水工混凝土抗壓強(qiáng)度的回彈-鉆芯專用檢測(cè)曲線制定與應(yīng)用

王宏偉

(遼寧省水利土木工程咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110000)

回彈法是當(dāng)前對(duì)混凝土表層強(qiáng)度進(jìn)行無損檢測(cè)常用的一種方法[1]。單一回彈法常常因?yàn)榛炷两Y(jié)果內(nèi)部和外部因素使得其測(cè)定的強(qiáng)度值和混凝土實(shí)際強(qiáng)度值有所偏差。如由于表面含水量偏大而使得混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)值偏低[2- 4]。鉆芯法是水工混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)的一種半破損的方式，一種類似于驗(yàn)證性質(zhì)的檢測(cè)，主要用于混凝土加固修補(bǔ)，混凝土內(nèi)部質(zhì)量和強(qiáng)度檢測(cè)通過從混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)鉆取芯樣進(jìn)行檢測(cè)的一種常用方法，在國內(nèi)許多地區(qū)水工混凝土質(zhì)量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中得到具體應(yīng)用[5- 9]。但鉆芯法對(duì)混凝土內(nèi)部局部結(jié)構(gòu)較易產(chǎn)生損傷，因此需要在現(xiàn)場(chǎng)按照代表性原則對(duì)鉆芯的數(shù)量和分布進(jìn)行嚴(yán)格把控，對(duì)于水工建筑物易損結(jié)構(gòu)進(jìn)行鉆芯法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)更加需要仔細(xì)處理[10]。當(dāng)前，回彈-鉆芯方法利用鉆芯結(jié)果對(duì)水工建筑物混凝土抗壓強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)值進(jìn)行修正，可以有效降低混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)的誤差，在國內(nèi)一些重大水利工程中得到應(yīng)用[11- 15]。但由于水利工程混凝土一般體積較大，因此需要建立回彈-鉆芯專用測(cè)強(qiáng)曲，來利用鉆芯結(jié)果對(duì)回彈值進(jìn)行修正，為此本文通過工程實(shí)例，采用最小二乘法建立回彈-鉆芯專用測(cè)強(qiáng)曲線，從而提高水工混凝土回彈法抗壓強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)精度。研究成果對(duì)于水工混凝土質(zhì)量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法具有重要參考價(jià)值。

1 回彈法在現(xiàn)行規(guī)程中的相關(guān)規(guī)定

SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中混凝土強(qiáng)度檢測(cè)的公式為：

(1)

fccN=fccN0C

(2)

式中，fccN0—修正前的水工混凝土抗壓強(qiáng)度，MPa;fccN—修正后的水工混凝土抗壓強(qiáng)度，MPa;mN—回彈均值；C—混凝土碳化修正值。

按照水工混凝土類型，引氣型混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)公式為：

fccN0=1.5mN-15.2fccN=fccN0C

(3)

JGJ/T 23—2011《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》水工混凝土抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式為：

(4)

(5)

2 回彈-鉆芯法專用測(cè)試曲線

2.1 曲線建立考慮因素

充分利用回彈-鉆芯法專用檢測(cè)曲線擴(kuò)展大面積檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，并綜合鉆芯法檢測(cè)精度高的特點(diǎn)，建立回彈-鉆芯法專用檢測(cè)曲線，從而達(dá)到高精度檢測(cè)的目標(biāo)。其主要優(yōu)勢(shì)在于：①修正后的精度提高、更強(qiáng)的針對(duì)性，且更為合理和科學(xué)；②混凝土的齡期由于具備回彈法檢測(cè)條件，因此可不受約束；③其他在水工混凝土強(qiáng)度采用通用曲線檢測(cè)未能排除的因素可以進(jìn)行綜合考慮。

曲線建立以規(guī)范給定的標(biāo)準(zhǔn)混凝體試件的抗壓強(qiáng)度-回彈值作為基礎(chǔ)，建立工程實(shí)體混凝土試件鉆芯法的抗壓強(qiáng)度檢測(cè)值和回彈法檢測(cè)值的關(guān)系曲線，從而提高回彈法檢測(cè)精度，但需要考慮以下因素影響：①同期混凝土試塊由于水工建筑物時(shí)間較早沒有留存，采用通用曲線由于碳化和運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)等綜合因素影響使得其結(jié)構(gòu)實(shí)體抗壓強(qiáng)度和推定的抗壓強(qiáng)度值之間具有較大的偏差；②大尺寸試驗(yàn)構(gòu)建、大面積混凝土檢測(cè)，如大型水庫、電站的混凝土重力壩、溢洪道、輸水隧洞內(nèi)部襯砌結(jié)構(gòu)、灌渠混凝土襯砌等；③充足的芯樣和回彈區(qū)檢測(cè)數(shù)量，通過復(fù)核計(jì)算具有較好的相關(guān)性；④按照規(guī)范要求對(duì)不合理的檢測(cè)值進(jìn)行有效篩除。

2.2 曲線建立注意事項(xiàng)

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需要關(guān)注以下內(nèi)容：①混凝土表層和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不應(yīng)具有較大的差異性；②鉆芯法采樣直徑應(yīng)統(tǒng)一為100mm，高徑比應(yīng)為1，從而避免因不同尺寸而產(chǎn)生的檢測(cè)誤差二次影響，但最大骨料粒徑要小于300mm；③芯樣鉆取應(yīng)在測(cè)定回彈值和碳化深度值后，再鉆取芯樣；④表層芯件抗壓強(qiáng)度值要從回彈測(cè)區(qū)內(nèi)取回，若較大缺陷或者裂縫出現(xiàn)在芯樣內(nèi)部，則該值需要剔除。

3 回彈-鉆芯法專用測(cè)試曲線建立和檢測(cè)步驟

3.1 檢測(cè)步驟

(1)按照檢測(cè)方案對(duì)混凝土檢測(cè)構(gòu)建確定鉆芯位置后，逐一標(biāo)識(shí)采集點(diǎn)位置。

(2)按照回彈法規(guī)程要求對(duì)標(biāo)識(shí)的鉆芯位置進(jìn)行抗壓強(qiáng)度檢測(cè)，記入回彈檢測(cè)值Ni，按照規(guī)程對(duì)檢測(cè)位置區(qū)域的回彈測(cè)定值進(jìn)行各采集點(diǎn)抗壓強(qiáng)度均值mNi的測(cè)算。從非水平方向測(cè)試回彈儀時(shí)，對(duì)水平方向值mNi按照相應(yīng)規(guī)程進(jìn)行修正，并一一對(duì)應(yīng)芯樣位置的強(qiáng)度值。

(3)在回彈法測(cè)試完畢后鉆取回彈測(cè)區(qū)內(nèi)的芯樣，按照相應(yīng)規(guī)范要求進(jìn)行試驗(yàn)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)、成型及試驗(yàn)、混凝體芯樣強(qiáng)度值fcor檢測(cè)，根據(jù)fcor推定混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度fccN。

3.2 建立測(cè)強(qiáng)專用曲線

(1)曲線縱坐標(biāo)為混凝土抗壓強(qiáng)度fccN，橫坐標(biāo)為回彈值mN，在直角坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行fccN-mN散點(diǎn)的繪制，按照散點(diǎn)的分布規(guī)律選取合適的專用測(cè)強(qiáng)曲線方程，一般宜采用冪、指數(shù)函數(shù)，也可采用對(duì)數(shù)函數(shù)，不同函數(shù)建立方程分別為：

(6)

fccN=AemS

(7)

fccN=Aln(mN)+B

(8)

式中，fccN—混凝土抗壓強(qiáng)度，MPa；mN—測(cè)區(qū)回彈均值；A、B—試驗(yàn)系數(shù)。

(2)通過計(jì)算得到專用測(cè)強(qiáng)曲線方程，再代入方程計(jì)算檢測(cè)的回彈值，確定抗壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的混凝土回彈推定值。

(3)按照測(cè)區(qū)數(shù)n及混凝土抗壓強(qiáng)度推定值計(jì)算混凝土抗壓強(qiáng)度均值mfccN，通過標(biāo)準(zhǔn)差σ和變異系數(shù)Cv評(píng)估混凝土的強(qiáng)度和均勻性。

4 實(shí)例分析

4.1 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法及數(shù)據(jù)分析

以遼寧某水庫溢洪道安全鑒定為例，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為水庫溢洪道的主體結(jié)構(gòu)，溢洪道共7個(gè)溢流孔，各孔凈寬為10m，其主要由3個(gè)部分組成，分別為上、下游段以及閘室，由于水庫建設(shè)年限較早，混凝土等級(jí)等資料不全，采用現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方式進(jìn)行安全鑒定。首先按照選定的混凝土確定鉆芯具體位置，采用中型回彈儀對(duì)擬鉆芯位置進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，按照直徑為100mm對(duì)該測(cè)區(qū)混凝土芯樣進(jìn)行鉆取，成件深度為10～120mm，在回彈測(cè)區(qū)鉆芯位置處的有效回彈均值mN及其混凝土芯樣對(duì)應(yīng)位置的的抗壓強(qiáng)度fccN推定值結(jié)果見表1。

4.2 測(cè)強(qiáng)專用曲線建立及選取

按照表1混凝土抗壓強(qiáng)度推定值及鉆芯位置回彈值數(shù)據(jù)，建立fccN-mN直角坐標(biāo)系，進(jìn)行散點(diǎn)圖的繪制，如圖1所示。

表1 混凝土抗壓強(qiáng)度推定值及鉆芯位置回彈值

圖1 回彈法檢測(cè)強(qiáng)度值和混凝土抗壓強(qiáng)度推定值關(guān)系曲線(單位:MPa)

按照SL 352—2006規(guī)程規(guī)定，選用冪函數(shù)方程作為專用測(cè)強(qiáng)曲線，按照最小二乘法測(cè)算專用測(cè)強(qiáng)曲線方程。

冪函數(shù)方程：

(9)

指數(shù)函數(shù)方程：

fccN=0.937e0.08080mN，R=0.9864

(10)

從方程(9)和(10)可以看出，冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)的相關(guān)性R值均高于0.9，具有較好的相關(guān)性，本文將該溢洪道的混凝土抗壓強(qiáng)度的回彈-鉆芯專用檢測(cè)曲線按照相關(guān)性高度選取冪函數(shù)進(jìn)行方程的構(gòu)建，冪函數(shù)方程回彈值-混凝土抗壓強(qiáng)度散點(diǎn)與專用測(cè)強(qiáng)曲線的擬合程度如圖1所示。從回彈法檢測(cè)強(qiáng)度值和混凝土抗壓強(qiáng)度推定值關(guān)系曲線可看出，散點(diǎn)和擬合曲線吻合度較高，回彈法檢測(cè)強(qiáng)度值和鉆芯強(qiáng)度具有較好的相關(guān)性。

4.3 實(shí)際應(yīng)用效果分析

結(jié)合10個(gè)采集點(diǎn)位的芯樣強(qiáng)度和回彈值，分別采用不同方法對(duì)混凝土強(qiáng)度推定值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。

對(duì)不同方法下推定的混凝土抗壓強(qiáng)度值和芯樣強(qiáng)度值進(jìn)行擬合分析，如圖2所示。

由表2可知，以芯樣強(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn)值，10個(gè)采集點(diǎn)位采樣專用測(cè)強(qiáng)曲線推定的抗壓強(qiáng)度值和芯樣強(qiáng)度總體偏差最小，10個(gè)點(diǎn)位總體偏差為±0.15，變異系數(shù)Cv值為0.35，而通用曲線推定的混凝土抗壓強(qiáng)度值和芯樣強(qiáng)度之間的總體偏差高于本文建立的專用曲線推定值偏差，其總體偏差為±0.35，這主要是因?yàn)橥ㄓ们€很難對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度推定影響其他因素進(jìn)行有效排除，降低了其推定值的檢測(cè)精度，因此相對(duì)偏差較大，因此在實(shí)際工程檢測(cè)時(shí)，一般需要對(duì)通用曲線推定值進(jìn)行一定程度的修正，來提高檢測(cè)精度，從通用曲線推定修正曲線混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)值和芯樣強(qiáng)度擬合程度看，相比于修正前，修正后混凝土抗壓強(qiáng)度推定值和芯樣強(qiáng)度吻合度增加，經(jīng)分析其總體偏差為±0.23。由圖2可知，本文建立的各種方法專用測(cè)強(qiáng)曲線擬合度總體要好于通用曲線和其修正曲線推定值的擬合度。

圖2 混凝土抗壓強(qiáng)度不同方法的推定值和芯樣強(qiáng)度擬合情況

表2 混凝土抗壓強(qiáng)度不同計(jì)算方法的推定結(jié)果對(duì)比 單位:MPa

5 結(jié)論

(1)采用回彈-鉆芯專用測(cè)強(qiáng)檢測(cè)曲線進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，建議統(tǒng)一采用直徑為100mm，高徑比為1進(jìn)行鉆芯取樣，從而避免因不同尺寸而產(chǎn)生的檢測(cè)誤差二次影響，但骨料最大粒徑的3倍不宜高于公稱直徑。

(2)該方法適合于大尺寸水工混凝土構(gòu)件、大面積混凝土檢測(cè)，如大型水庫、電站的混凝土重力壩、溢洪道、輸水隧洞內(nèi)部襯砌結(jié)構(gòu)、灌渠混凝土襯砌等，尤其對(duì)于結(jié)構(gòu)厚度較薄的水工混凝土檢測(cè)適用性更高，可以克服通用曲線在和、渠襯砌混凝土回彈強(qiáng)度和芯樣強(qiáng)度偏差較大的局限。

(3)專用曲線建立時(shí)尤其要注意對(duì)芯樣強(qiáng)度和回彈值相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)，并具有一定的專用性。