基于水工混凝土抗壓強(qiáng)度影響因素研究

王 洋

(本溪滿族自治縣水務(wù)和移民事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 本溪 117100)

0 引 言

鉆芯法測(cè)試得到的結(jié)構(gòu)實(shí)體混凝土強(qiáng)度可作為工程質(zhì)量下一步處理提供重要的依據(jù)，同時(shí)為修正超聲回彈綜合法、回彈法測(cè)試結(jié)果提供數(shù)據(jù)支撐。鉆芯法運(yùn)用特定的專用鉆機(jī)微破損被檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度的一種技術(shù)手段，通過(guò)對(duì)試塊的修正即可完成試驗(yàn)研究，其中抗壓試驗(yàn)芯樣來(lái)源于混凝土構(gòu)件或結(jié)構(gòu)，該方法因存在精度高、可靠性強(qiáng)、檢測(cè)結(jié)果直觀等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。然而，在混凝土抗壓強(qiáng)度鉆芯法實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，為了獲取標(biāo)準(zhǔn)尺寸通常要對(duì)鉆取的芯樣處理，芯樣因加工機(jī)械的震動(dòng)、加持不穩(wěn)等因素易出現(xiàn)斷面不平整、偏斜等問(wèn)題，而最終的測(cè)試結(jié)果易受斷面修補(bǔ)材料、修補(bǔ)方法等因素影響；實(shí)踐表明，不同的加載速率也可對(duì)芯樣強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響；另外，試驗(yàn)規(guī)程明確規(guī)定了芯樣二次養(yǎng)護(hù)環(huán)境，即養(yǎng)護(hù)環(huán)境相對(duì)濕度≥95%、溫度20±5℃。然而，溫濕度控制記錄儀因長(zhǎng)期處于養(yǎng)護(hù)室潮濕環(huán)境中易喪失調(diào)節(jié)功能，從而對(duì)芯樣抗壓強(qiáng)度檢測(cè)和養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫濕度控制產(chǎn)生偏差[1-4]。

為了準(zhǔn)確揭示水工混凝土抗壓強(qiáng)度受養(yǎng)護(hù)環(huán)境、試驗(yàn)加載速率、硫磺膠泥補(bǔ)平、補(bǔ)平砂漿強(qiáng)度等因素的影響，通過(guò)分析與整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)揭示了各因素對(duì)鉆芯樣強(qiáng)度檢測(cè)的影響規(guī)律，為提高檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及實(shí)現(xiàn)誤差最小化、操作過(guò)程規(guī)范化目標(biāo)，提出了有效控制各影響因素的方法和對(duì)策[5-8]。

1 試驗(yàn)研究

1.1 原材料

1)水泥。文章選用28d抗壓和抗折強(qiáng)度為49.5、8.1MPa的P·O42.5水泥，終凝與初凝時(shí)間為200、160min，標(biāo)稠用水量為27.5%。

2)粗細(xì)骨料。細(xì)骨料選用表觀密度和堆積密度為2680、1570kg/m3的河砂，其細(xì)度模數(shù)為3.14，含泥量、吸水率為0.6%和1.1%；粗骨料選用表觀密度和堆積密度為2740、1410kg/m3的碎石，級(jí)配粒徑為5-40mm，針片狀含量、壓碎指標(biāo)為2.0%和3.8%。

3)硫磺膠泥。試驗(yàn)采用的硫磺膠泥為質(zhì)量比1∶44∶11∶44的聚硫708、粉砂、水泥、硫磺配合成的材料，其收縮率<4%，抗壓和黏結(jié)強(qiáng)度為42、11MPa。

4)拌和水。采用普通自來(lái)水作為試驗(yàn)拌和用水[9]。

1.2 試驗(yàn)配合比

在試驗(yàn)過(guò)程中考慮混凝土參數(shù)分析結(jié)果、施工環(huán)境、工藝變化、原材料質(zhì)量波動(dòng)等因素，結(jié)合配合比理論設(shè)計(jì)成果調(diào)整出不同強(qiáng)度等級(jí)的施工配合比[10]。

配合比設(shè)計(jì)流程為：①考慮工程設(shè)計(jì)要求計(jì)算配置需要的4種不同的強(qiáng)度等級(jí)，考慮水膠比最大允許值和需要的強(qiáng)度等級(jí)，初步確定水膠比；②對(duì)于用水量的選定按照襯砌施工的和易性要求，并對(duì)凝膠材料用量進(jìn)行計(jì)算；③然后依據(jù)選定的砂率計(jì)算粗細(xì)骨料的用量，通過(guò)試驗(yàn)調(diào)整選定最大水膠比限制值內(nèi)且滿足混凝土耐久性、強(qiáng)度要求的水膠比，確定最終的配合比和各材料的用量。最終，制備的混凝土芯樣強(qiáng)度等級(jí)為C15、C20、C25、C30，試樣28d抗壓強(qiáng)度及各材料用量，試塊28d抗壓強(qiáng)度及材料用量，見表1。

表1 試塊28d抗壓強(qiáng)度及材料用量

其中，水灰比為用水量與所有凝膠材料的比值；在其他參數(shù)固定不變的條件下砂占砂與石之和的比例即為砂率，混凝土塌落度最大且拌和物和易性、黏聚力等物理性能達(dá)到最優(yōu)時(shí)的砂率，即為最優(yōu)砂率；用水量為按照外加劑與摻合料的摻量及品種、骨料最大粒徑等初選用水量，通過(guò)混凝土試拌確定符合施工和易性和工程設(shè)計(jì)要求的最小用水量。

1.3 試驗(yàn)方法

1)制備芯樣。采用鉆芯、切割、磨平等方法對(duì)150mm×150mm×150mm標(biāo)準(zhǔn)混凝土試塊加工處理，獲取直徑為100mm的芯樣。

2)補(bǔ)平芯樣。試驗(yàn)選用硫磺膠泥和低強(qiáng)度、同強(qiáng)度、高強(qiáng)度等級(jí)的砂漿，補(bǔ)平非標(biāo)準(zhǔn)混凝土芯樣平整度不合格的端面，其中硫磺膠泥和砂漿的補(bǔ)平厚度為1-1.3mm、20-25mm[11]。

3)測(cè)試芯樣抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)采用的混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度測(cè)試儀為CDF-305-2型抗壓抗壓一體化試驗(yàn)機(jī)[12]。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 補(bǔ)平砂漿強(qiáng)度影響分析

對(duì)水工混凝土芯樣利用混凝土強(qiáng)度、低強(qiáng)度和高強(qiáng)度3個(gè)等級(jí)的砂漿補(bǔ)平，為了探討混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度受補(bǔ)平砂漿強(qiáng)度的影響對(duì)比分析了其28d抗壓強(qiáng)度。補(bǔ)平砂漿強(qiáng)度對(duì)芯樣抗壓的影響程度，見圖1。從圖1可知，芯樣28d強(qiáng)度測(cè)試值隨原混凝土強(qiáng)度等級(jí)的增加而增大，不同強(qiáng)度等級(jí)砂漿補(bǔ)平芯樣的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出高強(qiáng)度等級(jí)>標(biāo)準(zhǔn)芯樣>同強(qiáng)度等級(jí)>低強(qiáng)度等級(jí)的變化規(guī)律。對(duì)于C15強(qiáng)度等級(jí)的原混凝土，較標(biāo)準(zhǔn)芯樣而言高強(qiáng)度、同強(qiáng)度、低強(qiáng)度等級(jí)砂漿補(bǔ)平芯樣的抗壓強(qiáng)度增大15.2%、減少1.6%和15.7%；對(duì)于C20強(qiáng)度等級(jí)的原混凝土，較標(biāo)準(zhǔn)芯樣而言高強(qiáng)度、同強(qiáng)度、低強(qiáng)度等級(jí)砂漿補(bǔ)平芯樣的抗壓強(qiáng)度增大11.4%、減少3.5%和9.1%；對(duì)于C25強(qiáng)度等級(jí)的原混凝土，較標(biāo)準(zhǔn)芯樣而言高強(qiáng)度、同強(qiáng)度、低強(qiáng)度等級(jí)砂漿補(bǔ)平芯樣的抗壓強(qiáng)度增大17.2%、減少1.3%和14.6%；對(duì)于C40強(qiáng)度等級(jí)的原混凝土，較標(biāo)準(zhǔn)芯樣而言高強(qiáng)度、同強(qiáng)度、低強(qiáng)度等級(jí)砂漿補(bǔ)平芯樣的抗壓強(qiáng)度增大4.0%、減少1.2%和6.1%。因此，針對(duì)不符合標(biāo)準(zhǔn)的混凝土芯樣強(qiáng)度利用鉆芯法測(cè)試時(shí)，宜選用同強(qiáng)度等級(jí)的修補(bǔ)砂漿。

圖1 補(bǔ)平砂漿強(qiáng)度對(duì)芯樣抗壓的影響程度

2.2 硫酸膠泥補(bǔ)平影響作用

將C15、C20、C25、C30強(qiáng)度等級(jí)的原非標(biāo)準(zhǔn)混凝土芯樣利用硫磺膠泥補(bǔ)平，厚度為1.2mm，然后將表面磨平后的芯樣養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期測(cè)試其抗壓強(qiáng)度。為了探討水工混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度受硫磺膠泥芯樣補(bǔ)平材料的影響，對(duì)比分析標(biāo)準(zhǔn)芯樣與硫磺膠泥補(bǔ)平芯樣強(qiáng)度測(cè)試值。硫磺膠泥補(bǔ)平芯樣的抗壓強(qiáng)度，如圖2。從圖2可知，較普通標(biāo)準(zhǔn)水工混凝土芯樣硫磺膠泥補(bǔ)平芯樣的試塊抗壓強(qiáng)度測(cè)試值更高；相對(duì)于C15、C20、C25、C30強(qiáng)度等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)芯樣抗壓測(cè)試值，補(bǔ)平芯樣28d強(qiáng)度測(cè)試值提高了1.0、0.5、0.3、0.4MPa為22.6、28.8、32.4、40.6MPa，相對(duì)誤差為4.4、2.1、0.6、1.0%?？梢姡瑯?biāo)準(zhǔn)芯樣抗壓強(qiáng)度值測(cè)試結(jié)果與硫磺膠泥補(bǔ)平試樣的相對(duì)誤差更小，對(duì)于混凝土芯樣的補(bǔ)平可作為一種優(yōu)質(zhì)材料。

圖2 硫磺膠泥補(bǔ)平芯樣的抗壓強(qiáng)度

2.3 加載速度影響因素

本試驗(yàn)以0.2、0.4、0.6MPa/s的加載速率，探討了其對(duì)原標(biāo)準(zhǔn)水工混凝土芯樣C15、C20、C25、C30強(qiáng)度等級(jí)的影響作用，不同加載速率下的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。不同加載速率下的芯樣抗壓強(qiáng)度，見圖3。從圖3可知，在0.2-0.6MPa/s區(qū)間時(shí)隨著加載速率的增加芯樣28d抗壓強(qiáng)度測(cè)試值逐漸增大，且水工混凝土芯樣的強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度隨原強(qiáng)度等級(jí)的提高而增大。C15、C20、C25及C30強(qiáng)度等級(jí)的原混凝土芯樣在加載速率為0.2MPa/s的情況下，其28d抗壓強(qiáng)度為21.5、27.4、30.5、37.8MPa；C15、C20、C25及C30強(qiáng)度等級(jí)的原混凝土芯樣在加載速率為0.4MPa/s的情況下，其28d抗壓強(qiáng)度為22.1、28.4、32.5、40.6MPa，較0.2MPa/s加載速率的抗壓強(qiáng)度測(cè)試值提高了1.8%、3.6%、5.7%和7.5%；C15、C20、C25及C30強(qiáng)度等級(jí)的原混凝土芯樣在加載速率為0.6MPa/s的情況下，其28d抗壓強(qiáng)度為22.1、28.6、33.6、42.1MPa，較0.2MPa/s加載速率的抗壓強(qiáng)度測(cè)試值提高了2.4%、5.9%、9.4%和11.6%，較較0.4MPa/s加載速率的抗壓強(qiáng)度測(cè)試值提高了0.4%、2.0%、3.5%和3.8%.因此，為了使試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確及消除加載速率可能產(chǎn)生的誤差，結(jié)合試驗(yàn)規(guī)范相關(guān)要求選取合適的加載速率為0.35-0.45MPa/s。

圖3 不同加載速率下的芯樣抗壓強(qiáng)度

2.4 養(yǎng)護(hù)環(huán)境影響分析

本試驗(yàn)以二次養(yǎng)護(hù)環(huán)境為變量，探討水工混凝土芯樣28d齡期抗壓強(qiáng)度受自然環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境的強(qiáng)度影響規(guī)律。在相對(duì)濕度為50%-68%、溫度為26-30℃的自然環(huán)境和相對(duì)濕度為95%-97%、溫度為18-22℃的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下二次養(yǎng)護(hù)C15、C20、C25及C30強(qiáng)度等級(jí)的原混凝土芯樣，28d齡期后測(cè)試試塊的強(qiáng)度值，二次養(yǎng)護(hù)環(huán)境的芯樣抗壓強(qiáng)度，見圖4。從圖4可知，對(duì)于達(dá)到28d齡期的混凝土，二次養(yǎng)護(hù)7d的混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度在自然環(huán)境中大于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境，且芯樣抗壓強(qiáng)度測(cè)試值受標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)的影響程度隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高而減少[13]。對(duì)于二次標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境的C15、C20、C25及C30強(qiáng)度等級(jí)的原混凝土，其28d芯樣強(qiáng)度值為22.6、29.5、34.0、41.5MPa；對(duì)于二次自然養(yǎng)護(hù)環(huán)境的C15、C20、C25及C30強(qiáng)度等級(jí)的原混凝土，其28d芯樣強(qiáng)度值為23.6、29.7、34.2、41.8MPa，較二次標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境的強(qiáng)度值增大了3.0%、1.5%、0.7%各0.3%?？梢?，水工混凝土芯樣在一定程度上也受到二次養(yǎng)護(hù)環(huán)境的影響，且水下作業(yè)為大部分水利工程的施工環(huán)境，為了使得強(qiáng)度真實(shí)值與試驗(yàn)結(jié)果更加接近，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7d芯樣強(qiáng)度檢測(cè)的重要條件。

圖4 二次養(yǎng)護(hù)環(huán)境的芯樣抗壓強(qiáng)度

3 結(jié) 論

混凝土強(qiáng)度受施工氣候、運(yùn)輸距離、運(yùn)輸方法及施工設(shè)備等因素影響發(fā)生一定的改變，對(duì)此已有學(xué)者開展了大量研究并取得了豐碩成果。為確?；炷列緲訌?qiáng)度滿足工程項(xiàng)目要求，必須綜合考慮各方面因素準(zhǔn)確判斷其影響機(jī)理，從而提出有效的管控措施。文章結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)資料，考慮從養(yǎng)護(hù)環(huán)境、加載速率、硫磺膠泥補(bǔ)平、補(bǔ)平砂漿強(qiáng)度4個(gè)方面探討了水工混凝土抗壓強(qiáng)度鉆芯樣法檢測(cè)結(jié)果，得出主要結(jié)論有：

1)針對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)混凝土芯樣宜選用同等級(jí)強(qiáng)度砂漿找平，標(biāo)準(zhǔn)芯樣抗壓強(qiáng)度與同等級(jí)砂漿補(bǔ)平芯樣的測(cè)試結(jié)果差值較??；標(biāo)準(zhǔn)芯樣抗壓強(qiáng)度值測(cè)試結(jié)果與硫磺膠泥補(bǔ)平試樣的相對(duì)誤差更小，對(duì)于混凝土芯樣的補(bǔ)平可作為一種優(yōu)質(zhì)材料。

2)在0.2-0.6MPa/s區(qū)間時(shí)隨著加載速率的增加芯樣28d抗壓強(qiáng)度測(cè)試值逐漸增大，且水工混凝土芯樣的強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度隨原強(qiáng)度等級(jí)的提高而增大；芯樣抗壓強(qiáng)度值受加載速度的影響，為了使試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確及消除加載速率可能產(chǎn)生的誤差，結(jié)合試驗(yàn)規(guī)范相關(guān)要求選取合適的加載速率為0.35-0.45MPa/s。

3)二次養(yǎng)護(hù)7d的混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度在自然環(huán)境中大于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境，且芯樣抗壓強(qiáng)度測(cè)試值受標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、自然養(yǎng)護(hù)的影響程度隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高而減少；水工混凝土芯樣在一定程度上也受到二次養(yǎng)護(hù)環(huán)境的影響，水下作業(yè)為大部分水利工程的施工環(huán)境，為了使得強(qiáng)度真實(shí)值與試驗(yàn)結(jié)果更加接近，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7d芯樣強(qiáng)度檢測(cè)的重要條件。