超小直径芯样检测混凝土抗压强度可行性试验研究

文摘 2024-10-17 07:03 河南

住房和城乡建设部印发的《“十四五”建筑业发展规划》（以下简称《规划》）指出，“十四五”时期是新发展阶段的开局起步期，也是加快建筑业转型发展的关键期，我国的建筑业要从追求高速增长转向追求高质量发展。对于建筑工程而言，其建筑质量与安全都是人民最关心的问题，而作为建筑工程中使用量最大的建筑材料——混凝土，其质量的好坏对建筑结构的安全有着非常重要的影响，因此，对混凝土强度的准确检测显得尤为重要。

常见的混凝土强度现场检测方法有回弹法、超声回弹综合法、钻芯法、回弹－钻芯修正法等。在众多混凝土抗压强度的检测方法中，钻芯法是一种公认的应用最多、效果最好的检测方法。它是一种利用专用钻芯机从混凝土结构构件中钻取芯样来检测混凝土抗压强度或观察混凝土内部质量的局部破损现场检测方法，由于其可以直观、准确地反映混凝土构件的内部情况，所以可信度高，而且，该方法也被广泛运用到其他间接检测结果的裁定、修正等工作中。

但钻芯法检测混凝土强度属于局部破损检测方法，会对结构有所损伤，而国家工程建设标准化委员会在2007年颁布的《钻芯法检测混凝土强度技术规程》(CECS03:2007)（以下简称07版规程）中规定在使用钻芯法检测混凝土强度时使用的标准芯样尺寸为：公称直径100mm、高径比为1:1的混凝土圆柱体试件，其公称直径不宜小于骨料最大粒径的3倍。但近些年，随着我国建筑工程结构的日益复杂，楼层的增高、钢筋混凝土结构构配件的配筋率越来越大，使用的钢筋直径越来越粗，钢筋之间的间距越来越小，若想使用钻芯法检测混凝土强度，如果继续钻取标准芯样，在遇到钢筋密集区时，就有可能损害构件中的钢筋，引起结构破坏，造成事故。尤其近些年，装配式混凝土结构被广泛应用，而装配式混凝土结构中的那些预制构件，比如预制叠合板、预制叠合剪力墙等的厚度较小，一般只有50mm～60mm，虽然07版规程中也考虑了当无法取得标准直径芯样时，也可采用小直径芯样试件，但又规定了小直径芯样的公称直径也不应小于70mm且不得小于骨料最大粒径的2倍。

因此，对于一些钢筋密集区的混凝土或者预制混凝土构件来说，想要用钻芯法检测混凝土强度，就要钻取芯样直径为100mm或者70mm、高径比为1:1的芯样来检测，而这根本不可能。因此，对于这类混凝土来说，想要用钻芯法来检测其强度，只有钻取直径小于50mm的超小直径芯样。

关于超小直径芯样检测混凝土强度的研究，国内外很多学者都有研究。实际上，很多国外的相关技术规程也都推荐采用小直径芯样，例如，澳大利亚的相关技术标准中得出结论，只要芯样是从混凝土的中间取来的，直径在50mm～150mm的芯样强度没有大的区别；英国的TOhnG.L.Munday博士和Rarmdrak Dhir博士认为：除Φ25mm芯样外，不同直径的芯样基本上给出了同样的平均强度和标准偏离值，在相关的技术标准中也用小于Φ50mm的芯样。不少学者也展开了对小直径芯样的研究。结果表明，关于芯样直径对芯样混凝土强度平均值的影响，不同的研究者得出的结论不同。关于芯样高径比的影响，学者们认为芯样高径比与标准芯样抗压强度之间存在换算关系。一些学者也针对直径小于50mm的芯样进行了研究，但目前研究超小直径芯样检测混凝土抗压强度与标准立方体及标准芯样检测混凝土强度相关文献依然较少。

本文在总结前人研究的基础上，结合工程实际需求，针对直径为30.5mm、35mm和42mm直径的混凝土芯样的抗压强度展开研究。对比分析其与标准直径的芯样（100mm、70mm）之间的强度换算关系，探讨超小直径芯样检测混凝土抗压强度的可行性，期待为工程中遇到的问题提供相关技术依据。

1试验方案

1.1混凝土配合比

本文试验中的混凝土是根据某工程的实际需求，选用的试件采用C35商品混凝土。该混凝土使用的水泥是普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5；细骨料为本地区制造的机制砂以及特细铁尾矿砂；粗骨料为16mm～31.5mm的碎石；矿粉为S9级；粉煤灰为F类I级；外加剂为缓凝型聚羧酸高性能减水剂，规格型号HPWR-R。混凝土配合比（kg/m³）为水泥:粉煤灰:砂:碎石:水:减水剂:抗裂剂=300:69:730:1080:170:7:51。

1.2试验方案设计

本次试验采用的是某工程上使用的C35混凝土，单独做12个150mm×150mm×150mm的标准混凝土立方体试件，然后用350mm×260mm×130mm的模具浇筑混凝土试件，试件浇筑好以后，养护28d后拆模，见图1。并在试件上钻取直径为100mm和75mm芯样各10个，直径为42mm、35mm和30.5mm的超小直径芯样各25个。芯样钻取后，将芯样两端加工平整，如图1所示。将加工后的芯样进行抗压强度测定，根据检测结果，分析超小直径芯样和标准立方体以及标准直径芯样在检测混凝土强度时的差异性和相关性，进行超小直径芯样检测混凝土抗压强度的研究。

1.3钻取芯样

对于本试验而言，芯样的钻取是试验的重要环节，因为芯样的钻取质量将直接影响混凝土强度的检测结果。如果钻取的芯样不符合试验要求，或者缺棱掉角很严重，将直接导致本组数据无效，影响试验结果。在钻取芯样时，按照下列步骤进行：

（1）用膨胀螺栓将钻芯机安放牢固，防止在钻取芯样过程中发生晃动或者位置偏移。

（2）钻芯机安装钻头之前，先通电检查主轴旋转方向，确认顺时针旋转时再安装钻头，防止安装方向不当导致钻取芯样时发生钻头甩掉等事故。

（3）钻芯机接通电源和水源后，调节变速扭到需要的转速，再调整钻芯机主轴线与混凝土表面垂直，使钻头慢慢接触混凝土表面钻取芯样，注意用来冷却钻头和排除混凝土屑的冷却水流量控制在3L/min～5L/min，当钻头刃部入槽挖空后再加压，待钻到预定深度，停止钻取，将钻头提升到混凝土表面，停水停电，取出芯样。

（4）芯样取出后，用湿布擦拭后，一一做好标记，防止混淆。

1.4加工芯样

对于超小直径芯样试件而言，试件的加工质量对于芯样强度影响更加敏感，所以，芯样的加工也要特别小心注意。并根据规范要求的高径比和断面垂直度和平整度剔除不满足要求的芯样试件，最终获得芯样试件的情况，包括芯样直径、高径比和数量信息见表1。另外，标准立方体试件为10个。

2试验结果分析

芯样试件的抗压强度f_cu,cor按国家标准JGJ/T384-2016《钻芯法检测混凝土强度技术规程》进行计算，计算公式如下：

标准立方体混凝土试件抗压强度f_cc按现行国家标准GB/T50081《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行计算，计算公式如下：

按照上面介绍的试验方案总共制作了83个试件，其中10组标准立方体试件，7组100mm直径标准芯样试件，6组75mm芯样，42mm、35mm和30.5mm的超小直径芯样各20个，各组试件的混凝土抗压强度测定值见表2。

对表2中的数据进行统计分析，分别计算了各组试件的强度平均值、平均值偏差、标准差、最大值和最小值，见表3。根据表3中的数据制作了散点图，如图2所示。

对表1、表2和图2中的各项数据进行分析，可以看出：

（1）通过各组芯样强度平均值的对比可以发现，随着芯样直径的减小，混凝土所测抗压强度值也呈减小趋势。这种现象在标准立方体试件、100mm直径标准芯样和75mm直径芯样中特别明显。而当芯样直径小到42mm和35mm时，强度几乎一样。可以看出，芯样直径在此范围内时对混凝土强度影响不大。但当芯样直径继续减小到30.5mm时，混凝土强度又有所增加，这主要是因为，随着芯样直径的减小，芯样中的粗骨料减小，有的试件中可能只有一个石子（本试验中，粗骨料粒径范围为16mm～31.5mm），导致芯样强度增大。

（2）通过分析试件的平均值偏差和标准差可以发现，虽然芯样直径在42mm和35mm时，强度几乎一致，但是从试件平均值偏差和标准差上可以发现，直径42mm的超小直径芯样的平均值偏差和标准差分别为2.8和3.3，与标准立方体试件、标准芯样试件和75mm芯样试件的变化趋势相同，但是直径35mm超小直径芯样的平均值偏差和标准差分别为6.3和9.4，说明此时芯样强度离散型比较大。可以看到，直径35mm超小直径芯样试件组所测得的混凝土抗压强度最大值为45.2MPa，而最小值仅为15.1MPa。再看直径为30.5mm超小直径芯样组的平均值偏差和标准差分别为7和11.3，所测得的混凝土抗压强度最大值高达51.6MPa，比标准立方体试件的最大值还要大，而最小值仅为15.1MPa，由此可见，随着芯样尺寸的减小，试件会受混凝土内部构成和尺寸影响较大，导致混凝土强度的离散性变大。

3结语

通过超小直径芯样检测混凝土抗压强度试验数据分析发现：

（1）通过对比标准立方体试件、100mm标准芯样、75mm芯样以及42mm、35mm和30.5mm的超小直径芯样检测的混凝土抗压强度值发现，随着试件尺寸的减小，试件检测的混凝土抗压强度值也会变小，尺寸效应明显。

（2）随着芯样尺寸的减小，用超小直径芯样检测混凝土强度受混凝土内部构成和尺寸的影响较大，尤其是当芯样尺寸降至35mm以下时，混凝土强度的离散性会随着芯样尺寸的减小而增大。

因此，若想使用直径小于50mm的超小直径芯样进行混凝土抗压强度检测，需要对混凝土的配合比、尺寸等进行更加严格的要求，同时也需要更多的样本数量进行强度推定，以保证检测结果的有效性。

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