钻芯法和回弹法检测隧道衬砌混凝土强度的相关性
时间：2022-12-09 12:55:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
张敬雷
中国国家铁路集团有限公司工程质量监督管理局，北京100844
隧道衬砌混凝土强度合格是铁路建设项目安全质量管理的红线，由混凝土破坏导致结构物报废的事件频发。混凝土强度的影响因素很多，如原材料的厂商和产地，施工期间的养护工艺以及检测强度时的检测方法等［1］。这些因素使测得的混凝土强度在一定范围内产生波动。混凝土强度的波动势必会影响到结构物的稳定及使用年限，对混凝土强度进行检测和监控，是保证隧道或桥梁等大型结构物安全的重要一环。
铁路隧道衬砌混凝土强度检测常采用回弹法和钻芯法。回弹法操作简单，使用条件较宽泛，读取结果较为快速，在工程中回弹法是混凝土强度检测的首选方法［2］，但考虑到碳化、表面浮浆等因素影响，混凝土衬砌存在表面强度低于内部强度的情况，在这种情况下采用回弹法检测是不准确的。而钻芯法则可以弥补这些缺点，检测结果精度很高，可直观反映混凝土强度，但因其局部破坏的检测方式会对结构物产生一定影响，故不能大范围使用［3］。本文在制作试件进行强度试验的基础上，结合工程实例开展回弹法和钻芯法检测对比，为隧道衬砌强度检测提供借鉴。
按照铁路工程隧道衬砌常用混凝土配合比，制作模型试件，对模型按龄期进行回弹、钻芯试验。测得14、28、56、90 d龄期的回弹值，计算混凝土强度推定值，测得28、56、90 d龄期下φ100 mm、高径比为1∶1的芯样抗压强度。通过检测的强度，对比分析强度变化规律及两种检测方法测出的强度之间的关系［4］。
1.1 模型制备
制作强度等级为C35的混凝土模型，尺寸为：250 cm×50 cm×40 cm（模型A）和100 cm×50 cm×40 cm（模型B）。混凝土配合比见表1。
表1 模型混凝土配合比 kg·m-3
水泥为P·O 42.5水泥；
砂子细度模数为2.8；
碎石为最大粒径31.5 mm的级配碎石，级配组成为5~10 mm、10~20 mm、16~31.5 mm，比例为2∶5∶3；
掺和料为F类；
外加剂为SPC-100的聚羧酸高性能减水剂。
1.2 强度试验
在混凝土模型试件上绘制相同大小的检测区域，用于14、28、56、90 d龄期的测试使用。14 d龄期仅开展回弹试验，不钻芯。其余龄期完成回弹试验后，再进行钻芯试验。
1.2.1 混凝土模型回弹法强度测定
使用回弹仪之前需检查检定日期是否在有效期之内，并用钢砧进行率定。试验时，回弹仪轴线需始终垂直于混凝土检测面，双手慢慢施压，不要产生滑动，以确保读数准确。回弹检测共10个测区（10 cm×10 cm），测区距边界5 cm。每个测区有16个测点，间距不小于2 cm。均匀分布的测点可以客观反映检测结果和混凝土的整体情况，碳化深度检测不少于测区数的30%。测区表面为混凝土原浆面，若表面凹凸不平或存在蜂窝麻面则需提前打磨平整。依据TB 10426—2019《铁路工程结构混凝土强度检测规程》进行数据分析与评定。
1.2.2 混凝土模型钻芯法强度测定
采用DD200型钻石钻孔系统取样，在混凝土龄期28、56、90 d当天完成回弹测试，并在同一个测试截面上，钻取直径为100 mm的混凝土芯样进行抗压强度试验。按照龄期分格进行取芯，每一龄期取芯2组，共计6根芯样，通过切割、打磨，制取高径比为1∶1的混凝土试件。为避免客观或人为因素导致结果的不确定性，采用同一钻机，由固定人员进行取芯、加工芯样。
2.1 芯样抗压强度与回弹法抗压强度
本次试验的2组共6根芯样试件抗压强度结果一致性较好，取2组试件强度测试值的平均值作为某龄期对应的立方体抗压强度，试验结果见表2。
表2 不同龄期下混凝土模型芯样抗压强度
芯样抗压强度和龄期的关系曲线见图1。可知，模型混凝土到达28 d龄期后，强度仍有较大幅度增长，成对数曲线关系，相关系数R2为0.99。28~90 d期间，强度增长了9.7 MPa，增长17.8%；
与56 d龄期相比，90 d龄期强度增长了4.9 MPa，增长8.2%。
图1 芯样抗压强度-龄期关系曲线
根据TB 10425—2019《铁路混凝土强度检验评定标准》，钢筋混凝土、素混凝土的强度评定龄期宜采用56 d或更长龄期。当设计文件对混凝土强度评定的龄期有具体要求时，应按照设计规定执行。“宜采用56 d或更长龄期”考虑了标准的协调性。监督检测或红线检查中，按TB/T 3275—2018《铁路混凝土》第5.4.1条执行是可行的，可按90 d龄期检测铁路混凝土的抗压强度。
采用回弹法推定混凝土抗压强度，结果见表3。
表3 回弹法推定混凝土抗压强度
2.2 两种方法检测强度对比
回弹法与钻芯法检测强度前者小于后者，模型28、56、90 d龄期的强度差异为6.8~9.0 MPa。回弹法与钻芯法检测强度的对比见图2。
图2 回弹法与钻芯法检测强度的对比
为满足泵送混凝土的施工要求，需要添加一定量的外加剂，同时掺和粉煤灰等。凝胶材料比例增加，表面强度降低，再加上碳化深度等因素影响，导致回弹法测出的强度值偏低。
综上所述，回弹法操作简单，可快速测得混凝土强度，其应用场景较多，适合结构物强度普查。但采用回弹法检测混凝土强度时，不能仅仅依靠回弹值推定其强度是否合格，针对强度有疑问的区域，应采用钻芯法验证，以确保结构物强度检测评价客观准确［5］。
为研究回弹法在工程质量监督检测中的可实施性，对部分在建铁路开展隧道衬砌混凝土钻芯法与回弹法对比检测。对8条铁路105板隧道衬砌混凝土进行了对比检测，在钻芯检测前，对同一板混凝土先进行回弹法测试，每板混凝土布置10个测区，钻芯孔位与回弹测区尽量保持一致。所选隧道衬砌混凝土覆盖西南和华南地区，包括四川、云南、江西、福建四省，具有一定的代表性。检测数据处理按照TB 10426—2019的相关规定进行。
隧道衬砌边墙钻芯检测105组，共315根芯样。在钻芯处提前进行回弹检测，每组检测10个测区，其中有75组共计225根芯样孔位与回弹测区重叠，共有225对有效数据。剔除回弹法推定混凝土抗压强度大于60 MPa的数值，对剩余195对数据进行线性拟合（图3），线性拟合公式为f=0.515 8fR+22.411 8，决定系数为0.124 0。
图3 隧道衬砌回弹法与钻芯法检测强度关系
由图3可知：回弹法检测强度fR与钻芯法检测强度f成正相关关系，但数据分布较为离散，相关性较小。105组数据中，计算所有构件回弹法混凝土强度推定值的平均值为43.3 MPa，芯样抗压强度平均值为46.8 MPa，钻芯法检测强度略高于回弹法。以上105组数据覆盖8条新建线路，具有一定的代表性。
通过模型试验与工程实例，分析钻芯法与回弹法检测的混凝土强度相关性，从强度随龄期的增长规律、芯样抗压强度与回弹法推定混凝土强度关系等方面进行了分析。主要结论如下：
1）回弹法推定混凝土强度与芯样抗压强度成正相关关系，前者小于后者。对建设过程中的混凝土强度采用回弹法普查，有怀疑或争议时应进行钻芯法验证。
2）从钻芯法与回弹法检测强度相关性来看，工程对比的105板隧道衬砌的钻芯法与回弹法检测强度相关性较小，离散性较大。监督检测是抽样检验，不属于质量普查，检测结论应明确，宜采用钻芯法进行混凝土强度检测。
3）考虑冬季施工及混凝土强度发展规律等因素，为保障工程质量且避免争议，在工程质量监督检测中，隧道衬砌混凝土按90 d龄期进行强度检测是合理的。
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