贯入法检测喷射混凝土早期强度研究报告.docx

贯入法检测隧道喷射混凝土早期强度专用曲线建立及 《检测技术规程》制项目研究报告
一、用途
《铁路隧道工程施工质量验收标》、《客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准》规定，“喷射混凝土的早期（1d）强度必须符合设计要求”，“采用贯入法或拔出法检测”。铁建设［2007］88号文发布的《铁路隧道设计施工有关标准补充规定》规定，“隧道支护喷射混凝土的强度等级不应低于C25，24小时强度不应低于10MPa”。
国家铁路建设重点工程之一湘桂铁路扩改工程，XG-4、XG-5标段，隧道14座/13955延长米，均为双线隧道。喷射混凝土初期支护是保证围岩稳定，保证施工安全的重要措施之一。
为了加强隧道初期支护喷射混凝土1d强度控制、落实验标要求，课题组开展了“贯入法检测道喷射混凝土早期强度”的研究。
二、国内检测技术现状
拔出法检测，铁道部已有《混凝土强度后装拔出法试验方法》TB/T2298.2～1991。经应用，由于隧道初支喷射混凝土表面不平整、粗糙，早期强度低等特点，现场表面打磨困难、钻孔及孔内切槽难以达到测试条件，拉拔杆安装与基座难以垂直，造成测试数据过于偏离实际。拔出法操作较复杂，部件多，须多人操作。实践证明拔出法不适用于隧道喷射混凝土早期测强。
建设部有《贯入法检测砌筑砂浆抗压强度技术规程》JGJ/T136-2001。由于测针小，冲击功能低，不能满足喷射混凝土早期测强要求。
调查发现国内有HQG-1000型混凝土强度检测仪（贯入检测仪，仿欧技术）生产，但尚未形成标准。国内无国家或行业标准试验方法或规程，更无适用于喷射混凝土现场检测强度换算曲线可依靠。
采用HQG-1000型混凝土强度检测仪，开发隧道喷射混凝土早期强度检测技术，成为课题组的主攻目标。
三、关健技术研究及成果
1.喷射混凝土早期测强曲线的建立
1.1HQG-1000型混凝土强度检测仪主要技术性能参数：
1） 仪器贯入力：1000N
2） 工作冲程：20mm
3） 测钉直径：3.5mm
4） 测钉长度：30.5mm
5） 钉尖锥角45°
1.2HQG-1000型混凝土强度检测仪工作原理
混凝土拌合物中水泥颗粒随着时间发展，产生凝胶、结晶，强度逐断得到增长，敌御外物侵入阻力增强。HQG-1000型混凝土强度检测仪采用压缩弹簧加载，把钢制测钉贯入混凝土中。因贯入深度与混凝土强度相关，即可根据测钉贯入深度来推定混凝土强度。
1.3贯入深度—强度关系曲线建立条件选择
1）检测手段为HQG-1000型检测仪。
2）比对试验对象为同喷射混凝土结构相当的能直接进行抗压强度试验的150×150×150mm立方体试件或100×100×100mm立方体试件及喷射混凝土大板切割试件。
3）比对试验试件制作：
使用原材料：选用施工用兴安海螺牌P.O42.5水泥、中级河砂（细度模数2.9）、5～10mm级石灰岩碎石、分别使用山西凯迪KD-5型速凝剂、KDSP-1早强减水剂、北京建科ANS速凝剂、AN4000减水剂。
配合比（㎏/m3）：
水泥413;砂865;碎石937;减水剂3.3（掺量0.8%）;速凝剂20.6（掺量5%）;水165。
胶骨比：1：4.36；水灰（胶）比0.40；砂率0.48；初坍落度130mm；初凝时间4min40s；终凝时间9min10s。
室内立方体试件制作：
试验混凝土搅拌为搅拌机机械搅拌。加料顺序：
拌均
拌均
拌均
拌均

20s
20s
20s
20s
砂+碎石 水泥 水 减水剂 速凝
拌均

20s
剂 出机

混凝土出机后，立即快速装模，振实、抹平。从拌合物加入速凝剂起到试件表面抹平，必须在3分钟之内完成。
试件制作数量：分批分次进行，每次不少于18块。
试件拆模时间：2小时，拆模后覆盖潮湿养护，待检。
大板试件，是在隧道喷射混凝土作业区，喷制大板，大板尺寸约30cm×45cm×15cm。喷制大板时，混凝土喷满后立即抹平表面。大板试块5小时左右移入试验室，待检。
1.4比对试验
1.4.1室内试件试验步骤
1）将一批同时成型待检试块，随机分组，每三块一组。成型后10～12小时开始试验，每隔3小时检测一次，每次3块。
2）将一个试块两侧面受压，予压在压力机上。对另两个侧面进行贯入试验。一个侧面布置测点3个，另一个侧面布置测点4个共7个测点。测点距试块边缘距离不小于3cm，每测点间距离不小于3cm。
3）对每个测点进行贯入试验，用专用测深仪对测点贯入坑进行贯入深度量测，精度到0.01mm。
4）对试块7个贯入试验点贯入深度值中舍去一个最大值，舍去一个最小值，取剩余5点贯入深度平均值作为该试件贯入深度的代表值。
5）贯入试验后，立即试压，得出该试件抗压强度。
6）一个试件的贯入深度代表值与抗压强度为一组比对数据。
7）每一次检测时间，分别测得三个试件的比对数据。
8）按上（2）～（6）步骤分别测得各次检测时间的三组比对数据。由于试块抗压强度随时间的增长，即可测得不同抗压强度与相应贯入深度比对数据。
1.4.2室外喷射混凝土大板试件试验步骤
1）将大板试件等分三段，分为三个测区、编号。
2）喷射成型15小时左右，在三个测区分别用φ100mm钻头钻孔取芯，切割成φ100×100圆柱试块，共3块，与大板一起覆盖养护至24小时。
3）大板成型24小时，对大板三个测区分别进行贯入试验，每区7个测点，用专用测深计量测贯入坑贯入深度。舍去每个测区7个测点贯入深度值中的最大值与最小值，取剩余5个测点贯入深度的平均值作为测区的贯入深度代表值。
4）对应测区的三个圆柱型试块进行抗压强度试验，得出三组贯入深度—抗压强度比对数据。
四、检测技术规程的制定
为了方便实施，课题组编写制定了《贯入法检测喷射混凝土早期强度技术规程》，于2009年10月正式实施。《贯入法检测喷射混凝土早期强度技术规程》详见附件。

附件：
贯入法检测隧道喷射混凝土（1d）强度
技术规程（实施细则）
1.总则
1.1《铁路隧道工程施工质量验收标准》（TB10417-2003)及《客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准》（铁建设[2005]160号)规定，对隧道初期支护喷射混凝土1d强度进行贯入法检测。
1.2由于国家及行业目前尚无贯入法检测喷射混凝土强度技术标准，特制定本《细则》。
1.3本规定用于隧道喷射混凝土的1d强度现场检测。
1.4参考规范：《贯入法检测砌筑砂浆抗压强度技术规程》(JGJ/T136-2001)；《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002)等。
2.测试原理
贯入法属于无损检测方法（检测后仅表层不超过10㎜范围产生一小坑），适用于现场测定喷射混凝土的早期强度。其工作原理是依据美国ASTM C803标准的贯入阻力原理，采用压缩弹簧加载，把一钢制测钉贯入混凝土中，因其贯入深度与混凝土的强度成反比，即可根据测钉的贯入深度来推定喷射混凝土的强度。通过在试验室对大量混凝土试件进行实测，取得大量数据，并以此数据来建立喷射混凝土早期强度与贯入深度的关系曲线。
3.检测设备
3.1贯入式混凝土测强仪：采用HQG-1000型测强仪，该设备主要由测试仪、测钉和测深表三部分组成。也可采用其他厂家的同类、同功效的产品。
3.2 HQG-1000型测强仪的主要技术性能指标如下：
1) 仪器的贯入力：1000N
2) 工作冲程：20㎜
3) 测钉直径：3.5㎜
4) 测钉长度：30.5㎜
5) 钉尖锥角：45°
3.3测钉系由高强度特殊钢材特制而成，每个测钉的使用次数应满足以下规定：当测钉的长度减小到能通过专用量快的长槽时，即应更换新的测钉。
3.4测深表系一特制百分表，通过初始测量值与贯入后测量值之差，计算出测点的贯入深度值。
4.设备操作方法及安全事项
4.1设备操作方法
4.1.1取出测钉，插入冲击杆的孔中；
4.1.2用加力扳手旋紧铜螺母，直到挂上挂钩为止（在将要挂上钩时必须把启动器向上扳动，否则挂钩不能钩连上冲击杆）。
4.1.3将测强仪垂直压在被测混凝土表面，牢牢握住仪器手把，扳动启动器，将测钉贯入混凝土中。
4.1.4用橡胶吹风器将孔内吹干净，用测深表测量贯入深度。
4.2安全注意事项
4.2.1当挂钩挂上后，不得随意扳动启动器，不得将贯入仪的前端对着人。
4.2.2不得对除喷射混凝土以外的任何其它物体进行贯入，以免损伤测钉。
4.2.3试验完毕应立即将仪器及所有配件清理干净，装入箱内。
5.检测方法与步骤
5.1准备工作
5.1.1喷射混凝土施工完毕后，立即选择测区，并将测区范围内喷射混凝土的表面进行磨平处理，以利于次日进行贯入测试。测区宜选择在较平整处，且避开钢筋、气孔及外露石子等各种干扰。
5.1.2每一喷射循环应随机选取3个测区，每一测区的面积约900㎝2。
5.1.3测区均匀分布，相邻两测区的间距不宜小于0.5m。
5.2测试及计算
5.2.1按24小时全期（或限定时间全期）对喷射循环喷射混凝土进行贯入试验。
5.2.2每个测区选取7个测点，测点应在测区范围内均布，相邻测点之间的最小间距为5㎝。选好测点后进行标识和编号；
5.2.3使用专用测深表对每一测点进行初读数测量并记录；测量值精度到0.01㎜。
5.2.4使用测强仪对每一测点进行贯入检测；
5.2.5使用专用测深表对每一测点进行贯入后的读数测量并记录。测量值精度到0.01㎜。测量前必须用橡胶吹风器将孔内吹干净，否则会影响测量深度。
5.2.6初读数减去贯入后的读数即为测点的贯入深度值。每个测区7个测点中，废除一个最大值和一个最小值，将剩下的五个测点的贯入深度值进行平均值计算，作为该测区的贯入深度值。
6.测强曲线的建立
6.1用100×100×100㎜或150×150×150㎜试模成型足够数量的喷射混凝土试件（使用材料应与施工过程完全一致），待混凝土强度约达到3MPa左右时即可开始进行率定，先对试件进行贯入试验（宜在混凝土试件的两个侧面上共选取7个测点），按5.2条测得贯入深度平均值，然后再对该试件进行抗压强度试验，测得抗压强度值，这样即可得到一组对应数据。
6.2如此反复进行对应数据的测定，对应数据不得少于30个对比组，然后对所得数据进行一元线性回归分析或乘幂拟合分析（一般型式为f=a+b*H或f=a*Hb参考JGJ/T136-2001），求得测强公式。当回归或拟合关系式的相关系数小于70%时，表明率定试验的准确度以及相关性欠佳，应重新率定。
6.3测强公式
fccu = 74.665H-1.4228 (r=91.3%) fccu ------强度(MPa) H------贯入深度代表值(mm)
6.4 查强度换算表（附页）
7．强度结果计算与评定
7.1由测得的贯入深度平均值，按建立的强度公式换算出测区的喷射混凝土抗压强度值，精确至0.1MPa。
7.2 以3个测区抗压强度的算术平均值作为该循环喷射混凝土1d强度代表值。

附页：
测强曲线的建立

喷射混凝土采用的原材料如下：兴安海螺P.O42.5水泥，大丰东5-10mm碎石，榕江河砂（中砂），山西凯迪建材的KD-5速凝剂和KDSP-1早强减水剂或北京ANS速凝剂和AN4000高效减水剂，地下水。2个厂家的4个外加刘，分别成型2种喷射混凝土，每种均是采用同盘制作，统一制作试件，待混凝土强度达到3MPa左右便拆模，选择3-5组按照6.1条进行率定，然后再过2～3小时再次率定，如此循环，这样收集的试验数据包含从3MPa～20MPa，基本涵盖了喷射混凝土1d强度范围。
一个试块先做贯入试验，测得7个测点的贯入深度，按照5.2.5条计算该试件的贯入深度代表值H,精确到0.01mm，然后再进行抗压强度试验，记录抗压荷载F（KN），然后按照P=F*0.095 计算抗压强度，精确到0.01MPa。将湘桂铁路XG-4、XG-5标中心试验室率定测试的数据综合计算，结果如下：

其中序号1-39为XG-4标的试验数据，40-73号为XG-5标的数据。
序号
抗压强度(MPa)
贯入深度1
贯入深度2
贯入深度3
贯入深度4
贯入深度5
贯入深度6
贯入深度7
深度代表值(mm)
1
3.12
7.70
8.08
9.03
8.72
8.60
8.43
8.72
8.51
2
3.27
7.81
7.58
8.93
7.45
7.50
7.82
7.59
7.66
3
3.69
8.25
8.31
8.62
8.47
8.70
8.55
8.16
8.44
4
3.88
7.06
7.44
7.36
7.62
7.02
7.15
7.19
7.24
5
4.64
6.34
6.55
6.76
6.82
6.63
7.06
6.26
6.62
6
4.79
6.82
4.63
4.18

5.85
4.89
4.50
7.42
5.34
7
4.82
6.86
6.98
7.28
7.03
7.22
6.79
6.91
7.00
8
5.63
5.47
6.60
6.12
4.90
5.63
6.45
5.40
5.81
9
5.63
5.76
5.74
5.65
7.30
6.80
5.80
5.22
5.95
10
7.09
3.33
4.87
4.97
5.12
4.96
4.95
4.98
4.95
11

7.75
4.11
4.63
4.67
4.80
4.19
5.03
4.66
4.59
12
7.84
4.03
3.96
3.87
4.34
5.37
5.46
4.19
4.38
13
8.18
4.96
4.56
4.38
4.48
4.76
4.70
4.20
4.58
14
8.75
3.67
4.00
3.85
5.86
4.15
4.31
3.85
4.03
15
9.2
4.20
4.82
4.83
4.25
4.09
4.29
4.73
4.46
16
9.54
5.56
4.50
5.33
4.85
4.64
4.99
4.44
4.86
17
9.64
4.42
4.35
3.67
4.56
3.87
4.22
4.42
4.28
18
9.65
3.80
3.38
3.25
4.18
4.02
3.91
4.20
3.86
19
10.04
3.89
4.45
4.96
4.33
4.00
3.58
3.42
4.05
20
10.11
3.92
4.08
4.05
3.53
4.07
5.38
4.40
4.10
21
10.44
3.61
3.94
4.36
4.61
4.60
4.64
3.52
4.22
22
10.67
4.25
3.63
3.61
3.64
3.88
3.52
3.48
3.66
23
11.47
3.40
3.46
3.05
2.45
2.88
3.29
3.07
3.14
24
11.47
3.78
3.80
3.92
4.22
3.89
3.98
4.01
3.92
25
11.5
3.90
4.05
4.10
3.87
3.94
4.04
3.86
3.96
26
11.56
2.74
3.39
3.45
3.62
3.68
4.50
4.86
3.73
27
12.97
2.77
2.61
2.51
4.30
3.48
3.43
3.23
3.10
28
13.15
3.10
3.66
3.47
3.70
3.01
2.88
2.87
3.22
29
13.16
2.73
2.83
2.38
3.30
3.08
3.51
4.22
3.09
30
13.2
3.68
3.53
3.45
3.60
3.44
3.38
3.80
3.54
31
14.35
2.74
3.39
3.45
3.62
3.68
4.55
4.86
3.74
32
14.86
3.21
2.85
3.87
3.28
5.72
2.75
3,41
3.32
33
15.06
2.80
3.50
2.97
2.47
2.70
3.18
2.90
2.91
34
15.2
2.55
2.30
2.66
2.73
2.67
2.89
2.97
2.70
35
15.72
2.17
2.40
2.32
2.45
2.28
2.36
2.39
2.35
36
15.94
3.10
2.99
3.01
2.73
2.94
2.78
3.73
2.96
37
18.51
3.69
3.08
3.72
3.20
3.07
2.16
5.05
3.35
38
19.33
2.55
2.35
2.65
2.68
2.67
2.89
2.99
2.69
39
24.04
2.85
2.66
2.98
1.92
2.40
1.36
3.30
2.56
40
3.2
7.42
9.90
8.61
6.20
7.00
7.70
7.80
7.71
41
3.5
7.91
6.27
9.33
7.76
7.12
6.98
7.65
7.48
42
4.3
6.77
8.35
6.01
8.12
8.56
7.32
7.10
7.53
43
4.7
5.04
3.91
4.70
4.08
3.83
3.53
4.30
4.16
44
4.9
6.50
6.64
6.66
6.56
6.60
8.60
7.86
6.86
45
5.0
6.02
6.10
7.62
6.00
6.60
8.60
7.86
6.84
46
5.2
6.50
6.10
6.72
6.60
6.60
7.60
7.76
6.80
47
5.6
640
7.13
6.54
6.32
6.71
6.15
6.46
6.49
48
6.3
6.72
6.24
6.01
7.45
7.13
6.10
5.33
6.44
49
6.7
5.21
5.82
4.61
7.40
5.70
5.71
5.84
5.66
50
7.3
6.02
6.17
5.24
5.11
5.08
5.34
6.17
5.58
51
7.8
6.12
7.86
4.77
5.01
5.10
5.89
5.21
5.47
52
8.3
5.47
5.26
6.18
5.64
5.80
6.53
5.92
5.80
53
8.4
4.78
5.60
5.80
4.60
5.80
4.86
5.44
5.30
54
8.6
5.34
5.22
5.17
6.73
4.12
6.27
4.56
5.31
55
9.1
4.40
5.03
4.60
3.55
4.79
4.48
4.45
4.54
56
9.3
4.32
4.15
4.71
4.56
5.43
4.54
3.32
4.46
57
9.4
4.25
4.20
4.20
4.66
3.9]
4.51
4.46
4.32
58
9.7
5.09
3.69
4.42
3.88
3.62
4.86
5.28
4.39
59
10.3
5.76
4.00
4.50
4.80
4.00
4.70
4.80
4.56
60
10.5
3.74
5.79
4.87
3.52
4.15
4.28
4.53
4.31
61
10.6
4.17
3.67
4.50
4.05
4.93
4.57
4.03
4.26
62
11.2
3.40
3.16
3.90
3.72
3.76
4.08
3.72
3.70
63
11.6
3.52
4.14
3.94
4.17
3.77
3.41
3.53
3.78
64
11.6
3.61
3.46
3.32
3.58
4.45
4.43
4.03
3.82
65
12.2
4.08
4.27
3.56
4.28
4.22
3.53
3.90
4.01
66
12.3
3.69
3.60
4.13
4.28
2.71
4.81
3.61
3.86
67
12.7
3.13
4.12
3.76
3.30
3.20
2.83
3.22
3.33
68
13.5
3.45
4.44
3.67
3.18
2.89
3.10
2.76
3.26
69
13.9
3.12
3.01
5.23
4.53
2.89
2.36
2.88
3.29
70
14.5
3.01
3.15
2.22
5.01
4.12
3.09
3.01
3.28
71
14.7
3.24
2.08
3.11
3.29
2.38
3.75
4.12
3.15
72
14.8
4.05
4.29
3.26
3.83
4.06
4.61
4.28
4.10
73
15.1
3.20
2.78
4.17
4.01
2.25
3.16
2.17
3.08
数据拟合的相关性为r=91.3%，标准差为σ=1.76
通过73组比对试验，用不同数学模型分别进行数据回归分析，得出相关显著的贯入深度—抗压强度关系，指数型经验公式（回归方程）：
F=74.665H-1.4228
式中：F—喷射混凝土早期抗压强度推定值（MPa）
H—贯入深度值（mm）
经验公式（回归方程）相关系数r=0.913，标准差σ=1.76MPa。公式推定强度误差小于±1.00MPa点为60.3%；误差小于±1.76MPa点为80.8%；误差大于±2σ=3.52MPa点占8.2%。

贯入深度和强度关系图
y = 74.665x
-1.4228
R
2
= 0.876
0
4
8
12
16
20
24
2
3
4
5
6
7
8
9
贯入深度(mm)
强度(MPa)

贯入仪强度换算表
深度(mm)
强度(MPa)
深度(mm)
强度(MPa)
深度(mm)
强度(MPa)
深度(mm)
强度(MPa)
深度(mm)
强度(MPa)
深度(mm)
强度(MPa)
2.60
19.17
3.05
15.28
350
12.56
3.96
10.54
5.40
6.78
6.90
4.78
2.63
18.86
3.08
15.07
3.53
12.41
4.00
10.39
5.50
6.60
7.00
4.69
2.66
18.56
3.11
14.86
3.56
12.26
4.10
10.03
5.60
6.44
7.10
4.59
2.69
18.27
3.14
14.66
3.59
12.12
4.20
9.69
5.70
628
7.20
4.50
2.72
17.98
3.17
14.46
3.62
11.97
4.30
9.37
5.80
6.12
7.30
4.41
2.75
17.70
3.20
14.27
3.65
11.83
4.40
9.07
5.90
5.98
7.40
4.33
2.78
17.43
3.23
14.08
3.68
11.70
4.50
8.78
6.00
5.83
7.50
4.25
2.81
17.17
3.26
13.90
3.71
11.56
4.60
8.51
6.10
5.70
7.60
4.17
2.84
16.91
3.29
13.72
3.74
11.43
4.70
8.26
6.20
5.57
7.70
4.09
2.87
16.66
3.32
13.54
3.77
11.30
4.80
8.01
6.30
5.44
7.80
4.02
2.90
16.41
3.35
13.37
3.80
11.17
4.90
7.78

6.40
5.32
7.90
3.94
2.93
16.18
3.38
13.20
3.83
11.05
5.00
7.56
6.50
5.21
8.00
3.87
2.96
15.94
3.41
13.04
3.86
10.93
5.10
7.35
6.60
5.09
8.20
3.74
2.99
15.72
3.44
12.87
3.89
10.81
5.20
7.15
6.70
4.99
8.40
3.61
3.02
15.49
3.47
12.72
3.92
10.69
5.30
6.96
6.80
4.88
8.50
3.55
备注：

根据回归方程式 fccu = 74.665S-1.4228 fccu—推空强度(MPa) S—贯入深度代表值(mm) 计算喷射混凝土的强度

制表

计算

复核

贯入法测定喷射混凝土强度记录表

委托单位： 工程名称： 里程部位：
施工日期： 检测日期： 龄期：
测区
贯入深度测量值（㎜）
推定强度值（MPa）
该循环喷射砼强度代表值（MPa）
测点1
测点2
测点3
测点4
测点5
测点6
测点7
贯入深度平均值
初读数
测后读数
贯入深度
初读数
测后读数
贯入深度
初读数
测后读数
贯入深度
初读数
测后读数
贯入深度
初读数
测后读数
贯入深度
初读数
测后读数
贯入深度
初读数
测后读数
贯入深度
一

二

三

四

五

注：强度公式：fccu F = 74.665S-1.4228 fccu—强度(MPa) S—贯入深度代表值(mm)

试验 记录 计算 复核
湘桂铁路扩改工程施工XG-4标
喷射砼1d强度（贯入法）试验报告
委托单位
报告编号
工程名称
委托编号
工程部位
试验编号
代表数量
报告日期
强度等级

配合比报告编号

理论配合比

水胶比=
试验日期

施工配料单编号

施工配合比

水胶比=
使 用 材 料 名 称
产 地 规 格
报 告 编 号
施 工 拌 合 用 料 量 (kg)
水 泥

细 骨 料

粗 骨 料

水

减 水 剂

速 凝 剂

聚 酯 纤 维

施工技术主管 工地试验
测 区
测点贯入深度（㎜）
抗压强度
（MPa）
抗压强度代表值（MPa）
1
2
3
4
5
6
7
平均
一

二

三

四

五

检测评定依据：

fccu = 74.665S-1.4228
fccu—强度(MPa) S—贯入深度代表值(mm)
试验意见：
试验 复核 技术负责人 单位（章）