小直径芯样检测混凝土强度技术研究综述
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摘要：钻芯法是一种具有较高精确度的混凝土强度检测方法，但对小直径芯样按照相关标准推算出来的混凝土强度离散性很大。本文在分析了小直径芯样尺寸效应、骨料分布等影响因素的基础上，提出了一种新的小芯样试验方法，为小芯样法检测混凝土强度在工程中的应用提供了新的思路。
关键词：小芯样；离散性；尺寸效应；离散性
中图分类号：TV544文献标识码： A
引言:钻芯法是利用从工程实体中钻取的芯样来推定混凝土结构强度的现场检测方法，它直观、可靠、具有较高的精确度；并被广泛运用于对新建工程有质量争议的检测批或单个混凝土构件强度值的推定上；也可用于修正其他间接检测方法得到的混凝土抗压强度换算值，为混凝土构件的质量鉴定和加固处理提供依据。《钻芯法检测混凝土强度技术规程》CECS 03:2007中规定：抗压试验的混凝土芯样试件宜使用100mm或150mm标准试件 。钻芯法属于一种局部破损的检测方法，但是当在构件的薄弱部位、尺寸较小处或构件配筋较密集处取芯往往操作困难；不但使检测成本增加很多而且也会给构件截面承载力造成极大的消弱。
随着社会的进步，高层建筑越来越多，混凝土构件的配筋也越来越密集，运用标准直径混凝土芯样检测的局限性也愈加突出，因此展开对小直径芯样检测混凝土强度的研究是十分必要的。然而伴随着小直径芯样截面积的减小，混凝土材料的尺寸效应越来越明显，检测数据的离散性增大，较难反应混凝土的真实强度。国内一些学者也对此进行了大量的试验研究和理论分析工作[1~3]，其研究结果也表明芯样直径在75mm以下时，试验数据呈一定的线性关系，但数据离散性较大。
1小直径芯样尺寸效应
1.1混凝土芯样尺寸效应产生的原因
混凝土是由胶凝材料，粗细骨料和水按照一定比例配制，经搅拌振捣成型，在一定条件下养护而成的人造石材；从微观方面来看，它是多孔、有大量细微裂缝的非均匀性脆性材料。混凝土材料的大量试验表明：尺寸效应是这种脆性材料的固有属性；它对混凝土材料的试验强度有着极大的影响，它不是一个常数，而是随着混凝土试件几何尺寸及形状的变化而变化。
Bazant尺寸效应理论认为混凝土在达到最大荷载前，其内部裂纹或者包含有一定裂纹的大的断裂过程区发生稳定的增长而引起的，尤其是由混凝土受压时裂缝的扩展从而引起内部应力重分布和应变能的不断耗散，这种理论是从断裂力学的角度分析变形与能量耗散的关系从而引发混凝土这种脆性材料的尺寸效应[4]。Carpinter认为由于混凝土材料内部是各向异性、内部缺陷是随机分布和不连续的，遇有粗细不同骨料及孔洞时内部各点的承载力有着极大的差别，在受到相同的外力场作用时，在不同点产生的应力因子是不同的，强度较高点的断裂韧性也会较好，其断裂裂纹产生的也较晚。混凝土内部的裂纹产生具有分形的特点，这是其尺寸效应产生的主要原因[5]。
综合以上关于混凝土芯样尺寸效应产生的两种强度理论可知，对于标准混凝土芯样在进行抗压试验时其内部的断裂能耗随着构件的尺寸增加而增加，而强度随着芯样试件尺寸的增加而减小。
1.2小直径芯样强度影响因素
小直径芯样的界面情况是影响其强度的重要因素。混凝土在搅拌、浇筑过程中会受到各种因素的影响，粗细骨料不可能完全混合均匀。虽然粗骨料整体上是随机分布的，但是当在混凝土构件上面钻取小直径芯样时切割的位置也是随机分布的，这种随机性就造成了小芯样的截面呈现不同的形态。小芯样侧面粗骨料的分布呈现明显的偶然性，其在芯样侧面所占的面积有大有小，粗骨料几何中心与芯样界面的距离有近有远。当骨料面积在界面处所占比例较大时，这种分布形态对芯样的界面影响很大，对其强度影响也较为明显。芯样试件越小，这种效应也就越为显著。
除芯样界面形态之外，其抗压强度的影响因素还包括：芯样高径比、端面平整度、芯样最大骨料粒径与芯样直径比、芯样内是否存在钢筋与小直径芯样的制作取样方法等。另外小直径芯样在切割加工及端面磨平过程很容易出现“崩边”现象，这样就很难满足芯样检测的相关技术要求，如不进行端面补平等处理对检测数据将有很大的影响。
2小直径芯样抗压强度离散性研究
2.1 小芯样抗压强度的高离散性
国内学者高红旗[6]对直径分别为100mm、75mm、50mm、25mm的芯样进行抗压试验对比分析得出：随着芯样直径的减小，小芯样抗压强度的离散性呈递增趋势；当芯样直径小于50mm时试验数据的变异系数超过25%，难以在实际工程中应用。我们在实验室试制了规格为150mm×200mm×1500mm的钻芯用C30混凝土试件一个，置于常温潮湿环境中自然养护，并钻直径为34.5mm的芯样并按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》计算所得数据列于下表1中所示：
表1 试验数据统计
Tab.1 The test data results
编号 抗压强度/MPa 编号 抗压强度/MPa 编号 抗压强度/MPa 编号 抗压强度/MPa
A1-1 27.41 A1-6 32.59 A2-2 25.67 A2-7 32.91
A1-2 22.76 A1-7 39.72 A2-3 33.85 A2-8 36.79
A1-3 21.82 A1-8 31.92 A2-4 24.35 A2-9 39.90
A1-4 34.35 A1-9 24.90 A2-5 27.72
A1-5 25.33 A2-1 31.93 A2-6 30.64
注:A1组高径比为1:2，A2组高径比为1:1.
经计算，A1组小芯样的抗压强度平均值为29.0MPa，变异系数为20.69%，A2组芯样抗压强度平均值为31.5MPa，变异系数为16.1%。由此可见，当芯样直径较小时芯样的变异系数较大，不能真实地反应结构混凝土的强度。
2.2小芯样减小离散性的方法
鉴于小直径芯样在工程中运用的种种优越性，可以预见小芯样法检测混凝土强度会得到越来越广泛的应用。但是小芯样抗压强度的高离散性是其在工程运用中的主要难题，本文作者基于“集零为整”的思想开展了降低小芯样离散性的研究，即将采集好的小直径芯样三个为一组用石材胶水粘接在一起共同受压，这种将三个一组粘结好的芯样组成一个当量直径较大的芯样，最大程度的规避了骨料粒径对芯样界面的不利影响。
混凝土立方体破坏形态呈典型剪切破坏，由于“套箍作用”的影响，三个粘结好的芯样内部即胶缝处受拉力往往较小，落后于芯样的破坏。因此三个芯样能共同受压，加载时芯样混凝土产生裂缝，表面四周混凝土开始剥落直至完全破坏，能够呈现良好的破坏形态。经一系列的试验验证这种加载方法得出的芯样抗压强度变异系数降低至6%左右，比较接近工程实际运用的情形。
2.3小直径芯样的制作要求
小直径芯样的直径小界面较为脆弱，尤其是强度较低的混凝土在加工过程中更容易遭受损坏，从而影响结构混凝土的检测强度。并且尤其是当采用三个芯样粘结在一起共同受压的加载方式时，端面平整与否对芯样的抗压强度有着决定性的作用。因此需要对小芯样在采集和加工过程做出比标准试件更为严格的条件。参考《钻芯法检测混凝土强度技术规程》CECS03：2007中的要求，检测平整度用钢板尺或角尺紧靠在芯样试件端面上，一面转动钢板尺，一面用塞尺测量钢板尺与芯样试件端面之间的缝隙。边测量边校正，直至芯样端面平整至加载时不产生偏心破坏。三个试件粘结为一组的芯样宜采用粘结后再加工的方式，确保芯样组共同受压，提高检测的精确度。
结语：综合以上理论分析与试验研究可知：只要试验方法得当就能解决芯样中粗骨料粒径与芯样直径匹配的问题，使小芯样法的检测数据离散性大大降低；其不但拓宽了钻芯法的应用范围,芯样采集点的布置更加灵活，而且极大的减小了对结构混凝土截面的损伤。
参考文献：
1.洪帆.钻取小芯样推定结构混凝土强度试验研究[J].水运工程.2002,(3):9-11;
2.田砾,孙雪飞,范宏,赵铁军.高性能混凝土检测鉴定中应注意的几个问题[J].青岛建筑工程学院学报.2005,26(4):17-20;
3.高志扬,许力,何林,李淑华.高强混凝土抗压强度尺寸效应综述[J].混凝土.2011,(5):33-35;
4. Bazant Z.Pand Er2 Ping Chen. Scaling of Structure Failure. American Society of Mechanical Engineers. Vol50, No.10, 1997(12):593- 627;
5. Carpinteri, A and G. Ferro, Size effects on tensile fracture properties: Aunified explanation based on disorder and fractality of concrete mi2 crostructure. Materials and structures. 1994(27):563- 571;
6.高红旗.小直径芯样检验混凝土抗压强度的试验研究[J].建筑科学, 1994(4):37-39.