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球压法检测既有砌石挡土墙砂浆抗压强度的研究 当前位置:网站首页 > 论文论著

    球压法检测既有砌石挡土墙砂浆抗压强度的研究
    * 来源: * 作者: admin * 发表时间: 2020/10/15 22:55:05 * 浏览: 230

    任丽丽1,程  2,程  2,齐雪渭3

    1.衢州康平建筑工程司法鉴定事务所,浙江 衢州  3240002.衢州康平建设工程检测有限公司,浙江 衢州  324000

    3.浙江星辰环境建设有限公司,浙江 衢州  324000

     

      :砂浆抗压强度对于砌石挡土墙的结构安全性和耐久性具有重要影响,目前国内尚无检测既有砌石挡土墙砂浆抗压强度标准。该次研究主要内容有“球压”受力状态和球压试件组成及尺寸、试验装置和试验步骤、数据处理和公式推导、试验方法的精度和可靠性,现场芯块钻取和球压试件制备及注意问题。研究表明,砂浆球压荷载值与抗压强度之间存在良好的相关性。该次试验使用的仪器设备均购置方便或为检测机构常规配置,提升了该方法的推广价值,同时为砌石挡土墙现场质量控制和结构安全鉴定提供了一种准确性与实用性兼备的检测方法。

    关键词:挡土墙;砂浆抗压强度;球压荷载值;相关性;检测方法 

    中图分类号:U 417.11      文献标志码:B     文章编号10097767201704000000

     

    Mortar Compressive Strength Study of Existing Masonry Retaining Wall Detected by

    Ball Pressure Method

                               Ren LiliCheng YanCheng JieQi Xuewei

    1  研究背景

    砌石挡土墙在岩土工程、水利工程、公路工程中得到了广泛的应用。水泥砂浆是砌石挡土墙主要胶结材料之一,砂浆抗压强度对于砌石挡土墙的结构安全性和耐久性具有重要影响。目前国内尚无检测既有砌石挡土墙砂浆抗压强度标准,由此带来的后果是:施工过程中,由于无法检测实际砂浆强度,一部分不合格砂浆的存在将成为工程质量的隐患;加固修复设计中,由于无法了解砂浆真实的质量状况,设计人员只能凭借经验进行复核计算;特别是当出现工程质量纠纷时,由于没有科学的检测手段,各方当事人各执一词,相关行业主管部门也无法裁定是哪一方的责任。因此,研究准确、实用的既有砌石挡土墙砂浆抗压强度的检测方法,就成为相关行业急需解决的问题。

    2 “球压”受力状态和球压试件组成及尺寸

    球压法是以赫兹接触理论为基础,具有明确解析解,对材料进行表征和评价的一种操作方便的检测方法。1882年,赫兹发表了《论弹性固体的接触》的论文,提出了著名的赫兹接触理论。赫兹接触理论对2个弹性体的弹性接触应力求解和应力场分析作了经典的描述(包括球与半无限体的接触),奠定了接触理论的发展基础。但由于接触理论局限于无摩擦表面的理想弹性体及接触面间只传递法向压应力状态,在当时应用十分有限。20世纪6070年代,随着弹、塑性力学的迅速发展,接触理论的研究和应用空间得到了极大的拓展,已经不仅仅局限于上述条件,并且取得了丰硕的成果。越来越多的研究成果表明,只要建立适当的限制条件,接触理论可以在大部分材料领域应用[1]

    然而,目前球压法取得的成就基本上局限于均质材料,如金属、玻璃、陶瓷等,GB/T 231.1—2009 《金属材料 布氏硬度试验 1部分:试验方法》[2],就是重要的研究成果之一。对于球压法在岩石、混凝土、砂浆等工程材料方面的应用研究,仍处于刚刚起步阶段[1,3,4]。包亦望教授提出了应力梯度和均强度准则来评价脆性材料的强度性能[5],相关结论如下:1)用球压法可以测得材料或构件的局部强度,该强度几乎不受试样边缘缺陷的影响,可以认为它是材料的本征强度。2)在应力梯度较高的情况下,有可能应力峰值远远高于常规强度而不产生裂纹,尤其是那些具有较大过程区的材料(准脆性材料),因为过程区的平均应力还未达到临界值。对于准脆性材料,不能用球压法无损测试局部断裂强度。

    工程材料中,砂浆的特性介于脆性材料(如玻璃、陶瓷)和准脆性材料(如混凝土)之间。我们通过建立适当的限制条件和操作程序,可以把砂浆视为脆性材料,从而根据包亦望教授的科研成果[5],采用球压法测得砂浆的抗压强度。

    该次研究采用“球压”受力状态作为基础受力架构,规定了标准砂浆球压试件(以下简称“球压试件”)的组成及尺寸:1)球压试件由砂浆圆柱体和砂浆底座组成;2)根据规定,施工中细骨料最大粒径5㎜。参考相关混凝土芯样资料,试件直径(或高度)与粗骨料粒径比值至少为2倍时,粗骨料形状对受力影响可忽略。因此,砂浆圆柱体高度采用10㎜;3)考虑与试件制备所用的小型空心钻头配套,同时考虑试件制备方便与施工现场实际情况,经反复比较选择,砂浆圆柱体直径采用25㎜;4)破坏应发生在砂浆圆柱体,底座厚度10㎜,底座边缘距砂浆圆柱体圆心15㎜。

    按照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》[6],规定了标准砂浆立方体抗压强度试件(以下简称“抗压试件”)的规格尺寸:70.7×70.7×70.7㎜。

    3  试验装置和试验步骤

    3.1  试验装置

    1)砂浆配合比试验设备:按照JGJ/T 98—2010《砌筑砂浆配合比设计规程》[7]标准要求配备;

    2)磁性台钻:配有可测量钻进深度的装置;

    3)磁性台钻钻头:小型薄壁空心钻头,内径25㎜;

    4)压力试验机:量程为5kN,精度1%,加荷速度可控,配有球形支座;

    5)球形压头:采用金属布氏硬度压头,D=10㎜,可与压力试验机设计连为一体;

    6)其他试验用具:磨光机、切割机、平口钳、通水设备等。

    3.2  试验步骤

    1)材料组成。

    细骨料:河砂,中砂。

    胶凝材料:复合硅酸盐水泥P.C 32.5,普通硅酸盐水泥P.O 42.5

    稠度:3050㎜。

      2M15及以下等级采用复合硅酸盐水泥32.5M15以上等级采用普通硅酸盐水泥42.5,按照不同配合比,拌制M2.557.51012.51517.52022.52527.530等级砂浆抗压强度标准试块,1组成型6块,3块用作抗压试验,3块用作球压试验。 

    3)标准条件养护至28d龄期,取出1块用作球压试验的砂浆试块,以垂直于砂浆表面方向对中用切割机一分为二,用磨光机打磨切割面至平整。把其中一块砂浆块水平置于平口钳上,切割面朝上,拧紧平口钳固定砂浆块。

    4)放置磁性台钻在水平的金属台面上,装好钻头,通电使磁性台钻牢固吸附于金属台面。

    5)放置平口钳于钻头下方,钻头下降刚好与砂浆块接触,记录初始读数;钻头上升,通水,启动钻头旋转,钻头开始下降,在砂浆块上转出凹槽,形成砂浆圆柱体;钻头下降至10㎜后停止,钻头上升,停止钻头旋转,停水;松开平口钳,取出砂浆块。

    6)所有用作球压试验的砂浆试块按照3)~5)的步骤,制成6个球压试件后,连同抗压试件自然干燥。

    7)按照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》[6]规定,对13块砂浆试块进行抗压强度试验,求出抗压强度值,精确至0.1MPa。对6个球压试件进行球压试验,测出球压荷载值。在砂浆圆柱体受压面标记圆心位置,将球压试件水平放置在压力试验机下压板上,球形压头球心与圆心位置应在同一轴线上;缓慢匀速施加荷载至试件破坏,加荷速度控制在(0.3±0.1kN/s,记录荷载值,精确至1N。球压试件制备及加荷示意图见图1

     

     

     

     

     

     

     

            1  球压试件制备及加荷示意图

     

    1  球压试件制备及加荷示意图(mm

    4  数据处理和公式推导

    1)球压试验取由1块砂浆试块制备的2个球压试件球压荷载值的平均值,作为单块砂浆试块球压试验的结果,且2个球压荷载值的差值不得大于15%。如大于15%,说明该试验数据存在异常,应分析原因后重新制备球压试件进行试验。

    2)按照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》[6]中关于砂浆抗压强度计算规定,以13个球压荷载值的平均值F作为该组球压试验结果,以13个抗压强度平均值P作为该组抗压试验结果。

    3)通过数理统计与曲线拟合,砂浆抗压强度换算值可按式(1)计算:

                            P =0.0413F - 7.2223× 0.27                       1

    式中:P为砂浆抗压强度换算值,MPa,精确至0.1MPaF为砂浆球压荷载值,N,精确至1N

    5  试验方法的精度和可靠性

    该试验通过了76组推导性试验,48组可靠性验证试验,说明如下:

    1)当砂浆抗压强度小于4.8MPa时,球压试件制备时边缘破损较为严重,影响试验结果;当砂浆抗压强度大于33MPa时,砂浆球压荷载值波动剧烈,无法有效拟合。因此,式(1)的适用范围为4.833.0MPa,其线性相关系数达到0.98以上,试验方法的精度、可靠性较为满意。同时,根据GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》[8]SL 379—2007《水工挡土墙设计规范》[9]JTG D30—2004《公路路基设计规范》[10]等规范规定,该适用范围已经满足砂浆强度实际检测的需要。

    2)该次研究细骨料采用了河砂,因此推导公式适用于用河砂拌制的水泥砂浆。如果实际采用人工砂或者其他材料,需有待进一步的研究。

    6  现场芯块钻取和球压试件制备

    6.1  资料准备

    1)工程名称及设计、施工、监理、建设单位名称;

    2)设计砂浆强度等级;

    3)原材料(水泥、骨料品种及粒径等)和砂浆抗压强度试验报告;

    4)施工质量情况和存在问题的记录;

    5)有关的设计施工图等;

    6)运行阶段的水文、地震动等情况;

    7)其他相关资料。

    6.2  钻取设备

    1)钻芯机应有产品合格证并满足相应的要求。应具有足够的刚度,操作灵活、固定和移动方便,并应有水冷却系统。

    2)钻芯机采用人造金刚石薄壁钻头,钻头胎体不得有肉眼可见的裂缝、缺边、少角、倾斜及喇叭口变形,钻头直径根据实际情况采用。

    3)钻芯机就位并安放平稳后,进行固定。钻芯机固定应根据钻芯机的构造和施工现场的具体情况确定。

    4)钻芯机安装钻头之前,应先通电检查主轴旋转方向(三相电动机)。

    5)钻取时,用冷却水冷却钻头和排除岩石、砂浆碎屑,冷却水的流量应适中,不应造成砌石和砂浆分离。

    6.3  钻取部位选择

    1)砂浆尺寸较大部位;

    2)有代表性部位;

    3)易于取样部位;

    4)对质量有怀疑的部位;

    5)委托方指定的部位。

    6.4  钻取及球压试件制备

    1)钻取时应控制进钻的速度,以免芯块破碎。

    2)钻取造成的孔洞应进行修补。

    3)每个部位制备2个球压试件(应对试件进行标记)。切割芯块、磨平2个端面,球压试件的组成及尺寸应满足要求,芯块形状、尺寸不做要求。每个芯块可制备12个球压试件。芯块制备球压试件示意图见图2

     

     

     

     

     

     

     

    2  芯块制备球压试件示意图

    7  注意的问题

    1)球压试件制备出现以下现象时,该试件作废:

    球压试件破坏后,发现试件中含有大于5㎜的颗粒。按照规范规定,砂浆使用的细骨料的粒径应5㎜。

    试验表明,如果试件中含有大于5㎜的颗粒,对试验结果有影响。

    球压试件制备过程中,边缘破损严重。试验表明,如果球压试件边缘破损长度沿半径方向或沿高度方向大于5㎜,对试验结果有一定影响。

    2)均匀加荷过程中,球压荷载值下降超过5s。试验表明,如果球压荷载值下降超过5s,破坏区域将发生在砂浆底座,而不是发生在砂浆圆柱体,使检测数据失真。

    3)同一部位制备的2个球压试件,其球压荷载差值大于15%。应在同一部位再取样制备1个球压试件,取2个相近结果的平均值作为最终结果。

    8  总结

    1)该次研究充分考虑了精确性问题。试验结果显示,适用范围为4.833.0MPa时,其线性相关系数达到0.98以上,减小了系统误差;对试验中一些注意问题作了详细说明,减小了随机误差;对试验中一些关键点作了规定,减小了操作误差。

    2)该次研究充分考虑了实用性问题。所使用的仪器设备均购置方便或为检测机构常规配置,如钻孔机、磁性台钻、万能试验机、金属布氏硬度压头等,提升了该方法的推广价值。

    3)根据砂浆抗压强度换算值,按照相关标准,如GB 50300—2013《建筑工程施工质量验收统一标准》[11]SL 176—2007《水利水电工程施工质量检验与评定规程》[12]JTG F80/1—2004《公路工程质量检验评定标准 1册:土建工程》[13]等,对砂浆质量进行了评定。该次研究,为砌石挡土墙现场质量控制和结构安全鉴定提供了一种准确性与实用性兼备的检测方法,对砌石挡土墙检测技术的进步、施工验收、设计复核、工程事故责任认定,都将起到积极的推动作用。

     

    参考文献:

    [1] 施荣,岳汉威.球压法在混凝土中的应用现状及展望[J].商品混凝土,2009,1264-66

    [2] 长春机械科学研究院有限公司.金属材料布氏硬度试验 1部分:试验方法:GB/T 231.1-2009[S].北京:中国标准出版社,2009

    [3] 郭晔,吴佳晔,黄新.基于Hertz接触理论的混凝土表层性能的检测方法[J].混凝土,20081):49-51

    [4] 陈志诚.混凝土材料的接触损伤及球压法无损评价研究[D].北京:中国建筑材料科学研究总院,2001

    [5] 包亦望,陈志诚,苏盛标.球压法在线评价脆性材料的强度特性和残余应力[J].无机材料学报,2007,174):833-840

    [6] 陕西省建筑科学研究院.建筑砂浆基本性能试验方法:JGJ/T 70-2009[S].北京:中国建筑工业出版社,2009

    [7] 陕西省建筑科学研究院. 砌筑砂浆配合比设计规程:JGJ/T 98-2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2011

    [8] 重庆市设计院.建筑边坡工程技术规范:GB 50330-2013[S].北京:中国建筑工业出版社,2014

    [9] 江苏省水利勘测设计研究院有限公司.水工挡土墙设计规范:SL 379-2007[S]北京:中国水利水电出版社,2007

    [10] 中交第二公路勘察设计研究院.公路路基设计规范:JTG D30-2004[S].北京:人民交通出版社,2004

    [11] 中国建筑科学研究院.建筑工程施工质量验收统一标准:GB 50300-2013[S].北京:中国建筑工业出版社,2014

    [12] 四川省水利科学研究院.水利水电工程施工质量检验与评定规程:SL 176-2007[S].北京:中国水利水电出版社,2007

    [13] 交通部公路科学研究院.公路工程质量检验评定标准第1册:土建工程:JTG F80/1-2004[S].北京:人民交通出版社,2005