回彈法檢測(cè)蒸壓粉煤灰磚抗壓強(qiáng)度

王奕智，徐樹全，b，*，曾慶龍，b，于洋洋，韓雨琦

(黑龍江大學(xué) a.建筑工程學(xué)院；b.工程檢測(cè)咨詢有限公司，哈爾濱 150080)

0 引 言

回彈法作為非破損檢測(cè)方法，是國(guó)內(nèi)檢測(cè)砌塊抗壓強(qiáng)度較為廣泛的一種方法[1-3]。目前頒布的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中，《回彈儀評(píng)定燒結(jié)普通磚強(qiáng)度等級(jí)的方法》(JCT 796-2013)[4]用于普通燒結(jié)磚的強(qiáng)度檢驗(yàn)。但在回彈法檢測(cè)非燒結(jié)磚方面，相關(guān)技術(shù)規(guī)程還不夠完善。在實(shí)際工程中，針對(duì)非燒結(jié)磚的回彈法檢測(cè)還依賴于經(jīng)驗(yàn)判斷[5-6]，為此有必要建立非燒結(jié)磚的回彈測(cè)強(qiáng)曲線。本文通過(guò)使用ZC4型回彈儀和600 kN電液伺服萬(wàn)能機(jī)對(duì)黑龍江省某工程的65塊蒸壓粉煤灰磚進(jìn)行回彈測(cè)試及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，參考現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)已有的普通燒結(jié)磚測(cè)強(qiáng)曲線，根據(jù)試驗(yàn)得到回彈值及抗壓強(qiáng)度值，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)回歸分析和曲線擬合提出適合本工程的低強(qiáng)度蒸壓粉煤灰磚回彈法測(cè)強(qiáng)曲線的一般公式。

1 試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)選用黑龍江省某工程中3棟建筑(33號(hào)、66號(hào)、72號(hào)住宅樓)的65塊蒸壓粉煤灰磚，尺寸為240 mm×110 mm×53 mm標(biāo)準(zhǔn)塊作為試驗(yàn)試件，分別通過(guò)回彈法和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得出蒸壓粉煤灰磚的回彈值和實(shí)驗(yàn)室抗壓強(qiáng)度值。

1.1 回彈測(cè)試方法

測(cè)試磚塊的選取參考規(guī)范[4]中對(duì)燒結(jié)磚試樣的取樣要求，被測(cè)磚塊外觀質(zhì)量必須是合格完整磚塊，磚各面清潔、平整，對(duì)有粉刷層、條面有凸起的須用砂輪磨除，并用毛刷刷去表面粉塵。此外，被測(cè)磚要求表面為自然干燥狀態(tài)。

本次試驗(yàn)采用的回彈測(cè)試方法如下：選取好的測(cè)試磚塊樣按順序編號(hào)，依次放置于壓力機(jī)上進(jìn)行回彈測(cè)試，并記錄回彈值。使用回彈儀測(cè)試時(shí)應(yīng)保證回彈儀的軸線始終垂直于磚樣條面，測(cè)點(diǎn)位置選取在磚樣條面中間部位，測(cè)點(diǎn)的水平間距為20～30 mm，每塊磚樣在兩個(gè)條面上各測(cè)5點(diǎn)回彈值，選點(diǎn)時(shí)盡量避開焦花、裂紋、粘底、凹坑及灰石爆裂點(diǎn)。本次回彈試驗(yàn)采用ZC4型回彈儀(標(biāo)稱動(dòng)能 0.735 J)[7-8]。

1.2 抗壓試驗(yàn)方法

蒸壓粉煤灰磚的抗壓試驗(yàn)參考《砌墻磚試驗(yàn)方法》(GB/T 2542-2012)[9]，采用鋸石機(jī)將經(jīng)過(guò)回彈測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)塊從中間部位切割開，交錯(cuò)疊加用坐漿法找平，并要求疊合的半磚部分長(zhǎng)度大于100 mm，制作成標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度試件(圖1(a))。試件養(yǎng)護(hù)完成后，在黑龍江大學(xué)600 kN電液伺服萬(wàn)能機(jī)下以速度2 kN·s-1進(jìn)行抗壓試驗(yàn)(圖1(b))，并記錄抗壓強(qiáng)度值。

圖1 抗壓強(qiáng)度試件Fig.1 Compressive strength test piece

2 回彈值影響因素分析

在實(shí)際房屋現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)實(shí)踐中，既有砌體中砌塊的約束條件、受力狀態(tài)、使用環(huán)境及以使用年限各不相同，砌筑砂漿強(qiáng)度等級(jí)和砌體所受壓力大小在不同樓層、不同位置各不相同。考慮本次試驗(yàn)針對(duì)的是已使用10 a的既有工程，為了保證回彈檢測(cè)蒸壓粉煤灰磚試驗(yàn)方法的可行性，需要先對(duì)不同豎向壓力、含水率、試驗(yàn)方法及碳化深度對(duì)回彈值大小的影響進(jìn)行分析。

2.1 豎向壓力的影響

隨機(jī)選取10個(gè)砌塊，采用回彈測(cè)試方法，利用壓力機(jī)對(duì)試件分級(jí)加載，在加載的過(guò)程中使用測(cè)磚ZC4型回彈儀測(cè)得回彈值。試驗(yàn)過(guò)程將荷載分為5級(jí)，對(duì)各個(gè)試件在20、40、60、80、100 kN豎向壓力下進(jìn)行回彈測(cè)試，分別得到10個(gè)砌塊在不同豎向壓力作用下的回彈值，10個(gè)試件的豎向壓力-回彈平均值數(shù)據(jù)描繪成散點(diǎn)圖，見(jiàn)圖2。

圖2 豎向壓力對(duì)回彈值的影響Fig.2 Effect of vertical pressure on rebound value

由圖2可見(jiàn)，在不同豎向壓力下，回彈儀對(duì)試件測(cè)得的豎向壓力-回彈平均值散點(diǎn)連線略有上升，但總體提高幅度不大，蒸壓粉煤灰磚的回彈值也無(wú)明顯波動(dòng)。因此在使用回彈儀對(duì)低強(qiáng)度蒸壓粉煤灰磚進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，豎向壓力對(duì)回彈值的影響可忽略不計(jì)。

2.2 含水率的影響

對(duì)于潮濕狀態(tài)的試件，其表面的含水率直接影響磚的表面硬度，使回彈值降低，影響回彈法測(cè)得的精度。因此被測(cè)砌體的含水率直接影響應(yīng)用回彈法檢測(cè)蒸壓粉煤灰磚測(cè)得的回彈值精度[10-11]。在實(shí)際工程中采用回彈法檢測(cè)砌體強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)充分考慮到砌體含水率對(duì)回彈值的影響[10]。相同等級(jí)的蒸壓粉煤灰磚隨著含水率的增大，其回彈值和抗壓強(qiáng)度值均下降，下降最大可達(dá)13.6%，在使用回彈法檢測(cè)蒸壓粉煤灰磚時(shí)應(yīng)該考慮含水率對(duì)檢測(cè)精度的影響，盡量保證其處于最佳含水率為8.6%～11.0%[12]。但本次試驗(yàn)中采用的試件，均為同一條件下選取砌塊，將其在實(shí)驗(yàn)室中風(fēng)干至相同含水率，故本次試驗(yàn)中含水率不會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。

2.3 試驗(yàn)方法影響

應(yīng)用回彈法研究砌體中磚塊回彈值與抗壓強(qiáng)度值關(guān)系時(shí)，需要對(duì)回彈值與抗壓強(qiáng)度值進(jìn)行回歸分析建立測(cè)強(qiáng)曲線，回彈測(cè)試時(shí)一般無(wú)須對(duì)現(xiàn)場(chǎng)回彈值進(jìn)行修正。在進(jìn)行回彈值測(cè)量階段，本次檢測(cè)項(xiàng)目主要采用兩種試驗(yàn)方法測(cè)試回彈值。

方法1：對(duì)實(shí)際工程中砌體承重墻檢測(cè)區(qū)中的蒸壓粉煤灰磚進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)回彈測(cè)試。每塊磚彈擊5個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)橫向?yàn)橐蛔中团帕?，間距不宜過(guò)小，測(cè)點(diǎn)邊緣與磚邊緣距離不小于20 mm。測(cè)試完成后對(duì)該磚塊進(jìn)行標(biāo)號(hào)記錄。

方法2：用切割機(jī)對(duì)方法1中標(biāo)號(hào)的蒸壓粉煤灰砌體中切出后再將其表面打磨干凈平整，按照文獻(xiàn)[9]將其制作成標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度試件，然后將試件放于實(shí)驗(yàn)室壓力機(jī)上，加載至20 kN，進(jìn)行回彈測(cè)試。

試驗(yàn)步驟如下：在66號(hào)住宅樓1～5層中每層選取3塊磚，共計(jì)15塊進(jìn)行試驗(yàn)方法對(duì)比分析。先按照上述方法1在工程現(xiàn)場(chǎng)對(duì)15塊蒸壓粉煤灰磚進(jìn)行回彈測(cè)試，測(cè)試完畢后按照方法2進(jìn)行切割、處理后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行回彈測(cè)試，得到兩組試驗(yàn)方法的回彈值見(jiàn)圖3。

由圖3可見(jiàn)，雖然同一試件在兩種不同試驗(yàn)方法下測(cè)得的回彈值略有不同，但差值很小，應(yīng)用方法1和方法2測(cè)試得到的回彈平均值相差小于5%。因蒸壓粉煤灰磚在以上兩種測(cè)試方法下測(cè)得的回彈值非常接近，試驗(yàn)方法對(duì)回彈數(shù)值的影響可以忽略不計(jì)。

2.4 碳化作用的影響

本次工程中所測(cè)試的蒸壓粉煤灰磚磚齡均為10 a，其表面均已充分碳化，無(wú)法對(duì)樣磚進(jìn)行碳化作用的影響性分析。參考相關(guān)資料：碳化是蒸壓粉煤灰磚中的堿性物質(zhì)與二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使其堿度降低[11]；另外，碳化后有CaCO3和SiO2生成，引起磚空隙發(fā)生改變進(jìn)而增強(qiáng)其強(qiáng)度尤其是表面強(qiáng)度。在相關(guān)學(xué)者[12-13]的砌體碳化作用影響研究中，均闡述并分析了碳化使砌體回彈值稍有增大，但其增幅并不顯著，文獻(xiàn)[12]研究結(jié)果表明碳化作用基本不影響回彈法檢測(cè)蒸壓粉煤灰磚的強(qiáng)度精度，故本次試驗(yàn)不考慮碳化作用的影響。

通過(guò)上述試驗(yàn)及分析可知，應(yīng)用回彈法對(duì)蒸壓粉煤灰磚測(cè)量強(qiáng)度時(shí)，豎向壓力、試驗(yàn)方法、碳化作用均對(duì)測(cè)強(qiáng)結(jié)果精度影響不大，在實(shí)際工程測(cè)試中可以不考慮；含水率對(duì)回彈測(cè)試結(jié)果影響較大，在進(jìn)行回彈法測(cè)試時(shí)，需保證被測(cè)試樣表面干燥以不影響回彈測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性。

3 試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范對(duì)比

將本次試驗(yàn)的65個(gè)蒸壓粉煤灰磚試件經(jīng)過(guò)回彈測(cè)試及抗壓試驗(yàn)得到回彈值與抗壓強(qiáng)度值，將65塊磚隨機(jī)平均分成5組，取其平均值進(jìn)行對(duì)比分析。分別按照《砌體工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50315-2011)、四川省地方標(biāo)準(zhǔn)《回彈法評(píng)定砌體中燒結(jié)普通磚強(qiáng)度等級(jí)技術(shù)規(guī)程》(DBJ51/T 049-2015)、安徽省地方標(biāo)準(zhǔn)《回彈法檢測(cè)砌體中普通黏土磚抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(DB 34/T234-2002)、福建省地方標(biāo)準(zhǔn)《回彈法檢測(cè)砌體中普通黏土磚抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(DBJ 13-73-2006)[14]中的測(cè)強(qiáng)公式代入計(jì)算，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)公式匯總見(jiàn)表1，得到換算強(qiáng)度值，并與抗壓試驗(yàn)所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)室抗壓強(qiáng)度值進(jìn)行比較，比較結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)回彈法測(cè)強(qiáng)公式匯總

表2 相關(guān)測(cè)強(qiáng)曲線強(qiáng)度換算結(jié)果對(duì)比

由表2可見(jiàn)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《砌體工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50315-2011)及地方標(biāo)準(zhǔn)換算得到的抗壓強(qiáng)度值均遠(yuǎn)低于實(shí)際砌體抗壓強(qiáng)度值，可見(jiàn)相關(guān)規(guī)范中有關(guān)燒結(jié)磚回彈測(cè)強(qiáng)曲線不適用于回彈法檢測(cè)蒸壓粉煤灰磚的抗壓強(qiáng)度。相較于傳統(tǒng)燒結(jié)普通磚，蒸壓粉煤灰磚以粉煤灰、石灰、石膏以及骨料為原料，經(jīng)過(guò)胚料制備、壓制成型、高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)等工藝過(guò)程制成的實(shí)心粉煤灰磚，其制作工藝與燒結(jié)普通磚完全不同。影響蒸壓粉煤灰磚強(qiáng)度的主要因素是由于水泥、石膏、石灰激發(fā)劑的存在使粉煤灰中的Si-O、Al-O鍵破壞，使其快速溶出殘余水化反應(yīng)，同時(shí)水化物提供的鈣離子可提升磚體強(qiáng)度，水泥中的C3S、C2S、C3A等礦物的存在，生成CSH附著于粉煤灰粒子表面，也提升了粉煤灰磚的整體強(qiáng)度[15-17]。因此有必要對(duì)回彈法檢測(cè)蒸壓粉煤灰磚的適用性進(jìn)行探究。

4 測(cè)強(qiáng)曲線擬合

因現(xiàn)行各類回彈法檢測(cè)砌體抗壓強(qiáng)度規(guī)范無(wú)法準(zhǔn)確描述蒸壓粉煤灰磚回彈值與抗壓強(qiáng)度值的關(guān)系。參考文獻(xiàn)[12]中提出的4種不同形式曲線，以單塊磚回彈數(shù)據(jù)為一個(gè)組別，將65組原始回彈值-抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)代入上述文獻(xiàn)提出的回歸公式，結(jié)果見(jiàn)表3。 由表3可見(jiàn)，相較于現(xiàn)行檢測(cè)燒結(jié)磚的部分技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，文獻(xiàn)[12]提出的回歸公式在反映本文回彈值為30～37的蒸壓粉煤灰磚抗壓強(qiáng)度效果也并不理想，其中冪函數(shù)表達(dá)式平均相對(duì)誤最小為28.49%，高于文獻(xiàn)[4]中地方測(cè)強(qiáng)曲線中規(guī)定的平均相對(duì)誤差應(yīng)小于13%的要求。

表3 抗壓強(qiáng)度換算結(jié)果

考慮本文磚塊強(qiáng)度區(qū)間在12～18 MPa，不同于文獻(xiàn)的10～30 MPa，以及地方差異可能導(dǎo)致砌塊性能表現(xiàn)不同。在采用其直線函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、拋物線函數(shù)4種形式下，使用origin軟件按最小二乘法對(duì)本次試驗(yàn)的65組原始數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，擬合結(jié)果見(jiàn)表4、圖4。由表4可見(jiàn)，將65組原始數(shù)據(jù)擬合而成的4種回彈值與抗壓強(qiáng)度值的函數(shù)表達(dá)式，其中相關(guān)系數(shù)最大只有0.47，表明在原始數(shù)據(jù)中，兩個(gè)變量間的相關(guān)性并不顯著，為了進(jìn)一步探究變量之間的關(guān)系，需要對(duì)65組原始數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理。

表4 65組回彈值-抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

圖4 4種函數(shù)形式擬合圖像Fig.4 Fitting images with four function forms

在處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)某一指標(biāo)時(shí)，通常采取將數(shù)據(jù)多次平均值的方法來(lái)提高檢測(cè)精度[12]。平均值在一定條件下可以反映試驗(yàn)的真實(shí)水平，以下將采用平均值替代真值方法處理數(shù)據(jù)。將回彈值-抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)65組按回彈值從低到高排序，將排序后的數(shù)據(jù)進(jìn)行等距離分組，每組數(shù)據(jù)之間的間距d取0.20，此時(shí)組距d(0.20)與全距D(6.19)的比值d/D較小(d/D=0.03)，組內(nèi)方差平均值和誤差帶來(lái)的影響可忽略不計(jì)；分組后去除組內(nèi)無(wú)數(shù)據(jù)的區(qū)間，重新計(jì)算每組內(nèi)的回彈值平均值及抗壓強(qiáng)度平均值，可得到18組回彈平均值和抗壓強(qiáng)度平均值數(shù)據(jù)；將處理后的18組數(shù)據(jù)應(yīng)用origin軟件進(jìn)行回歸分析和數(shù)據(jù)擬合，得到蒸壓粉煤灰磚的測(cè)強(qiáng)曲線(圖5)。計(jì)算各擬合公式的平均相對(duì)誤差(%)和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差(%)，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 18組回彈值-抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

圖5 18組回彈值-抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)擬合圖像Fig.5 Fitting images with 18 groups of rebound value compressive strength data

由表5可見(jiàn)，重新擬合后的4種函數(shù)表達(dá)式的相關(guān)系數(shù)有了一定幅度的提高，平均相對(duì)誤差滿足規(guī)范中不大于13.0%的要求，均方相對(duì)誤差也滿足規(guī)范中小于16.0%的要求，說(shuō)明4個(gè)回歸方程的擬合效果均滿足規(guī)范中對(duì)地方測(cè)強(qiáng)曲線的要求，又較為準(zhǔn)確地描述回彈值與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。綜合考慮相關(guān)系數(shù)、平均相對(duì)誤差及均方相對(duì)誤差，指數(shù)函數(shù)和拋物線函數(shù)的回歸方程預(yù)測(cè)效果相似，相關(guān)系數(shù)為0.81，平均相對(duì)誤差為4.19%，均方相對(duì)誤差為5.23%；將指數(shù)函數(shù)和拋物線函數(shù)系數(shù)簡(jiǎn)化后發(fā)現(xiàn)，指數(shù)函數(shù)預(yù)測(cè)的強(qiáng)度值總體略高于拋物線預(yù)測(cè)的強(qiáng)度值，考慮到工程應(yīng)用安全性，選取預(yù)測(cè)效果更為保守的拋物線函數(shù)作為檢測(cè)工程低強(qiáng)度蒸壓粉煤灰磚的測(cè)強(qiáng)曲線，表達(dá)式為

f=0.03R2-1.13R+18.29

(1)

式中：R為10塊磚樣回彈平均值，30≤R≤37。

5 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證本文提出的測(cè)強(qiáng)曲線的可靠性，在黑龍江省某小區(qū)5棟蒸壓粉煤灰磚砌體建筑中進(jìn)行驗(yàn)證。每棟建筑選取3個(gè)測(cè)區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)切割出1塊完整的砌塊，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)得實(shí)際抗壓強(qiáng)度值。再于每棟建筑中布置10個(gè)回彈測(cè)試區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)隨機(jī)選擇10塊條面向外的磚進(jìn)行回彈測(cè)試(圖6)，測(cè)得的回彈平均值按式(1)計(jì)算得到換算抗壓強(qiáng)度值。將換算強(qiáng)度平均值與實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度平均值進(jìn)行比較并計(jì)算平均相對(duì)誤差。各樓棟試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，計(jì)算均方相對(duì)誤差 14.56%。

表6 取樣試驗(yàn)結(jié)果

圖6 現(xiàn)場(chǎng)回彈檢測(cè)Fig.6 Detect photo

由表6可見(jiàn)，回歸方程符合文獻(xiàn)[4]中規(guī)定的地方測(cè)強(qiáng)曲線中平均相對(duì)誤差小于13%、均方相對(duì)誤差小于16%的精度要求。通過(guò)實(shí)際工程驗(yàn)證結(jié)果可知，將本文提出的公式應(yīng)用于回彈法檢測(cè)回彈值區(qū)間30～37、實(shí)際抗壓強(qiáng)度12～18 MPa的蒸壓粉煤灰磚強(qiáng)度是可行的。當(dāng)超出本文測(cè)強(qiáng)曲線的測(cè)強(qiáng)范圍時(shí)，應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證后使用。

6 結(jié) 論

通過(guò)回彈測(cè)試及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)蒸壓粉煤灰磚抗壓強(qiáng)度探究，得出以下結(jié)論：

1)豎向壓力、試驗(yàn)方法、碳化作用對(duì)推定蒸壓粉煤灰磚的強(qiáng)度精度影響不大，應(yīng)用回彈法測(cè)蒸壓粉煤灰磚強(qiáng)度時(shí)以上影響因素可忽略不計(jì)。

2)通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用多種表達(dá)式擬合結(jié)果可見(jiàn)，本文建議采用拋物線函數(shù)表達(dá)式作為其擬合曲線。基于此基礎(chǔ)并依據(jù)國(guó)家現(xiàn)行規(guī)范和技術(shù)要求，提出了適合本工程的回彈法檢測(cè)低強(qiáng)度蒸壓粉煤灰磚的強(qiáng)度曲線，測(cè)強(qiáng)公式為f=0.03R2-1.13R+18.29。本文提出的拋物線形式測(cè)強(qiáng)曲線經(jīng)驗(yàn)證試驗(yàn)表明，該公式誤差較小，滿足精度要求。