鉆芯法檢測混凝土強度及其標準差研究

任雨龍 高向玲，* 鄭士舉

鉆芯法檢測混凝土強度及其標準差研究

任雨龍1高向玲1，*鄭士舉2

（1.同濟大學土木工程學院建筑工程系，上海 200092； 2.上海市建筑科學研究院有限公司，上海 200032）

為探求鉆芯法檢測混凝土強度及其標準差的影響因素，對比分析了中國、美國、歐洲相關規(guī)程在取芯方式、齡期、規(guī)格、樣本數(shù)量、是否含有鋼筋、是否進行無損檢測、試驗環(huán)境、強度推算公式等方面的異同。通過收集整理22篇文獻中鉆芯法的試驗數(shù)據(jù)，經(jīng)過綜合分析發(fā)現(xiàn)：芯樣直徑相近時，抗壓強度隨高徑比的增加而減小。芯樣高徑比相近的情況下，高徑比小于1時，芯樣直徑相對于最大骨料粒徑越大，芯樣強度越高；高徑比大于1小于1.5時則相反。在板與寬梁中，平行于澆筑方向鉆取的芯樣抗壓強度大于垂直于澆筑方向鉆取的芯樣抗壓強度；在窄梁中則相反。芯樣高徑比與直徑相近時，加載速率越快，芯樣抗壓強度越高。高徑比對芯樣抗壓強度標準差沒有影響。大部分情況下，對相同芯樣計算出的推定強度，從大到小依次為中國規(guī)程、美國規(guī)程、歐洲規(guī)程。

鉆芯法， 混凝土強度， 均值， 標準差

0 引 言

我國目前有大量老舊建筑物的加固改造工程，由于年代久遠，多數(shù)建筑物存在設計資料以及竣工圖紙缺失的情況，這無疑造成了建筑物的加固改造極其困難。掌握既有混凝土材料的力學性能檢測方法及影響規(guī)律，可為加固改造提供基本的技術支持。老舊建筑物中混凝土強度的評定有多種檢測手段，超聲法、回彈法等無損檢測法，這些方法雖然操作簡便，其準確性及對混凝土內(nèi)部條件的反應能力并不如鉆芯法［1-4］。鉆芯法雖然有準確性高［5］等優(yōu)點，但有許多因素會影響芯樣抗壓強度及其標準差，如鉆取芯樣的尺寸、精度、骨料粒徑的大小、鉆芯方向、試驗環(huán)境等［1，6-7］。各國的鉆芯法檢測規(guī)程也存在差異［8-10］，使用不同的規(guī)程進行檢測亦會造成檢測結(jié)果的不同。

因此，本文選取具有代表性的中國、美國、歐洲鉆芯法檢測規(guī)程進行對比，探究其中的異同點。收集多篇文獻中鉆芯法的試驗數(shù)據(jù)，并建立數(shù)據(jù)庫，綜合分析芯樣的高徑比、直徑、直徑與最大骨料粒徑的比值、鉆芯方向、加載速率與芯樣強度及其標準差之間的關系。通過研究，總結(jié)了一些規(guī)律性的結(jié)論，可為鉆芯法檢測混凝土強度提供技術支持。

1 中國、美國、歐洲規(guī)程對比

1.1　總體比較

為了全面掌握鉆芯法檢測混凝土強度以及其標準差的影響因素，首先對比了具有代表性的中國規(guī)程《鉆芯法檢測混凝土強度技術規(guī)程》（JGJ/T 384—2016）［8］（以下簡稱中國規(guī)程）、美國規(guī)程《Guide for Obtaining Cores and Interpreting Compressive Strength Results》（ACI 214.4R-10）［9］（以下簡稱美國規(guī)程）以及歐洲規(guī)程《Testing concrete in structures Part 1：Cored specimens-taking，examining and testing in compression》（BS EN 12504-1—2009）［10］（以下簡稱歐洲規(guī)程）在鉆芯法取芯方式、齡期、規(guī)格、樣本數(shù)量、是否含有鋼筋、是否進行無損檢測、試驗環(huán)境、強度推算公式等方面的異同，具體情況見表1。

表1　 中國、美國、歐洲鉆芯法檢測混凝土強度規(guī)程比較

1.2　混凝土強度推定方法對比

中國規(guī)程采用式（1）計算推定區(qū)間上限，以推定區(qū)間上限cu，e1作為檢測批混凝土強度的推定值。

式中：fu，cor，m為芯樣抗壓強度平均值；cu，e1為混凝土抗壓強度推定上限值；1為推定區(qū)間上限值系數(shù)；cu為抗壓強度標準差。

美國規(guī)程［9］采用式（2），考慮高徑比、直徑、濕度、鉆芯過程損傷等對每個芯樣抗壓強度進行調(diào)整，以其平均值作為檢測批混凝土強度的推定值。其計算結(jié)果與直徑150 mm、高徑比為2的圓柱體試件抗壓強度相等價。在本文分析中進一步將其換算為與150 mm立方體試件相等，以便各規(guī)范推定值的比較。

式中：c為等效原位強度；F為高徑比校正因子；dia為直徑校正因子；mc為濕度校正因子；d為鉆芯過程損傷校正因子；core為芯樣抗壓強度。

歐洲規(guī)程采用式（3）和式（4）分別計算等效測區(qū)原位強度ck，is，并以兩者中的較低值作為檢測批混凝土強度的推定值。

式中：ck，is為等效測區(qū)原位強度；f為個芯樣強度的平均值；flowest為個芯樣強度的最小值；2為修正系數(shù)，本文中取1.48；為芯樣強度標準差和2.0 N/mm2的較高值。

2 試驗數(shù)據(jù)分析

2.1　歸一化處理方法

對于從文獻［1］、［11］至［29］中收集到的鉆芯法試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一整理，并就芯樣高徑比、直徑、直徑與最大骨料粒徑的比值、鉆芯方向、加載速率等對芯樣強度及其標準差的影響進行分析討論。

在分析中，為了便于比較，需要將實測的混凝土強度進行歸一化處理，對于文獻中提供了混凝土實測強度的，則統(tǒng)一換算為立方體抗壓強度。對于僅提供了混凝土設計強度等級的，則根據(jù)95%的保證率推算試件所用混凝土強度，推算時按照《普通混凝土強度配合比設計規(guī)范》（JGJ 55—2011）［30］第4.0.1條進行推算，混凝土強度標準差按照第4.0.2條取值，混凝土設計強度等級與混凝土強度之間的換算關系見表2。

表2　 混凝土設計強度等級與混凝土強度的換算關系

歸一化處理中用到的符號及名詞解釋統(tǒng)一說明如下：立方體抗壓強度為與芯樣源構件同批次同條件澆筑養(yǎng)護的邊長150 mm的立方體試塊的抗壓強度平均值；對比試塊為圓柱體的按照文獻［31］所述的聯(lián)合國教科文組織《鋼筋混凝土手冊UNESCO》推薦的不同形狀、尺寸；試件抗壓強度轉(zhuǎn)換系數(shù)轉(zhuǎn)換為邊長150 mm的立方體試塊抗壓強度。

1=芯樣抗壓測試強度/立方體試塊抗壓強度。

2=芯樣抗壓測試強度標準差/立方體試塊抗壓強度。（此處“立方體試塊抗壓強度”為提供同批次對比試塊抗壓強度的文獻中對比試塊強度的實測平均值）

1=芯樣抗壓測試強度/推算的立方體試塊抗壓強度。

2=芯樣抗壓測試強度標準差/推算的立方體試塊抗壓強度。（此處“推算的立方體試塊抗壓強度”為未提供同批次對比試塊抗壓強度，僅提供混凝土設計強度等級的文獻中根據(jù)表2換算關系推算出的立方體試塊抗壓強度）。

本文數(shù)據(jù)來源于文獻［1］、［11］至［29］，對于記錄有單個芯樣實測抗壓強度的則按單個芯樣抗壓強度錄入，采用1、2進行歸一化分析，對于僅記錄有一組芯樣實測平均強度的數(shù)據(jù)按芯樣平均抗壓強度錄入并參與單個芯樣抗壓強度分析；對于僅提供混凝土設計強度等級，則將設計強度等級按照95%保證率推算為混凝土強度，然后采用1、2進行歸一化分析。

2.2　高徑比的影響

圖1給出了相近直徑芯樣歸一化處理后芯樣抗壓測試強度與立方體試塊抗壓強度的比值1［圖1（a）、圖1（b）、圖1（c）］以及芯樣抗壓測試強度與推算的立方體試塊抗壓強度1［圖1（d）、圖1（e）］的均值與高徑比之間的關系。圖1（a）為直徑約100 mm的芯樣（包含94 mm與100 mm），共計436個數(shù)據(jù)；圖1（b）為直徑約50 mm（包含49 mm與50 mm）的芯樣，共計124個數(shù)據(jù)；圖1（c）為直徑約70 mm（包含69 mm與75 mm）芯樣，共計96個數(shù)據(jù)；圖1（d）為直徑約100 mm的芯樣（包含99～101 mm），共計282個數(shù)據(jù)；圖1（e）為直徑約70 mm的芯樣（包含70 mm與75 mm），共計183個數(shù)據(jù)。

圖1　直徑相近時n1（a、b、c）、N1（d、e）與高徑比的關系

從圖1中可以看出，對于具有相近直徑的芯樣，隨著高徑比的增大，1與1逐漸減小，表明芯樣抗壓強度逐漸減小。因此在芯樣直徑相近的情況下，隨著高徑比的增大，芯樣抗壓強度降低。圖2給出了相近直徑芯樣歸一化處理后芯樣抗壓測試強度標準差與立方體試塊抗壓強度的比值2［圖2（a）］以及芯樣抗壓測試強度標準差與推算的立方體試塊抗壓強度比值2［圖2（b）、2（c）］的均值與高徑比之間的關系。其中圖2（a）為直徑約100 mm的芯樣（包含94 mm與100 mm），共計59個數(shù)據(jù)；圖2（b）為直徑約100 mm的芯樣（包含99～101 mm），共計63個數(shù)據(jù)；圖2（c）為直徑約70 mm的芯樣（包含70 mm與75 mm），共計55個數(shù)據(jù)。從圖2中可以看出，對于相近直徑的芯樣，隨著高徑比的變化，采用實際測試強度歸一化的標準差2基本上在0.05附件波動，而采用推算強度歸一化的標準差2在0.1附近波動，表明芯樣抗壓強度標準差不受高徑比變化的影響。因此對于直徑相近的芯樣，抗壓強度標準差與高徑比之間沒有關聯(lián)。

圖2　直徑相近時n2（a）、N2（b、c）與高徑比的關系

2.3　直徑的影響

圖3給出了相近高徑比芯樣歸一化處理后1［圖3（a）、圖3（b）］、1［圖3（c）］的均值與直徑之間的關系。其中圖3（a）為高徑比約為1（0.9～1.1）的芯樣，共計268個數(shù)據(jù)；圖3（b）為高徑比約1.5（1.4～1.6）的芯樣，共計64個數(shù)據(jù)；圖3（c）為高徑比約為1（0.9～1.1）的芯樣，共計532個數(shù)據(jù)。從圖3中可以看出，對于相近高徑比的芯樣，提供了混凝土實測強度的數(shù)據(jù)［圖3（a）、圖3（b）］，直徑越大，1越大；僅提供了混凝土設計強度等級的數(shù)據(jù)［圖3（c）］，直徑越大，1越小。兩種數(shù)據(jù)是矛盾的，故高徑比相同時，直徑對抗壓強度的影響需進一步試驗探究。

圖4為高徑比相近芯樣歸一化處理后2［圖4（a）］、2［圖4（b）］的均值與直徑之間的關系。圖4（a）為提供了混凝土實測強度的數(shù)據(jù)，共計87個；圖4（b）為僅提供了混凝土設計強度等級的數(shù)據(jù)，共計57個。

能夠分析直徑與抗壓強度標準差關系的數(shù)據(jù)量較少，但從圖4中也能夠看出一些基本規(guī)律，當試樣的高徑比相近時，隨著直徑的增大，2與2均逐漸減小，表明芯樣抗壓強度的標準差逐漸減小。故可以認為其他因素相同或相近的情況下直徑越大，芯樣抗壓強度的標準差越低。

2.4　芯樣直徑與最大骨料粒徑比值D/d的影響

圖5給出了相近高徑比芯樣歸一化處理后1的均值與/之間的關系。圖5（a）為高徑比小于1的芯樣，共計46個數(shù)據(jù)；圖5（b）為高徑比在1和1.5之間的芯樣，共計159個數(shù)據(jù)。從圖5中可以看出，對于高徑比相近的芯樣，高徑比小于1時，隨著/的增大，1逐漸增大；高徑比在1和1.5之間時，隨著/的增大，1逐漸減小；且高徑比與1的差值越大，其趨勢線斜率越大。高徑比大于1.5后數(shù)據(jù)較為雜亂，無法分析出明顯規(guī)律。故高徑比相近的情況下，高徑比小于1時，芯樣直徑相對于最大骨料粒徑越大，芯樣強度越高；高徑比大于1小于1.5時則相反。

2.5　加載速率和鉆芯方向的影響

圖6給出了歸一化處理后高徑比為1、直徑為100 mm時1與加載速率的關系，共90個數(shù)據(jù)。從圖6可以看出，對于高徑比與直徑相近的芯樣，隨著加載速率的提高，1呈現(xiàn)增大趨勢，表明芯樣抗壓強度越高。鉆芯方向?qū)π緲訌姸鹊挠绊?，由于相關的試驗數(shù)據(jù)非常有限，為保證影響因素分析的相對完整性，在此采用Soren等［11］通過試驗得出結(jié)論，在板與寬梁中，平行于澆筑方向鉆取的芯樣抗壓強度大于垂直于澆筑方向鉆取的芯樣抗壓強度，在窄梁中則相反。

圖6　高徑比為1，直徑100 mm時n1與加載速率的關系

3 中國、美國、歐洲規(guī)程推算強度對比

3.1　推算強度

分別使用中、美、歐規(guī)程進行鉆芯法試驗數(shù)據(jù)的強度推定。為了便于比較，需要將三個規(guī)范的推算結(jié)果與150 mm立方體試塊強度進行換算，歐洲規(guī)程僅能夠?qū)Ω邚奖葹?、直徑100 mm的芯樣進行強度推算，中國規(guī)程僅能夠?qū)Ω邚奖葹?、直徑為70～100 mm的芯樣進行強度推算。美國規(guī)程推算結(jié)果與直徑150 mm、高徑比2的圓柱體試塊強度等價，此處按照文獻［31］所述的聯(lián)合國教科文組織《鋼筋混凝土手冊UNESCO》所推薦的不同形狀、尺寸試件抗壓強度換算系數(shù)換算為邊長150 mm的立方體試塊抗壓強度。故在此選取Ergun與Kurklu［25］的試驗數(shù)據(jù)中直徑分別為100 mm、75 mm，且高徑比為1的兩組芯樣進行強度推算對比，根據(jù)計算式（1）—式（4）得到的各規(guī)程的推算值見圖7。

從圖7中可以看出，大部分情況下，對相同試塊計算出的推定強度，從大到小依次為中國規(guī)程、美國規(guī)程、歐洲規(guī)程的推定值。但對其他文獻的數(shù)據(jù)分析過程中也發(fā)現(xiàn)有時會出現(xiàn)歐洲規(guī)程計算強度大于美國規(guī)程的結(jié)果。通過分析推算式（1）—式（4）可以發(fā)現(xiàn)，中國規(guī)程和歐洲規(guī)程都是使用標準差對檢測批芯樣強度平均值進行折減，其結(jié)果受檢測批混凝土強度變異性的影響；而美國規(guī)程則是對每個芯樣強度進行修正后取其平均值，結(jié)果不受芯樣強度變異性的影響，故導致不同文獻提供的實驗數(shù)據(jù)的推算值排序有一定的差異。Ergun與Kurklu［25］的試驗數(shù)據(jù)沒有記錄芯樣抗壓強度標準差，計算時以JGJ 55—2011《普通混凝土強度配合比設計規(guī)范》［30］規(guī)定的沒有標準差資料時的條款進行取值，其結(jié)果更具普遍意義，故可以認為大部分情況下，對相同試塊計算出的推定強度，從大到小依次為中國規(guī)程、美國規(guī)程、歐洲規(guī)程。

3.2　非標準芯樣的換算系數(shù)比較

鉆芯法測試混凝土強度鉆取的芯樣尺寸，各國規(guī)范給定的值是有差異的（見表1）。Ergun與Kurklu［25］的試驗數(shù)據(jù)計算出的非標準芯樣強度換算為標準芯樣強度（直徑100 mm、高徑比1）的換算系數(shù)與美國規(guī)程的規(guī)定值對比見表3，其中直徑75 mm的芯樣，美國規(guī)范并未給出換算系數(shù)，此處采用直徑50 mm與直徑100 mm換算系數(shù)之間的線性插值確定；美國規(guī)程為與高徑比2之間的換算系數(shù)，此處換算為與高徑比1之間的換算關系。

表3　 換算系數(shù)計算值與美國規(guī)程規(guī)定值對比

從表3可知，計算值與美國規(guī)范給定值之間存在一定的差值，但其隨著高徑比（直徑）改變的趨勢還是相同的，即高徑比越大換算系數(shù)越大，直徑越大換算系數(shù)越小，亦說明高徑比越大芯樣強度相對減小，直徑越大芯樣強度相對增大，這與本文2.2節(jié)與2.3節(jié)有關高徑比和直徑對于芯樣強度的影響的結(jié)論基本相符，也說明了使用換算系數(shù)處理非標準規(guī)格芯樣強度的可行性。

4 結(jié) 論

（1） 鉆芯法芯樣直徑相近的情況下，高徑比越大，芯樣抗壓強度越低。芯樣抗壓強度的標準差大小與高徑比之間沒有關聯(lián)。

（2） 芯樣高徑比相近的情況下，高徑比小于1時，芯樣直徑相對于最大骨料粒徑越大，芯樣強度越高；高徑比大于1小于1.5時則相反。當高徑比大于1.5時數(shù)據(jù)雜亂，目前尚無定性結(jié)論，還需進一步研究。

（3） 板與寬梁中，平行于澆筑方向鉆取的芯樣抗壓強度大于垂直于澆筑方向鉆取的芯樣抗壓強度；在窄梁中則相反。

（4） 對于高徑比與直徑相近的芯樣，加載速率越快，芯樣抗壓強度越高。

（5） 大多數(shù)情況下，對相同試塊計算出的推定強度，從大到小依次為中國規(guī)程、美國規(guī)程、歐洲規(guī)程。

（6） 在高徑比相同時，芯樣直徑對抗壓強度的影響在數(shù)據(jù)分析中存在矛盾，對抗壓強度標準差的影響數(shù)據(jù)量不足，還需進一步試驗驗證。

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Study on Strength and Standard Deviation of Concrete Assessed by Core Drilling Method

RENYulong1GAOXiangling1，*ZHENGShiju2

（1.Department of Structural Engineering，College of Civil Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China； 2.Shanghai Research Institute of Building Science Co.， Ltd， Shanghai 200032， China）

In order to explore the influence factors of the concrete strength and its standard deviation measured by the core drilling method， the standards of the core drilling methods in China，America and Europe are firstly analyzed. The three standards are different in terms of drilling method， age， core size， core number， reinforced or not， non-destructive testing or not， test environment， and calculation formula. Through analyzing the test data of the core drilling method in 22 references，it is found that when the core diameter value is close， the strength of cores decreases as the height-to-diameter ratio increases.When the height-to-diameter ratios are close and less than 1， the strength of cores increases as the height-to-diameter ratio increases. The results are reversed when the height-to-diameter ratio is between 1 and 1.5. The compressive strength of cores which are drilled parallelly to the pouring direction is larger than that when it is drilled perpendicularly to the pouring direction in slab and wide beam， whereas in narrow beam the results are reversed. When the diameter and the height-to-diameter ratio of the cores are close， the compressive strength of the cores increases as the loading rate increases. In majority of cases， for the same core sample， the magnitude order of estimated strength from large to small is like such as evaluated by Chinese code， American code and European code.Height-to-diameter ratio of cores does not affect the standard deviation of compressive strength of core samples.

core drilling method， concrete strength， mean value， standard deviation

2021-03-22

上海市教育委員會科研創(chuàng)新計劃項目（2017-01-07-00-07-E00006）

任雨龍，男，碩士研究生，主要從事混凝土結(jié)構研究。E-mail：2032323@#edu.cn

聯(lián)系作者：高向玲，女，博士，副教授，主要從事混凝土結(jié)構研究。E-mail：gaoxl@#edu.cn