鉆芯強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)立方體試件強(qiáng)度的關(guān)系

朱躍武，石 永，吳天俊，劉定宗

（1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518057；2.建研科技股份有限公司，北京 100013）

0 引言

在對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行檢測(cè)過(guò)程中，大家通常利用混凝土鉆芯強(qiáng)度作為同條件立方體試件的抗壓強(qiáng)度，但兩者是否相同？是否存在差異？具體的關(guān)系是什么？對(duì)于同一個(gè)檢測(cè)對(duì)象，不同的試驗(yàn)方法有不同的試驗(yàn)結(jié)果，但一般認(rèn)為既然是從混凝土中取出而進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，理所當(dāng)然“鉆芯強(qiáng)度”屬于最能被接受的試驗(yàn)結(jié)果。

1 深圳樁基規(guī)程關(guān)于芯樣試件強(qiáng)度處理原則

同時(shí)在解釋 1.136 的來(lái)源時(shí)也介紹了“芯樣試件抗壓強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度是有區(qū)別的，現(xiàn)行質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)和混凝土結(jié)構(gòu)施工及驗(yàn)收規(guī)范，對(duì)混凝土強(qiáng)度質(zhì)量的評(píng)定，都是以標(biāo)準(zhǔn)試件的抗壓強(qiáng)度（標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度）為依據(jù)，芯樣試件抗壓強(qiáng)度反映的是結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度，一般比標(biāo)準(zhǔn)試件強(qiáng)度低。”

“經(jīng)過(guò)對(duì) 1081 根樁進(jìn)行驗(yàn)證和統(tǒng)計(jì)當(dāng)芯樣試件強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差＞ 5.5 MPa 時(shí)，取 1.136fcu，min作為樁身代表值。”

CECS 03∶88《鉆芯法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》［2］第 6.0.1 條條文說(shuō)明：“據(jù)國(guó)外的一些試驗(yàn)結(jié)果，由于受到施工養(yǎng)護(hù)條件的影響，結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度，一般僅為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的 75 %～80 % 左右，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案為 75 %～80 %。據(jù)中國(guó)建筑科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)所對(duì)試驗(yàn)用的墻板的取芯試驗(yàn)證明，齡期 28 d 的芯樣試件強(qiáng)度換算值也僅為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的 86 %，為同條件試塊的 88 %。”

SJG 09－99《深圳地區(qū)基樁質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》為了防止發(fā)生“拒真”錯(cuò)誤，對(duì)樣本最小值乘以 0.88 的倒數(shù)“1.136”的系數(shù)作為強(qiáng)度代表值，即本規(guī)程提出芯樣強(qiáng)度修正系數(shù)“1.136”的概念。

2 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)芯樣強(qiáng)度與同條件標(biāo)準(zhǔn)立方體試件結(jié)果存在差異

周岳年等［3］一文中介紹“……依據(jù)試驗(yàn)周期一整年、樣本組數(shù)n=156 組，Φ100 芯樣共 888 個(gè)，經(jīng)回歸分析后給出，其相關(guān)系數(shù)r=0.966，平均相對(duì)誤差σ（%）=6.50 MPa，平均相對(duì)誤差er（%）=8.16MPa”的試驗(yàn)結(jié)果得到芯樣換算強(qiáng)度曲線，“……根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的現(xiàn)場(chǎng)同條件養(yǎng)護(hù)立方體試件與從結(jié)構(gòu)實(shí)體混凝土中鉆取Φ100 標(biāo)準(zhǔn)芯樣強(qiáng)度值的關(guān)系式如式（2）所示。

式中：fcu，e為混凝土抗壓強(qiáng)度推定值，MPa；fcu，cor混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度值，MPa。

本案例的曲線給出的系統(tǒng)偏差為 25.7 %，說(shuō)明鉆芯強(qiáng)度與同條件標(biāo)準(zhǔn)立方體試件強(qiáng)度差異顯著，即鉆芯強(qiáng)度換算為同條件立方體試件抗壓強(qiáng)度時(shí)應(yīng)乘以修正系數(shù) 1.257。

3 探索影響芯樣強(qiáng)度主要因素

什么原因?qū)е裸@芯強(qiáng)度低于同條件立方體試件抗壓強(qiáng)度？帶著這個(gè)問(wèn)題，我們采用同一配合比、同齡期預(yù)制 2 組直徑 φ44 mm 的圓芯樣和 2 組用于鉆制相同直徑圓芯樣的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，將預(yù)制圓芯樣及鉆制圓芯樣通過(guò)剪切試驗(yàn)對(duì)試件進(jìn)行強(qiáng)度對(duì)比，將每個(gè)芯樣剪切五段，預(yù)制試件和鉆制試件的剪切試驗(yàn)過(guò)程如圖 1 所示。

圖1 預(yù)制試件和鉆制試件的剪切試驗(yàn)

每剪切一次采集一個(gè)剪切數(shù)據(jù)，即每組 5 個(gè)剪切值，四組預(yù)制與鉆制芯樣剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表 1 所示。

通過(guò)單剪對(duì)兩種不同成型工藝的芯樣試件進(jìn)行剪切，再通過(guò)剪切強(qiáng)度進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)預(yù)制芯樣剪切強(qiáng)度與鉆制芯樣剪切強(qiáng)度的比值為：1.21～1.29，平均比值為1.24。初步分析表明，在混凝土配合比、強(qiáng)度、截面尺寸、試驗(yàn)方法相同的情況下，因混凝土成型膜的影響，可使鉆芯后的強(qiáng)度降低約 24 % 左右，鉆制過(guò)程破壞了原立方體試件的成型膜，即原來(lái)的約束沒有了，強(qiáng)度降低，由此可見鉆芯過(guò)程是造成芯樣強(qiáng)度低于同條件立方體試件強(qiáng)度的主要因素。

4 不同強(qiáng)度等級(jí)、不同直徑芯樣強(qiáng)度與同條件立方體試件強(qiáng)度的關(guān)系

為了進(jìn)一步了解鉆芯強(qiáng)度與同條件立方體試件的強(qiáng)度關(guān)系，按照 C35 和 C60 的強(qiáng)度等級(jí)預(yù)制兩面混凝土墻體構(gòu)件，并預(yù)留同條件立方體試件各 10 組，在 28 d 齡期后，采用鉆芯法分別在墻體上鉆取直徑φ100 mm 和φ75 mm 芯樣各 10 個(gè)，立方體試件和鉆芯抗壓試驗(yàn)結(jié)果如表 2 所示。

試驗(yàn)進(jìn)一步證明鉆芯過(guò)程一定會(huì)導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度降低，同時(shí)也會(huì)使樣本的試驗(yàn)強(qiáng)度值出現(xiàn)離散，發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)差偏大等不利因素，也進(jìn)一步證明鉆芯導(dǎo)致原來(lái)的成型膜被破壞，強(qiáng)度明顯下降。

表1 四組預(yù)制與鉆制剪切數(shù)據(jù)

表2 立方體試件和鉆芯抗壓試驗(yàn)結(jié)果

5 芯樣修正系數(shù)計(jì)算［4-6］

樣本標(biāo)準(zhǔn)差是衡量檢測(cè)方法檢測(cè)精度的唯一標(biāo)準(zhǔn)，就目前常用檢測(cè)技術(shù)來(lái)說(shuō)，每種檢測(cè)方法采集的相關(guān)參數(shù)與混凝土抗壓強(qiáng)度之間都具有較好的相關(guān)性，按照目前掌握的規(guī)律，非破損檢測(cè)方法的相關(guān)系數(shù)一般偏小，這是因?yàn)榉瞧茡p檢測(cè)技術(shù)是采用如“回彈”或“聲速”等參量建立與混凝土抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)關(guān)系，而這些參量與強(qiáng)度之間的相關(guān)性不明顯，特別是由于被測(cè)混凝土中的占比最大的粗骨料材質(zhì)不同，同一種強(qiáng)度等級(jí)中其不同骨料與其“回彈”或“聲速”有關(guān)，但因混凝土中是由不同材質(zhì)組成的混合體，每種材料的材性之間存在較大的差異，因此其曲線的相關(guān)性在所有檢測(cè)技術(shù)中是相對(duì)較低的，另外由于他們的參量變化幅度有限，檢測(cè)時(shí)其標(biāo)準(zhǔn)差要比微破損檢測(cè)方法要小。

表3 芯樣修正系數(shù)匯總表

而對(duì)于微破損檢測(cè)是建立在混凝土的拉、壓、剪等參量與混凝土抗壓強(qiáng)度之間的擬合關(guān)系，是混凝土自有內(nèi)在應(yīng)力之間的關(guān)系，因此相關(guān)性一般較好，但由于每次操作都存在破損，加工、骨料分布等均會(huì)影響每次的數(shù)據(jù)采集值，容易出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)差偏大的情況，較大的標(biāo)準(zhǔn)差必然影響混凝土代表值的確定，如果采用按批推定，最容易發(fā)生“拒真”錯(cuò)誤，造成本應(yīng)該合格的產(chǎn)品，由于標(biāo)準(zhǔn)差偏大的緣故被拒收。

實(shí)踐中我們不但要防止“拒真”錯(cuò)誤的發(fā)生，還要防止“取偽”錯(cuò)誤的發(fā)生，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)差偏大，無(wú)法滿足規(guī)范中按批推定關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)差的要求時(shí)，可通過(guò)樣本中的最小值乘以一個(gè)修正系數(shù)，作為樣本代表值，減少概率統(tǒng)計(jì)中“拒真”錯(cuò)誤的發(fā)生，即把“好”說(shuō)成壞，而對(duì)樣本最小值進(jìn)行修正可以避免“取偽”錯(cuò)誤的發(fā)生，即把“壞”的說(shuō)成好的。

綜合多方面的試驗(yàn)結(jié)果，最終得到 6 組修正系數(shù)，究竟選擇哪組系數(shù)可作為芯樣的系統(tǒng)誤差的修正值？帶著這個(gè)問(wèn)題，為了科學(xué)選取，我們對(duì)選取的芯樣修正系數(shù)進(jìn)行方差分析，芯樣修正系數(shù)匯總?cè)绫?3 所示。

通過(guò)方差分析，求出修正系數(shù)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)如表4 所示。

表4 修正系數(shù)統(tǒng)計(jì)參數(shù)描述

圖2 各組試塊強(qiáng)度/芯樣強(qiáng)度分布圖

引入此概念可以有效解決鉆芯工藝導(dǎo)致批推定強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差偏大而影響批推定強(qiáng)度的偏低的不足，可有效改善檢測(cè)結(jié)果。

6 結(jié)合實(shí)例介紹芯樣修正系數(shù)的應(yīng)用方法

為了比對(duì)方便，首先計(jì)算（見表 2）中 C60 墻體中同條件立方體試件的推定強(qiáng)度，本案例按照式（4）計(jì)算。

針對(duì)鉆芯強(qiáng)度中因標(biāo)準(zhǔn)差偏大，數(shù)據(jù)分散的工況，通過(guò)對(duì)最小值乘以修正系數(shù)提高“拒真”概率，可有效減少“取偽”概率的發(fā)生，改善檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

7 結(jié)論

1）經(jīng)綜合分析，鉆芯強(qiáng)度與同條件立方體試件抗壓強(qiáng)度之間存在差異，鉆芯強(qiáng)度約為同條件立方體試件的 87 % 左右，這與（GB 50204－92）規(guī)程中的 0.88 系數(shù)基本相同。

2）造成鉆芯強(qiáng)度低于同條件立方體試件強(qiáng)度的主要原因?yàn)樵嚰尚秃蟮耐饽そ?jīng)鉆芯而被破壞，導(dǎo)致原約束條件發(fā)生變化，最終使芯樣試件強(qiáng)度偏低。

3）為了有效避免“拒真”和“取偽”錯(cuò)誤的發(fā)生，當(dāng)采用鉆芯工藝的檢測(cè)方法時(shí)，如遇強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差大于相關(guān)規(guī)程規(guī)定時(shí)，可采用樣本最小值乘以 1.143 8 系數(shù)作為批代表值，也可以對(duì)批推定代表值乘以該系數(shù)作為驗(yàn)收值。

4）初步研究也表明采用鉆芯工藝的檢測(cè)技術(shù)，會(huì)因鉆芯工藝導(dǎo)致鉆芯試件抗壓強(qiáng)度降低，即存在因鉆芯工藝而產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。Q