路面芯样切割方式及切后长度对芯样劈裂抗拉强度的影响

■彭 锋

（三明市公路局，三明 365000）

1 前言

弯拉强度是水泥混凝土路面强度的控制指标，也是路面质量评定的关键项目。由于弯拉强度试件成型及试验过程比较繁琐，现多用劈裂抗拉强度来代替，试验过程为：从硬化的水泥混凝土路面中钻取芯样，测定芯样的劈裂抗拉强度，然后通过经验公式换算成标准小梁弯拉强度来评定水泥混凝土路面质量优劣。芯样劈裂抗拉强度试验其影响因素众多，路面取芯过程、芯样运输过程、实验室芯样切割、养护、劈裂抗拉试验过程均会对芯样的劈裂抗拉强度产生影响。路面取芯过程影响因素包括取芯设备精良程度、取芯试验员业务水平；芯样运输过程芯样要堆摆有序，尽量避免过大颠簸，减少芯样间相会磕碰；实验室芯样切割、养护、劈裂抗拉试验过程中影响因素包括芯样切割方式、切后长度、养护条件、试验过程中芯样对中、加载速率等。

笔者长期从事三明市公路局路面大修工程、路面改造工程的施工过程质量检测和交工验收检测，从以往大量的路面芯样劈裂抗拉强度试验中发现：芯样不同切割方式、切后长度对劈裂抗拉强度的影响呈现一定的规律。为验证该规律，笔者结合2015年路面大修工程开展大量试验，并在路面大修工程S306线大田县K27+600～K28+600段铺筑了长1km的试验段进行验证试验。该试验段完全按照大修工程设计要求来铺筑，试验段水泥混凝土面层设计厚度为240mm，设计弯拉强度为5.0MPa，配合比所用粗集料公称粒径为31.5mm。

2 工程概况

三明市公路局2015年路面大修工程改造线路有7条，分别为S204线、S205线、S206线、S208线、S304线、S306线、S307线，修复加铺路段长115km，工程造价1.5619亿元。修复加铺路段原有路面为水泥砼路面，这些路段原有旧路面存在的病害包括严重破碎、沉陷、坑洞、板角断裂、错台、严重唧泥等。路面改造方案为加铺水泥砼路面，其中 S306线 K275+000～K293+000、S307线永安段加铺方案为：30cm击碎板垫层+15cm 5%水泥稳定碎石层+1cm沥青封层+28cm水泥砼面层，其余路段均为：30cm击碎板垫层+15cm 5%水泥稳定碎石层+1cm沥青封层+24cm水泥砼面层。砼路面选取普通水泥砼路面，设计基准期为20年，普通水泥砼的强度以28d龄期的弯拉强度控制，其弯拉强度标准值为5.0MPa。

3 水泥混凝土圆柱体劈裂抗拉强度

3.1 试验要求

水泥混凝土圆柱体劈裂抗拉强度试验依据的是公路工程水泥及水泥混凝土试验规程（JTG E30-2005），以下简称试验规程。试验规程要求：对于现场芯样须无裂缝、接缝、分层、麻面或离析，长径比须大于或等于1，适宜的长径比在1.9～2.1之间，最大长径比不能超过2.1[1]。路面大修及改造工程的水泥混凝土路面面层的设计厚度一般为240～280mm，采用的取芯筒直径为150mm，满足规程长径比要求。

3.2 试验过程及原理

现场所取芯样在进行强度试验前需进行调湿，一般应在标准养护室养护24h；养护结束后，取出芯样，用湿布覆盖，避免其湿度变化；测量直径、高度并检查外形，尺寸量测精确至1mm；在芯样中部划出劈裂面位置线，圆柱体的母线公差为0.15mm，这两条母线应位于同一轴向平面内，彼此相对，两条线的末端在芯样的端面上相连，应为通过圆心的直径，以明确标明承压面；将芯样、劈裂夹具、垫条和垫层依次放在压力机上，借助夹具两侧杆，将芯样对中；开动压力机，当压力机压板与夹具垫条接近时，调整球座使压力均匀接触芯样。当压力达到5kN时，将夹具的侧杆抽调。试验过程中，加荷速度为0.065MPa/s（通过电脑设置）。当试件接近破坏而开始迅速变形时，不得调整试验机油门，直至试件破坏，记下破坏极限荷载F（N）[1]。圆柱体劈裂抗拉强度fct按下列公式计算：

式中，fct——圆柱体劈裂抗拉强度（MPa）；

F——破坏极限荷载（N）；

dm——圆柱体截面的平均直径（mm）；

lm——圆柱体平均长度（mm）。

通过劈裂抗拉强度试验中求得的芯样劈裂抗拉强度，可换算成标准小梁弯拉强度，而弯拉强度是公路工程质量检验评定标准（JTG F80/1 2004）要求水泥面层必评的检查项目。根据公路水泥混凝土路面施工技术细则（JTG/T F30-2014）的规定：二级及二级以下公路混凝土面板钻芯劈裂强度与标准小梁弯拉强度可根据粗集料岩石品种和类型，按相关公式换算。结合工程实际所用粗集料，我们可按下列公式计算：

式中，fsp——混凝土直径150mm钻芯圆柱体的劈裂强度（MPa）；

fc——混凝土标准小梁弯拉强度（MPa）[2]。

4 芯样切割方式以及切后长度对劈裂抗拉强度的影响

4.1 芯样分类

在路面工程验收过程中，各类规范均未规定芯样切割方式和切后长度，而验收单位对芯样切割方式和切后长度也无统一标准，使得同一路段劈裂强度数据有所偏差。为了消除芯样顶部浮浆及缩颈层（约10～30mm）以及底端不平的碎石（约10～30mm）对劈裂抗拉强度的影响，针对设计值为240mm的芯样，180mm、200mm、220mm这三个常规切后长度（即芯样试验长度）的芯样劈裂抗拉强度最具有代表性。为验证不同切割方式和切后长度对劈裂抗拉强度的影响，笔者将现场所取芯样按照二种常规切割方式和三种常规切后长度进行试验，分别是：按180mm/2组、200mm/2组、220mm/2组的切后长度来进行切割，误差控制在2mm，同一切后长度的芯样按两种切割方式进行试验：单面切割和双面切割。单面切割仅切割芯样底端部位至切后长度，双面切割则切割同样长度的顶端部位，底端部位切至切后长度。为满足试验要求，待试验段水泥砼面层现场养护28d后，按交叉取样法钻取120个芯样，分成6组，每组20个芯样。

4.2 试验过程

芯样切割完毕后，放入标准养护室养护24h，然后按照试验规程进行劈裂抗拉强度试验，试验过程如图1～4所示。

图1 力学室劈裂抗拉强度试验设备

图2 芯样劈裂前

图3 芯样劈裂中

图4 芯样劈裂后

4.3 试验结果

试验完毕后出具相应报告，数据整理统计如下：单面切割方式下切后长度不同的芯样劈裂抗拉强度对比试验结果见表1，双面切割方式下切后长度不同的芯样劈裂抗拉强度对比试验结果见表2。

表1 单面切割方式下切后长度不同的芯样劈裂抗拉强度对比试验

表2 双面切割方式下切后长度不同的芯样劈裂抗拉强度对比试验

两种切割方式下切后长度不同的芯样劈裂抗拉强度平均值对比如图5所示。两种切割方式下切后长度不同的芯样换算弯拉强度平均值对比如图6所示。

图5 两种切割方式下切后长度不同的芯样劈裂抗拉强度对比试验

图6 两种切割方式下切后长度不同的芯样换算弯拉强度对比试验

4.4 试验总结

从图5、图6上看，随着芯样切后长度的增大，芯样的劈裂抗拉强度平均值减小，根据经验公式 （fc=1.868×fsp0.871）[2]换算成的弯拉强度平均值也减小；对于同一切后长度的芯样，双面切割比单面切割的效果更好，劈裂抗拉强度平均值更大，换算后的弯拉强度平均值也更大，双面切割下劈裂抗拉强度平均值增加了0.12～0.20MPa，换算后弯拉强度平均值增加了0.17～0.27MPa。结合试验结果，笔者认为主要原因如下：

（1）混凝土作为一种准脆性材料，存在尺寸效应。混凝土强度的尺寸效应认为混凝土的强度不仅由材料的性质决定，还会随着试件或构件的尺寸大小而变化，不是一个定值。韦伯（Welbull）统计强度尺寸效应理论采用最弱链概念分析和描述强度尺寸效应现象，认为在加载形式相同的条件下，混凝土的破坏与体积有关；对于劈裂破坏而言，劈裂抗拉强度与劈裂抗拉面积有关。有学者通过试验研究证实了尺寸效应与劈裂面积有关，并成功得出用劈裂面面积表示的尺寸效应计算公式[3]。试验过程中发现，随着芯样切后长度的增大，芯样的劈裂抗拉面积也随之增大，劈裂抗拉强度减小，这种规律跟前者研究是相统一的。

（2）水泥混凝土浇筑过程中，插捣不均可能会产生离析，引起骨料普遍出现上下不均匀分布，骨料颗粒之间相互嵌挤，使得更多的水泥浆浮于表面，导致混凝土芯样顶端部位密实度低于底端部位。现场取芯过程中，顶端部位的水泥浆层在取芯筒高速的旋转下会产生一定程度的缩径现象。双面切割时，顶端和底端部位同时切割，一定程度上减小了骨料颗粒分布不均产生的瓶颈。单面切割仅仅切割底端部位，顶端的水泥浆薄弱层还存在，因而单面切割的效果不如双面切割。

5 结语

芯样劈裂抗拉强度试验是已完成路面质量控制的重要手段，其影响因素众多，其中芯样切割方式、切后长度对芯样的劈裂抗拉强度的影响不应被忽略。为使试验数据更真实地反映出砼路面的质量，笔者建议：

（1）通过劈裂抗拉强度试验对比，切后长度相同的芯样双面切割后的劈裂抗拉强度平均值好于单面切割，换算后的弯拉强度更易达到合格。建议水泥砼路面质量验收时芯样劈裂抗拉强度试验采用双面切割方式来切割芯样。

（2） 通过三个切后长度的芯样 （Ф150mm×180mm、Ф150mm×200mm、Ф150mm×220mm）劈裂抗拉强度试验对比，芯样切后长度为180mm的劈裂抗拉强度平均值更好，换算后的弯拉强度更易达到合格。在目前规范未明确芯样最终试验长度，验收单位对其也无统一标准的情况下，为了消除芯样浮浆及缩颈层以及底端不平的碎石对劈裂抗拉强度的影响，针对面层设计厚度为240mm的水泥混凝土路面，建议采用最终切后长度为180mm的芯样来进行劈裂抗拉强度试验。[1]JTG E30-2005，公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[S].北京：人民交通出版社，2005.

[2]JTG/T F30-2014，公路水泥混凝土路面施工技术细则[S].北京：人民交通出版社，2014.

[3]宜国良.混凝土圆柱体劈拉强度的尺寸效应[J].河海大学学报，1996，24（2）：92-97.