基于钻芯法检测水利水电工程混凝土强度的实验研究

杨连喜

(柳城县防洪堤工程管理处，广西 柳州 545200)

在工程建设中不断提高混凝土的强度是保证工程质量和施工安全的重要保证。目前，各种建设项目和科研人员都在不断地寻找高效、便捷、精确的混凝土强度测试手段。其中，钻芯法虽然会对混凝土构件结果产生破坏，但其凭借准确性高等优势被广泛应用在水利水电工程混凝土强度检测中[1]。为充分实现钻芯法在水利水电工程混凝土强度检测中的有效性、精确性、可靠性，需充分考虑混凝土强度推定值、相对标准不确定度合成值的计算方法[2]。即基于钻芯法的混凝土强度检测数值高于推定值则表示检测结果有效，相对标准不确定合成愈发趋近0，则表示检测结果精确性更高[3]。

1 钻芯法原理及优势

钻芯法的基本原理是基于混凝土结构利用钻芯机取得芯样，借助试验机对芯样抗压强度进行测试，最终得到混凝土结构整体强度。钻芯法在应用过程中需要在实际工程场地内提取混凝土结构芯样，虽然会对已经完工的混凝土结构产生破坏，但此种检测方法能够更为直观地反映混凝土内部真实强度，少受到外界因素影响，具有准确性高、可靠性高等优势。此外，钻芯法除了能够应用在混凝土强度检测外，还能应用在混凝土结构内部缺陷、裂缝检测等方面，可以为水利水电工程或其他工程设计施工提供技术支持。

2 基于钻芯法检测水利水电工程混凝土强度实验流程

2.1 芯样抗压试验

混凝土芯样选择是应用钻芯法检测水利水电工程混凝土强度的首要步骤。芯样选择时需遵循“钻芯法检测混凝土强度的相关技术标准”[3]。待芯样提取完毕后开展相应预处理工作，具体如下：

(1)取芯后马上进行清洁干燥处理，待清洁、干燥后，剪去芯心的两端，确保高度/直径之比在0.95～1.05之间。

(2)采用磨平机对取样的两端进行研磨，保证取样的末端不平度在0.1mm以内。

(3)采用仪器对随意直径、直径的芯样高度的偏差进行测量，保证偏差在2mm以内。

(4)采用角尺对芯样截面及轴线之间的不平度进行测量，不平度为<1°。

(5)在万能试验机上完成压力加载试验。

芯样受压时，其受力、荷载的变化表现为阶梯式的特征。初始荷载为预估失效荷载的1/10，在60～90s内完成，并在试件上作用90s，当实际荷载的1/2大于预估荷载时，应立即将其调整至预估失效荷载的1/20。在第一个芯样产生裂纹时，将其恢复到原来的1/10，随后继续加载至预估失效荷载的4/5，并在预估失效荷载的1/20下继续加载，直至芯样全部损坏，停止测试。

2.2 混凝土强度推定值计算

推定值计算的主要目的是确定一个科学且合理的混凝土强度检测对比值，以此来判断基于钻芯法水利输电工程混凝土强度检测结果的合理性、有效性[4]。即基于钻芯法所得出的混凝土强度检测结果高于推定值时，则表示结果可靠、合理[5]。遵循“钻芯法检测混凝土强度的相关技术标准”完成芯样加载试验后，应用下列公式计算芯样抗压强度：

(1)

公式(1)中，f0—芯样抗压强度，计算结果保留小数点后一位，单位MPa；F—芯样压力上限值，单位kN；d—芯样直径，计算结果保留小数点后一位，单位mm。

若想得到混凝土强度推定数值，需要首先计算两个强度值，即混凝土强度最大值、最小值，由两个数值构成既定的推定区间，计算公式如下：

f1=f4-g1r

(2)

f2=f4-g2r

(3)

公式(2)与(3)中，最大值系数应用f1表示；最小值系数应用f2表示；芯样抗压强度标准差应用r表示；芯样平均抗压强度应用f4表示。

根据水利水电工程中混凝土推定值的相关规范，对混凝土芯样的抗压强度进行了合理推断，确定了0.85的可信区间。在此基础上，提出了5MPa和1/20两种不同的芯样强度值，并在此基础上提出了相应的取值范围。因此，最后以该区间内极大值为评价指标，对水利工程建设进行混凝土强度评价。通过得到混凝土强度推定数值进而判断混凝土强度测试结果的精确性，确保该检测结果与实际混凝土强度数值相符。

2.3 相对标准不确定度合成计算

采用钻心法对水工混凝土的强度进行测试时，容易受荷载环境、设备和芯样质量等诸多因素的影响，进而导致最后测试精度下降，无法测得准确的混凝土强度数值[6]。充分考虑多种因素对钻芯法检测水利水电工程混凝土强度结果的不利影响，特设定4种不确定因素变量，具体如下：

(1)直径误差：即钻取芯样、测量芯样过程中所产生的误差。在钻芯法检测混凝土强度过程中，芯样强度受到直径误差的影响应用xα表示。

(2)试验荷载差异：即试验机型号、试件加载速度等因素所导致的荷载差异，该差异针对混凝土强度检测结果精度产生的影响应用xβ表示。

(3)不垂直度、不平整度：混凝土强度检测结果受到不垂直度、不平整度的影响程度应用xη、xg表示。

基于上述因素得到如下所示计算公式：

(4)

公式(4)中，u1(xα)—xα的相对标准不确定度；u1(xβ)—xβ的相对标准不确定度；u1(xη)—xη的相对标准不确定度；u1(xg)—xg的相对标准不确定度。

在此基础上，利用该关系式求出不确定度的相对标准差，最终得到混凝土强度测试的不确定度结果数值。利用百分比表示方法指代不确定度，其余检测精确度之间存在明显的负向相关。换言之，伴随不确定度数值不断增大，混凝土强度测定精确度逐渐降低。在基于钻芯法检测水利水电工程混凝土强度过程中，会受到多种不确定因素影响，为此在混凝土强度检测过程中需要充分考虑不确定数值大小，确保基于钻芯法检测水利水电工程混凝土强度结果的精确性、可靠性。

3 实验设计及结果

3.1 工程概况

某大型水利水电工程位于深切峡谷地带，主厂房洞室群是该水利水电工程的主体建筑，位于河流右岸，全长276.99m，最大开挖跨度28.90m，开挖高度68.80m，最大埋深480m。为进一步开展基于钻芯法的水利水电工程混凝土强度检测实验，特选取该水利水电工程案例，前往该工程现场钻取芯样，同时在施工现场搭建临时实验环境。

3.2 混凝土配比参数

遵循“钻芯法检测混凝土强度的相关技术标准”，钻芯取样过程中应注重避开关键结构为主，如结构钢筋埋设位置等。在开展本次钻芯法测量混凝土强度试验前，依据上述公式，结合工程实际情况确定工程使用的混凝土构件强度推定值，最终推定值计算结果为35.4MPa。

3.3 实验过程及结果

该水利水电工程混凝土粗骨料直径相对较大，最大直径高达28mm。为此，在应用钻芯法检测该水利水电工程混凝土强度时，将混凝土芯样直径设定为81mm，样本数量设定为5个，利用试验机进行抗压试验，得到最终实验结果，详见表1。

表1 钻芯法芯样抗压试验结果

由表1可知，5个实验芯样直径均为72mm，但不同编号芯样的破坏荷载呈现逐渐下降趋势，其中M5芯样破坏荷载最低，仅为157.5kN。从破坏荷载与构件抗压强度关系来看，不同芯样破坏荷载、构建抗压强度呈现显著负相关，即伴随破坏荷载数值持续降低，构件抗压强度持续降低。从试验结果来看，M5编号芯样的构件抗压强度最小，钻孔取芯的抗压强度达到35.6MPa，超过事先设定的推定值35.4MPa，满足水利水电工程混凝土设计抗压强度规范要求。

同时，依据上文提及的计算公式，对相对不确定度予以计算，得到的相对不确定度为4.23%，与实测数据更为接近，证明采用钻芯法进行混凝土的强度检验具有更好的应用前景。

4 基于钻芯法检测水利水电工程混凝土强度的注意事项

4.1 芯样选取注意事项

为规避应用钻芯取样过程中破坏结构整体性，在不影响工程正常进行和结构效能的前提下，技术人员往往会结合工程设计图纸、既往工作经验等，选择对构件结构影响最小部位展开取样，以此来规避取样过程对重要构件的损伤，如：预埋件、管线等。同时，从钻芯取样数量角度来看，应用钻芯法检测混凝土强度，择取芯样应>3个。钻孔过程中应将孔底混凝土泥浆、废渣等排出，待钻头冷却完毕后，指派专业工作人员将钻孔出口位置温度控制在<30℃。芯样取出后所留下的孔洞，需采用相应材料予以修复。如：高强度微膨胀水泥、树脂轻集料混凝土等，确保取样后混凝土结构仍能继续使用。

4.2 钻芯机应用注意事项

安装钻芯机基座时，要保证钻芯机的基座与混凝土构件表面尽量接近，并采用扩张螺钉固定钻芯机基座，以防止钻芯机与混凝土构件之间缝隙对混凝土芯样采样质量造成不利影响。若混凝土芯样存在不良采样，将严重影响钻芯法在混凝土强度测试中的应用效果，甚至导致最终混凝土强度测试结果无法达到较高的精度要求。

同时，在进行钻芯作业时，有关人员要根据现场的具体情况以及相应规范来对冷却水流强度进行合理的设定，通常要控制在3L/min左右，如此才能确保混凝土碎片被冲刷干净，从而确保钻芯机工作过程能够顺利进行。值得注意的是，在冷却水量较小的情况下，为避免出现断屑等问题，必须降低钻速。芯样取芯后，将芯样装入芯样盒中应遵守从上到下的原则，芯样编号、取样次数需保证精确。施工人员应对取样地点各项状况予以详尽记录，确保有关人员能及时掌握芯样各方面真实状况。钻芯工作完成后，工作人员应借助照相机将工程名称、孔号、孔深等全部资料保存下来，这样就能及时地找到工程资料，便于后续纠正和回溯工作。

4.3 芯样处理注意事项

有关人员应按照规范要求对混凝土芯样进行加工。从水利工程建设实践来看，在工程使用的混凝土中掺入大量外加剂。因此，必须根据有关规范和施工现场具体情况，对芯样进行处理与养护。根据对不同类型混凝土芯样的处理要求，可适当减小表面切割深度，以10mm以下为宜。在对芯样进行切削加工时不宜采用高速锯切，易导致崩边、断面不均等现象进而影响芯样的性能。此外，芯样处理时应预留一定余量，若发现钻取且处理完成的芯样无法满足混凝土强度测试要求，可应用预留出的芯样余量，再次重复上述芯样处理过程，确保芯样处理与样本可以满足钻芯法检测混凝土强度要求。

5 结语

综上所述，基于钻芯法检测水利水电工程混凝土强度时需要借助芯样抗压试验，利用万能试验机推算混凝土强度推定值，将芯样抗压试验结果与之相比对。同时需要确定应用钻心法检测混凝土强度的不确定度，应用相对标准不确定度评估混凝土强度最终检测结果是否更加接近实际混凝土强度。基于此种实验步骤，结合实际工程案例，得到如下结论：1)钻孔取芯的抗压强度达到35.6MPa，超过事先设定的推定值35.4MPa，满足水利水电工程混凝土设计抗压强度规范要求；2)相对不确定度为4.23%，与实测数据更为接近，证明采用钻芯法进行混凝土的强度检验具有更好的应用前景。

总之，钻芯法在水利水电工程混凝土强度检测中具有精确性高、可靠性高、有效性高等优势，但其在使用过程中仍存在一定的技术局限，为此在今后研究中应积极探索可以规避钻芯法技术局限的混凝土强度检测方法。