路面芯樣切割方式及切后長度對芯樣劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

■彭 鋒

（三明市公路局，三明 365000）

1 前言

彎拉強(qiáng)度是水泥混凝土路面強(qiáng)度的控制指標(biāo)，也是路面質(zhì)量評定的關(guān)鍵項(xiàng)目。由于彎拉強(qiáng)度試件成型及試驗(yàn)過程比較繁瑣，現(xiàn)多用劈裂抗拉強(qiáng)度來代替，試驗(yàn)過程為：從硬化的水泥混凝土路面中鉆取芯樣，測定芯樣的劈裂抗拉強(qiáng)度，然后通過經(jīng)驗(yàn)公式換算成標(biāo)準(zhǔn)小梁彎拉強(qiáng)度來評定水泥混凝土路面質(zhì)量優(yōu)劣。芯樣劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)其影響因素眾多，路面取芯過程、芯樣運(yùn)輸過程、實(shí)驗(yàn)室芯樣切割、養(yǎng)護(hù)、劈裂抗拉試驗(yàn)過程均會對芯樣的劈裂抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生影響。路面取芯過程影響因素包括取芯設(shè)備精良程度、取芯試驗(yàn)員業(yè)務(wù)水平；芯樣運(yùn)輸過程芯樣要堆擺有序，盡量避免過大顛簸，減少芯樣間相會磕碰；實(shí)驗(yàn)室芯樣切割、養(yǎng)護(hù)、劈裂抗拉試驗(yàn)過程中影響因素包括芯樣切割方式、切后長度、養(yǎng)護(hù)條件、試驗(yàn)過程中芯樣對中、加載速率等。

筆者長期從事三明市公路局路面大修工程、路面改造工程的施工過程質(zhì)量檢測和交工驗(yàn)收檢測，從以往大量的路面芯樣劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：芯樣不同切割方式、切后長度對劈裂抗拉強(qiáng)度的影響呈現(xiàn)一定的規(guī)律。為驗(yàn)證該規(guī)律，筆者結(jié)合2015年路面大修工程開展大量試驗(yàn)，并在路面大修工程S306線大田縣K27+600～K28+600段鋪筑了長1km的試驗(yàn)段進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。該試驗(yàn)段完全按照大修工程設(shè)計(jì)要求來鋪筑，試驗(yàn)段水泥混凝土面層設(shè)計(jì)厚度為240mm，設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度為5.0MPa，配合比所用粗集料公稱粒徑為31.5mm。

2 工程概況

三明市公路局2015年路面大修工程改造線路有7條，分別為S204線、S205線、S206線、S208線、S304線、S306線、S307線，修復(fù)加鋪路段長115km，工程造價(jià)1.5619億元。修復(fù)加鋪路段原有路面為水泥砼路面，這些路段原有舊路面存在的病害包括嚴(yán)重破碎、沉陷、坑洞、板角斷裂、錯(cuò)臺、嚴(yán)重唧泥等。路面改造方案為加鋪水泥砼路面，其中 S306線 K275+000～K293+000、S307線永安段加鋪方案為：30cm擊碎板墊層+15cm 5%水泥穩(wěn)定碎石層+1cm瀝青封層+28cm水泥砼面層，其余路段均為：30cm擊碎板墊層+15cm 5%水泥穩(wěn)定碎石層+1cm瀝青封層+24cm水泥砼面層。砼路面選取普通水泥砼路面，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為20年，普通水泥砼的強(qiáng)度以28d齡期的彎拉強(qiáng)度控制，其彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為5.0MPa。

3 水泥混凝土圓柱體劈裂抗拉強(qiáng)度

3.1 試驗(yàn)要求

水泥混凝土圓柱體劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)依據(jù)的是公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程（JTG E30-2005），以下簡稱試驗(yàn)規(guī)程。試驗(yàn)規(guī)程要求：對于現(xiàn)場芯樣須無裂縫、接縫、分層、麻面或離析，長徑比須大于或等于1，適宜的長徑比在1.9～2.1之間，最大長徑比不能超過2.1[1]。路面大修及改造工程的水泥混凝土路面面層的設(shè)計(jì)厚度一般為240～280mm，采用的取芯筒直徑為150mm，滿足規(guī)程長徑比要求。

3.2 試驗(yàn)過程及原理

現(xiàn)場所取芯樣在進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)前需進(jìn)行調(diào)濕，一般應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24h；養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，取出芯樣，用濕布覆蓋，避免其濕度變化；測量直徑、高度并檢查外形，尺寸量測精確至1mm；在芯樣中部劃出劈裂面位置線，圓柱體的母線公差為0.15mm，這兩條母線應(yīng)位于同一軸向平面內(nèi)，彼此相對，兩條線的末端在芯樣的端面上相連，應(yīng)為通過圓心的直徑，以明確標(biāo)明承壓面；將芯樣、劈裂夾具、墊條和墊層依次放在壓力機(jī)上，借助夾具兩側(cè)桿，將芯樣對中；開動(dòng)壓力機(jī)，當(dāng)壓力機(jī)壓板與夾具墊條接近時(shí)，調(diào)整球座使壓力均勻接觸芯樣。當(dāng)壓力達(dá)到5kN時(shí)，將夾具的側(cè)桿抽調(diào)。試驗(yàn)過程中，加荷速度為0.065MPa/s（通過電腦設(shè)置）。當(dāng)試件接近破壞而開始迅速變形時(shí)，不得調(diào)整試驗(yàn)機(jī)油門，直至試件破壞，記下破壞極限荷載F（N）[1]。圓柱體劈裂抗拉強(qiáng)度fct按下列公式計(jì)算：

式中，fct——圓柱體劈裂抗拉強(qiáng)度（MPa）；

F——破壞極限荷載（N）；

dm——圓柱體截面的平均直徑（mm）；

lm——圓柱體平均長度（mm）。

通過劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)中求得的芯樣劈裂抗拉強(qiáng)度，可換算成標(biāo)準(zhǔn)小梁彎拉強(qiáng)度，而彎拉強(qiáng)度是公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)（JTG F80/1 2004）要求水泥面層必評的檢查項(xiàng)目。根據(jù)公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則（JTG/T F30-2014）的規(guī)定：二級及二級以下公路混凝土面板鉆芯劈裂強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)小梁彎拉強(qiáng)度可根據(jù)粗集料巖石品種和類型，按相關(guān)公式換算。結(jié)合工程實(shí)際所用粗集料，我們可按下列公式計(jì)算：

式中，fsp——混凝土直徑150mm鉆芯圓柱體的劈裂強(qiáng)度（MPa）；

fc——混凝土標(biāo)準(zhǔn)小梁彎拉強(qiáng)度（MPa）[2]。

4 芯樣切割方式以及切后長度對劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

4.1 芯樣分類

在路面工程驗(yàn)收過程中，各類規(guī)范均未規(guī)定芯樣切割方式和切后長度，而驗(yàn)收單位對芯樣切割方式和切后長度也無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，使得同一路段劈裂強(qiáng)度數(shù)據(jù)有所偏差。為了消除芯樣頂部浮漿及縮頸層（約10～30mm）以及底端不平的碎石（約10～30mm）對劈裂抗拉強(qiáng)度的影響，針對設(shè)計(jì)值為240mm的芯樣，180mm、200mm、220mm這三個(gè)常規(guī)切后長度（即芯樣試驗(yàn)長度）的芯樣劈裂抗拉強(qiáng)度最具有代表性。為驗(yàn)證不同切割方式和切后長度對劈裂抗拉強(qiáng)度的影響，筆者將現(xiàn)場所取芯樣按照二種常規(guī)切割方式和三種常規(guī)切后長度進(jìn)行試驗(yàn)，分別是：按180mm/2組、200mm/2組、220mm/2組的切后長度來進(jìn)行切割，誤差控制在2mm，同一切后長度的芯樣按兩種切割方式進(jìn)行試驗(yàn)：單面切割和雙面切割。單面切割僅切割芯樣底端部位至切后長度，雙面切割則切割同樣長度的頂端部位，底端部位切至切后長度。為滿足試驗(yàn)要求，待試驗(yàn)段水泥砼面層現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)28d后，按交叉取樣法鉆取120個(gè)芯樣，分成6組，每組20個(gè)芯樣。

4.2 試驗(yàn)過程

芯樣切割完畢后，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24h，然后按照試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)過程如圖1～4所示。

圖1 力學(xué)室劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)備

圖2 芯樣劈裂前

圖3 芯樣劈裂中

圖4 芯樣劈裂后

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)完畢后出具相應(yīng)報(bào)告，數(shù)據(jù)整理統(tǒng)計(jì)如下：單面切割方式下切后長度不同的芯樣劈裂抗拉強(qiáng)度對比試驗(yàn)結(jié)果見表1，雙面切割方式下切后長度不同的芯樣劈裂抗拉強(qiáng)度對比試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 單面切割方式下切后長度不同的芯樣劈裂抗拉強(qiáng)度對比試驗(yàn)

表2 雙面切割方式下切后長度不同的芯樣劈裂抗拉強(qiáng)度對比試驗(yàn)

兩種切割方式下切后長度不同的芯樣劈裂抗拉強(qiáng)度平均值對比如圖5所示。兩種切割方式下切后長度不同的芯樣換算彎拉強(qiáng)度平均值對比如圖6所示。

圖5 兩種切割方式下切后長度不同的芯樣劈裂抗拉強(qiáng)度對比試驗(yàn)

圖6 兩種切割方式下切后長度不同的芯樣換算彎拉強(qiáng)度對比試驗(yàn)

4.4 試驗(yàn)總結(jié)

從圖5、圖6上看，隨著芯樣切后長度的增大，芯樣的劈裂抗拉強(qiáng)度平均值減小，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式 （fc=1.868×fsp0.871）[2]換算成的彎拉強(qiáng)度平均值也減??；對于同一切后長度的芯樣，雙面切割比單面切割的效果更好，劈裂抗拉強(qiáng)度平均值更大，換算后的彎拉強(qiáng)度平均值也更大，雙面切割下劈裂抗拉強(qiáng)度平均值增加了0.12～0.20MPa，換算后彎拉強(qiáng)度平均值增加了0.17～0.27MPa。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，筆者認(rèn)為主要原因如下：

（1）混凝土作為一種準(zhǔn)脆性材料，存在尺寸效應(yīng)?；炷翉?qiáng)度的尺寸效應(yīng)認(rèn)為混凝土的強(qiáng)度不僅由材料的性質(zhì)決定，還會隨著試件或構(gòu)件的尺寸大小而變化，不是一個(gè)定值。韋伯（Welbull）統(tǒng)計(jì)強(qiáng)度尺寸效應(yīng)理論采用最弱鏈概念分析和描述強(qiáng)度尺寸效應(yīng)現(xiàn)象，認(rèn)為在加載形式相同的條件下，混凝土的破壞與體積有關(guān)；對于劈裂破壞而言，劈裂抗拉強(qiáng)度與劈裂抗拉面積有關(guān)。有學(xué)者通過試驗(yàn)研究證實(shí)了尺寸效應(yīng)與劈裂面積有關(guān)，并成功得出用劈裂面面積表示的尺寸效應(yīng)計(jì)算公式[3]。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，隨著芯樣切后長度的增大，芯樣的劈裂抗拉面積也隨之增大，劈裂抗拉強(qiáng)度減小，這種規(guī)律跟前者研究是相統(tǒng)一的。

（2）水泥混凝土澆筑過程中，插搗不均可能會產(chǎn)生離析，引起骨料普遍出現(xiàn)上下不均勻分布，骨料顆粒之間相互嵌擠，使得更多的水泥漿浮于表面，導(dǎo)致混凝土芯樣頂端部位密實(shí)度低于底端部位?，F(xiàn)場取芯過程中，頂端部位的水泥漿層在取芯筒高速的旋轉(zhuǎn)下會產(chǎn)生一定程度的縮徑現(xiàn)象。雙面切割時(shí)，頂端和底端部位同時(shí)切割，一定程度上減小了骨料顆粒分布不均產(chǎn)生的瓶頸。單面切割僅僅切割底端部位，頂端的水泥漿薄弱層還存在，因而單面切割的效果不如雙面切割。

5 結(jié)語

芯樣劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)是已完成路面質(zhì)量控制的重要手段，其影響因素眾多，其中芯樣切割方式、切后長度對芯樣的劈裂抗拉強(qiáng)度的影響不應(yīng)被忽略。為使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更真實(shí)地反映出砼路面的質(zhì)量，筆者建議：

（1）通過劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)對比，切后長度相同的芯樣雙面切割后的劈裂抗拉強(qiáng)度平均值好于單面切割，換算后的彎拉強(qiáng)度更易達(dá)到合格。建議水泥砼路面質(zhì)量驗(yàn)收時(shí)芯樣劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用雙面切割方式來切割芯樣。

（2） 通過三個(gè)切后長度的芯樣 （Ф150mm×180mm、Ф150mm×200mm、Ф150mm×220mm）劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)對比，芯樣切后長度為180mm的劈裂抗拉強(qiáng)度平均值更好，換算后的彎拉強(qiáng)度更易達(dá)到合格。在目前規(guī)范未明確芯樣最終試驗(yàn)長度，驗(yàn)收單位對其也無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的情況下，為了消除芯樣浮漿及縮頸層以及底端不平的碎石對劈裂抗拉強(qiáng)度的影響，針對面層設(shè)計(jì)厚度為240mm的水泥混凝土路面，建議采用最終切后長度為180mm的芯樣來進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。[1]JTG E30-2005，公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2005.

[2]JTG/T F30-2014，公路水泥混凝土路面施工技術(shù)細(xì)則[S].北京：人民交通出版社，2014.

[3]宜國良.混凝土圓柱體劈拉強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，24（2）：92-97.