拉弓法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)研究

左麗梅，王金榮，程 彥，程 杰

（1.衢州康平建設(shè)工程檢測有限公司，浙江 衢州 324000；2.衢州元博工程咨詢有限公司，浙江 衢州 324000）

1 問題的提出

抗壓強度是混凝土最重要的性能參數(shù)之一，直接關(guān)系到混凝土構(gòu)件乃至整個工程質(zhì)量安全。因此，原位檢測混凝土抗壓強度是一項非常重要的工作。

現(xiàn)有技術(shù)中，原位檢測混凝土抗壓強度的方法主要有以下幾種：①剪壓法。利用混凝土剪壓儀，對混凝土構(gòu)件的直角邊表面施加垂直于承壓面的壓力，使得混凝土構(gòu)件的直角邊產(chǎn)生“斧頭狀”剪壓破壞，并根據(jù)最大剪壓力來推定混凝土構(gòu)件的抗壓強度。該方法需要結(jié)構(gòu)構(gòu)件存在直角邊，對于無直角邊的鋼筋密集型混凝土（如水池壁、水工隧洞、渡槽等），無法檢測。②鉆芯法。在混凝土構(gòu)件上鉆取混凝土試件，并加工成標準芯樣，在壓力試驗機上進行抗壓強度檢測。該方法需要鉆孔制取的標準芯樣尺寸為Φ100 mm×100 mm，對于鋼筋密集型混凝土，由于鋼筋凈距較小，無法鉆孔檢測。③回彈法。依據(jù)混凝土構(gòu)件表面硬度和強度的關(guān)系，推定混凝土構(gòu)件的抗壓強度。該方法通過表面硬度和強度的關(guān)系，所推導(dǎo)的抗壓強度精度較低，適用范圍為7 ～ 1 000 d，一般用于普查。④超聲回彈綜合法。依據(jù)混凝土構(gòu)件表面的硬度和混凝土構(gòu)件內(nèi)的超聲波波速，來推定混凝土抗壓強度。該方法操作流程較為繁瑣，并對現(xiàn)場測試條件有較多限制和要求（如耦合狀況等），特別是對于鋼筋密集型混凝土，鋼筋對超聲波波速影響較大，影響檢測精度和實用性。⑤拔出法。依據(jù)混凝土構(gòu)件表層30 mm的范圍內(nèi)，混凝土構(gòu)件破壞時的撥出力來推定混凝土抗壓強度。該方法在檢測過程中需要進行復(fù)雜的、精確度較高的鉆孔和磨槽工序，對于鋼筋密集型混凝土，其錐形破壞范圍內(nèi)經(jīng)常會遇到鋼筋，影響檢測精度。⑥拉脫法。在已硬化的混凝土構(gòu)件上，鉆制深度44 mm芯樣試件，用具有自動夾緊試件的裝置進行拉脫試驗，根據(jù)芯樣試件的拉脫強度值推定混凝土抗壓強度。該方法由于試件尺寸較小，受骨料粒徑影響較大，實際操作成功率偏低，影響檢測精度和實用性。

綜上所述，原位檢測鋼筋密集型混凝土抗壓強度時，以上檢測方法均存在各種不足之處，即目前國內(nèi)尚無有效的原位檢測鋼筋密集型混凝土抗壓強度的方法標準，因此，研發(fā)出準確實用的鋼筋密集型混凝土抗壓強度原位檢測方法，就成為建設(shè)工程行業(yè)首先要解決的問題。拉弓法能很好地解決以上問題，本文就拉弓法檢測混凝土強度作詳細介紹。

2 拉弓法含義及研究工作流程

拉弓法是在混凝土表面割制弓形試樣，用拉弓試驗裝置施加垂直于混凝土表面的拉力，使弓形試樣和混凝土沿交界面破壞，并根據(jù)拉弓荷載值來推定混凝土抗壓強度的檢測方法。研究按照“拉弓試驗裝置加工 — 弓形試樣制備與拉弓荷載試驗 — 芯樣抗壓試件制備與芯樣抗壓強度試驗 — 匯總芯樣抗壓強度值和拉弓荷載值，進行數(shù)理統(tǒng)計與曲線擬合，通過線性回歸，推導(dǎo)出混凝土抗壓強度值和拉弓荷載值計算公式 — 檢測工作注意事項”流程進行。

3 試驗裝置和試驗步驟

3.1 試驗裝置

混凝土配合比試驗設(shè)備，按照JGJ 55 — 2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》[1]規(guī)定；混凝土鉆芯機，有產(chǎn)品合格證并滿足相應(yīng)要求，具有足夠的剛度及水冷卻系統(tǒng)；鉆芯機配套鉆頭，采用人造金剛石薄壁空心鉆頭，內(nèi)徑為（100 ± 0.5）mm；手提切割機，切割角度可調(diào)；切割機配套切割片，人造金剛石切割片，直徑（110 ± 0.3）mm；壓力試驗機，量程2 000 kN，精度1%，加荷速度可控；拉弓試驗裝置（見圖1）；游標卡尺，量程300 mm，精度0.02 mm；鋼直尺，量程300 mm，精度0.5 mm；其他試驗用具：石雕手持打磨機、扁鑿、榔頭等。

圖1 拉弓試驗裝置圖

3.2 試驗步驟

（1）原材料及坍落度：①細骨料：人工砂，中砂；②粗骨料：5 ～ 40 mm碎石，連續(xù)級配；③膠凝材料：復(fù)合硅酸鹽水泥32.5R及普通硅酸鹽水泥42.5；④坍落度：30 ～50 mm。

（2）按照不同設(shè)計配合比，制作規(guī)格尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的混凝土方塊，成型強度為10 ～ 60 MPa。

（3）弓形試樣制備：混凝土方塊標準條件養(yǎng)護至28 d齡期取出，方塊成型時的側(cè)面朝上作為工作面；調(diào)整手提切割機，使切割片與工作面法線方向的夾角為15°；在工作面標出弓形試樣邊界線，切割片沿著邊界線豎直向下進刀切割，形成弓形試樣；在弓形試樣兩側(cè)采用手提切割機、石雕小型打磨機、扁鑿、榔頭等，割鑿打磨形成工作槽；放至自然風(fēng)干，待用。

（4）拉弓荷載試驗：金屬夾具放入工作槽內(nèi)，夾住弓形試樣并用定位固定螺栓固定；金屬連接平板置于金屬夾具上并用連接螺栓固定；金屬連接平板與數(shù)顯小型液壓千斤頂、反力支腳通過金屬反力螺桿連接；勻速搖動加力轉(zhuǎn)動把手，使金屬反力螺桿向上移動加荷，直至弓形試樣和混凝土沿交界面破壞，記錄最大荷載值，即為拉弓荷載值，精確至0.001 kN。

破壞后的弓形試樣見圖2。

圖2 破壞后的弓形試樣圖

（5）按照CECS 03 — 2007《鉆芯法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程》[2]規(guī)定，鉆制一個Φ100 mm×100 mm的標準芯樣，進行芯樣抗壓強度試驗，求出芯樣抗壓強度值，精確至0.1 MPa。

（6）重復(fù)（3）～（5）步驟，每個混凝土方塊均先進行拉弓荷載試驗，再進行芯樣抗壓強度試驗。

4 公式推導(dǎo)和應(yīng)用

（1）本次研究共采集145組（指同一混凝土方塊的芯樣抗壓強度值與拉弓荷載值）有效數(shù)據(jù)，以相應(yīng)的拉弓荷載值為橫坐標，芯樣抗壓強度值為縱坐標，進行數(shù)理統(tǒng)計與曲線擬合，圖3為曲線擬合散點圖。

圖3 曲線擬合散點圖

通過線性回歸，混凝土抗壓強度值可按式（1）計算：

式中：P為混凝土抗壓強度值，MPa；F為混凝土拉弓荷載值，kN。

混凝土抗壓強度值相當于被測混凝土在所處條件及齡期下、邊長150 mm×150 mm×150 mm立方體試塊的抗壓強度值。

（2）本次研究表明，當混凝土抗壓強度小于10.0 MPa時，制備弓形試樣時，破損較為嚴重，且破壞時形狀不規(guī)則，影響試驗結(jié)果；當混凝土抗壓強度大于60.0 MPa時，由于割鑿打磨工作較為困難，有效數(shù)據(jù)獲取率不高，故未進行研究；當混凝土抗壓強度值為10.0 ～ 60.0 MPa時，其線性相關(guān)系數(shù)達到0.97以上，試驗的精度和可靠度較為理想。因此，式（1）的適用范圍定為10.0 ～ 60.0 MPa。

（3）本次研究的粗骨料采用最大粒徑為40 mm碎石，如果實際采用卵石或最大粒徑大于40 mm，則有待進一步研究。

5 相關(guān)問題分析

弓形試樣尺寸的確定，主要基于3個方面的因素：①弓形試樣頂面長邊采用96 mm，一方面考慮目前大部分混凝土采用最大粒徑40 mm的粗骨料，當長邊小于2倍粗骨料最大粒徑（即80 mm）時，弓形試樣容易從粗骨料與混凝土界面處裂開，使拉弓荷載值偏?。涣硪环矫婵紤]與常規(guī)手提切割機配套。②弓形試樣頂面短邊采用30 mm，一方面考慮當短邊過大時，弓形試樣較難在弓形試樣與實體混凝土交界面拉斷粗骨料；另一方面考慮當短邊過小時，弓形試樣與實體混凝土交界面粗骨料自身性能對試驗結(jié)果影響過大。③弓形試樣高度采用30 mm，主要是考慮常規(guī)手提切割機最大切割深度為30 mm左右。

6 檢測工作注意事項

（1）檢測前，采用鋼筋探測儀或其他無損方法確定實體混凝土鋼筋位置和保護層厚度。如保護層厚度≤40 mm，則應(yīng)保證鋼筋凈距短邊≥70 mm、長邊≥100 mm；如保護層厚度＞40 mm，則不需考慮鋼筋位置，直接進行檢測。

（2）原位檢測一般把實體混凝土側(cè)面作為工作面，切割時手提切割機容易移位，造成弓形試樣尺寸偏差過大，可根據(jù)手提切割機平面尺寸，制作金屬固定架及緊固零配件，輔助檢測工作。

（3）由于割鑿打磨工作一般帶水操作，為了提高檢測效率，弓形試樣與工作槽制好后，可用工業(yè)熱風(fēng)槍烘干，烘干時工業(yè)熱風(fēng)槍距混凝土表面至少20 mm且應(yīng)不停移動，以免灼傷弓形試樣。

（4）割鑿打磨工作需多種工具配合使用，不得損傷弓形試樣與實體混凝土的交界面。

（5）弓形試樣應(yīng)為完整弓形破壞，即破壞面應(yīng)為弓形試樣與實體混凝土交界面且弓形試樣未折斷；如為其他破壞形式，則數(shù)據(jù)無效。

（6）切割片與實體混凝土工作面法線方向的夾角15°應(yīng)經(jīng)過校準。目前常規(guī)手提切割機絕大部分設(shè)有角度調(diào)節(jié)指示板，但刻度線較粗，角度誤差較大，影響弓形試樣尺寸，因此每次檢測前，應(yīng)采用經(jīng)檢定合格的角度尺校準。

（7）隨著使用次數(shù)增加，切割片會逐漸磨損，直徑變小，導(dǎo)致弓形試樣高度偏小，金屬夾具無法正常夾住弓形試樣，應(yīng)及時予以更換。

（8）加荷速度對試驗結(jié)果有一定影響，當加荷速度過快時，拉弓荷載值偏大，因此應(yīng)控制加荷速度為（0.080 ± 0.020）kN/s。

7 結(jié) 語

（1）準確性問題。當混凝土強度為10.0 ～ 60.0 MPa時，其線性相關(guān)系數(shù)達到0.97以上，系統(tǒng)誤差較小；對檢測中影響偶然誤差的相關(guān)問題作了分析和說明。

（2）實用性問題。所使用的儀器設(shè)備，如拉弓試驗裝置、手提切割機、石雕小型打磨機等，購置加工方便，可提升推廣價值。

（3）混凝土強度評定。根據(jù)混凝土抗壓強度值，按照相關(guān)標準，如GB/T 50107 — 2010《混凝土強度檢驗評定標準》[3]、SL 176 — 2007《水利水電工程施工質(zhì)量檢驗與評定規(guī)程》[4]、JTG F 80/1 — 2017《公路工程質(zhì)量檢驗評定標準（第一冊）土建工程》[5]等，評定混凝土強度。

本次研究，為鋼筋密集型混凝土質(zhì)量評定提供了一種準確性與實用性兼?zhèn)涞脑粰z測方法，其它符合條件的混凝土，均可采用本方法進行檢測。