进行相关试验或建设方、监理方等监督部门对混凝土强度存在怀疑时，往往需要委托具备相应检测资质的第三方检测机构对全楼混凝土构件进行相应强度抽检或指定的混凝土构件进行取样，测定混凝土抗压强度。通过大量的试验研究，在对混凝土构件进行钻芯取样时，由于混凝土构件浇筑工艺的影响，造成不同取样位置测试的混凝土强度存在偏差，从而影响最终的测试结果和公正性。本文根据大量的工程实践和大量的试验数据总结出不同取样位置对不同类型混凝土构件强度的影响，并提出在进行钻芯取样时应如何选取合适的位置，以达到“公平、公正”的取样原则。本文相关的测强试验是在商混站提供的混凝土强度满足设计要求的前提下，分析取样位置对混凝土强度的影响。

1 不同取样位置对筏板基础类构件混凝土强度的影响

筏板基础作为目前中高层建筑的主流基础类型，具有整体性好、抵抗地基不均匀沉降能力强、抗震性能好等各种优点。但在具体施工时由于筏板基础厚度较厚、浇筑面积较大，若施工时浇筑不到位，易使构件内混凝土存在蜂窝等振捣不密实的现象。若筏板基础混凝土浇筑正常，不存在振捣不密实等内部缺陷和表观缺陷，则混凝土正常浇筑时采用的是分层、分段浇筑法。由于混凝土自身的特性，浇筑完成后每层的大量粗骨料位于层底，细骨料和水泥浆浮于混凝土表面，此时每层底部的混凝土因存在大量的粗骨料而导致强度较高，每层顶部的混凝土强度较低。

在对筏板基础进行钻芯取样时，通常在筏板基础的侧面或顶面进行钻芯取样，如钻取芯样的直径为100 mm时，钻取芯样长度为：最外侧保护层厚度+150 mm，之后再将芯样切割加工成高为100 mm的圆柱体试件，对试件附顶后进行试验。

为分析不同取样位置对筏板基础类构件混凝土强度的影响，本文对某工程筏板基础进行钻芯取样，测试其混凝土抗压强度，混凝土设计强度为C30，钻取芯样值共计100个，芯样直径为100 mm，钻取长度均为200 mm，钻取的位置分别为：①筏板基础顶面；②筏板基础侧面某浇筑层的顶部；③筏板基础侧面某浇筑层的中部；④筏板基础侧面某浇筑层的底部；⑤筏板基础侧面两浇筑层的交接位置，每个部位共取芯样20个。各部位芯样混凝土抗压强度平均值见表1。

表1 筏板基础各部位芯样混凝土的抗压强度平均值

由表1可以看出，在上述5个位置钻取的芯样中，⑤筏板基础侧面两浇筑层的交接位置混凝土抗压强度最低，为30.1 MPa；④筏板基础侧面某浇筑层的底部混凝土抗压强度最高，为34.5 MPa，二者最大偏差为4.4 MPa，占该筏板基础构件设计强度的14.7%。这是由于混凝土为一种混合物，不同部位的混凝土中粗骨料的分布不同，当粗骨料分布范围较多且较均匀时混凝土强度则较高，当粗骨料分布范围较少且分布的离散性较大时混凝土强度则较低。上述5个部位中，第⑤部位的混凝土抗压强度最低，在钻芯取样时应避免在此类位置进行取样，且当筏板基础顶面具备取样条件时应首先对筏板基础顶面进行取样，即①位置取样。原因是由于：（1）筏板基础作为竖向承载构件，荷载由上而下传输，竖向承载力是主要承载力，而侧面所受荷载较小；（2）对筏板基础进行浇筑时，由于筏板基础较厚，施工时使用分层浇筑的方法进行浇筑，每层浇筑完成后再进行下1层混凝土的浇筑施工，施工过程中有可能由于间隔时间超过混凝土初凝时间，而导致上下层混凝土连接强度较低，严重时可能产生冷缝，从而影响从该部位钻取芯样时混凝土的强度值；（3）筏板基础侧面所受荷载较小，因此该方向的混凝土强度值不能代表筏板基础混凝土正常情况下的受力值，不宜在筏板基础侧面进行钻芯取样。

综上所述，在对筏板基础钻芯取样时宜在筏板基础顶面进行取样，将该位置的混凝土强度测试值作为最后的评定值。

2 不同取样位置对梁类构件混凝土强度的影响

梁类构件作为混凝土结构主体中的主要受弯构件，将梁上的竖向均布荷载转为梁端的竖向荷载和弯矩传递给下部的混凝土柱或混凝土剪力墙上。由于混凝土梁构件的尺寸效应，在承受荷载时梁上部为受压状态，梁下部为受拉状态，通常情况下在梁跨度的1/3位置处其弯矩为0，因此国家相关现行规范和实际检测施工时均在梁跨度的1/3位置钻芯取样，这样对梁构件受力性能影响最小。实际钻取芯样时，操作人员在混凝土梁跨度1/3位置的梁侧上部或梁侧下部钻取芯样。本文即根据某工程中实际取样位置和数量作为依据分析梁跨度1/3位置的梁侧上部或梁侧下部的混凝土芯样抗压强度值的区别，并确定最佳钻取芯样的位置。某工程混凝土梁类构件混凝土设计强度为C35，钻取芯样过程中分别在梁侧上部和下部各钻取20个直径为100 mm的芯样，共计40个芯样作为判断宜选择钻取芯样的位置，具体测试值见表2。

表2 梁类构件各部位芯样混凝土的抗压强度平均值

由表2可见，2个取样位置的强度平均值相差较小，梁侧上部的抗压强度平均值略大于梁侧下部，二者的差值占设计强度的1.3%，取样位置对混凝土强度的影响较小。

对混凝土梁进行浇筑施工时，由于混凝土自身特性，粗骨料会在梁底较为集中，而在梁上部分散较小，因此理论上梁底部的混凝土强度值应大于顶部的强度值。但混凝土梁类构件作为受弯构件的一种类型，其底部混凝土承受拉荷载，顶部混凝土承受压荷载。

梁底部由混凝土和钢筋共同承担拉荷载，混凝土抗拉强度较低，钢筋抗拉强度较高，因此梁底部主要由钢筋承担拉荷载，而混凝土由于自身受拉延性变形较差，当受到的拉应变超过自身的极限拉应变时即产生开裂，若施工时施工到位，则产生的开裂为肉眼不可见开裂；若施工时处理不当，则产生的开裂为肉眼可见开裂。无论是否处理到位，多数混凝土梁类构件的底部均会存在不同程度的轻微开裂，因而在该位置钻取芯样时，混凝土强度值会不同程度的降低，但由于该部位混凝土中粗骨料含量较高，又一定程度的提高了混凝土强度值。

梁顶部同样也由混凝土和钢筋共同承受压荷载，钢筋抗压强度较低，混凝土抗压强度较高，因此梁顶部主要由混凝土承担压荷载。但在浇筑时由于混凝土自身特性该部位混凝土中粗骨料含量较低，细骨料和水泥浆等含量较高，因此该部位的混凝土理论强度略低。

通过上述分析得到，在进行钻芯取样时的最佳位置应在梁侧中部，而在实际操作过程中为提高钻机的通过性，避免碰到梁内钢筋，通常选择梁截面尺寸较大的梁。而截面尺寸较大的梁中部往往设置腰筋或构造筋，因此又不能在此位置选取，只能在腰筋上下位置钻取芯样。

笔者认为，在钻取芯样时，应将芯样钻取在混凝土作为主要受力材料的位置，即梁侧顶部，将该部位混凝土强度值作为梁构件强度的最终评定值更具有实际意义，且该部位混凝土中的表观缺陷最少（如裂缝等影响因素）。

3 不同取样位置对柱类构件混凝土强度的影响

混凝土柱作为混凝土框架结构中的主要竖向承载构件，承担着承上启下的作用。混凝土柱构件在正常受力时主要承受竖向压荷载，部分柱作为偏心受压构件。在受力过程中，框架结构的边柱主要承受偏心荷载，部分中柱受到不同位置传递的荷载差值较大时也会产生偏心受力，当受到偏心荷载后柱受力较小的一面则产生拉应力，而承受荷载的一面则产生压应力，相应的也会产生一定的拉应变和压应变，当拉应变超过混凝土自身材料的抵抗应变变形能力后则会产生裂缝。因此，在进行混凝土取样时，尽量避免在受荷载较小的一面钻芯取样，避免拉应力区内的混凝土出现肉眼可见的裂缝或微观裂缝而影响混凝土强度。在实际操作时，由于在该部位不易施工，工作人员一般也不会在该位置取样。

一般的混凝土柱构件截面尺寸较小，内部主筋数量较多，因此，多数情况下使用直径75 mm的小直径钻机取样，以提高钻机的通过性，尽可能地达到一次成功取样，避免因碰到钢筋而换一个位置继续取样，从而影响结构的美观，减少对结构的破坏。取样时，由于受混凝土柱自身受力特性影响，柱构件自每层柱底1/3高度内或1 m范围内的箍筋往往加密处理，加密后的箍筋间距通常为100 mm，该间距为上下层箍筋中心位置间的距离，实际净距不仅受箍筋直径的影响，同时还受施工误差的因素影响，导致箍筋间的有效间距在80 mm左右，此时使用钢筋扫描仪划定钢筋网格时也会产生相应的仪器误差和操作误差，导致在该位置取样时极易碰到钢筋，从而对原构件造成破坏。因此，在钻芯取样时为提高可操作性，一般也不会选择在该位置取样。

浇筑混凝土柱时，若柱高度较大应进行分层浇筑，但多数施工人员嫌工序复杂，经常一次性浇筑完成，从而导致浇筑的混凝土分层较为严重，如底部范围内的粗骨料较多，上部范围内的细骨料和水泥浆较多。若取样时在底部范围内取样，易出现钻机无法通过较密的钢筋网，若在上部范围内取样不易操作，且柱上部混凝土强度相对较低，从而影响正常的评定混凝土强度值。通过现场大量的实践证明，在柱高2/3范围内钻取混凝土芯样后，测试的混凝土强度值相差较小，且最易于操作取样。本文根据大量的工程实践得到在距柱底1.3～1.6 m范围内钻取混凝土芯样后，混凝土强度离散性较小，可作为柱构件的混凝土强度推定值。

4 不同取样位置对剪力墙构件混凝土强度的影响

对混凝土剪力墙进行钻芯取样时，取样原则与混凝土柱构件相同，不同之处在于混凝土剪力墙厚度较薄，剪力墙内钢筋网眼尺寸较大，在对剪力墙进行钻芯取样时，若钢筋扫描仪扫描准确则很难遇到钢筋，从而避免对剪力墙钢筋整体性的破坏。但剪力墙厚度一般较薄，通常为200、250、300 mm，在对200 mm厚剪力墙钻芯取样时极易因钻芯控制不好而将剪力墙打穿，从而影响后期对孔洞的修复。因此，在对剪力墙进行钻芯取样时，芯样长度宜在150 mm左右。

在施工现场，施工单位往往希望第三方检测单位对下部墙体进行取样，认为下部剪力墙尤其是剪力墙的根部混凝土强度最高、而中部混凝土强度一般、上部混凝土强度最低。为验证3部分混凝土强度的差异，本文根据某工程剪力墙构件的混凝土强度进行检测，抽检的混凝土剪力墙构件均为同期浇筑，且配合比相同，设计强度均为C30，墙体设计厚度和实测厚度均为200 mm。钻取芯样时分别在剪力墙底部、中部和上部各取20个直径100 mm的芯样，共计60个芯样。对芯样进行相应处理后测试其抗压强度，各部位抗压强度平均值如表3所示。

表3 剪力墙各部位芯样混凝土的抗压强度平均值

由表3可知，各部位的抗压强度值偏差小于1 MPa，其中墙体中部的混凝土强度略高于墙体底部，墙体上部的混凝土强度值最低。

常规施工过程和混凝土自身特性影响，振捣过程中混凝土中的粗骨料下沉，细骨料和水泥浆上浮，仅在此因素作用下剪力墙底部混凝土强度值应该为最高，随着向上部发展混凝土强度值逐渐下降。但在施工过程中人为因素影响较大，如浇筑墙体时为分层浇筑，实际施工中所谓的分层浇筑是浇筑一定高度范围内的混凝土后进行振捣，振捣完成后继续进行浇

筑，这种情况在理论中还属于整体浇筑法的范畴。这种情况下施工的结果是墙体底部混凝土不易振捣密实，墙体中部和上部的混凝土振捣时间相对较长且振捣均匀，因此中部和上部混凝土浇筑质量较好，从而在一定程度上又提高了该部位的混凝土强度值。而墙体底部的混凝土粗骨料较多、浇筑质量相对较差，2种因素作用下导致墙体底部混凝土强度离散性较大，且不能确保墙体底部混凝土强度值为3个部位中的最高值。笔者根据多年的检测现场经验，对剪力墙构件进行钻芯取样时，在距离墙底部1.3～1.6 m范围内钻取芯样测得的混凝土强度值最稳定且强度值相对较高，也最为客观、真实的反映该混凝土剪力墙构件的强度值。