后装拔出法快速检测混凝土强度技术.docx

后装拔出法快速检测混凝土强度技术吕文晓1 ，王孝红2 ，陈春兰1 ，黄志义2( 1. 杭州科技职业技术学院，浙江 杭州310012;2. 浙江大学交通工程研究所，浙江 杭州310058)摘 要: 文章归纳和比较国内外混凝土测强技术，讨论后装拔出法检测混凝土强度技术特点及关键，为建立区域混凝土测强曲线提供借鉴。关键词: 混凝土; 后装拔出法;测强曲线文献标识码: b中图分类号:u44于成批、连续生产的混凝土构件，但无法随时随地对结构混凝土进行现场检测，灵活性不高。后装拔出法 是指在已硬化的混凝土表面钻孔、磨槽、嵌入锚固件 并安装拔出仪进行拔出试验，测得极限拔出力，根据 预先建立的拔出力与混凝土强度之间的相关关系推算 混凝土强度。与前几种检测方法相比，后装拔出法具 有如下优点:引言在建筑领域中，随着各种基础设施的大面积建 设、已有结构物使用年限的不断增加，以及工程质量 安全问题的频频发生，对既有混凝土结构强度检测日 显重要。因此，发展和完善混凝土结构检测技术，定 期评估已有结构物的安全性能，对控制工程的质量， 减少人员伤亡和经济的巨大损失具有重要的意义。混凝土抗压强度是混凝土检测中最重要指标，我 国现有混凝土强度检测方法有回弹法、超声法、钻芯 法、拔出法以及上述基本方法组合而成的超声回弹 法等。回弹法是通过回弹仪测定混凝土表面硬度来推断 混凝土强度的方法，但受混凝土表面炭化层及混凝土 级配影响，虽然它具有简便、灵活、快速等特点，但 精度相对较差; 超声回弹法是同时利用混凝土表面的 回弹值和超声波在混凝土中的传播速度 2 个参数来推 断混凝土强度，能全面反映结构混凝土的质量。但 是，由于检测数据受到碳化深度、混凝土成分和检测 人员操作水平等影响大，因此，检测数据的准确性和 稳定性有待进一步提高。钻芯法是利用钻机在混凝土构件上直接钻取芯 样，做必要处理后进行抗压强度的测定。它的优点在 于不需要进行物理量与抗压强度之间的转化，被普遍 认为直接、可靠和准确的方法，特别适用于龄期超过 数年的长龄期混凝土或遭受冻害、火灾、化学腐蚀等 受损构件的检测。但由于测强的劳动强度大，取芯对 结构造成一定的局部损伤，不适用于批量检测等缺点 的存在，限制了该检测方法的进一步推广和应用。拔出法是介于无损检测和取芯法之间的一种方 法，包括预埋拔出和后装拔出两种检测形式。预埋拔 出法是指将锚固件预先埋入混凝土中的拔出法。适用1( 1)拔出法所测定的拔出力和混凝土强度之间有良好的线性相关性，大大提高了测强精度，尤其适用于高强混凝土的强度检测。( 2)快速、简便、灵活: 可随时对既有结构的混疑土在任何部位进行质量检测，并且检测速度快、操作方便。( 3)直观、准确、可靠: 从拔出局部破坏面上，可直接看到混凝土的骨料、砂浆情况及其拌和浇捣好坏情况，能较真实地反映混凝土结构各部位的实际强 度，且测试灵敏度较高。( 4)微破损检测: 混凝土结构表面破损不会影响结构强度。鉴于混凝土强度检测的重要性和必要性，以及后 装拔出法检测混凝土强度的诸多优点，本文讨论后装 拔出法检测技术特点和关键，为进一步完善后装拔出 法检测技术提供技术借鉴。拔出法混凝土测强技术现状和发展趋势国外研究现状早在 20 世 纪 30 年 代， perfiliefc 将 一 根 直 径22. 112mm 的钢筋杆埋入混凝土中，埋深为 15cm，待混凝土完全硬化后，拉拔钢筋杆时，只拔出钢筋，而未能 拔出混凝土块体，分析结果表明拔出力和混凝土抗压 强度的相关关系不好，原因是这种试验的破坏形式是 钢筋和混凝土交界面的粘结破坏而不是混凝土本身强250 2011 年 10 期( 总第 82 期)公式，根据混凝土抗压强度与抗剪强度比较接近的试验结果，他指出拔出试验是对混凝土抗剪强度的直接 检测，并比较了各种测试方法的优缺点。1970 年，kierkegaard hansen 发明了拔出试验 相关设备并申请美国专利。在专利中并没有给出设备 的具 体 尺 寸， 只 是 要 求 截 头锥形体的夹角不小 于 60。1985 年，日本的小阪义夫对拔出法研究取得了 成果，他在拔出法试验中所得的结论: 计算拔出力时 忽略锚固件的滑移，则混凝土强度的推定精度，预埋 法比后装法高; 提高锚固件的安装精度，而且在准确 地测定锚固件滑移量的情况下进行强度推定，后装法 也能得到相当准确的混凝土推定强度。到 20 世纪 80 年代，拔出法得到了很多国家的技 术标准组织的认可，一些有影响的技术标准组织将拔 出试验列为标准试验方法。这些标准有: 国际标准化 组织 iso / dis 8064 “硬化混凝土-拔出强度的测定”; 丹麦标准化局 ds 423 31 “硬化混凝土-拔出试验”; 瑞典标准化委员会 ssl3 72 38 “硬化混凝土-拔出试 验”; 美国材料试验学会 astm c900-82 “硬化混凝土 拔出强 度 标 准 试 验 方 法”; 挪 威 标 准 化 局 ns 3679 “混凝土试验-硬化混凝土-拔出试验”。1996 年，w. rpric 和 j. phynes 对高强混凝土进 行拔出试验，得到强度在 35 105mpa 混凝土拔出力 和抗压强度之间的回归关系。arazoe，m，ito，y 等人开发了一种新的后装拔出 法检测混凝土强度的拔出实验装置，即切开一条窄的 圆形槽，安装轴承环。为了检验此方法的可应用性， 做了一些实验。结果表明，即使在混凝土表面粗糙的 条件下，该法也有良好的结果。度的破坏。随后，前苏联中央工业建筑研究所的 skramtajew 将一根带有直径为 12mm 球形端头的钢筋埋入混凝土 中，锚固深度为深度为 48mm ( 包括端头 l0mm) ，待 混凝土完全硬化后，通过测量拔出钢筋所需的拔出力 来推测混凝土强度。skramtajew 发现对锚固件施加拔 出力时，混凝土受到拉应力和剪应力的作用，被拔出 的锥形破坏体的夹角 ( 2) 近似 90。由于反力环的 直径足够大，反力并没有传给锥形破坏体，破坏锥形 体的直径在 100 120mm 之间。对于强度低于 10mpa 的混凝土，拔出力与混凝土强度成正比关系。1938 年，b. g. skramtajew 在总结前人经验的基 础上提出了后装拔出法的设想: 在测试点上钻一个 孔，再用快硬高强砂浆灌缝，几天后进行拔出试验。 他又指出必须保证砂浆和锚杆的粘结强度，以致可以 拔出一个锥形的混凝土小块体，而不是砂浆和锚杆的 粘结面破坏。1944 年，美国人 tremper 也报道拔出法的研究成 果。实验中采用的锚固件端头为圆柱体 ( 端头直径19mm) ，反力环直径为 152mm。他对不同龄期、不同 水灰比、不同粗骨料的混凝土进行了大量的预埋拔出试 验，并最后得出拔出力与抗压强度之间的线性关系式。在上世纪 40 年代，日本也有许多学者投入到了 预埋拔出法的研究中，他们采用的锚固件和反力支承 的尺寸各自不同，因而得到不同的拔出力与抗压强度 的回归公式。1962 年，kierkegaardhansent 对拔出试验的最 优参数进行研究以探索预埋拔出法成为标准试验方法 的可能性。他选用的锚固件的锚头是一个圆盘，直径 为 25mm，埋深为 25mm。他最初的试验选用的反力 支承内径相当大，随后通过不断缩小反力支承半径以 期得到预料的试验结果，最终选定合理的反力支承内 径为 55mm，这就是著名的 lok 试验。上世纪 70 年代中期，aci 成员 malhotra 也进行 了 2 次预埋拔出法试验，他选用的锚固件和反力支承 的尺寸为 lok 试验的 2 倍，并引入了抗拔强度的概 念: 抗拔强度 = 拔出力 / 破坏面面积。他的第一次试 验是对不同配合比和不同龄期的混凝土进行拔出试 验，由于试验数据较少没有得到拔出力和混凝土抗压 强度的回归公式，但这次试验得到了一个结论: 混凝 土的强度不同，其抗拔强度和抗压强度的比值也不 同，然而随着龄期增长这种比值没有很大的变化。第 二次试验得出了不同龄期混凝土的抗拔强度与圆柱体 抗压强度、钻芯强度、回弹值、超声波速之间的回归国内研究现状我国对于拔出法检测混凝土强度的研究起步较 晚，但发展速度较快。1985 年，在铁建所混凝土室 与中间试验基地的密切配合下，铁道部科学研究院参 照丹麦 germann aps 公司研制成功的 lok test 和 capo test 的两用拔出试验仪，研制出适合中国实 际的 tyl 型混凝土强度拔出试验仪和全套后装拔 出试验设备。之后又根据 i 型拔出仪存在的问题，设 计出改进的 tyl 型拔出仪，其各项性能已达到甚 至超过 lok 仪的技术水平。同时通过反复试验得到2. 2最为合理和切合实用的试验细部形状和尺寸:25mm，h = 25mm，2 = 62。自 1987 年起，中建一局科研所也开展大量拔出 法检测技术方面的研究工作，试制出一套方便、适用d =2011 年 10 期( 总第 82 期) 251桥隧工程的电动拔出仪，从试验的几何参数和混凝土本身性质两方面对影响拔出力的因素进行了全面的探讨。1994 年，中国建筑科学研究院结构所、哈尔滨 建筑工程学院和北京市建筑工程总公司共同研制了后 装拔出法的成套设备，并制定了适合中国实际的各种 几何尺寸。在铁道部科学研究院研究成果的基础上最 终形成了我国 后装拔出法检测混凝土强度技术规( 1)现有研究多集中于后装拔出法在普通混凝土强度检测中的应用，对于其在高强混凝土强度检测中的应用研究几乎空白。( 2)现有研究建立的地方后装拔出法检测混凝土强度的测强曲线都是通过短龄期的混凝土试件加载试验而得，关于龄期对测强曲线影响的研究甚少。( 3)在拔出力与混凝土抗压强度相关性方面的程 ( cecs69:94)研究较多，对于拔出试验时混凝土的破坏机理研究较少。对不同强度等级和不同龄期混凝土试块的拔出力和抗压强度数据。此后，福建省建筑科学研究院根据福建省的实际 情况，通过大量试验，最终制定了 后装拔出法检 测混凝土强度技术规程 福建省地方标准。浙江大学金南国老师与学生陈光勇一起对胶粘拔 出法检测混凝土强度进行了研究，并继而与学生宋容 光一起研究了胀栓拔出法在混凝土强度检测中的应 用。东北林业大学陶红艳在对影响后装拔出法检测混 凝土强度的因素进行分析的基础上，通过对不同强度 等级、不同龄期的混凝土试块进行拔出和抗压测试并 进行数据分析，最终分别建立了哈尔滨和牡丹江两地 后装拔出法检测混凝土强度的测强曲线。王宇新通过 对山西省 6 个地区所采集到的试验数据的分析、整理 及计算回归，初步建立了后装拔出法检测混凝土抗压 强度技术山西省地方曲线。王莉、赵考重和孙晓波通 过 36 组混凝土试块的立方体抗压和拔出试验。经过 回归分析，得到了山东省济南地区后装拔出法检测矿 渣水泥混凝土强度的测强曲线。于天来、耿立伟、张 宏祥等人通过后装拔出法及混凝土抗压强度对比试 验，采用单因素方差分析法。分析了粗骨料粒径对后 装拔出法检测混凝土抗压强度影响的显著性，得出粗 骨料粒径对拔出力和混凝土抗压强度有显著影响的结 论; 通过统计分析，建立了粗骨料粒径与后装拔出法 拔出力间的相关关系，得出单粒级配粗骨料最大粒径 越大，相应的拔出力有减小趋势以及连续级配粗骨料 最大粒径越大，拔出力有增大趋势的结论; 提出了采 用综合修正系数，来修正后装拔出法测定的混凝土抗 压强度的概念，以考虑不同粒径对混凝土抗压强度的 影响。( 4)由于地域环境、材料特性和结构类型和施工技术的差异性，通用测强曲线很难完全以满足不同地区实际工程需要。已有少数地区建立了后装拔出法 检测混凝土强度的测强曲线，并在逐步完善和应用。 有必要建立更多地区后装拔出法混凝土测强曲线，形 成地方标准，以加大后装拔出法检测技术的推广应 用，推动混凝土结构检测事业快速、规范化发展。需要解决的问题综合国内外后装拔出法检测技术方面的相关研究 及应用状况，建立区域测强曲线需要从以下几方面进 一步开展相关试验研究。3. 2( 1)调查区域常用水泥混凝土类型的原材料种类及特点。调查区域不同类型工程所用水泥混凝土的原材料种类，包括混凝土强度等级、水泥品种、粗集 料、细集料、外加剂、水灰比等，选择用途较广、代 表性较强的原材料种类作为本试验材料。( 2)制定不同强度等级、不同龄期和不同原材料的混凝土试件，经标准养护后进行拔出力和抗压强度测定。制作不同强度等级、不同龄期和不同原材料 的混凝土试块，进行标准养护，并按要求进行拔出力 和抗压强度试验，测定拔出力和抗压强度。( 3)建立适合浙江省的后装拔出法检测混凝土强度的测强曲线。按 后装拔出法检测混凝土强度技术规程 ( cecs69:94)对不同强度等级和不同龄期混凝土试块的拔出力和抗压强度数据进行筛选，剔除可疑数据，对剩余数据进行线性回归，建立后装拔 出法检测混凝土强度的测强曲线，并进行误差分析。( 4)分析混凝土龄期、水灰比和骨料粒径等对后装拔出法测强曲线的影响。对不同原材料的混凝土试块的试验数据进行对比分析，确定它们对测强曲线 影响的显著程度。后装拔出法混凝土测强技术思考33. 1 存在的问题长期以来，国内外对于后装拔出法进行了大量的 研究工作，取得了丰硕的成果，在一定程度上推动了 后装拔出法检测技术的发展。但是，这些工作尚存在 以下不足:( 5)进行混凝土拔出破坏的受力分析和破坏机理研究。通过破坏试验和有限元软件数值模拟，对后装拔出法检测混凝土强度时混凝土破坏的受力进行分 析，进一步探讨破坏机理。252 2011 年 10 期( 总第 82 期)( 6) 通过实体工程验证测强曲线的适用性和检测数据的准确性，进一步完善研究成果。寻找不同结 构类型、不同龄期 ( 包括在建和已建) 、不同混凝土 强度等级、具有代表性的实际工程进行混凝强度检 测，验证测强曲线的适用性和检测数据的可靠性，根 据实际应用情况对研究成果进行补充和完善。3. 3 技术方法与关键( 1) 运用最小二乘法原理回归分析试验数据， 建立后装拔出法检测混凝土强度的测强曲线。最小二 乘法是通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数 匹配的一种数学优化技术。现有研究表明，混凝土试 块的拔出力和抗压强度之间存在很强的线性相关性， 本项目在前人研究的基础上，按最小二乘法原理回归 分析试验数据，并进行误差分析，最终建立适合浙江 省的后装拔出法检测混凝土强度的测强曲线。( 2) 通过计算极差及方差，分析各主要影响因素 对测强曲线影响的显著程度。极差是指一组数据中的最大数据与最小数据的差，用来刻画一组数据的离散 程度。方差是指各数据与样本数据的差的平方和的平 均数叫做样本方差，用以衡量一组数据的波动大小。运用极差和方差分析可以把试验过程中由于试验条件 的改变所引起的数据波动与试验误差所引起的数据波 动严格区别开来。本项目利用极差和方差相结合的方法，分析各主要因素的变化对试验结果的影响程度。( 3) 试验和有限元数值模拟相结合的方法分析 混凝土拔出破坏的受力情况和机理。有限元软件数值 分析是对试验过程和结果的理想化模拟，试验是对数 值模拟结果的实际验证。本项目利用试验和有限元数 值模拟相结合的方式，进行混凝土拔出破坏的受力分 析和破坏机理研究。nc2( fcu，i / fcu，i 1)i = 1( 2)er = 槡 100%n 1式中: er 相对标准差; fcu，i 第 i 组立方体试块抗压强度代表值 ( mpa) ，精确至 0. 1mpa;第 i 个拔fccu，i出试件的拔出力计算值 fi 按公式( 1)式计算的强度换算值 ( mpa) ，精确至 0. 1mpa; n建立回归方程式的试块 ( 试件) 组数。( 4)通过上述计算建立的测强曲线，仅限于在建立回归 方程所试验的混凝土强度范围 内，不 能外推。结语( 1) 与普通混凝土相比，高强混凝土有着明显 的技术优势。可以预见，随着我国基础建设规模的不 断扩大、政府相关政策的深入实施、对混凝土耐久性 要求的不断提高以及工程设计理念的创新变革，高强 混凝土势必将得到更多、更广泛的应用。基于此，本 项目将后装拔出法在高强混凝土强度检测中的应用纳 入研究范围之中，弥补了国内在这方面研究的空白， 扩大后装拔出法的应用范围，推动高强混凝土检测技 术的发展。( 2) 引入极差和方差的概念，对分析和整理试 数据主要影响因素 ( 突出龄期) 对后装拔出法检测 混凝土强度测强曲线的影响程度，以提高其准确性。5( 3)结合有限元软件数值模拟的手段，进行混凝土拔出破坏时的受力分析和机理研究，可望为解释混凝土拔出破坏与强度关系，进而为试验仪器的改进 和试验数据分析提供重要技术依据。参考文献:混凝土测强曲线建立步骤已有研究表明，混凝土试块抗压强度和拔出力之 间存在较强的线性关系，因此，通常按如下步骤对试 验数据进行处理，得到混凝土测强曲线。( 1) 将每组混凝土立方体试块的抗压强度代表 值和试件的拔出力计算值汇总，按最小二乘法原理进 行回归分析。412cecs69: 94，后装拔出法检测混凝土强度技术规程skramtajew，b g “termining strength for control of concrete in structures，”r