预制叠合楼板结合面粗糙深度检测的创新研究

赵建华，吴玉龙，卢康昕，丁晨晨，顾 盛，刘以龙

（1.南京市建筑安装工程质量检测中心，江苏 南京 210017；2.昆山市建设工程质量检测中心，江苏 昆山 215337；3.南京理工大学理学院，江苏 南京 210094）

0 引言

预制装配式混凝土结构作为一种符合工业化生产方式的结构形式，已成为国内外建筑业发展的主流方向［1］。2016 年国务院下发《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》中指出，力争 10 年使装配式建筑占比新建建筑达 30 %，2017 年住房和城乡建设部下发《“十三五”装配式建筑行动方案》，明确了 2020 年前全国装配式建筑占新建比例 15 % 以上，其中重点推进地区需达到 20 %。2018 年李克强总理在全国两会上强调要大力推进装配式发展，修订相关标准，提高装配式建筑技术水平。

与传统建筑模式相比，装配式建筑工厂化生产有利于提高产品质量、降低安全隐患、减少现场湿作业、缩短施工工期、减少现场人数、降低管理难度、减少现场噪声与扬尘、提高建筑垃圾回收率、提高施工人员素质和施工技术水平［2］。可以说装配式建筑的推出，将大大改善传统建筑模式中人员专业性低、劳动力成本高、施工周期长、对环境影响大等问题。

虽然装配式建筑有很多优点，但由于其在我国起步晚，发展时间较短，各方面的基础研究还不够。因此，在大力推动预制构件生产和装配式建造过程中，涌现出很多的不足，例如预制构件的质量得不到保证，检测结果与验收标准不一致等。本文将针对叠合楼板粗糙面检测中存在的问题进行分析探讨。

1 粗糙面检测必要性

预制装配式混凝土结构中叠合楼板、叠合梁、叠合墙板等叠合构件都是通过新旧混凝土结合形成一个整体而协同工作的，因此其抗剪、抗震等性能很大程度上取决于结合面质量。已有研究表明结合面的粗糙度是影响其抗剪性能和抗震性能的重要因素［3］。JGJ 1－2014《装配式混凝土结构技术规程》中规定“预制构件结合面应设置粗糙面；粗糙面的面积不宜小于结合面的80 %，预制板的粗糙面凹凸深度不应＜4 mm，预制混凝土梁端、柱端、墙端的粗糙面凹凸深度不应＜6 mm。”［4］DGJ 32/J 184－2016《装配式结构工程施工质量验收规程》 将其作为主控项目，也做了相关规定“叠合构件的端部钢筋留出长度和上部粗糙面应符合设计要求，粗糙面无设计要求时，可采用拉毛或凿毛等方式制作粗糙面。粗糙面凹凸深度不应＜4 mm。”［5］可见，对于预制构件粗糙面的面积和凹凸深度都给出了定量的控制指标。然而，现行规范均无明确的粗糙面凹凸深度的检测方法，造成在预制构件检测、验收时，或是仅通过观察进行判别，或是不同机构、不同检测人员采用的方法和测点数不同，使同一构件的检测结果差别很大，有时甚至产生合格与不合格两个截然不同的结论。因此，为避免产生争议，粗糙面凹凸深度检测实际上一般不列入检测验收项目中。面对此问题，为保证工程质量，笔者及其研究人员研发一种有效检测结合面粗糙深度的方法。

2 粗糙度检测技术现状

国内外学者就预制构件粗糙面检测的问题开展了比较深入的研究，也取得了一定的进展。对于粗糙面面积占比检测，一方面，可以通过钢卷尺量距计算；另一方面，也有学者提出通过拍照的方法利用灰度分析计算粗糙面积占比，从而度量是否达标。对于粗糙深度检测，检测人员一般是通过观察，采用测深尺直接测量凹坑的深度，取其平均值作为该构件粗糙深度的检测结果。但由于检测步骤不明确，测点数随意，导致结果很不可靠。不少学者和工程技术人员开始探索更为可靠的粗糙深度检测方法，主要可分为以下两种。

2.1 填充法

对于检测混凝土结合面的粗糙深度，有学者提出采用“填充法”，包括灌砂法、木屑测量法、铁珠填充法、橡皮泥填充法等。“填充法”的原理是，利用已知体积的填充物对粗糙面进行填充和摊铺（一般摊铺呈正方形或矩形），使其大致与粗糙面的凸点齐平，然后量测矩形的长宽，通过计算即可得到粗糙深度值。当然，也可以采用等面积法填充至已知高度，利用填充物的体积计算得到粗糙深度值，如图 1～2 所示。

图1 铺砂工序

图2 边长测量

然而，工程检测人员在采用“填充法”检测粗糙深度时，会出现不合格的概率特别大，甚至一些用经验判断或用测深尺检测为合格的叠合楼板也会出现不合格情况，这给检测带来了巨大的困扰。经笔者深入学习研究发现，粗糙度的问题在机械领域已非常成熟，但在建筑工程领域从业者对其不太了解。“填充法”是通过体积换算得到一个平均高度 h 来表征粗糙深度，而平均高度 h 对应的是轮廓平均偏差 Ra，m，而现行规范所述的“粗糙面凹凸深度”应该指的是平均轮廓最大高度 Ra，m，两者虽然都可以用来表征粗糙深度，但根本不是一个概念，且 Ra，m< Rz，m，如图 3～4 所示。因此，根据“填充法”的计算结果直接与规范要求的 4 mm 对比，判定其粗糙深度是否合格，是错误的，应进行数学上的换算获得平均轮廓最大高度 Rz，m进行判断，但如何根据粗糙面实际情况进行有效的换算或制定换算系数有待研究。另外，“填充法”检测粗糙深度比较适合在实验室进行，现场检测应克服清理费力、场地因素制约等问题。

图3 轮廓平均偏差示意图

图4 最大轮廓高度示意图

2.2 深度尺-多孔基准板

公布号为 CN 107063058 A 的中国专利文献［6］提出了“一种预制混凝土构件结合面粗糙度的测评方法”，该方法通过采用测深尺和多孔基准板配合较为便捷地实现了粗糙深度的测量，也与 JGJ 1－2014《装配式混凝土结构技术规程》和 DGJ 32/J 184－2016《装配式结构工程施工质量验收规程》要求的粗糙度指标“粗糙面凹凸深度”相符。但在实际使用过程中，会发现该方法仍不够准确、可靠度欠佳。经笔者总结，该方法主要存在如下不足：①测量前，在粗糙面上安放基准板时，需要将测区内明显突出的棱角磨平，这本身就改变了粗糙面的固有特征；②在打磨凸出棱角时，实际情况很难保证磨平后高度相同，使多孔基准板安放不平稳，直接导致所有深度测量值不准确；③由于多孔基准板安放位置由磨平后的诸个最高凸出点决定，而其他凸点均未触碰多孔基准板，因此将诸个最高凸出点形成的水平面作为基准面，会使所有深度测量值均偏大；④由于多孔基准板上孔洞的间距较大且固定不变，导致无法保证足够数量的凹点恰好落在孔洞的正下方，使测点深度测量结果偏小。

该方法虽然存在一些不足，但却给了笔者很大的启发，在该方法的基础上进行了改进，研发出了“新型结合面粗糙深度检测装置”。

3 结合面粗糙深度检测装置设计

经笔者深入研究相关标准及试验方法，提出了一种用于结合面粗糙深度检测的新型装置并已授权实用新型发明专利（公告号 CN 209371989 U）［7］，该装置克服了现有检测技术的缺点，可以准确快速地测出结合面粗糙深度。

3.1 装置的构造组成

粗糙深度检测装置的主体结构由支撑框架机构、滑动机构和测深机构 3 部分组成，如图 5 所示。

图5 装置主体结构示意图

支撑框架机构主要组成包括：矩形支撑框架、四角加强件、可调支脚（4 个）和水准器，如图 6 所示。支撑框架机构承载整个装置的重量，并保证深度尺测量时结构可以保持稳固。在进行粗糙深度检测时，首先就是要将支撑框架机构安放于粗糙面选定区域内，并将可调支脚底部垫砂，调节支脚高度使水准器气泡居中，使整个装置保持水平。

图6 支撑框架机构示意图

滑动机构是该试验装置的创新点所在，主要是通过在支撑框架机构内设置一块滑动板，滑动板的两条短边设置于支撑框架的两根横梁的卡槽内并且能够顺畅地进行 Y 方向的滑动。滑动板中部设置有 X 方向的滑槽，设置在滑槽内的测深机构可以实现沿 X 方向的滑动，如图 7 所示。最终，通过滑动板和测深机构两者的配合可以实现测深机构在框架内水平面的任意定位。

图7 滑动机构示意图

测深机构是该新型粗糙深度检测装置的核心部件，主要由测深尺和放大镜组成，如图 8 所示。测深尺上部的伸出部与深度探针是一体结构，用手按压伸出部可以使深度探针沿 Z 方向（深度）竖直落下，当其与构件粗糙面接触时，可以从尺身的电子显示器直接读出深度值，测量完成松手后，依靠弹簧恢复力，深度探针将回到初始位置。放大镜的作用是，便于观察并使深度探针更精准地接触粗糙面上的预定位置，这样可以使测量结果更加准确且提高测量效率。

图8 测深机构示意图

通过各个机构的相互配合，深度探针实际上可以在选定区域内沿 X、Y、Z 三个方向任意平稳地移动，在随机选取的区域内进行测量。

3.2 粗糙深度检测的操作步骤和计算方法

3.2.1 测区和测点范围圈选取

首先，将预制构件平稳地安放于地面（粗糙面朝上），根据构件的尺寸大小将粗糙面分为 N 个测区并对其进行编号，分别记为测区 j（j 为 1～N 的自然数）；然后，在测区 j 内各圈选 9 个具有代表性的测点范围并画圈标记，获得测点范围圈，分别记为测点范围圈 i（i 为1～9 的自然数）。

3.2.2 装置调平

接着，将装置安放在测区 j 内（可从测区 j=1 开始，按顺序进行），使滑动板表面的滑槽方向与粗糙面轮廓线方向基本一致，并在可调支脚底部垫砂使装置安放稳固，旋动可调支脚的高度微调螺母，使水准器内气泡居中完成测量前的装置调平工作。

3.2.3 粗糙深度测量

在完成测区和测点范围选取并将安放的装置调平后，即可进行粗糙深度检测的操作。首先，在测区 j 内，沿 Y 轴方向移动滑动板，使测点范围圈 i（可从测点范围圈 i=1 开始，按顺序进行）位于滑动板表面的滑槽正下方，然后沿 X 轴方向移动测深尺，当测深尺的探针位于该测点范围圈内粗糙面的波峰附近时，将深度探针沿 Z 方向按下，通过放大镜观察并轻微移动测深尺使深度探针的头部抵触波峰最高点，读取深度值 fj，i，随后松手使深度探针收起；再沿 X 轴方向移动测深尺，当深度探针位于该测点范围圈内粗糙面已测波峰相邻的波谷附近时，将深度探针沿 Z 方向按下，通过放大镜观察并轻微移动测深尺使深度探针的头部抵触波谷最低点，读取深度值 gj，i，随后松手使深度探针收起，完成测区 j 中测点范围圈 i 内的粗糙深度测量，如图 9 所示。根据式（1）计算测区 j 中测点范围圈 i 内的粗糙深度 hj，i。

图9 粗糙深度测量示意图

重复上述步骤，完成对测区 j 中其余 8 个测点范围圈内的粗糙深度测量。按照随机误差满足正态分布原理，将该测区的 9 个粗糙深度值依次剔除 2 个最小值和 2 个最大值，剩余 5 个值的平均值 作为该测区的粗糙面平均深度值，如式（2）所示。

式中：ui表示测区 j 的粗糙面平均深度值，mm；hj，i表示测区 j 中测点范围圈 i 内的粗糙深度值，mm；min（hj，i，1）与 min（hj，i，2）表示测区 j 中最小的两个粗糙深度值，mm；max（hj，i，1）与 max（hj，i，2）表示测区 j 中最大的两个粗糙深度值，mm。

按照相同的方式对其余的（N-1）个测区依次进行检测，按式（3）计算得到所有 N 个测区的粗糙面平均深度值 u，即为该预制构件的粗糙面深度值。

4 结论

叠合楼板作为装配式混凝土结构中用量最大的预制构件，其质量关乎整个建筑结构，而结合面粗糙深度作为规范要求的验收指标，是一项不可缺少的检测项目。针对目前尚无成熟的检测方法以及现有各种检测方法都存在其不可忽视的缺点等情况，本文设计了一种符合验收规范要求、结构设计巧妙、操作简便快捷、测量结果准确的粗糙深度检测装置及检测方法。该方法主要具有以下优点。

1）与现有技术需要对粗糙面波峰处进行打磨不同，新型装置巧妙地通过抬高基准面的方法，不仅不会对被检测构件造成破坏，也避免了打磨的各处高度不平齐而造成的误差，保证了测量的准确性。

2）通过滑动机构使深度探针可以在 X、Y、Z 三个方向自由移动并配合放大镜观察微调至指定位置，实现了波峰最高点和波谷最低点深度的精准测量，克服了现有方法测量位置的局限性。另外，通过同时对粗糙面波峰及其相邻波谷的测量比差来表征粗糙深度，优化了现有方法只测量波谷的局限，使粗糙深度的计算更加的合理准确。

3）该装置及方法克服了填充法费时费力、清理困难、易受场地环境等制约的缺点，具有检测指标与验收规范一致、操作便捷、结果准确等优点。