基于水工混凝土抗压强度影响因素研究

王 洋

(本溪满族自治县水务和移民事务服务中心，辽宁 本溪 117100)

0 引 言

钻芯法测试得到的结构实体混凝土强度可作为工程质量下一步处理提供重要的依据，同时为修正超声回弹综合法、回弹法测试结果提供数据支撑。钻芯法运用特定的专用钻机微破损被检测混凝土抗压强度的一种技术手段，通过对试块的修正即可完成试验研究，其中抗压试验芯样来源于混凝土构件或结构，该方法因存在精度高、可靠性强、检测结果直观等优点被广泛应用于工程领域。然而，在混凝土抗压强度钻芯法实际检测过程中发现，为了获取标准尺寸通常要对钻取的芯样处理，芯样因加工机械的震动、加持不稳等因素易出现断面不平整、偏斜等问题，而最终的测试结果易受断面修补材料、修补方法等因素影响；实践表明，不同的加载速率也可对芯样强度检测结果产生影响；另外，试验规程明确规定了芯样二次养护环境，即养护环境相对湿度≥95%、温度20±5℃。然而，温湿度控制记录仪因长期处于养护室潮湿环境中易丧失调节功能，从而对芯样抗压强度检测和养护环境温湿度控制产生偏差[1-4]。

为了准确揭示水工混凝土抗压强度受养护环境、试验加载速率、硫磺胶泥补平、补平砂浆强度等因素的影响，通过分析与整理试验数据揭示了各因素对钻芯样强度检测的影响规律，为提高检测数据准确性及实现误差最小化、操作过程规范化目标，提出了有效控制各影响因素的方法和对策[5-8]。

1 试验研究

1.1 原材料

1)水泥。文章选用28d抗压和抗折强度为49.5、8.1MPa的P·O42.5水泥，终凝与初凝时间为200、160min，标稠用水量为27.5%。

2)粗细骨料。细骨料选用表观密度和堆积密度为2680、1570kg/m3的河砂，其细度模数为3.14，含泥量、吸水率为0.6%和1.1%；粗骨料选用表观密度和堆积密度为2740、1410kg/m3的碎石，级配粒径为5-40mm，针片状含量、压碎指标为2.0%和3.8%。

3)硫磺胶泥。试验采用的硫磺胶泥为质量比1∶44∶11∶44的聚硫708、粉砂、水泥、硫磺配合成的材料，其收缩率<4%，抗压和黏结强度为42、11MPa。

4)拌和水。采用普通自来水作为试验拌和用水[9]。

1.2 试验配合比

在试验过程中考虑混凝土参数分析结果、施工环境、工艺变化、原材料质量波动等因素，结合配合比理论设计成果调整出不同强度等级的施工配合比[10]。

配合比设计流程为：①考虑工程设计要求计算配置需要的4种不同的强度等级，考虑水胶比最大允许值和需要的强度等级，初步确定水胶比；②对于用水量的选定按照衬砌施工的和易性要求，并对凝胶材料用量进行计算；③然后依据选定的砂率计算粗细骨料的用量，通过试验调整选定最大水胶比限制值内且满足混凝土耐久性、强度要求的水胶比，确定最终的配合比和各材料的用量。最终，制备的混凝土芯样强度等级为C15、C20、C25、C30，试样28d抗压强度及各材料用量，试块28d抗压强度及材料用量，见表1。

表1 试块28d抗压强度及材料用量

其中，水灰比为用水量与所有凝胶材料的比值；在其他参数固定不变的条件下砂占砂与石之和的比例即为砂率，混凝土塌落度最大且拌和物和易性、黏聚力等物理性能达到最优时的砂率，即为最优砂率；用水量为按照外加剂与掺合料的掺量及品种、骨料最大粒径等初选用水量，通过混凝土试拌确定符合施工和易性和工程设计要求的最小用水量。

1.3 试验方法

1)制备芯样。采用钻芯、切割、磨平等方法对150mm×150mm×150mm标准混凝土试块加工处理，获取直径为100mm的芯样。

2)补平芯样。试验选用硫磺胶泥和低强度、同强度、高强度等级的砂浆，补平非标准混凝土芯样平整度不合格的端面，其中硫磺胶泥和砂浆的补平厚度为1-1.3mm、20-25mm[11]。

3)测试芯样抗压强度。试验采用的混凝土芯样抗压强度测试仪为CDF-305-2型抗压抗压一体化试验机[12]。

2 试验结果分析

2.1 补平砂浆强度影响分析

对水工混凝土芯样利用混凝土强度、低强度和高强度3个等级的砂浆补平，为了探讨混凝土芯样抗压强度受补平砂浆强度的影响对比分析了其28d抗压强度。补平砂浆强度对芯样抗压的影响程度，见图1。从图1可知，芯样28d强度测试值随原混凝土强度等级的增加而增大，不同强度等级砂浆补平芯样的抗压强度呈现出高强度等级>标准芯样>同强度等级>低强度等级的变化规律。对于C15强度等级的原混凝土，较标准芯样而言高强度、同强度、低强度等级砂浆补平芯样的抗压强度增大15.2%、减少1.6%和15.7%；对于C20强度等级的原混凝土，较标准芯样而言高强度、同强度、低强度等级砂浆补平芯样的抗压强度增大11.4%、减少3.5%和9.1%；对于C25强度等级的原混凝土，较标准芯样而言高强度、同强度、低强度等级砂浆补平芯样的抗压强度增大17.2%、减少1.3%和14.6%；对于C40强度等级的原混凝土，较标准芯样而言高强度、同强度、低强度等级砂浆补平芯样的抗压强度增大4.0%、减少1.2%和6.1%。因此，针对不符合标准的混凝土芯样强度利用钻芯法测试时，宜选用同强度等级的修补砂浆。

图1 补平砂浆强度对芯样抗压的影响程度

2.2 硫酸胶泥补平影响作用

将C15、C20、C25、C30强度等级的原非标准混凝土芯样利用硫磺胶泥补平，厚度为1.2mm，然后将表面磨平后的芯样养护至规定龄期测试其抗压强度。为了探讨水工混凝土芯样抗压强度受硫磺胶泥芯样补平材料的影响，对比分析标准芯样与硫磺胶泥补平芯样强度测试值。硫磺胶泥补平芯样的抗压强度，如图2。从图2可知，较普通标准水工混凝土芯样硫磺胶泥补平芯样的试块抗压强度测试值更高；相对于C15、C20、C25、C30强度等级的标准芯样抗压测试值，补平芯样28d强度测试值提高了1.0、0.5、0.3、0.4MPa为22.6、28.8、32.4、40.6MPa，相对误差为4.4、2.1、0.6、1.0%。可见，标准芯样抗压强度值测试结果与硫磺胶泥补平试样的相对误差更小，对于混凝土芯样的补平可作为一种优质材料。

图2 硫磺胶泥补平芯样的抗压强度

2.3 加载速度影响因素

本试验以0.2、0.4、0.6MPa/s的加载速率，探讨了其对原标准水工混凝土芯样C15、C20、C25、C30强度等级的影响作用，不同加载速率下的抗压强度试验结果。不同加载速率下的芯样抗压强度，见图3。从图3可知，在0.2-0.6MPa/s区间时随着加载速率的增加芯样28d抗压强度测试值逐渐增大，且水工混凝土芯样的强度增长幅度随原强度等级的提高而增大。C15、C20、C25及C30强度等级的原混凝土芯样在加载速率为0.2MPa/s的情况下，其28d抗压强度为21.5、27.4、30.5、37.8MPa；C15、C20、C25及C30强度等级的原混凝土芯样在加载速率为0.4MPa/s的情况下，其28d抗压强度为22.1、28.4、32.5、40.6MPa，较0.2MPa/s加载速率的抗压强度测试值提高了1.8%、3.6%、5.7%和7.5%；C15、C20、C25及C30强度等级的原混凝土芯样在加载速率为0.6MPa/s的情况下，其28d抗压强度为22.1、28.6、33.6、42.1MPa，较0.2MPa/s加载速率的抗压强度测试值提高了2.4%、5.9%、9.4%和11.6%，较较0.4MPa/s加载速率的抗压强度测试值提高了0.4%、2.0%、3.5%和3.8%.因此，为了使试验结果更加准确及消除加载速率可能产生的误差，结合试验规范相关要求选取合适的加载速率为0.35-0.45MPa/s。

图3 不同加载速率下的芯样抗压强度

2.4 养护环境影响分析

本试验以二次养护环境为变量，探讨水工混凝土芯样28d龄期抗压强度受自然环境和标准养护环境的强度影响规律。在相对湿度为50%-68%、温度为26-30℃的自然环境和相对湿度为95%-97%、温度为18-22℃的标准环境下二次养护C15、C20、C25及C30强度等级的原混凝土芯样，28d龄期后测试试块的强度值，二次养护环境的芯样抗压强度，见图4。从图4可知，对于达到28d龄期的混凝土，二次养护7d的混凝土芯样抗压强度在自然环境中大于标准养护环境，且芯样抗压强度测试值受标准养护、自然养护的影响程度随着混凝土强度等级的提高而减少[13]。对于二次标准养护环境的C15、C20、C25及C30强度等级的原混凝土，其28d芯样强度值为22.6、29.5、34.0、41.5MPa；对于二次自然养护环境的C15、C20、C25及C30强度等级的原混凝土，其28d芯样强度值为23.6、29.7、34.2、41.8MPa，较二次标准养护环境的强度值增大了3.0%、1.5%、0.7%各0.3%。可见，水工混凝土芯样在一定程度上也受到二次养护环境的影响，且水下作业为大部分水利工程的施工环境，为了使得强度真实值与试验结果更加接近，标准养护7d芯样强度检测的重要条件。

图4 二次养护环境的芯样抗压强度

3 结 论

混凝土强度受施工气候、运输距离、运输方法及施工设备等因素影响发生一定的改变，对此已有学者开展了大量研究并取得了丰硕成果。为确保混凝土芯样强度满足工程项目要求，必须综合考虑各方面因素准确判断其影响机理，从而提出有效的管控措施。文章结合实践经验和相关资料，考虑从养护环境、加载速率、硫磺胶泥补平、补平砂浆强度4个方面探讨了水工混凝土抗压强度钻芯样法检测结果，得出主要结论有：

1)针对非标准混凝土芯样宜选用同等级强度砂浆找平，标准芯样抗压强度与同等级砂浆补平芯样的测试结果差值较小；标准芯样抗压强度值测试结果与硫磺胶泥补平试样的相对误差更小，对于混凝土芯样的补平可作为一种优质材料。

2)在0.2-0.6MPa/s区间时随着加载速率的增加芯样28d抗压强度测试值逐渐增大，且水工混凝土芯样的强度增长幅度随原强度等级的提高而增大；芯样抗压强度值受加载速度的影响，为了使试验结果更加准确及消除加载速率可能产生的误差，结合试验规范相关要求选取合适的加载速率为0.35-0.45MPa/s。

3)二次养护7d的混凝土芯样抗压强度在自然环境中大于标准养护环境，且芯样抗压强度测试值受标准养护、自然养护的影响程度随着混凝土强度等级的提高而减少；水工混凝土芯样在一定程度上也受到二次养护环境的影响，水下作业为大部分水利工程的施工环境，为了使得强度真实值与试验结果更加接近，标准养护7d芯样强度检测的重要条件。