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钻芯法检测结构混凝土强度合格性评定分析

梁文彬
摘 要：结构混凝土的强度极为重要，相关检测方法愈来愈多。首先介绍了几种混凝土强度的检测方法，并以钻芯法为重点，阐述了检验过程。然后分析了混凝土强度的测量不确定度和合格性的评定。
关键词：钻芯法；混凝土强度；合格性评定
混凝土是建筑工程中不可或缺的一部分，随着人们对建筑质量要求的提高，混凝土的作用更加突出。尤其是高层建筑，对混凝土提出了更高的要求。可见，混凝土的强度与工程质量密切相关，在实际施工中，必须加强对混凝土的检测，确保其结构稳定、性能优越，符合施工要求。在科技的推动下，相继出现了许多混凝土强度检测方法，如钻芯法、回弹法等，在此主要介绍钻芯法。
1 混凝土强度的检测方法及钻芯法
混凝土的抗压强度直接关系到施工质量，为保证安全，往往会对其强度进行检验，合格后方能投入使用。在长期实践中，检测方法愈来愈多，大致有两类，一是非破损法，包括超声法、回弹法等；二是半破损法，包括钻芯法、后装拔出法等。各有优劣，相比较而言，钻芯法可直接从结构实体表面钻取芯样，再运用科学的方法对混凝土的抗压强度进行测试估测。该方法的优势在于不受混凝土龄期和碳化程度的限制，且测试精确度高，可对混凝土的抗压强度做出比较真实的反映，因而应用较为广泛。
从实际中可知，钻芯法有其特定的使用条件：（1）混凝土被化学侵蚀，或在火灾冻害中遭到破坏时；（2）对已经检测的结果存在质疑时；（3）受材料质量、养护不周等因素影响，混凝土质量出现问题时；（4）当检测年代已久的建筑物时。其不足之处在于在钻芯时可能会破坏混凝土构件，且成本昂贵，选取钻芯位置难度较大，实际操作非常复杂。
2 钻芯法
2.1 钻取芯样。采用钻芯法检测混凝土的抗压强度时，通常会选择专用钻机，配以金刚石薄壁钻头，以提高芯样钻取的成功率。首先将钻机固定在检测结构实体表面，因实体中还有主筋、管线和各种预埋件，应借助电磁感应仪避开这些部位；接着保持匀速，将钻机钻入结构实体，此过程中需对钻头连续加水冷却，同时应清除钻取过程中产生的大量碎屑。根据混凝土粗骨料的粒径和实际需要确定芯样的直径，一般为100mm，关于其长度，至少应在直径的1.5倍以上，应视具体情况而定。另外，为减少直径偏差，应重视钻头的钻取速度和摆动幅度。
2.2 芯样加工。芯样多呈圆柱状，获取芯样后，需借助相关器具，按照1：1的高径比，对芯样进行切割磨平加工处理。需确保芯样达到以下几点要求：高径比严格控制在0.97-1.02之内；沿试件高度的任一直径和平均直径相差不得超过2mm；试件端面的不平整度需控制在0.1mm内，且端面和轴线的不垂直度不得超过1°。
2.3 芯样试验。混凝土芯样的强度试验，可在潮湿状态下开展，也可在干燥状态中进行，应结合实际要求确定适宜的环境。加载速度必须符合普通混凝土力学性能试验方法的要求。可通过式1计算试验抗压强度：
f= 式1
上式中，f表示芯样的抗压强度，F表示芯样在抗压试验中测到的最大压力；D则为芯样的直径。
3 混凝土强度测量不确定度的评定
关于测量不确定度的评定，首先要采取相应的测量方法，并分析可能影响测量结果各种的因素；然后建立相应的数学模型，并明确各种影响因素的测量不确定度分量；接着确定被测量可能包含的影响因子，进行标准不确定度的评定扩展，最终得出不确定度评价报告。
3.1 工程检测实例分析。某建筑工程设计环节，结合工程要求，决定采用C40等级的混凝土，并按批进行抽样检测。共抽检20次，试验内容包括直径、面积、荷载、强度和不垂直度等参数。按照相关规定，结构混凝土的抗压强度推定有两类：（1）单个构件的推定。在钻取芯样时，每个构件的钻取数目都在3个以上，若结构较小，可减少一个。对有效的芯样进行试验，最终取其中的最小值作为推定值；（2）检测批的推定。同一批中的有效试件数量应在15个以上，其强度计算推定区间（fcu，e1，fcu，e2），其间的差值和0.1fcu，cor，m两者均小于5MPa时，将fcu，e1作为推定值。
对试验抽检中的各项参数加以计算，可知，当n=20时，fcu，cor，m=41.9MPa，Scor=2.02Mpa；mD=99.9mm，mF=328.8kN。当n为20时，k1、k2值分别为1.27、2.4.则批准定值上限：fcu，e1=fcu，cor，m-k1×Scor=39.3MPa；批准定值下限：fcu，e2=fcu，cor，m-k2×Scor=37.1MPa。可知，二者的值都没有超过5MPa，所以这一批混凝土的抗压强度代表值为39.3MPa。
3.2 影响芯样试件抗压强度不确定度评定的因素
3.2.1 直径测量。对芯样的直径加以测量，可知直径在99.5mm-101.1mm，则ΔD=1.6mm，分散区间的半宽a=ΔD/2=0.8mm.服从矩形均匀分布u（D）=a/≈0.462。相对不确定度为uc（D）==0.46%。
3.2.2 压力测量。压力机测量标准不确定度UF=0.60%，kp=2，则相对标准不确定度Uc（F1）=UF/2=0.30%。当压力机的显示值出现误差时，也会引起相对不确定度，设其为Uc（F2），误差在0.6%以内，分散区间半宽为0.6%。按矩形分布，相对不确定度Uc（F2）≈0.35%。此外，分位值同样会引起不确定度，设其为Uc（F3），压力机的分位值为1kN，分散区间为0.5kN，服从矩形分布。则可求得U（F3）=0.29kN，相对不确定度为Uc（F3）=0.09%。
综合上述各种情况加以合成，求得最终的相对不确定度Uc（F）=0.47%。
3.3.3 端面与轴线不垂直度。端面与轴线的夹角在1°以内，其夹角α引起的端面受压力的变化，根据端面受力分解可求得，有效压力F′=Fcosα，ΔF=F（1-cosα），服从矩形分布，则
Uc（α）==0.006%
4 芯样混凝土抗压强度合格性评定
该工程在设计时，采用的是C40等级的混凝土，且已知其代表值为39.3MPa。为方便计算，在此只考虑龄期混凝土的强度表征值，忽略混凝土的成熟度，在引入芯样混凝土强度测量的不确定度后，fcue=39.3±（41.9×2.98%）=39.3±1.2（MPa）.可知，这批混凝土的抗压强度在C40等级范围内，符合设计要求。
5 结语
混凝土在当前各项工程建筑中都发挥着关键性作用，其抗压强度直接影响着工程的质量。在投入使用之前，务必要对其进行检测，确保能够达到设计要求。钻芯法是一种较为有效的方法，具有较高的精确度，值得推广应用。
参考文献
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建材发展导向2014年3期
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