钻芯法检测混凝土抗压强度在建设工程中的探讨和应用

钻芯法检测混凝土抗压强度在建设工程中的探讨和应用
收稿日期:2001203220
作者简介:刘丽君(1964-),女,工程师,主要从事建筑工程质量监督检测工作。

四川建筑科学研究
BU ILDIN G SCIENCE RESEARCH OF SICHUAN
第27卷　第4期2001年12月
刘丽君
(乐山市建设工程质量监督站,四川乐山　614000)
摘　要:混凝土的主要质量指标是以标准试件的抗压强度为依据的,但在施工过程中,由于管理不严造成或怀疑预留的试块强度不能代表结构混凝土的实际强度,以及由于某种意外事故可能影响混凝土质量时,可采用钻芯法检测和推定混凝土强度,作为结构混凝土合格性评定及验收依据。

关键词:钻芯法;检测;混凝土;强度
中图分类号:TU528.07 文献标识码:B 文章编号:1008-1933(2001)04-0068-03
1　引言
混凝土是当代建设工程中最主要的结构材料之一。

由于混凝土要进行配料搅拌、浇筑、振捣、养护,所以每一个环节稍有不慎都将影响其质量,甚至危及整个房屋结构的安全。

因此,加强混凝土的质量监测和控制是预防建设工程质量事故的重要环节。

2　钻芯法的形成和发展
试件抗压强度试验在全世界已延用80多年,成为混凝土与钢筋混凝土结构设计、施工及验收的基本依据。

但是,我们应该清楚地认识到,混凝土标准试件的抗压强度对结构混凝土来讲是一种间接测定值。

由于试件的成型条件、养护条件及受力状态都不可能和结构物上的混凝土完全一致,有时还相差甚远,因此,试件测定值只能被认为是混凝土在特定条件下的性能反应,而不能代表结构混凝土的真实状态。

从20世纪30年代初起,人们就开始探索和研究混凝土无损检测方法,并获得迅速发展。

前苏联1956年就开始利用钻取的芯样评定道路和水工工程混凝土的质量,并于
1967年颁布了钻取芯样方法的国家标准。

丹麦在道路建筑
规程中要求,每3000m 2混凝土路面必须钻取一个以上的<150mm ×300mm 的芯样进行试验,以检测其抗折强度。

美、英、德等国分别制定了钻取混凝土芯样进行强度试验的标准,国际标准化组织也提出了“硬化混凝土芯样的钻取检查及抗压试验”国际标准草案(ISO/DIS 7034)。

我国是从20世纪80年代开始研究现场检测混凝土抗压强度并使其标准化,于1988年颁布了《钻芯法检测混凝土
强度技术规程》(CECS03∶88)。

现在这一方法已在结构混凝
土质量检测中得到普遍的应用,并取得了明显的技术经济效益。

3　钻芯法的特点及适用范围3.1　混凝土无损检测方法的分类
混凝土强度无损检测方法根据原理可分为:半破损法;非破损法(回弹法和超声波法);综合法(超声回弹综合法、超声钻芯综合法等)。

半破损法以不影响结构或构件的承载能力为前提,在结
构或构件上直接进行局部破坏性试验,或直接钻取芯样进行破坏性试验,然后根据试验值与结构混凝土标准强度的相关关系,换算成标准强度换算值,并据此推算出强度标准值。

钻芯法就是其中一种,属于此类方法的还有拔出法、板折法、射击法等。

3.2　钻芯法的特点
钻芯法的特点是以局部性破坏试验获得结构中混凝土的实际抵抗破坏的能力,用钻芯法检测混凝土的强度、裂缝、接缝、分层、孔洞或离析等缺陷,具有直观、精度高等特点。

3.3　钻芯法适用范围
在正常生产情况下,混凝土结构应按“混凝土结构工程施工及验收规范”的要求,制作立方体标准试块,在标准温度、湿度、标准龄期条件下进行混凝土强度的评定和验收。

只有在下列情况下才可以进行钻取芯样检测其强度,并作为处理混凝土质量事故的主要技术依据:
(1)对立方体试块的抗压强度产生怀疑。

其一是试块强
度很高,而结构混凝土的外观质量很差;其二是试块强度较低,而结构外观质量较好,或者是因为试块的形状、尺寸、养护等不符合要求,而影响了试验结果的准确性。

(2)结构中混凝土因水泥、砂石质量较差,或因施工、养
护不良发生了质量事故。

(3)采用超声、回弹等非破损法检测混凝土强度,其测试
前题是混凝土的内外质量基本一致,否则会产生较大误差。

因此,在检测部位的表层与内部的质量有明显差异,或者在使用期间遭受化学腐蚀、火灾,硬化期间遭受冻害的混凝土均可采用钻芯法检测强度。

(4)使用多年的老混凝土结构,如需加固改造或因工艺
流程的改变,荷载发生了变化,需要了解某些部位的混凝土强度。

(5)对施工有特殊要求的结构和构件,如机场跑道等。

钻芯法检测混凝土质量除具有直观、可靠、精度高和应
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用广外,也有如下局限性:
(1)钻芯时对混凝土结构造成局部损伤,因而,对于钻芯位置的选择及钻芯数量等均有一定限制,而且它所代表的区域是有限的。

(2)钻芯机及芯样加工配套机具与非破损测试仪器相比,较笨重,移动不够方便,测试成本也较高。

(3)钻芯后的孔洞需要修补,尤其当钻断钢筋时,更增加了修补工作的困难。

(4)混凝土的龄期过短或强度没有达到10MPa时,钻出的芯样表面较粗糙,甚至很难取出完整芯样,无法保证检测结果的准确性。

4　钻芯机具及配套设备的种类
4.1　钻芯机的分类
在混凝土结构的钻芯或工程施工钻孔中,考虑到被钻混凝土的强度等级、孔径大小、钻孔位置以及操作环境因素变化很大,国外设计生产了轻便型、轻型、重型和超重型四种类型的钻芯机。

而我国目前来看,有轻型和轻便型两种钻芯机,型号有GZ-1120型、J XZ-83-1型和HZQ-100型。

4.2　钻芯机的配套设备
钻芯机的配套设备有芯样切割机和磁感仪。

芯样切割机把芯样加工成具有一定尺寸的抗压试件;磁感仪又名混凝土保护层测定仪,功能是用来测定混凝土中钢筋、预埋铁件或电线等金属物品的准确位置,保证取芯工作的顺利开展,是取芯工作必备的配套仪器。

5　芯样钻取技术
5.1　钻头直径的选择
根据检测目的选择适宜尺寸的钻头。

当钻取的芯样是为了进行抗压试验时,芯样直径为混凝土中粗骨料粒径的3倍;在钢筋过密或取芯位置不允许钻取较大芯样的特殊情况下,芯样直径可为粗骨料粒径的2倍。

在建筑工程中的梁、柱、板、基础等现浇混凝土结构中,粗骨料粒径一般为5～40 mm,所以,内径为100mm或150mm的钻头可满足要求。

如取芯是为了检测混凝土内部缺陷或受冻害、腐蚀的深度,则钻头直径的选择可不受粗骨料最大粒径的限制。

5.2　钻芯数量的确定
取芯的数量应视检测的目的而定。

进行强度检测时,可分成以下两种情况:
(1)单个构件进行强度检测时,在构件上的取芯数量一般不少于3个。

当单个构件的体积或截面较小,取芯过多会影响结构承载力时,可取2个。

(2)为了对构件某一指定的局部区域的质量进行检测,取芯数量应根据这一区域的大小而定。

如某一区域遭受冻害、火灾、化学腐蚀或出现质量可疑等情况,这时检测结果仅代表取芯位置的质量,不能据此对整个构件或结构强度作出整体评价。

至于为了检查内部缺陷的取芯试验,更应视具体情况而定取芯数量。

5.3　钻芯位置的选择
(1)钻芯时会对结构混凝土造成局部损伤,因此,钻芯位置应尽量选择在结构受力较小的部位。

(2)在一个混凝土构件中,由于受施工条件、养护情况及不同位置的影响,混凝土各部分强度并不是均匀一致。

因此,钻芯位置的混凝土强度应具有代表性。

(3)在使用回弹、超声或综合等非破损方法与钻芯法共同检测结构中混凝土强度时,取芯位置应选择在具有代表性的非破损测区内,这样才能建立起非破损测试强度与芯样抗压强度之间的良好对应关系。

(4)在钻芯过程中,应设法避开钢筋、预埋铁件或金属物品,以免损坏钻头或给钻孔修复工作带来困难。

6　钻孔的修补
混凝土结构经钻孔取芯后,对结构的承载力会产生一定影响,应及时进行修补。

修补前应尽量凿毛,并应清除孔内污物,以保证新老混凝土的良好结合。

在一般情况下,可采用以合成树脂为胶结料的细石聚合物混凝土;也可采用微膨胀水泥细石混凝土,修补的混凝土强度等级应比原设计提高一个强度等级,并应在修补后注意养护;也可采用预先制作的圆柱体试件放入钻孔中,然后用环氧树脂灌满缝隙。

在钻孔中如果切断了钢筋,在孔洞修补之前应先用同直径、同钢号的钢筋进行补焊。

7　芯样试件抗压试验及强度计算
7.1　芯样试件抗压试验
芯样试件加工修补完成后,应检测平均直径、高度、垂直度和平整度等几何尺寸,只有在这些尺寸符合规范要求时方能进行抗压试验。

芯样试件的抗压试验按现行国家标准《普通混凝土力学性能试验方法》(G BJ181—85)中的立方体试块抗压试验方法进行。

由于芯样的含水量对抗压强度有一定影响,结合国外的经验,我国规程规定,抗压试验分为潮湿状态和干燥状态两种试验方法。

按干燥状态进行试验时,芯样试件在受压前应在室内自然干燥3天;按潮湿状态进行试验时,芯样试件应在20℃±5℃清水中浸泡40～48小时。

至于选择何种试验方法,应视混凝土结构的位置和周围环境状态而定,一般建筑物的梁、板、柱是在干燥状态下工作的,地基基础、桩等是在潮湿状态下工作的。

7.2　抗压强度计算及混凝土强度推定
7.2.1　抗压强度计算
芯样试件的抗压强度等于试件破坏时的最大压力除以截面积,截面积用平均直径计算。

在《混凝土结构施工及验收规范》(G B50204—92)中,是以边长为150mm立方体试块的强度作为混凝土强度验收与评定的标准。

因此,芯样强度必须换成立方体试块的强度。

由于尺寸效应的影响,由非标准尺寸圆柱体(芯样)试件强度换算成标准尺寸立方体试件强度时,必须进行两次换算:(1)由非标准圆柱体试件强度换算成标准圆柱体试件强度;(2)由标准圆柱体试件强度换算成标准立方体试块强度。

钻芯法规程规定:以直径100mm,高径比为1的圆柱体作为标准试件,其他直径或高径比的芯样则为非标准试件。

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　2001No.4刘丽君:钻芯法检测混凝土抗压强度在建设工程中的探讨和应用
经大量实践证明,标准圆柱体试件抗压强度与边长为150
mm 立方体试块强度基本上是一致的。

因此,由非标准圆柱
体试件强度换算成标准立方体试块强度时,只要换算成标准圆柱体试件强度就可以了。

7.2.2　混凝土强度推定
在外力作用下,结构中混凝土的破坏一般都是首先出现在最薄弱的区域。

为了结构安全起见,对于单个构件或单个构件的局部区域,取几个芯样换算强度中的最小值作为该构件的强度代表值。

8　影响芯样抗压强度的因素
(1)芯样中含有钢筋。

芯样在进行抗压试件时,其轴向
方向承受压力,因此不允许与轴线相互平行的钢筋存在。

对于与轴线垂直的钢筋,各国标准的规定很不一致。

国际标准规定,芯样应不带或基本不带有钢筋。

前东德标准规定,直径<100mm 的芯样试件允许芯样中有一根直径小于14mm 并与轴线垂直的钢筋,钢筋与最近端面的距离至少应为30
mm 。

国内一些单位经过试验认为:当难以避开钢筋时,最多
允许有2根小于10mm 且不靠近端面的钢筋,否则会影响抗压强度。

据试验结果统计,芯样中含有直径10mm 以下的钢筋与不含钢筋的混凝土抗压强度相差6%左右。

(2)钻机、锯切机等设备的质量及操作工艺。

(3)芯样直径的大小、高径比、端面平整度、端面与轴线
间的垂直度。

(4)芯样的密实度和含水率。

强度等级高的混凝土强度
降低较少,而强度等级低的混凝土强度降低较多。

含水愈多则强度愈低。

泡水之后的芯样比自然干燥芯样强度下降
7%～22.1%,平均下降14%左右。

9　工程应用
乐山师范学院教学楼面积为7200m 2,全框架结构,6层,混凝土强度设计等级:1～3层柱为C35,4～7层柱和1～
7层梁为C30。

该工程所用水泥是峨眉水泥厂的425#普通
硅酸盐水泥。

当工程施工至5层时,发现3层阶梯教室大梁出现裂缝,经检查,4层和5层的一些梁、柱也有裂缝。

经查阅资料,2层、3层、4层梁28天以上龄期的混凝土试块强度分别为513MPa ,4.4MPa ,10.2MPa ;3层、4层、5层柱28天以上龄期的混凝土试块强度分别为40MPa ,9.3MPa ,
2810MPa 。

为了查明混凝土构件出现裂缝原因和混凝土构
件的真实强度,一方面将水泥送省检测中心化验;另一方面对45根柱、10根梁进行回弹测强。

当水泥化验报告出来后,得知水泥安定性不合格,回弹法测试结果不能作为处理质量事故的依据。

我们又采用钻芯法对4层、5层的4根柱进行钻芯取样,4根柱的混凝土强度推定值分别为
2418MPa ,2919MPa ,34.4MPa ,35.0MPa 。

结果表明:4层柱
不满足设计要求,5层柱满足设计要求。

根据水泥化学分析报告结果和混凝土构件钻芯取样测试结果断定,该工程混凝土构件的质量事故是因水泥安定性不合格引起的。

本着对广大学生的生命安全负责,经各方研究,慎重作出决定,该教学楼拆至1层重建。

10　体会
由于钻芯法要造成结构或构件局部破坏,不宜在同一结构中大面积使用,应结合其他非破损方法(如回弹法和超声法)使用。

一方面利用非破损方法检测混凝土的均匀性,以减少钻芯数量;另一方面又利用钻芯法来校正非破损法的检测结果,以提高可靠性,使二者相辅相成。

(上接第67页)
[2]　李建勇,等1利用超细矿渣和硅灰配制高性能混凝土的研究
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重庆建筑大学硕士学位论文,19981
[4]　孟志良1大掺量粉煤灰混凝土改性的初步研究[D ].重庆建筑
大学硕士学位论文,19991
The role of superf ine blast 2f urnace slag in the admixture
with high content of fly ash
HUAN G Yu 2bin ,CHEN Jian 2xiong
(Department of Materials Science and Engineering ,Chongqing Jianzhu University ,Chongqing 400045,China )
Abstract:There is some disadvantages of concrete with high content of fly ash ,such as its early strength is low.This study show that it is an effective measure to improve comprehensive properties of the system including high content of fly ash by using superfine blast 2furnace slag to replace some part of fly ash.Furthermore ,the optimum proportion of fly ash is advised.The advantage of the combined system is studied by means of SEM and XRD.
K ey w ords :high content of fly ash ;superfine blast 2furnace slag ;analyses of microstructure
07 四川建筑科学研究
第27卷。