钻芯法检测混凝土强度的一种建议：多次横向劈拉法.pdf

四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 6卷第 1期 2 0 1 0年 2月 钻芯法检测混凝土强度的一种建议 ： 多次横向劈拉法 余江滔， 蒋 杰， 陆洲导 ( 同济大学结构工程与防灾研究所， 上海2 0 0 0 9 2 ) 摘要： 总结了钻芯法检测混凝土强度的局限性 ， 基于钻芯法提出了芯样的多次横向劈拉， 并从置信区间推算精度， 置信区间 上、 下限的差值， 变差系数上限三个方面分析了增加抽样数量可以提高检测精度， 缩小置信区间差值， 减小变差系数的上限， 以满足规范要求的优点， 从理论上证明多次横向劈拉法的合理性。 关键词： 钻芯法； 多次横向劈拉 ； 置信区间； 变差系数； 抽样数量 中图分 类号 ： T U 5 2 8 1 文献 标识码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 8 4 0 4 One s u g g e s t i o n o n t h e c o r e d r i l l i n g m e t h o d o f c o n c r e t e t e s t i n g： s e v e r a l t i me s o f t r a ns v e r s e c u t t i n g YU J i a n g t a o， J I ANG J i e ， L U Z h o u d a o ( R e s e a r c h I n s t i t u t e o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g a n d D i s a s t e r R e d u c t i o n ， T o n i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h i s p a p e r s u ms u p t h e l i mi t a t i o n s o f t h e c o r e d ri l l i n g me t h o d Ba s i n g o n t h i s me t h od， i t p r e s e n t s t h e s e v e r a l t i me s o f t r an s v er s e c u t t i n g o n t h e c on c r e t e c y hn de r I nc r e as i n g t h e nu mb e r o f s a mp l i n g h a s ma ny a d van t a g e s，s u c h as i n c r e a s i n g t he a c c u r a c y o f t e s t i n g ，r e d u c i n g t h e d i ff e r e n c e o f c o n fi d e n c e i n t e r v al and t h e c o e f fi c i e n t o f v a r i a t i o n，w h i c h me e t t h e c o d e r e q u i r e me n t s T h e s e t h ree a s p e c t s p r o v e t h a t i t i s r easo na b l e t o u s e t h e s e v e r a l t i me s o f t r a n s v e r s e c ut t i n g Ke y wo r d s ： C O re d ri l l i n g me t h od ； s e v e r al ti me s o f t r an s v e r s e c u t t i n g ； c o n fi d e n c e i n t e r v al ； c oeffi c i e n t o f v a r i a t i o n； t h e n um b e r o f s a mp l i n g 0 引 言 钻芯法可以检测混凝土的强度、 裂缝、 分层 、 孔 洞或离析等缺陷， 被广泛应用于钢筋混凝土构件、 各 种基础( 包括桩身质量) 、 公路、 水坝等质量检测中。 由于钻芯法直接检测混凝土的力学性能， 不需要进 行额外的换算， 被普遍认为是一种精度最高的方法 之一。王军波在文献 1 中比较了拔出法 、 贯人法、 综合法、 回弹法及超声法等检测方法 的误差， 钻芯法 以误差范 围 7 0 9 0 成为精度最高 的测试方 法。根据 G B T 5 0 3 4 4 2 o o 4 ( 建筑结构检测技术 标准 ， 钻芯法经常同其他无破损检测方法， 如回 弹法、 超声法综合使用 ， 成为这些方法检测结果的校 准依据。 1 钻芯法检测混凝 土强度的一些局 限 钻芯不可避免地会造成结构构件的损伤 ， 属 于 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 0 1 1 2 作者简介 ： 余 江滔 ( 1 9 7 5一) ， 男 ， 湖北武 汉人 ， 博 士 ， 讲师 ， 主要从 事 结构抗火、 鉴定与加 固研究 。 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 0 5 7 8 1 2 6 ) Ema i l ： y u j i a n g t a o t o n 6i e d u c n 半破损法。2 0 0 8年之前 ， 我国钻芯法采用的规程编 号 C E C S 0 3 ： 8 8 ， 规程要求 的芯样规格为 1 0 0 m l n和 1 5 0 1T I m两种 ， 直径较大。对于低层 、 体量较小的建 筑物 ， 由于构件 尺寸偏 小， 钻芯带来 的损 伤不 可忽 视。特别是对保护性建筑进行检测的过程 中， 经常 遇到构件尺寸小于抗震规范要求最小限值 ( 框架柱 截面小于 3 0 0 m m， 梁宽度小于 2 0 0 mm) 的情况， 大 量地使用钻芯法 ， 造成 的损坏往往难 以为检测人员 和业主所接受 。 2 0 0 8年开始施行的 C E C S 0 3 ： 2 0 0 7 ( 钻芯法检测 混凝土强度技术规程 中， 增加小直径芯样试件 的应用 ， 但仍推 荐采用 1 0 0 m m 的芯样。规范除采 用置信水平来控制“ 弃真 ” 的第一类错误外 ， 还进行 了“ 取伪” 的第二类错误 的控制 ， 使芯样法直接推定 混凝土抗压强度成为了可 能。可 以说 ， 这种直接 的 推算方法 ， 大大地提高了混凝土强度检测的可信度 ， 但也存在一些使用上的限制 。 ( 1 )规范 要求 ： “ 芯样试件 的数量应根据检 验批的容量确定。标准芯样试件的最小样本量不宜 少于 l 5个 ， 小直径芯样试件的最小样本量应适当增 加” 。结构设计 中， 为了节省造价 ， 不 同楼层混凝 土 标号往往变化 ； 同一楼层 的柱 、 墙与梁、 板混凝土标 号也常常取得不一样 ； 实际施工中， 柱、 墙与梁 、 板一 余江滔 ， 等： 钻芯法检测混凝土强度的一种建议： 多次横向劈拉法 8 5 般不会是 同一批浇筑。这些情况都造成了检验批数 量的增加。以笔者参与 的一项工程为例 ， 某框剪结 构单层柱、 墙取芯 1 6个 ， 梁 、 板取芯 1 6个 ， 进行了 3 个典型楼层的检测， 取芯数量达9 6 个之多。 ( 2 )通过钻芯进行混凝土抗压试验取得的数据 偏少。混凝土抗压 和劈拉试验属于破坏性试验 ， 一 个芯样只能得到一个数据。 ( 3 ) 芯样在加工成标准 芯样 过程中浪费严重。 根据规范 J ， 标准芯样为直径 1 0 0 m m， 高径 比 1 ： 1 。 为了防止 中间断裂 ， 实际钻取 的芯样长度一般大于 1 0 0 m m， 在加工过程中， 大部分割去， 浪费严重。 ( 4 ) 钻芯过程中 ， 因钻 到钢筋或钻机震 动可能 造成芯样断裂。由于混凝土 的脆性 ， 在凿出芯样 时 也常常出现芯样断成两截， 而无法进行后续的抗压 试验( 注： 芯样断成两截依然可以进行横向劈拉 ) 。 ( 5 ) 加工时 ， 芯样端 面需机器磨平或用水泥砂 浆、 硫磺胶泥补平。 以上几点可以看 出， 虽然钻芯法检测抗压强度 精度高 ， 但由于取芯数量过多 、 材料 的利用率低等因 素 ， 影响了其广泛应用。 2 圆柱体横 向劈拉测试混凝土强度 一 直 以来 ， 混凝土 的强度试验都是抗压强度为 主， 抗拉强度往往是 由抗压强度值换算得到。实际 上 ， 混凝土结构设计 中， 斜截面、 扭 曲截面及 冲切承 载力计算公式中 ， 抗拉强度都是主要的设计参数。 对混凝土 的单轴受压破坏过程与机理 的研究 ， 已达成如下共识 J ： ( 1 ) 混凝土的损伤源于混凝土本身存在 的初始 损伤裂隙或微裂缝 。 ( 2 ) 混凝土在外荷载作用下 ， 内部的微裂缝 ， 不 论其所在的部位处于粗集料还是水泥石结合面( 主 要原 因) ， 都会因应力集中的作用而不断扩展 ， 最终 导致混凝土的受压破坏 。 ( 3 ) 混凝 土在单轴 荷载下 ， 其横 向将产生拉 应 力和拉应变， 当拉应变达到极限拉应变时， 即引起材 料的破坏。 可以说， 混凝土的单轴受压破坏 同受拉破坏 ( 劈拉试验) 源于同一机理 。实际上 ， 由于受压端 面 上的约束和长径比的影响， 单轴抗压试验虽是最直 接的力学试验， 其结果仍存在一定程度的误差。 为了充分利用混凝土芯样， 在有限的芯样下尽 可能得到最多的试验数据， 同济大学抗火研究室进 行了逐层劈拉法的试验研究_ 4 j 。试验将混凝土试 块切割成 1 5 m m1 0 0 mm X 1 5 0 mm的片状 ， 经烘 干、 高温处理后进行劈拉 。而袁群 还采用有 限元 计算分析作为理论基础 ， 证明了均布线荷载和非均 布线荷载都能使混凝土圆柱体产生横劈破坏， 为横 向劈拉测定 圆柱体混凝土抗拉强 度提供 了理论支 持。 在这些研究成果 的基础上 ， 笔者提 出对芯块进 行多次横向劈拉， 劈拉方式如图 1 所示。这种方法 可以得到多个劈拉强度 ， 从而获取多个样本数据 ， 提 高检测精度。总结其优势如下： ( 1 ) 一 根 足 够 长 的混 凝 土 芯 样 ( 1 0 0 1 5 0 mm) ， 可以得到多组 ( 至少 3组 ) 抗拉强度 的数据。 对于因芯样的个别部位 的缺陷或其他原因造成的误 差 ， 增加检测样本数会提高混凝土强度推算 的精度。 ( 2 ) 由于劈拉法对 于试验 面要求小 ， 即使是断 裂 的芯样 ， 只要孔径方向上保持完好 ， 就可以进行试 验 。断为两截的芯样 ， 往往可 以取得两个 以上 的数 据 。 ( 3 ) 劈拉试验无须端面的加工， 在工作量和时 间上都有较大的优势。 图 1 横向劈拉法劈拉示意 F i g 1 S e v e r a l t i m e s o f t r a n s v e r s e c u t t i n g 3芯样多次横 向劈拉法 ( 增加样本数 量 ) 的优 势分析 中国建筑科学研究 院根据 逐批检查计数抽样 程序及抽样表 。 和 正态分布完全样本可靠 度单 侧置信下限 。 等规范的精神 ， 制定 了 G B T 5 0 3 4 4 2 0 0 4 ( 建筑 结构检测技术标准 J ， 并 于 2 0 0 4年 1 2 月 1日开始实施。该规范与 建筑工程施工质量 验收统标准 和相关的结构工程施工质量验收 规范及相关的可靠性鉴定标准相协调， 在工程质量 的检测中， 引入了最小抽样样本数和置信区间来保 证检测结果的可靠度。其后又在此基础上 ， 衍生 出 钻芯法检测混凝土强度技术规程 C E C S 0 3 ： 2 0 0 7 - 3 j 。 规范 3 在制定检验批的抽样方案时， 对 O 0 5分 位值下混凝土得生产方风险( 或错判概率 ) 和使用 方风险( 或漏判概率 ) 分别定为： O t 不宜超过 5 ， JB 8 6 四川建筑科学研究 第 3 6卷 不宜超过 1 0 ， 置信度为 8 5 。 现从三个方面说明增加抽样数量对混凝土强度 推算结果的影响。 3 1 增加抽样数量对置信 区间推算精度的影响 由检验法 C的施行特征 函数可知， 在抽样 的样 本数一定 的情况下 ， 错判概率 O t 和漏判概率 实际 上是一个此消彼涨 的关系。如 图 2所示 ， 在不合格 品率超过接收标准点 P 。 处 ， 漏判概率 =1 一O l 。当 不合格品率超过拒收标准点 P ， 对于给定的 值 ， 要进行 的控制， 必须提高样本数量， 否则置信区间 上限和下限之间将会差别过大。当样本数逐渐增大 时， O C曲线逐渐接近理想 O C曲线 ， 如图 2所示 ， 当 样本数分别为 5 ， 1 5 ， 4 5 ， 1 3 5时 ， 接受上限与接受下 限越来越接近 。在样本抽样数增大 3倍后 ，在相同 的置信度( = 5 ， =1 0 ) 下 ， 置信区间的精度有 了较大提高， 见表 1 。 批不合格品率 P ( 样本数分别为5 ， l 5 ，4 5 ， 1 3 5 ) 1 0 S 册 鞋 献 蜒 0 中性区 拒绝区 卢 PI 接受标准 拒收标准 批不合格品率 P 图 2 不 同样本数下接受概率与不合格品率之间的关系 Fi g 2 T h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e a c c e p t a n c e p r o b a b i l i t y a n d t h e f a i l u r e r a t e u n d e r the nu m be r of d i ffe r e nt s a m pl e s 表 1 置信度不变时样本数与置信上下限之间的关系 Ta b l e 1 Th e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e n u mb e r o f s a mp l i n g a n d t h e u p p e r a n d l o we r l i mi t s o f c o n fid e n c e l e v e l u n d e r t h e s ame c o nfi de nc e l e v e l 样本数 置信上 限 样本数 置信上限 样本数 置信下限 样本数 置信下限 由表 1可知 ， 在几乎相 同的置信区间的推算范 围下 ， 提高了样本数量后 ， 原来犯第一类错误和第二 类错误的概率均由0 0 5变成了0 0 1 ， 置信度的提 高是明显的。 3 2增加抽样数量对混凝土推定的置信 区间大小 的影响 建筑结构检测技术标准 和 钻芯法检测混 凝土强度技术规程 _ 3 分别对推定的区间 的上 限值 与下限值之差值进行 了限制 ， 统一 的标 准是不大于 材料相邻强度等级的差值和推定区间上限值与下限 值算术平均值的 1 0 两者中的较大值。实际的钻 芯法检测 中， 往往发现混凝土的设计标准强 度小于 推定 区间的上限 ( 说 明强度较高 ) ， 但推定 区间上、 下限差值超限的现象 。原 因有两个 ： 其一 ， 抽样的样 本变差系数( 也就是标本方差与样本均值的比 |S ) 过大， 说明混凝土强度虽然较高 ， 但离散性过大 ； 其 二， 抽样数量不足， 造成推算的置信区间的推定系数 上限值过小而下 限值过大 ， 造成差值超 限。如果就 此判定混凝土不合格 ， 不免过于武断且缺乏说服力。 处理这种问题 比较好的方法是增大抽样数量 ， 控制 推定系数的差值 。下面 ， 表 2显示采用多次横 向劈 拉法后样本数量增加 3倍后 ， 置信区间上、 下限差值 的变化 ( 假定为 同一批检测 ， 混凝 土的变差系数无 显著变化) 。 表 2 置信度不变 时样本数与上下限差值的关系 Tab l e 2 Th e r e l a t i o ns hip be t we e n t he numbe r o f s a mpl i ng a ndt he d i f f e r e nc e o f c o nfide nc ei n t e r va lu nde rt he s a me co nfi de n c e l e v e l 堕 童 壁! 二 三 ： ! ! = 色三 ： ! 原样本数量 增加样本数量 区间 比 A 2 A1 由表 2可知 ， 在 采用 多次横 向劈拉法 ( 增 加样 本数 3倍 ) 后 ， 相同的变差系数下 ， 置信 区间的差值 缩小了约5 0 。一般情况下， 推定区间差值过大的 问题可 以有效地解决 。 3 3增加抽样数量对变差系数上限的影响 G B T 1 1 7 9 1 8 9 正态分布变差系数置信上 限 9 可在样本不足 4 5时 ， 估计总体均方差 的置 2 0 1 0 N o 1 余江滔， 等： 钻芯法检测混凝土强度的一种建议： 多次横向劈拉法 8 7 信上限。该方法具有可靠 的理论基础 ， 在很多行业 中实际应用。具体当样本变差系数满足 0 0 6C = s a16时， 可较准确地计算总体离差 系数的置信上限 c 。现计算列举规范要求的置信 水平 1一 = 0 9 5下 ， 不 同的抽样数下 ， 变差系数 的 上限要求 的变化 ， 见表 3 。 表 3 置信 度不变时样本 数与变差系数上限之 间的关 系 Ta b l e 3 T h e r e l a ti o n s h i p b e t we e n t h e n u mb e r o f s a mp fi n g a n d t h e c o e f fide n t o f v a r i a t i o n u nd e r the s a l T l e c o n fid e n c e l e v e l 由表 3可知 ， 在样本抽取数量增加后 ， 变差系数 的上限随着样本数量 的增加而减小 。这实 际上说 明， 随着抽样数的增加 ， 相 同的置信水平下 ， 抽样结 果的离散性要求有所提高， 但随着抽样数的持续增 大， 这提高幅度变得较不明显。 4 结 语 笔者在原有钻芯法的基础上 ， 提出了多次横 向 劈拉法。与通常的芯样抗压试验相 比， 多次横 向劈 拉法具有以下优点。 ( 1 ) 多次横向劈拉法在 不增加钻芯数量 的基础 上， 大幅度地增加了试验的样本数， 在满足规范要求 的抽样数量的前提下， 大大地减少了钻芯对结构构 件的损伤。可以说， 多次横向劈拉法是一种经济、 安 全 、 检测方和委托方都易于接受 的实用的方法 。 ( 2 ) 通过对置信区间推算精度， 置信区问上、 下 限的差值 ， 变差系数上限三个方面的分析 ， 通过多次 横向劈拉法来增加抽样数量 ， 可以提高检测精度， 缩 小置信区间差值， 从理论上证明多次横向劈拉法的 合理性 。 多次横向劈拉法虽然具有多方面的优点， 但始 终是一种不成熟、 尚未 被广泛认可的方法 。今后 的 研究 中还有待加大试验投人和研究力度， 从各个方 面对其进行完善。 参 考 文 献 ： 1 王军波 房屋安全鉴定技术中的几个问题 J 建筑技术开 发 ， 1 9 9 7 ， 2 4： 3 3 4 2 G B T 5 0 3 4 4 - 2 0 0 4建筑结构检测技术标准 s 3 C E C S 0 3 ： 2 0 0 7钻芯法检测混凝土强度技术规程 s 4 余江滔火灾后混凝土构件损伤评估的试验及理论研究 D 上海 ： 同济大学 ， 2 0 0 7 5 袁群圆柱体横 向劈拉测定混凝土抗拉强度方法的研究 J 工业建筑， 2 0 0 6 ， 3 6( 6 ) ： 8 3 4 7 6 G B 2 8 2 88 7逐批 检查计 数抽样程序及抽样表 s 7 G B 4 8 8 5 8 5正态分布完全样本可靠度单侧置信下限 s 8 G B 5 0 3 0 0- 2 0 0 1建筑工程施工质量验收统一标准 s 9 G B T 1 1 7 9 1 8 9正态分布变差系数置信上限 s