預(yù)制疊合樓板結(jié)合面粗糙深度檢測的創(chuàng)新研究

趙建華，吳玉龍，盧康昕，丁晨晨，顧 盛，劉以龍

（1.南京市建筑安裝工程質(zhì)量檢測中心，江蘇 南京 210017；2.昆山市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心，江蘇 昆山 215337；3.南京理工大學(xué)理學(xué)院，江蘇 南京 210094）

0 引言

預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)作為一種符合工業(yè)化生產(chǎn)方式的結(jié)構(gòu)形式，已成為國內(nèi)外建筑業(yè)發(fā)展的主流方向［1］。2016 年國務(wù)院下發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》中指出，力爭 10 年使裝配式建筑占比新建建筑達(dá) 30 %，2017 年住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部下發(fā)《“十三五”裝配式建筑行動方案》，明確了 2020 年前全國裝配式建筑占新建比例 15 % 以上，其中重點(diǎn)推進(jìn)地區(qū)需達(dá)到 20 %。2018 年李克強(qiáng)總理在全國兩會上強(qiáng)調(diào)要大力推進(jìn)裝配式發(fā)展，修訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，提高裝配式建筑技術(shù)水平。

與傳統(tǒng)建筑模式相比，裝配式建筑工廠化生產(chǎn)有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低安全隱患、減少現(xiàn)場濕作業(yè)、縮短施工工期、減少現(xiàn)場人數(shù)、降低管理難度、減少現(xiàn)場噪聲與揚(yáng)塵、提高建筑垃圾回收率、提高施工人員素質(zhì)和施工技術(shù)水平［2］?？梢哉f裝配式建筑的推出，將大大改善傳統(tǒng)建筑模式中人員專業(yè)性低、勞動力成本高、施工周期長、對環(huán)境影響大等問題。

雖然裝配式建筑有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于其在我國起步晚，發(fā)展時(shí)間較短，各方面的基礎(chǔ)研究還不夠。因此，在大力推動預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)和裝配式建造過程中，涌現(xiàn)出很多的不足，例如預(yù)制構(gòu)件的質(zhì)量得不到保證，檢測結(jié)果與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)不一致等。本文將針對疊合樓板粗糙面檢測中存在的問題進(jìn)行分析探討。

1 粗糙面檢測必要性

預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中疊合樓板、疊合梁、疊合墻板等疊合構(gòu)件都是通過新舊混凝土結(jié)合形成一個(gè)整體而協(xié)同工作的，因此其抗剪、抗震等性能很大程度上取決于結(jié)合面質(zhì)量。已有研究表明結(jié)合面的粗糙度是影響其抗剪性能和抗震性能的重要因素［3］。JGJ 1－2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定“預(yù)制構(gòu)件結(jié)合面應(yīng)設(shè)置粗糙面；粗糙面的面積不宜小于結(jié)合面的80 %，預(yù)制板的粗糙面凹凸深度不應(yīng)＜4 mm，預(yù)制混凝土梁端、柱端、墻端的粗糙面凹凸深度不應(yīng)＜6 mm。”［4］DGJ 32/J 184－2016《裝配式結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)程》 將其作為主控項(xiàng)目，也做了相關(guān)規(guī)定“疊合構(gòu)件的端部鋼筋留出長度和上部粗糙面應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，粗糙面無設(shè)計(jì)要求時(shí)，可采用拉毛或鑿毛等方式制作粗糙面。粗糙面凹凸深度不應(yīng)＜4 mm?！保?］可見，對于預(yù)制構(gòu)件粗糙面的面積和凹凸深度都給出了定量的控制指標(biāo)。然而，現(xiàn)行規(guī)范均無明確的粗糙面凹凸深度的檢測方法，造成在預(yù)制構(gòu)件檢測、驗(yàn)收時(shí)，或是僅通過觀察進(jìn)行判別，或是不同機(jī)構(gòu)、不同檢測人員采用的方法和測點(diǎn)數(shù)不同，使同一構(gòu)件的檢測結(jié)果差別很大，有時(shí)甚至產(chǎn)生合格與不合格兩個(gè)截然不同的結(jié)論。因此，為避免產(chǎn)生爭議，粗糙面凹凸深度檢測實(shí)際上一般不列入檢測驗(yàn)收項(xiàng)目中。面對此問題，為保證工程質(zhì)量，筆者及其研究人員研發(fā)一種有效檢測結(jié)合面粗糙深度的方法。

2 粗糙度檢測技術(shù)現(xiàn)狀

國內(nèi)外學(xué)者就預(yù)制構(gòu)件粗糙面檢測的問題開展了比較深入的研究，也取得了一定的進(jìn)展。對于粗糙面面積占比檢測，一方面，可以通過鋼卷尺量距計(jì)算；另一方面，也有學(xué)者提出通過拍照的方法利用灰度分析計(jì)算粗糙面積占比，從而度量是否達(dá)標(biāo)。對于粗糙深度檢測，檢測人員一般是通過觀察，采用測深尺直接測量凹坑的深度，取其平均值作為該構(gòu)件粗糙深度的檢測結(jié)果。但由于檢測步驟不明確，測點(diǎn)數(shù)隨意，導(dǎo)致結(jié)果很不可靠。不少學(xué)者和工程技術(shù)人員開始探索更為可靠的粗糙深度檢測方法，主要可分為以下兩種。

2.1 填充法

對于檢測混凝土結(jié)合面的粗糙深度，有學(xué)者提出采用“填充法”，包括灌砂法、木屑測量法、鐵珠填充法、橡皮泥填充法等。“填充法”的原理是，利用已知體積的填充物對粗糙面進(jìn)行填充和攤鋪（一般攤鋪呈正方形或矩形），使其大致與粗糙面的凸點(diǎn)齊平，然后量測矩形的長寬，通過計(jì)算即可得到粗糙深度值。當(dāng)然，也可以采用等面積法填充至已知高度，利用填充物的體積計(jì)算得到粗糙深度值，如圖 1～2 所示。

圖1 鋪砂工序

圖2 邊長測量

然而，工程檢測人員在采用“填充法”檢測粗糙深度時(shí)，會出現(xiàn)不合格的概率特別大，甚至一些用經(jīng)驗(yàn)判斷或用測深尺檢測為合格的疊合樓板也會出現(xiàn)不合格情況，這給檢測帶來了巨大的困擾。經(jīng)筆者深入學(xué)習(xí)研究發(fā)現(xiàn)，粗糙度的問題在機(jī)械領(lǐng)域已非常成熟，但在建筑工程領(lǐng)域從業(yè)者對其不太了解。“填充法”是通過體積換算得到一個(gè)平均高度 h 來表征粗糙深度，而平均高度 h 對應(yīng)的是輪廓平均偏差 Ra，m，而現(xiàn)行規(guī)范所述的“粗糙面凹凸深度”應(yīng)該指的是平均輪廓最大高度 Ra，m，兩者雖然都可以用來表征粗糙深度，但根本不是一個(gè)概念，且 Ra，m< Rz，m，如圖 3～4 所示。因此，根據(jù)“填充法”的計(jì)算結(jié)果直接與規(guī)范要求的 4 mm 對比，判定其粗糙深度是否合格，是錯(cuò)誤的，應(yīng)進(jìn)行數(shù)學(xué)上的換算獲得平均輪廓最大高度 Rz，m進(jìn)行判斷，但如何根據(jù)粗糙面實(shí)際情況進(jìn)行有效的換算或制定換算系數(shù)有待研究。另外，“填充法”檢測粗糙深度比較適合在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，現(xiàn)場檢測應(yīng)克服清理費(fèi)力、場地因素制約等問題。

圖3 輪廓平均偏差示意圖

圖4 最大輪廓高度示意圖

2.2 深度尺-多孔基準(zhǔn)板

公布號為 CN 107063058 A 的中國專利文獻(xiàn)［6］提出了“一種預(yù)制混凝土構(gòu)件結(jié)合面粗糙度的測評方法”，該方法通過采用測深尺和多孔基準(zhǔn)板配合較為便捷地實(shí)現(xiàn)了粗糙深度的測量，也與 JGJ 1－2014《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》和 DGJ 32/J 184－2016《裝配式結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)程》要求的粗糙度指標(biāo)“粗糙面凹凸深度”相符。但在實(shí)際使用過程中，會發(fā)現(xiàn)該方法仍不夠準(zhǔn)確、可靠度欠佳。經(jīng)筆者總結(jié)，該方法主要存在如下不足：①測量前，在粗糙面上安放基準(zhǔn)板時(shí)，需要將測區(qū)內(nèi)明顯突出的棱角磨平，這本身就改變了粗糙面的固有特征；②在打磨凸出棱角時(shí)，實(shí)際情況很難保證磨平后高度相同，使多孔基準(zhǔn)板安放不平穩(wěn)，直接導(dǎo)致所有深度測量值不準(zhǔn)確；③由于多孔基準(zhǔn)板安放位置由磨平后的諸個(gè)最高凸出點(diǎn)決定，而其他凸點(diǎn)均未觸碰多孔基準(zhǔn)板，因此將諸個(gè)最高凸出點(diǎn)形成的水平面作為基準(zhǔn)面，會使所有深度測量值均偏大；④由于多孔基準(zhǔn)板上孔洞的間距較大且固定不變，導(dǎo)致無法保證足夠數(shù)量的凹點(diǎn)恰好落在孔洞的正下方，使測點(diǎn)深度測量結(jié)果偏小。

該方法雖然存在一些不足，但卻給了筆者很大的啟發(fā)，在該方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，研發(fā)出了“新型結(jié)合面粗糙深度檢測裝置”。

3 結(jié)合面粗糙深度檢測裝置設(shè)計(jì)

經(jīng)筆者深入研究相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)方法，提出了一種用于結(jié)合面粗糙深度檢測的新型裝置并已授權(quán)實(shí)用新型發(fā)明專利（公告號 CN 209371989 U）［7］，該裝置克服了現(xiàn)有檢測技術(shù)的缺點(diǎn)，可以準(zhǔn)確快速地測出結(jié)合面粗糙深度。

3.1 裝置的構(gòu)造組成

粗糙深度檢測裝置的主體結(jié)構(gòu)由支撐框架機(jī)構(gòu)、滑動機(jī)構(gòu)和測深機(jī)構(gòu) 3 部分組成，如圖 5 所示。

圖5 裝置主體結(jié)構(gòu)示意圖

支撐框架機(jī)構(gòu)主要組成包括：矩形支撐框架、四角加強(qiáng)件、可調(diào)支腳（4 個(gè)）和水準(zhǔn)器，如圖 6 所示。支撐框架機(jī)構(gòu)承載整個(gè)裝置的重量，并保證深度尺測量時(shí)結(jié)構(gòu)可以保持穩(wěn)固。在進(jìn)行粗糙深度檢測時(shí)，首先就是要將支撐框架機(jī)構(gòu)安放于粗糙面選定區(qū)域內(nèi)，并將可調(diào)支腳底部墊砂，調(diào)節(jié)支腳高度使水準(zhǔn)器氣泡居中，使整個(gè)裝置保持水平。

圖6 支撐框架機(jī)構(gòu)示意圖

滑動機(jī)構(gòu)是該試驗(yàn)裝置的創(chuàng)新點(diǎn)所在，主要是通過在支撐框架機(jī)構(gòu)內(nèi)設(shè)置一塊滑動板，滑動板的兩條短邊設(shè)置于支撐框架的兩根橫梁的卡槽內(nèi)并且能夠順暢地進(jìn)行 Y 方向的滑動。滑動板中部設(shè)置有 X 方向的滑槽，設(shè)置在滑槽內(nèi)的測深機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)沿 X 方向的滑動，如圖 7 所示。最終，通過滑動板和測深機(jī)構(gòu)兩者的配合可以實(shí)現(xiàn)測深機(jī)構(gòu)在框架內(nèi)水平面的任意定位。

圖7 滑動機(jī)構(gòu)示意圖

測深機(jī)構(gòu)是該新型粗糙深度檢測裝置的核心部件，主要由測深尺和放大鏡組成，如圖 8 所示。測深尺上部的伸出部與深度探針是一體結(jié)構(gòu)，用手按壓伸出部可以使深度探針沿 Z 方向（深度）豎直落下，當(dāng)其與構(gòu)件粗糙面接觸時(shí)，可以從尺身的電子顯示器直接讀出深度值，測量完成松手后，依靠彈簧恢復(fù)力，深度探針將回到初始位置。放大鏡的作用是，便于觀察并使深度探針更精準(zhǔn)地接觸粗糙面上的預(yù)定位置，這樣可以使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確且提高測量效率。

圖8 測深機(jī)構(gòu)示意圖

通過各個(gè)機(jī)構(gòu)的相互配合，深度探針實(shí)際上可以在選定區(qū)域內(nèi)沿 X、Y、Z 三個(gè)方向任意平穩(wěn)地移動，在隨機(jī)選取的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行測量。

3.2 粗糙深度檢測的操作步驟和計(jì)算方法

3.2.1 測區(qū)和測點(diǎn)范圍圈選取

首先，將預(yù)制構(gòu)件平穩(wěn)地安放于地面（粗糙面朝上），根據(jù)構(gòu)件的尺寸大小將粗糙面分為 N 個(gè)測區(qū)并對其進(jìn)行編號，分別記為測區(qū) j（j 為 1～N 的自然數(shù)）；然后，在測區(qū) j 內(nèi)各圈選 9 個(gè)具有代表性的測點(diǎn)范圍并畫圈標(biāo)記，獲得測點(diǎn)范圍圈，分別記為測點(diǎn)范圍圈 i（i 為1～9 的自然數(shù)）。

3.2.2 裝置調(diào)平

接著，將裝置安放在測區(qū) j 內(nèi)（可從測區(qū) j=1 開始，按順序進(jìn)行），使滑動板表面的滑槽方向與粗糙面輪廓線方向基本一致，并在可調(diào)支腳底部墊砂使裝置安放穩(wěn)固，旋動可調(diào)支腳的高度微調(diào)螺母，使水準(zhǔn)器內(nèi)氣泡居中完成測量前的裝置調(diào)平工作。

3.2.3 粗糙深度測量

在完成測區(qū)和測點(diǎn)范圍選取并將安放的裝置調(diào)平后，即可進(jìn)行粗糙深度檢測的操作。首先，在測區(qū) j 內(nèi)，沿 Y 軸方向移動滑動板，使測點(diǎn)范圍圈 i（可從測點(diǎn)范圍圈 i=1 開始，按順序進(jìn)行）位于滑動板表面的滑槽正下方，然后沿 X 軸方向移動測深尺，當(dāng)測深尺的探針位于該測點(diǎn)范圍圈內(nèi)粗糙面的波峰附近時(shí)，將深度探針沿 Z 方向按下，通過放大鏡觀察并輕微移動測深尺使深度探針的頭部抵觸波峰最高點(diǎn)，讀取深度值 fj，i，隨后松手使深度探針收起；再沿 X 軸方向移動測深尺，當(dāng)深度探針位于該測點(diǎn)范圍圈內(nèi)粗糙面已測波峰相鄰的波谷附近時(shí)，將深度探針沿 Z 方向按下，通過放大鏡觀察并輕微移動測深尺使深度探針的頭部抵觸波谷最低點(diǎn)，讀取深度值 gj，i，隨后松手使深度探針收起，完成測區(qū) j 中測點(diǎn)范圍圈 i 內(nèi)的粗糙深度測量，如圖 9 所示。根據(jù)式（1）計(jì)算測區(qū) j 中測點(diǎn)范圍圈 i 內(nèi)的粗糙深度 hj，i。

圖9 粗糙深度測量示意圖

重復(fù)上述步驟，完成對測區(qū) j 中其余 8 個(gè)測點(diǎn)范圍圈內(nèi)的粗糙深度測量。按照隨機(jī)誤差滿足正態(tài)分布原理，將該測區(qū)的 9 個(gè)粗糙深度值依次剔除 2 個(gè)最小值和 2 個(gè)最大值，剩余 5 個(gè)值的平均值 作為該測區(qū)的粗糙面平均深度值，如式（2）所示。

式中：ui表示測區(qū) j 的粗糙面平均深度值，mm；hj，i表示測區(qū) j 中測點(diǎn)范圍圈 i 內(nèi)的粗糙深度值，mm；min（hj，i，1）與 min（hj，i，2）表示測區(qū) j 中最小的兩個(gè)粗糙深度值，mm；max（hj，i，1）與 max（hj，i，2）表示測區(qū) j 中最大的兩個(gè)粗糙深度值，mm。

按照相同的方式對其余的（N-1）個(gè)測區(qū)依次進(jìn)行檢測，按式（3）計(jì)算得到所有 N 個(gè)測區(qū)的粗糙面平均深度值 u，即為該預(yù)制構(gòu)件的粗糙面深度值。

4 結(jié)論

疊合樓板作為裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中用量最大的預(yù)制構(gòu)件，其質(zhì)量關(guān)乎整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)，而結(jié)合面粗糙深度作為規(guī)范要求的驗(yàn)收指標(biāo)，是一項(xiàng)不可缺少的檢測項(xiàng)目。針對目前尚無成熟的檢測方法以及現(xiàn)有各種檢測方法都存在其不可忽視的缺點(diǎn)等情況，本文設(shè)計(jì)了一種符合驗(yàn)收規(guī)范要求、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙、操作簡便快捷、測量結(jié)果準(zhǔn)確的粗糙深度檢測裝置及檢測方法。該方法主要具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1）與現(xiàn)有技術(shù)需要對粗糙面波峰處進(jìn)行打磨不同，新型裝置巧妙地通過抬高基準(zhǔn)面的方法，不僅不會對被檢測構(gòu)件造成破壞，也避免了打磨的各處高度不平齊而造成的誤差，保證了測量的準(zhǔn)確性。

2）通過滑動機(jī)構(gòu)使深度探針可以在 X、Y、Z 三個(gè)方向自由移動并配合放大鏡觀察微調(diào)至指定位置，實(shí)現(xiàn)了波峰最高點(diǎn)和波谷最低點(diǎn)深度的精準(zhǔn)測量，克服了現(xiàn)有方法測量位置的局限性。另外，通過同時(shí)對粗糙面波峰及其相鄰波谷的測量比差來表征粗糙深度，優(yōu)化了現(xiàn)有方法只測量波谷的局限，使粗糙深度的計(jì)算更加的合理準(zhǔn)確。

3）該裝置及方法克服了填充法費(fèi)時(shí)費(fèi)力、清理困難、易受場地環(huán)境等制約的缺點(diǎn)，具有檢測指標(biāo)與驗(yàn)收規(guī)范一致、操作便捷、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。