淺析影響預(yù)應(yīng)力混凝土鋼絞線力學(xué)性能檢測(cè)的若干因素

張維杰，孟 揚(yáng)，崔德奎，張 杉，劉 然

（國(guó)家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100013）

0 引 言

預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線是廣泛用于各種建筑工程和橋梁工程中不可或缺的材料，其力學(xué)性能是表征產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，與工程質(zhì)量和安全息息相關(guān)。預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線力學(xué)性能檢測(cè)項(xiàng)目主要包括：最大力Fm、公稱抗拉強(qiáng)度 Rm、0.2 % 屈服力 Fp0.2以及最大力總伸長(zhǎng)率 Agt。這些技術(shù)參數(shù)不僅是建工領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)室的常規(guī)檢測(cè)項(xiàng)目，也是施工驗(yàn)收的見(jiàn)證檢測(cè)項(xiàng)目。檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確與否反映了實(shí)驗(yàn)室在預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線力學(xué)性能檢測(cè)的基本技術(shù)能力。對(duì)此，為了解行業(yè)內(nèi)相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的總體情況，找出影響檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度的關(guān)鍵因素，從而促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)能力的提升，故自 2017年起，筆者單位連續(xù)兩年開(kāi)展了“預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線力學(xué)性能檢測(cè)”能力驗(yàn)證項(xiàng)目（以下稱“檢測(cè)能力驗(yàn)證項(xiàng)目”）。

通過(guò)上述項(xiàng)目的開(kāi)展，認(rèn)為行業(yè)總體情況良好，能力驗(yàn)證結(jié)果的滿意率大約為 83 %。但是，從中也發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題，比如夾具裝置不合適、試件端部處理不當(dāng)、引伸計(jì)的安裝位置不合理等均會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果帶來(lái)一定的偏差。下面，將以兩次項(xiàng)目的實(shí)施情況介紹作為切入點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)影響檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析。

1 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及參數(shù)

兩次檢測(cè)能力驗(yàn)證項(xiàng)目均根據(jù) GB/T 5224-2014《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》標(biāo)準(zhǔn)，保證參加實(shí)驗(yàn)室按照上述標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，測(cè)試預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線的力學(xué)性能，包括最大力 Fm、公稱抗拉強(qiáng)度 Rm、0.2 % 屈服力Fp0.2以及最大力總伸長(zhǎng)率 Agt。

2 參與實(shí)驗(yàn)室基本情況

在 2017年檢測(cè)能力驗(yàn)證項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，共有 43 家檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室報(bào)名參加且全部按期返回了結(jié)果。其中，已獲得 CNAS 認(rèn)可的實(shí)驗(yàn)室有 22 家，占實(shí)驗(yàn)室總數(shù)的 51.2 %，未獲 CNAS 認(rèn)可的實(shí)驗(yàn)室有 21 家，占實(shí)驗(yàn)室總數(shù)的 48.8 %。

在 2018年檢測(cè)能力驗(yàn)證項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，共有 37 家實(shí)驗(yàn)室報(bào)名參加且全部按期返回了結(jié)果。其中，已獲得 CNAS 認(rèn)可的實(shí)驗(yàn)室有18家，占實(shí)驗(yàn)室總數(shù)的48.6 %，未獲 CNAS 認(rèn)可的實(shí)驗(yàn)室有19家，占實(shí)驗(yàn)室總數(shù)的 51.4 %。

由此可見(jiàn)，行業(yè)內(nèi)相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的參與程度較高，兩次檢測(cè)能力驗(yàn)證項(xiàng)目反映出的預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線力學(xué)性能檢測(cè)能力水平具有一定的代表性，所發(fā)現(xiàn)的一些檢測(cè)問(wèn)題具有普遍適用性。

3 樣品制備

兩次檢測(cè)能力驗(yàn)證項(xiàng)目用樣品的制備方法相同，均從同批（整盤）預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線的中部開(kāi)始連續(xù)切割，每根鋼絞線的切割長(zhǎng)度為 1 200 mm。切割后，從所有切割下的樣品中隨機(jī)選取 3 根組成一組樣品，并加以編號(hào)。樣品在包裝時(shí)，用 PVC 薄膜包裹后外加塑料氣泡袋，再用防潮編織條纏繞（見(jiàn)圖1）。

圖1 待發(fā)樣品

4 樣品的均勻性和穩(wěn)定性

4.1 均勻性檢驗(yàn)

兩次檢測(cè)能力驗(yàn)證項(xiàng)目用樣品的均勻性均按照CNAS-GL003∶2018《能力驗(yàn)證樣品均勻性和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指南》（原 CNAS-GL03∶2006《能力驗(yàn)證樣品均勻性和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指南》）的相關(guān)要求，采用 S≤0.3σ 準(zhǔn)則，進(jìn)行了均勻性檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果表明：樣品的均勻性良好，不會(huì)影響相關(guān)參加實(shí)驗(yàn)室能力驗(yàn)證的評(píng)價(jià)結(jié)果。

4.2 穩(wěn)定性檢驗(yàn)

預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線樣品性能穩(wěn)定，運(yùn)輸過(guò)程和天氣因素不會(huì)造成其出現(xiàn)變形等異常情況，故在發(fā)樣前后不再進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗(yàn)。

5 結(jié)果評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

兩次檢測(cè)能力驗(yàn)證項(xiàng)目的測(cè)試結(jié)果統(tǒng)一采用穩(wěn)健技術(shù)處理，并將穩(wěn)健平均值設(shè)置為指定值。穩(wěn)健平均值與穩(wěn)健標(biāo)準(zhǔn)差的定義及計(jì)算方法見(jiàn) GB/T 28043-2011《利用實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)進(jìn)行能力驗(yàn)證的統(tǒng)計(jì)方法》。

各實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)結(jié)果，按式（1）計(jì)算 Z 值。

兩次檢測(cè)能力驗(yàn)證項(xiàng)目涉及的統(tǒng)計(jì)量有：結(jié)果數(shù)、穩(wěn)健平均值、穩(wěn)健標(biāo)準(zhǔn)差、穩(wěn)健平均值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度、最小值、最大值、極差、能力評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)差和穩(wěn)健變異系數(shù)。

以∣Z∣比值的絕對(duì)值評(píng)價(jià)每個(gè)參加實(shí)驗(yàn)室的能力。

∣Z∣≤2表示“滿意”，不用采取進(jìn)一步措施；

2＜∣Z∣＜3表示“有問(wèn)題”，產(chǎn)生警戒信號(hào)；

∣Z∣≥3表示“不滿意”，產(chǎn)生措施信號(hào)。

在每個(gè)參加實(shí)驗(yàn)室反饋的測(cè)試結(jié)果——最大力、公稱抗拉強(qiáng)度、0.2 % 屈服力以及最大力總伸長(zhǎng)率中，任何一個(gè)結(jié)果出現(xiàn)不滿意，則判斷該實(shí)驗(yàn)室結(jié)果不滿意；任何一個(gè)結(jié)果有問(wèn)題，但無(wú)不滿意結(jié)果，則判斷該實(shí)驗(yàn)室結(jié)果有問(wèn)題。

6 統(tǒng)計(jì)結(jié)果

兩次檢測(cè)能力驗(yàn)證項(xiàng)目的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。

表1 能力驗(yàn)證項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表1 可以看出，隨著兩次能力驗(yàn)證項(xiàng)目的相繼開(kāi)展，行業(yè)內(nèi)相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)能力有所提升，能力驗(yàn)證結(jié)果的滿意率大約為 83 %。

7 技術(shù)分析及建議

通過(guò)兩次檢測(cè)能力驗(yàn)證項(xiàng)目的實(shí)施，在試驗(yàn)設(shè)備和檢測(cè)過(guò)程兩個(gè)方面，開(kāi)展了技術(shù)分析并進(jìn)一步給出具體相關(guān)建議。

7.1 試驗(yàn)設(shè)備的影響

1）試驗(yàn)機(jī)。項(xiàng)目依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)所引用的 GB/T 21839-2008《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼材試驗(yàn)方法》中第 5.2 條款的要求，試驗(yàn)機(jī)至少為 1 級(jí)精度。同時(shí)，計(jì)量單位定期對(duì)試驗(yàn)機(jī)的精度進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)，可在一定程度上減少測(cè)量誤差。

2）引伸計(jì)。項(xiàng)目依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)所引用的 GB/T 21839-2008《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼材試驗(yàn)方法》中第 5.2 條款的要求，測(cè)定 Fp0.2時(shí)，引伸計(jì)的精度應(yīng)為 GB/T 12160-2002《單軸試驗(yàn)用引伸計(jì)的標(biāo)定》中 1 級(jí)；測(cè)定 Agt時(shí)，可為 GB/T 12160-2002 《單軸試驗(yàn)用引伸計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)》中 2 級(jí)。同時(shí)，計(jì)量單位定期對(duì)引伸計(jì)的精度進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)，可在一定程度上減少測(cè)量誤差。

3）夾具裝置。適當(dāng)?shù)膴A具型式和夾持方法對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線的力學(xué)性能測(cè)試較為重要。在力學(xué)性能檢測(cè)中，鋼絞線所承受的拉荷載是試驗(yàn)機(jī)通過(guò)鉗口與鋼絞線外層鋼絲之間摩擦力傳遞過(guò)來(lái)的。當(dāng)采用 V 型夾具時(shí)，鋼絞線外層的各根鋼絲無(wú)法實(shí)現(xiàn)均勻夾持，結(jié)果使得其所受的拉荷載（摩擦力）不盡相同。由此：一方面，各根鋼絲達(dá)到極限荷載的時(shí)間不同，故所測(cè)得的極限荷載在一定程度下低于其實(shí)際值；另一方面，各根鋼絲產(chǎn)生不等量的滑移，故所測(cè)得的最大力總伸長(zhǎng)率在一定程度下也低于其實(shí)際值。而采用圓形夾具，保證了鉗口能與鋼絞線外層的各根鋼絲同時(shí)相內(nèi)接，從而實(shí)現(xiàn)了均勻加持，提高了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

7.2 檢測(cè)過(guò)程的影響

1）試件端部處理。預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線表面硬度較高，這就對(duì)試驗(yàn)機(jī)夾具有更高的硬度要求，否則將會(huì)引起試件打滑從而導(dǎo)致無(wú)法正常拉伸。所以通常情況下，夾具的硬度應(yīng)當(dāng)高于試件硬度。然而，過(guò)高硬度的夾具會(huì)引起試件機(jī)械損傷而產(chǎn)生提前斷裂，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生偏差。對(duì)此，可提前對(duì)試件的端部進(jìn)行預(yù)處理，例如利用乳膠將薄鋁片和金剛砂進(jìn)行粘連，再將薄鋁片與試樣端部進(jìn)行捆綁固定。

2）試件受力的軸向性。試件置于夾具裝置后，應(yīng)保證其上部夾持端與下部夾持端處于同一豎向垂直軸，由此可確保試件受力的軸向性，從而在一定程度上減少測(cè)量誤差。

3）引伸計(jì)的標(biāo)距。一般情況下，實(shí)驗(yàn)室所用的引伸計(jì)的標(biāo)距從 100～600 mm 不等。因此，應(yīng)采用至少大于本次能力驗(yàn)證樣品一個(gè)捻距的引伸計(jì)標(biāo)距，從而使得預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線結(jié)構(gòu)特性不會(huì)影響變形的測(cè)量。另外，可以使用螺紋固定的環(huán)形卡式標(biāo)距的引伸計(jì)來(lái)替換橡皮筋固定的引伸計(jì)，因?yàn)槌Ｓ靡煊?jì)為平直刀口，單用橡皮筋固定只能加持部分絲，且各絲的變形程度不均勻，會(huì)對(duì)變形測(cè)量產(chǎn)生影響。

4）引伸計(jì)的安裝。引伸計(jì)應(yīng)安裝在試件中間部位，要安裝牢固，并且上、下刀口不能扭轉(zhuǎn)，否則對(duì)變形的測(cè)量會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

5）加荷速度。為了避免試件被過(guò)早破壞，對(duì)測(cè)量結(jié)果造成人為誤差，需要控制加荷速度不要過(guò)快，否則會(huì)使被加持端表面受到的剪應(yīng)力突然增長(zhǎng)，并使得此處應(yīng)力集中得不到有效緩解，從而導(dǎo)致試件過(guò)早破壞。

6）影響最大力總伸長(zhǎng)率測(cè)量結(jié)果的因素。①試件原始標(biāo)距的測(cè)量誤差；②預(yù)加負(fù)荷對(duì)試件所產(chǎn)生的延伸率未加在總延伸內(nèi)；③當(dāng)采用斷裂總伸長(zhǎng)率 Ag替代最大力總伸長(zhǎng)率 Agt，并且送、回油閥可控時(shí)，當(dāng)試件中一根或幾根鋼絲被破壞后，需要及時(shí)關(guān)閉送油閥，快速測(cè)量試驗(yàn)機(jī)上下工作臺(tái)面距離后，再將回油閥打開(kāi)，將拉力卸載，取出試件；否則，會(huì)由于試驗(yàn)機(jī)油缸的進(jìn)回油，而使得工作臺(tái)的位置發(fā)生變化，對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。

8 結(jié) 語(yǔ)

從兩次能力驗(yàn)證項(xiàng)目結(jié)果可以看出大多數(shù)參加實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)人員具備符合要求的技術(shù)能力，能夠準(zhǔn)確理解并應(yīng)用相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但也有個(gè)別參加實(shí)驗(yàn)室的檢測(cè)人員在專業(yè)知識(shí)和技術(shù)能力方面還不能滿足預(yù)應(yīng)力混凝土鋼絞線力學(xué)性能檢測(cè)的基本技術(shù)要求。因此，建議相關(guān)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步開(kāi)展對(duì)相關(guān)檢測(cè)人員的培訓(xùn)工作，從而促進(jìn)預(yù)應(yīng)力混凝土鋼絞線力學(xué)性能檢測(cè)實(shí)際操作的規(guī)范，逐步提高建工領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)室的理論和實(shí)踐水平。Q