工程结构实体混凝土强度测试的准确性研究

2023-01-03罗泽权

广西水利水电 2022年6期

苏晶，罗泽权

（1.武汉汉源既济电力有限公司，武汉 430035；2.长江水利委员会长江科学院，武汉 430010）

混凝土作为当今建筑领域用途最广、用量最多建筑材料，其抗压强度是确定新建和已建混凝土结构和构件承载力等力学性质及可靠性的关键指标，同时也是工程质量检测的重要内容。科学准确地检测工程实体混凝土强度是工程质量控制与事故分析的基础。一直以来，行业都是通过测量预留的标准试件的抗压强度来作为施工质量指标的评价标准。尽管这一方法操作简便、经济性好，但预留的标准试块在成型养护环境和施工振捣工艺上存在较大差异，而混凝土自身成分复杂，物理化学反应难以界定与评价，因此预留标准试件的抗压强度值只能是对混凝土结构本身质量的一些片面反映，并不能完全真实地反映结构混凝土的真实强度。以往的研究人员都在探索能更加准确地反映结构实体混凝土真实强度的方法，并根据其检测原理的不同分为非破损检测和局部破损检测。非破损检测主要为回弹法、超声波回弹综合法、声波法等；局部破损检测主要为钻芯法、贯入阻力法、折断法等[1～3]。其中回弹法和钻芯法是目前结构实体混凝土强度检测中最常用的方法。

钻芯法通过直接在实体构件上钻芯取样进行抗压试验，能够直观地反应结构混凝土强度，避免了内外均匀性的差异引起的测量误差，但也存在一些先天的缺陷，对于一些受力较大，安全度不足或者应力复杂的建构筑物不易钻芯，而这些地方刚好是质量控制的关键环节。回弹法是根据混凝土的表面硬度与抗压强度之间存在的联系性而建立起来的检测混凝土抗压强度的方法，操作简单、经济实惠，便于大批量进行检测，但其检测精度受龄期、碳化及构件内外质量差异等较多条件限制，制约了其在工程中的应用。本文通过回弹法和钻芯法对驮英水库及灌区工程不同强度等级的混凝土进行检测，优化这两种方法在实际工程中的应用，提高检测方法的适用性及准确性。

1 试验材料及方法

本文所选用的混凝土及工程实体主要为驮英水库枢纽标段三工区拌合站及相关实体建构筑物。立方体试块抗压强度测试依据《水工混凝土试验规程》（SL 352-2020）中的测试方法，钻芯法检测依据规范《钻芯法检测混凝土强度规程》（CECS03：2017），为保证实验数据准确性，试验在浙江礼显试验仪器制造有限公司制造的YES-2000数显压力机上进行。现场实体构筑物的回弹测试是根据《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T 23-2011）中的测量方法及国家统一的测强曲线，采用北京海创高科科技有限公司生产的HT-225T 数显式一体回弹仪进行，试验所用相关仪器均通过了计量检定，且满足精度要求。

2 回弹法检测混凝土抗压强度试验

2.1 不同强度等级混凝土回弹法和标准养护试块抗压强度试验

回弹强度是根据混凝土实体结构表层硬度来间接推断混凝土强度，试验误差难以避免，因此开展不同强度等级混凝土28 d 回弹测试和标准养护试块强度值的对比试验。试验结果见表1。

表1 回弹法和标准养护试块抗压强度结果

由表1 可知，28 d 回弹强度与标准养护试块强度差值较大，都在5%以上。结合前人研究，推断是实体构件混凝土表面水泥未完全水化而存在一层疏松层，影响了回弹强度值。

2.2 不同龄期混凝土回弹钻芯法抗压强度试验

在以往研究中，笔者发现C15 混凝土回弹值与标准值偏差较大，因此不纳入试验。按C20、C25、C30、C40，选用了多组混凝土构件，分别采用回弹法和钻芯法按龄期14、28、60、90、120 d进行测试。试验结果见表2。

表2 回弹法和芯样抗压强度结果

由表2 可以看出，回弹强度值与标准芯样强度值的误差与龄期有较大关系，为了直观表现两者关系，绘制不同龄期下各强度等级混凝土构件回弹强度值与标准芯样强度值比值拟合图（见图1）。

图1 不同龄期不同强度等级混凝土回弹值与标准芯样强度比值拟合图

图1中，系数k为直线斜率，即回弹强度值与芯样强度值的比值。由图1 可知，龄期在14～60 d 增长过程中，强度比值在增加，并逐渐接近1，而当龄期超过60 d 时，两种测试强度比值并未进一步增加。这是因为龄期未到60 d时，混凝土表面砂浆层不断碳化，此时表面硬度的增长速度大于整体强度提升速度，而在60 d之后，构件水化作用基本完成，使得表面被碳化层覆盖，因而后期强度增长缓慢[4]。因此，当混凝土龄期不小于60 d 时，进行混凝土回弹测试，其结果较为准确。

3 钻芯法检测混凝土强度试验

3.1 不同养护条件下立方体试块与芯样抗压强度试验

混凝土强度的形成过程涉及到其组成成份的物理化学反应，反应的快慢与温度和湿度等条件有着很大关系，因此养护条件对混凝土强度成型有着重要影响。为探究不同养护条件下立方体试块抗压强度与钻芯法检测强度之间的关联，开展了C25和C30两种强度等级混凝土在不同养护条件下28 d龄期抗压强度测试，每种强度等级试件在不同养护条件下均进行了3组共9个试件，取3组强度测试的平均值，试验结果见表3。

表3 不同养护条件下混凝土抗压强度结果MPa

由表3 可以看出，两种强度混凝土预留试块在标准养护条件下的28 d 抗压强度均明显高于现场同条件养护试块和在工程实体上钻取标准芯样的抗压强度，表明标准养护试块无法代替工程实体混凝土强度，同时也发现，芯样试验结果与同条件养护试块结果较为接近，可以考虑在一些要求不高的部位，采用同条件养护试块来作为判定实体混凝土强度的辅助依据。

3.2 芯样抗压强度随龄期变化试验

混凝土中水泥的水化、凝结、硬化过程是缓慢的物化反应过程，结构混凝土的强度与龄期有着直接关系。相比于标准养护室下的养护条件，现场结构混凝土的温度与湿度均不稳定，而在利用钻芯法进行强度检测时，并未对龄期有过多限定，使得最终强度指标难以确定。开展多种强度等级混凝土不同龄期下钻芯法抗压强度测试，以探究结构混凝土强度随龄期增长情况。不同龄期钻芯法检测混凝土强度试验结果见表4。

表4 不同强度等级不同龄期芯样抗压强度结果

为了进一步研究芯样强度的准确性，对芯样强度与标准养护条件下不同龄期不同等级强度试块的强度进行比对，将结果进行拟合（见图2）。

图2 不同龄期等级混凝土芯样与标准试块强度比值拟合图

图2中，系数k为直线斜率，即芯样强度与标准试块强度的比值。由图2可知，当混凝土龄期为28 d 时，此时芯样与标准养护试块强度比值为0.815，此时的芯样并未真实反映结构强度，混凝土内部形成强度的物化反应只进行了一部分；而当混凝土龄期为60 d 时，其与标准养护试块强度的比值为0.956，两者的强度误差已在5%以内，此时混凝土的强度潜力已基本发挥，测量的强度接近其真实强度，因此考虑在混凝土浇筑60 d之后开展钻芯取样检测结果更为准确。

3.3 不同直径芯样抗压强度试验

在开展实体检测作业时，标准芯样的取芯工作量较大，且对建构筑物的整体性有一定影响，而小直径芯样不仅取芯工作量小，加工打磨更加方便，同时能减小对原有结构物的影响，特别是在部分结构物为提升安全度及抗震性能，提高构件的配筋率，钢筋间距较小情况下，小直径芯样检测强度更具有优势，但其可靠度与准确度存在一定的离散性。

东南大学曾分别进行过22 组50 mm 和75 mm芯样的试验，修正系数（小直径芯样与100 mm标准芯样的强度比值）分别为0.80 和0.95；天津港湾工程研究所和上海建设工程质量检测中心也进行了大量50 mm 和75 mm 芯样的试验，其修正系数均为1.06；中国建筑科学研究院的试验结果表明50 mm和75 mm 的修正系数均为1.0。造成这种差异的原因主要是各地混凝土骨料不同。

为了探究小直径芯样在驮英水库及灌区工程中应用的准确性，进行不同混凝土强度等级不同小直径芯样和标准芯样的抗压强度试验。试验结果见表5。

表5 不同直径不同强度等级芯样抗压强度结果

由表5可知，无论是50 mm还是75 mm的芯样，其强度误差大部分在5%以内，准确度较高。试验结果与中国建筑科学研究院的试验结果接近。同时结合日常骨料筛分的检测数据，本次试验中小直径芯样强度与标准芯样检测结果相差较小的原因与试验混凝土所采用的骨料有一定关系，骨料粒径较小，在钻取芯样过程中，对骨料颗粒的破坏性更小，更大限度保证了结构的完整性。

小直径芯样检测既可以提升经济效益，同时可对混凝土构件的芯样位置起到拓展作用[5，6]。因此，可以在驮英水库及灌区工程中对取芯困难或者尽量避免对原有结构物损伤的工程部位可以采用小直径芯样进行混凝土强度检测。