水泥基灌浆料抗压强度现场检测方法试验研究

卜良桃， 龚文兵

(湖南大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410082)

如今，随着科学技术不断升级，材料的更新换代，水泥基灌浆料的性能得到了很好的改善。水泥基灌浆料由于其流动性好、早强、高强、无收缩、微膨胀等高性能，在实际工程中的应用越来越广泛[1]。水泥基灌浆料初期主要应用于设备基础二次灌浆、锚固地脚螺栓等方面[2-4]，但如今水泥基灌浆料在工程结构加固中也有着举足轻重的地位，尤其广泛地应用在加固复杂节点部位，其良好的流动性保证了节点部位的加固质量。

随着混凝土结构广泛运用于现代工程，在使用过程，由于自然环境侵蚀和结构本身荷载的影响，会导致建筑结构出现安全性和耐久性的问题[5]。水泥基灌浆料置换加固混凝土结构是常用的加固方法，然而目前水泥基灌浆料抗压强度只能通过预留的试块进行抗压强度试验来确定，尚没有现场检测标准和规范，因此一旦试块丢失，现场检测水泥基灌浆料抗压强度就成为了一大难题。

如今出台了许多现场检测混凝土结构抗压强度的相关规范，在工程应用上也较为成熟。现场检测混凝土结构的方法主要有：回弹法、超声回弹综合法、先装拔出法、后装拔出法和钻芯法等检测方法[6]。由于水泥基灌浆料的材料性质和各项性能与混凝土材料相似，所以本试验的主要内容就是探讨和研究混凝土结构的现场检测方法是否同样适用于水泥基灌浆料，建立相关的测强公式计算水泥基灌浆料试件的抗压强度换算值，并且从检测方法的操作的简易程度、对原试件的损伤程度和测强公式的精确度3个方面对比分析了5种现场检测方法。

1 试验方案

1.1 试验材料

水泥基灌浆料：由湖南固力土木工程新材料发展有限公司提供的HPG无收缩自流密实水泥基高强灌浆料。

水：纯净的自来水，且水泥基灌浆料技术要求标准用水量小于16%，本试验所配置的高性能水泥基灌浆料试件的用水量均小于12%[7]。

1.2 试验仪器

JW500型砂浆搅拌机，高强混凝土回弹仪，ZH — 60型多功能后锚固强度检测仪，钻芯机，拔出法锚固件，超声波检测仪，SYE-2000型压力试验机等试验仪器。

1.3 试件制作

本试验运用5种方法检测5个强度等级的水泥基灌浆料抗压强度，每一种强度等级制作了3组试件。每组试件包括3个300 mm×300 mm×300 mm的试件和3个100 mm×100 mm×100 mm的立方体标准试块。

水泥基灌浆料抗压强度主要的影响因素是搅拌时的用水量，试验前期通过反复的试配确定了5个强度等级的水泥基灌浆料的用水量，配制强度等级从高到低的水泥基灌浆料的用水量分别是6.5%、7.0%、8.5%、10%、12%。确定配制的用水量后，制作模板，开始浇筑5个强度等级的水泥基灌浆料试件和试块。拆模之后，放入养护池当中，进行高温高湿养护3 d，养护温度为75 ℃。3 d之后，进行常温养护28 d。整个养护期间，立方体标准试块进行同等条件养护[8]。

1.4 试验过程

回弹法操作参考《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T23—2011)，将养护好的试件表面进行清理、风干之后，随机在水泥基灌浆料试件的侧面选择测区，测区面积为0.04 m2，每一个测区选取16个测点，均匀分布在测区内，测区测点平面布置如图1(a)所示。测量回弹值时，回弹仪轴线与检测表面保持垂直，然后缓慢施加压力，精准读数，迅速复位。回弹测试完成之后，在测区表面取直径约15 mm孔洞，采用浓度1%～2%的酚酞酒精溶液进行碳化深度测量，测量3次，并取平均值作为检测结果。

图1 测点布置图(单位： mm)Figure 1 Measuring point layout(Unit: mm)

超声回弹综合法试验参考《高强混凝土强度检测技术规程》(JGJ/T 294-2013)技术要求，对水泥基灌浆料试件进行抗压强度检测。每一个强度等级的试件选取9个测区，测区大小为200 mm×200 mm，每个测区选取3个测点，在试件另一对侧面各选取8个回弹测点，测点示意图如图1(b)所示。本试验采用对测的检测方法，试验开始之前，用酒精将试件表面擦拭干净，待表面风干之后，探头涂上耦合剂，开始测试。

先装拔出法参考《拔出法检测水泥砂浆和纤维水泥砂浆强度技术规程》(CECS 389：2014)，每一个强度等级的试件布置9个测点，浇筑试件时，在测点位置模板上固定锚固件，锚固件应严格垂直于构件侧面[10]，埋置深度为25 mm。试验时取出养护好的试件，安装圆环式拔出仪，连续均匀的施加拔出力，速度控制在1～2 kN/s，直至将锚固件拔出为止。

后装拔出法同样每一个强度等级的试件布置9个测点，每3个测点为一组。钻孔时，在钻头处做好标记，以保证每个锚固件的埋置深度为25mm[11]。将孔内灰尘清理干净之后，向孔内注入锚固胶，剂量充满孔深2/3，然后将锚固件放入孔内，直至有少部分胶体溢出为止，迅速将准备好的硬纸片盖住孔口，防止有更多的胶体溢出。待48 h后胶体达到强度，同样选用圆环式拔出仪操作，将锚固件拔出，记录拔出力数值。见图2。

(a) 后装拔出法破坏锥体

钻芯法参照《钻芯法检测混凝土强度技术规程》(JGJ/T 384-2016)技术要求，选用相关规格的钻芯机，每个强度等级的试件钻取9个芯样。芯样取出之后，进行后期切割、打磨等处理，每个成品芯样的规格是直径为100 mm，高度是100 mm。将处理完的芯样放进SYE — 2000型压力试验机，进行芯样抗压试验，记录每一个芯样的抗压强度值。

同条件养护的标准立方体试块养护28 d之后，参照现行国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002)的规定，在SYE-2000型压力试验机上进行标准立方体抗压试验，并记录每个立方体试块的抗压强度标准值，最后得出每一个强度等级试件的立方体抗压强度代表值。

2 试验数据分析

2.1 试验数据

通过上述一系列试验，得到了5种检测方法检测水泥基灌浆料试件的抗压强度的代表值数据，以及标准立方体抗压强度代表值，试验数据如表1所示。

表1 试验数据Table 1 Experimental data 水泥基灌浆料强度等级试件分组回弹法代表值R超声回弹代表值与声速值v/(km·s-1)Rh先装拔出力代表值Fx/kN后装拔出力代表值Fh/kN芯样抗压强度代表值fcor/MPa立方体抗压强度代表值fcu/MPaA-162.88 4.42 60.24 34.53 14.25 55.31 52.60 A60A-263.45 4.46 62.84 36.56 15.70 55.46 54.60 A-364.14 4.44 63.78 37.87 15.00 55.98 55.80 B-168.21 4.55 67.51 41.38 20.52 66.24 63.20 A70B-269.31 4.57 68.22 44.08 21.88 68.24 64.20 B-370.91 4.59 72.84 44.15 19.80 69.21 67.40C-173.20 4.71 74.81 49.55 25.10 74.98 73.50 A80C-274.98 4.73 75.24 50.95 26.40 75.21 75.30 C-376.26 4.68 76.21 50.12 26.77 76.28 76.80D-177.60 4.80 76.23 53.07 30.43 84.51 81.40A90D-275.61 4.78 77.66 54.70 29.89 86.32 80.90 D-376.51 4.82 78.24 53.36 30.62 84.38 82.50E-180.10 4.84 80.62 59.70 35.30 92.56 91.40A100E-281.64 4.86 81.42 58.32 37.56 94.67 92.30 E-382.97 4.88 82.47 58.54 35.40 95.82 93.70

2.2 试验数据分析

从试验数据中可以看出，5种检测方法得出的抗压强度代表值与标准立方体抗压强度代表值之间有一定的联系。根据相关数学分析方法[12]，对数据进行分析，能够准确地得出各检测方法代表值与立方体抗压强度代表值之间的关系。

回弹法检测水泥基灌浆料抗压强度参考文献中的相关规定，将回弹代表值与立方体抗压强度值进行多项式拟合，回弹法测强曲线如图3所示，选用的测强公式模型如下：

图3 回弹法测强曲线Figure 3 Strength curve of rebound method

fc=A+BR+CR2

式中：fc为水泥基灌浆料试件抗压强度换算值，MPa；R为回弹代表值；A、B、C为测强公式回归系数。

根据现有的钻芯法检测混凝土抗压强度的相关规范，将得出的水泥基灌浆料芯样抗压强度代表值与标准立方体抗压强度值进行拟合，得到的测强曲线如图4所示，测强公式模型如下：

图4 钻芯法测强曲线 Figure 4 Strength curve of drilled core method

式中：fcor为芯样强度代表值，MPa；a、b为测强公式回归系数。

根据相关规范和文献，应用回弹代表值、声速值和立方体抗压强度值拟合出测强曲面，超声回弹综合检法测强曲面如图5所示，选用的测强公式模型如下所示：

图5 超声回弹综合法测强曲线Figure 5 Strength curve of ultrasonic-rebound combined method

式中：Rh为回弹代表值；v为声速代表值；a、b、c为测强公式回归系数。

拔出法自提出以来，在各类的水泥砂浆抗压强度的检测中有了广泛地运用，建立了许多专用测强曲线。本试验同样采用最小二乘法拟合出先装拔出法和后装拔出法的测强曲线，先装拔出法和后装拔出法测强曲线分别如图6、图7所示，测强公式模型如下所示：

图6 先装拔出法测强曲线Figure 6 Strength curve of cast-in-place pullout method

图7 后装拔出法测强曲线Figure 7 Strength curve of post-install pullout method

fc=A1+B1Fx

fc=A2+B2Fh

式中：Fx为先装拔出力代表值，kN；Fh为后装拔出力代表值，kN；A1、B1、A2、B2为测强公式回归系数。

2.3 相关性及显著性分析

根据相关的数学方法，对试验数据进行分析，得出了各检测方法预测水泥基灌浆料抗压强度的测强曲线。但由于采用的均是近似方法，对预测结果必须进行相关性和显著性分析，分析其结果的离散性和精确程度。相关性及显著性主要相关系数R2、相对标准差er和平均相对误差δ和3个参数来反映[13]，各参数的计算公式[14]如下所示。

(1)

(2)

(3)

计算结果如表2所示，从表中可以看出，5种检测方法得到的拟合方程相关系数均较高，说明回弹代表值，拔出力代表值和芯样的抗压强度代表值与立方体抗压强度代表值有很大的相关性，且相关系数越接近1，相关程度越高。相对标准差er可以衡量拟合方程所揭示的规律性的强弱，各检测方法的相对标准差er均小于12%[15]，说明上述5种方法检测水泥基灌浆料的抗压强度的误差较小。最后，平均相对误差δ均在6%以内，满足拟合方程的误差要求，表明拟合方程预测出来的抗压强度与实际情况相差较小。从以上的相关性和显著性分析可以得出：这5种检测方法均适用于检测水泥基灌浆料抗压强度。

表2 各检测方法拟合方程及相关性各参数Table 2 Regression equation and parameters of experimental data for different detection methods各检测方法拟合方程相关系数R2平均相对误差δ/%相对标准差er/%回弹法fc=11.691 33-0.441 02 R+0.017 48 R20.9851.692.17超声回弹综合法fc=0.012 73 R0.995 57hν2.838 510.9851.852.15先装拔出法fc=-5.956 05+1.643 93Fx0.9811.932.46后装拔出法fc=28.028 85+1.781 04 Fh0.9801.952.63钻芯法fc=0.956 47 f1.004 17cor0.9871.672.13

3 不同检测方法对比分析

下面笔者主要从试验过程中不同检测方法的操作的简易程度、对原构件的损坏程度和5种检测方法的精度等3个方面来进行对比分析，得出5种检测方法在检测水泥基灌浆料抗压强度时的优点和缺点。

第一，从操作方法的简易程度方面对比，回弹法与超声回弹综合法操作最简便，且检测周期较短，能够迅速得出检测结果。相比之下，拔出法与钻芯法操作较为繁琐，且检测周期更长，特别是先装拔出法，在构件施工期间就得做好准备工作，例如预埋锚固件。后装拔出法也需要钻孔，注胶等一系列操作。钻芯法的操作除了布点取芯样之外，后期需要将芯样进行切割、打磨一系列处理，最后对处理好的芯样进行抗压测试。

第二，从对原构件的损坏程度对比，回弹法和超声回弹综合法属于无损检测[16]，对原构件无损伤，故无需对原构件进行修补处理。然而先装拔出法与后装拔出法将锚固件拔出之后，会留下20～30 mm深的锥形坑洼，对原结构造成细微损伤，属于半无损检测方法。因此检测完成之后，需要对原构件进行填平修补。钻芯法钻孔深度达到150 mm，甚至会钻取到受力钢筋，对主体结构产生较大影响，属于有损检测方法。

第三，从检测结果精度对比，钻芯法的拟合方程相关系数最高，平均相对误差也最小，检测结果最精确，这是由于钻芯法的芯样直接来源于原构件，最能直接反映原构件抗压强度。其次，回弹法与超声回弹综合法主要是通过构件表面的硬度来推定抗压强度，由于水泥基灌浆料的骨料粒径较小，密实度高，试件表面平整，因此抗压强度与试件表面硬度相关性高，故回弹法与超声回弹综合法的检测精度仅次于钻芯法。先装拔出法精度高于后装拔出法，主要原因是先装拔出法锚固件的埋置深度较后装拔出法易于控制。

4 结论

本试验分别运用回弹法、超声回弹综合法、先装拔出法、后装拔出法和钻芯法5种检测方法检测A60、A70、A80、A90、A100共5个强度等级的水泥基灌浆料抗压强度，得出了以下结论：

d.从5种检测方法操作的简易程度、对原构件的损坏程度和精确度等3个方面对比分析，得出了5种检测方法检测水泥基灌浆料的适用性及优劣势，为实际工程现场检测水泥基灌浆料抗压强度提供依据。综合5种检测方法优缺点可知：超声回弹综合法实施操作简便，施工质量易于控制，测强公式精度高，且对原结构无损伤。因此现场检测水泥基灌浆料抗压强度时宜优先选用超声回弹综合法。