楊連喜

(柳城縣防洪堤工程管理處，廣西 柳州 545200)

在工程建設(shè)中不斷提高混凝土的強(qiáng)度是保證工程質(zhì)量和施工安全的重要保證。目前，各種建設(shè)項(xiàng)目和科研人員都在不斷地尋找高效、便捷、精確的混凝土強(qiáng)度測試手段。其中，鉆芯法雖然會(huì)對(duì)混凝土構(gòu)件結(jié)果產(chǎn)生破壞，但其憑借準(zhǔn)確性高等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用在水利水電工程混凝土強(qiáng)度檢測中[1]。為充分實(shí)現(xiàn)鉆芯法在水利水電工程混凝土強(qiáng)度檢測中的有效性、精確性、可靠性，需充分考慮混凝土強(qiáng)度推定值、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度合成值的計(jì)算方法[2]。即基于鉆芯法的混凝土強(qiáng)度檢測數(shù)值高于推定值則表示檢測結(jié)果有效，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定合成愈發(fā)趨近0，則表示檢測結(jié)果精確性更高[3]。

1 鉆芯法原理及優(yōu)勢(shì)

鉆芯法的基本原理是基于混凝土結(jié)構(gòu)利用鉆芯機(jī)取得芯樣，借助試驗(yàn)機(jī)對(duì)芯樣抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試，最終得到混凝土結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度。鉆芯法在應(yīng)用過程中需要在實(shí)際工程場地內(nèi)提取混凝土結(jié)構(gòu)芯樣，雖然會(huì)對(duì)已經(jīng)完工的混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，但此種檢測方法能夠更為直觀地反映混凝土內(nèi)部真實(shí)強(qiáng)度，少受到外界因素影響，具有準(zhǔn)確性高、可靠性高等優(yōu)勢(shì)。此外，鉆芯法除了能夠應(yīng)用在混凝土強(qiáng)度檢測外，還能應(yīng)用在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷、裂縫檢測等方面，可以為水利水電工程或其他工程設(shè)計(jì)施工提供技術(shù)支持。

2 基于鉆芯法檢測水利水電工程混凝土強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)流程

2.1 芯樣抗壓試驗(yàn)

混凝土芯樣選擇是應(yīng)用鉆芯法檢測水利水電工程混凝土強(qiáng)度的首要步驟。芯樣選擇時(shí)需遵循“鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”[3]。待芯樣提取完畢后開展相應(yīng)預(yù)處理工作，具體如下：

(1)取芯后馬上進(jìn)行清潔干燥處理，待清潔、干燥后，剪去芯心的兩端，確保高度/直徑之比在0.95～1.05之間。

(2)采用磨平機(jī)對(duì)取樣的兩端進(jìn)行研磨，保證取樣的末端不平度在0.1mm以內(nèi)。

(3)采用儀器對(duì)隨意直徑、直徑的芯樣高度的偏差進(jìn)行測量，保證偏差在2mm以內(nèi)。

(4)采用角尺對(duì)芯樣截面及軸線之間的不平度進(jìn)行測量，不平度為<1°。

(5)在萬能試驗(yàn)機(jī)上完成壓力加載試驗(yàn)。

芯樣受壓時(shí)，其受力、荷載的變化表現(xiàn)為階梯式的特征。初始荷載為預(yù)估失效荷載的1/10，在60～90s內(nèi)完成，并在試件上作用90s，當(dāng)實(shí)際荷載的1/2大于預(yù)估荷載時(shí)，應(yīng)立即將其調(diào)整至預(yù)估失效荷載的1/20。在第一個(gè)芯樣產(chǎn)生裂紋時(shí)，將其恢復(fù)到原來的1/10，隨后繼續(xù)加載至預(yù)估失效荷載的4/5，并在預(yù)估失效荷載的1/20下繼續(xù)加載，直至芯樣全部損壞，停止測試。

2.2 混凝土強(qiáng)度推定值計(jì)算

推定值計(jì)算的主要目的是確定一個(gè)科學(xué)且合理的混凝土強(qiáng)度檢測對(duì)比值，以此來判斷基于鉆芯法水利輸電工程混凝土強(qiáng)度檢測結(jié)果的合理性、有效性[4]。即基于鉆芯法所得出的混凝土強(qiáng)度檢測結(jié)果高于推定值時(shí)，則表示結(jié)果可靠、合理[5]。遵循“鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”完成芯樣加載試驗(yàn)后，應(yīng)用下列公式計(jì)算芯樣抗壓強(qiáng)度：

(1)

公式(1)中，f0—芯樣抗壓強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果保留小數(shù)點(diǎn)后一位，單位MPa；F—芯樣壓力上限值，單位kN；d—芯樣直徑，計(jì)算結(jié)果保留小數(shù)點(diǎn)后一位，單位mm。

若想得到混凝土強(qiáng)度推定數(shù)值，需要首先計(jì)算兩個(gè)強(qiáng)度值，即混凝土強(qiáng)度最大值、最小值，由兩個(gè)數(shù)值構(gòu)成既定的推定區(qū)間，計(jì)算公式如下：

f1=f4-g1r

(2)

f2=f4-g2r

(3)

公式(2)與(3)中，最大值系數(shù)應(yīng)用f1表示；最小值系數(shù)應(yīng)用f2表示；芯樣抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)用r表示；芯樣平均抗壓強(qiáng)度應(yīng)用f4表示。

根據(jù)水利水電工程中混凝土推定值的相關(guān)規(guī)范，對(duì)混凝土芯樣的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了合理推斷，確定了0.85的可信區(qū)間。在此基礎(chǔ)上，提出了5MPa和1/20兩種不同的芯樣強(qiáng)度值，并在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的取值范圍。因此，最后以該區(qū)間內(nèi)極大值為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)水利工程建設(shè)進(jìn)行混凝土強(qiáng)度評(píng)價(jià)。通過得到混凝土強(qiáng)度推定數(shù)值進(jìn)而判斷混凝土強(qiáng)度測試結(jié)果的精確性，確保該檢測結(jié)果與實(shí)際混凝土強(qiáng)度數(shù)值相符。

2.3 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度合成計(jì)算

采用鉆心法對(duì)水工混凝土的強(qiáng)度進(jìn)行測試時(shí)，容易受荷載環(huán)境、設(shè)備和芯樣質(zhì)量等諸多因素的影響，進(jìn)而導(dǎo)致最后測試精度下降，無法測得準(zhǔn)確的混凝土強(qiáng)度數(shù)值[6]。充分考慮多種因素對(duì)鉆芯法檢測水利水電工程混凝土強(qiáng)度結(jié)果的不利影響，特設(shè)定4種不確定因素變量，具體如下：

(1)直徑誤差：即鉆取芯樣、測量芯樣過程中所產(chǎn)生的誤差。在鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度過程中，芯樣強(qiáng)度受到直徑誤差的影響應(yīng)用xα表示。

(2)試驗(yàn)荷載差異：即試驗(yàn)機(jī)型號(hào)、試件加載速度等因素所導(dǎo)致的荷載差異，該差異針對(duì)混凝土強(qiáng)度檢測結(jié)果精度產(chǎn)生的影響應(yīng)用xβ表示。

(3)不垂直度、不平整度：混凝土強(qiáng)度檢測結(jié)果受到不垂直度、不平整度的影響程度應(yīng)用xη、xg表示。

基于上述因素得到如下所示計(jì)算公式：

(4)

公式(4)中，u1(xα)—xα的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；u1(xβ)—xβ的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；u1(xη)—xη的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；u1(xg)—xg的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

在此基礎(chǔ)上，利用該關(guān)系式求出不確定度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差，最終得到混凝土強(qiáng)度測試的不確定度結(jié)果數(shù)值。利用百分比表示方法指代不確定度，其余檢測精確度之間存在明顯的負(fù)向相關(guān)。換言之，伴隨不確定度數(shù)值不斷增大，混凝土強(qiáng)度測定精確度逐漸降低。在基于鉆芯法檢測水利水電工程混凝土強(qiáng)度過程中，會(huì)受到多種不確定因素影響，為此在混凝土強(qiáng)度檢測過程中需要充分考慮不確定數(shù)值大小，確?；阢@芯法檢測水利水電工程混凝土強(qiáng)度結(jié)果的精確性、可靠性。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

3.1 工程概況

某大型水利水電工程位于深切峽谷地帶，主廠房洞室群是該水利水電工程的主體建筑，位于河流右岸，全長276.99m，最大開挖跨度28.90m，開挖高度68.80m，最大埋深480m。為進(jìn)一步開展基于鉆芯法的水利水電工程混凝土強(qiáng)度檢測實(shí)驗(yàn)，特選取該水利水電工程案例，前往該工程現(xiàn)場鉆取芯樣，同時(shí)在施工現(xiàn)場搭建臨時(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

3.2 混凝土配比參數(shù)

遵循“鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”，鉆芯取樣過程中應(yīng)注重避開關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為主，如結(jié)構(gòu)鋼筋埋設(shè)位置等。在開展本次鉆芯法測量混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)前，依據(jù)上述公式，結(jié)合工程實(shí)際情況確定工程使用的混凝土構(gòu)件強(qiáng)度推定值，最終推定值計(jì)算結(jié)果為35.4MPa。

3.3 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

該水利水電工程混凝土粗骨料直徑相對(duì)較大，最大直徑高達(dá)28mm。為此，在應(yīng)用鉆芯法檢測該水利水電工程混凝土強(qiáng)度時(shí)，將混凝土芯樣直徑設(shè)定為81mm，樣本數(shù)量設(shè)定為5個(gè)，利用試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，得到最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果，詳見表1。

表1 鉆芯法芯樣抗壓試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，5個(gè)實(shí)驗(yàn)芯樣直徑均為72mm，但不同編號(hào)芯樣的破壞荷載呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì)，其中M5芯樣破壞荷載最低，僅為157.5kN。從破壞荷載與構(gòu)件抗壓強(qiáng)度關(guān)系來看，不同芯樣破壞荷載、構(gòu)建抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，即伴隨破壞荷載數(shù)值持續(xù)降低，構(gòu)件抗壓強(qiáng)度持續(xù)降低。從試驗(yàn)結(jié)果來看，M5編號(hào)芯樣的構(gòu)件抗壓強(qiáng)度最小，鉆孔取芯的抗壓強(qiáng)度達(dá)到35.6MPa，超過事先設(shè)定的推定值35.4MPa，滿足水利水電工程混凝土設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度規(guī)范要求。

同時(shí)，依據(jù)上文提及的計(jì)算公式，對(duì)相對(duì)不確定度予以計(jì)算，得到的相對(duì)不確定度為4.23%，與實(shí)測數(shù)據(jù)更為接近，證明采用鉆芯法進(jìn)行混凝土的強(qiáng)度檢驗(yàn)具有更好的應(yīng)用前景。

4 基于鉆芯法檢測水利水電工程混凝土強(qiáng)度的注意事項(xiàng)

4.1 芯樣選取注意事項(xiàng)

為規(guī)避應(yīng)用鉆芯取樣過程中破壞結(jié)構(gòu)整體性，在不影響工程正常進(jìn)行和結(jié)構(gòu)效能的前提下，技術(shù)人員往往會(huì)結(jié)合工程設(shè)計(jì)圖紙、既往工作經(jīng)驗(yàn)等，選擇對(duì)構(gòu)件結(jié)構(gòu)影響最小部位展開取樣，以此來規(guī)避取樣過程對(duì)重要構(gòu)件的損傷，如：預(yù)埋件、管線等。同時(shí)，從鉆芯取樣數(shù)量角度來看，應(yīng)用鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度，擇取芯樣應(yīng)>3個(gè)。鉆孔過程中應(yīng)將孔底混凝土泥漿、廢渣等排出，待鉆頭冷卻完畢后，指派專業(yè)工作人員將鉆孔出口位置溫度控制在<30℃。芯樣取出后所留下的孔洞，需采用相應(yīng)材料予以修復(fù)。如：高強(qiáng)度微膨脹水泥、樹脂輕集料混凝土等，確保取樣后混凝土結(jié)構(gòu)仍能繼續(xù)使用。

4.2 鉆芯機(jī)應(yīng)用注意事項(xiàng)

安裝鉆芯機(jī)基座時(shí)，要保證鉆芯機(jī)的基座與混凝土構(gòu)件表面盡量接近，并采用擴(kuò)張螺釘固定鉆芯機(jī)基座，以防止鉆芯機(jī)與混凝土構(gòu)件之間縫隙對(duì)混凝土芯樣采樣質(zhì)量造成不利影響。若混凝土芯樣存在不良采樣，將嚴(yán)重影響鉆芯法在混凝土強(qiáng)度測試中的應(yīng)用效果，甚至導(dǎo)致最終混凝土強(qiáng)度測試結(jié)果無法達(dá)到較高的精度要求。

同時(shí)，在進(jìn)行鉆芯作業(yè)時(shí)，有關(guān)人員要根據(jù)現(xiàn)場的具體情況以及相應(yīng)規(guī)范來對(duì)冷卻水流強(qiáng)度進(jìn)行合理的設(shè)定，通常要控制在3L/min左右，如此才能確?；炷了槠粵_刷干凈，從而確保鉆芯機(jī)工作過程能夠順利進(jìn)行。值得注意的是，在冷卻水量較小的情況下，為避免出現(xiàn)斷屑等問題，必須降低鉆速。芯樣取芯后，將芯樣裝入芯樣盒中應(yīng)遵守從上到下的原則，芯樣編號(hào)、取樣次數(shù)需保證精確。施工人員應(yīng)對(duì)取樣地點(diǎn)各項(xiàng)狀況予以詳盡記錄，確保有關(guān)人員能及時(shí)掌握芯樣各方面真實(shí)狀況。鉆芯工作完成后，工作人員應(yīng)借助照相機(jī)將工程名稱、孔號(hào)、孔深等全部資料保存下來，這樣就能及時(shí)地找到工程資料，便于后續(xù)糾正和回溯工作。

4.3 芯樣處理注意事項(xiàng)

有關(guān)人員應(yīng)按照規(guī)范要求對(duì)混凝土芯樣進(jìn)行加工。從水利工程建設(shè)實(shí)踐來看，在工程使用的混凝土中摻入大量外加劑。因此，必須根據(jù)有關(guān)規(guī)范和施工現(xiàn)場具體情況，對(duì)芯樣進(jìn)行處理與養(yǎng)護(hù)。根據(jù)對(duì)不同類型混凝土芯樣的處理要求，可適當(dāng)減小表面切割深度，以10mm以下為宜。在對(duì)芯樣進(jìn)行切削加工時(shí)不宜采用高速鋸切，易導(dǎo)致崩邊、斷面不均等現(xiàn)象進(jìn)而影響芯樣的性能。此外，芯樣處理時(shí)應(yīng)預(yù)留一定余量，若發(fā)現(xiàn)鉆取且處理完成的芯樣無法滿足混凝土強(qiáng)度測試要求，可應(yīng)用預(yù)留出的芯樣余量，再次重復(fù)上述芯樣處理過程，確保芯樣處理與樣本可以滿足鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度要求。

5 結(jié)語

綜上所述，基于鉆芯法檢測水利水電工程混凝土強(qiáng)度時(shí)需要借助芯樣抗壓試驗(yàn)，利用萬能試驗(yàn)機(jī)推算混凝土強(qiáng)度推定值，將芯樣抗壓試驗(yàn)結(jié)果與之相比對(duì)。同時(shí)需要確定應(yīng)用鉆心法檢測混凝土強(qiáng)度的不確定度，應(yīng)用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)估混凝土強(qiáng)度最終檢測結(jié)果是否更加接近實(shí)際混凝土強(qiáng)度?；诖朔N實(shí)驗(yàn)步驟，結(jié)合實(shí)際工程案例，得到如下結(jié)論：1)鉆孔取芯的抗壓強(qiáng)度達(dá)到35.6MPa，超過事先設(shè)定的推定值35.4MPa，滿足水利水電工程混凝土設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度規(guī)范要求；2)相對(duì)不確定度為4.23%，與實(shí)測數(shù)據(jù)更為接近，證明采用鉆芯法進(jìn)行混凝土的強(qiáng)度檢驗(yàn)具有更好的應(yīng)用前景。

總之，鉆芯法在水利水電工程混凝土強(qiáng)度檢測中具有精確性高、可靠性高、有效性高等優(yōu)勢(shì)，但其在使用過程中仍存在一定的技術(shù)局限，為此在今后研究中應(yīng)積極探索可以規(guī)避鉆芯法技術(shù)局限的混凝土強(qiáng)度檢測方法。