钻芯法检测混凝土强度技术规程

抗压强度是控制混凝土施工质量的重要指标, 其试验、检测方法较多, 且各有优缺点, 其中钻芯法因其直观、结果可靠, 在实际工程中得到了广泛的应用, 但铁路、公路、港口等行业经验表明, 在采用钻芯法进行混凝土强度检测与评定时, 仍存在很多有争议和值得商榷的地方。本文对钻芯法检测技术、混凝土强度推定、检测结果评定的影响因素等进行研究, 对国标、铁路、公路、港口等规程进行对比分析, 提出了混凝土强度钻芯法检测需进一步开展研究的内容。

混凝土抗压强度是混凝土工程质量控制的主要指标, 其主要检查手段为:标准养护、同条件养护预留试件的检验与评定及结构混凝土实体强度的检测检验。其中结构混凝土实体强度检测通常采用钻芯法、回弹法及超声回弹综合法。回弹法与超声回弹综合法为无损检测方法, 不对结构造成破损, 具有简便快捷、操作方便等优点, 但测试误差比较大;钻芯法为局部破损检测法, 具有测试结果误差小、直观、能真实反映混凝土强度等优点, 也作为无损检测结果的验证手段, 当对回弹法与超声回弹综合法检测结果有疑问时, 通常采用钻芯法进行评定, 同时也作为构件质量评定、验收, 以及有关部门对结构构件是否需要进行加固处理或拆除的主要依据。

本文通过对不同行业规范的比较, 并结合近年来大量钻芯检测的工作经验, 分析国际、铁路、公路、港口规程在混凝土强度评定时的差异及优缺点, 提出完善铁路规程需要研究的问题。

1 混凝土钻芯法评定

由芯样试件得到的混凝土抗压强度值为结构混凝土在检测龄期相当于边长为150 mm立方体试块抗压强度。CECS03:88条文说明第6.0.1指出, 强度换算值不等于在施工现场取样、成型、与构件同条件养护试块的抗压强度值, 也不等于标准养护28 d的试块抗压强度值, 它只代表构件混凝土的芯样试件在测试龄期的抗压结果转换成边长150 mm立方体试块的实际强度值。

1.1 中国工程建设标准化协会标准《钻芯法检测混凝土强度技术规程》 (CECS03:2007)

钻芯法可用于确定检测批或单个构件的混凝土强度推定值, 芯样试件的数量应

根据检测批的容量确定, 标准芯样试件的最小样本容量不少于15个。检测批强度推定区间的上限值和下限值分别为

fcu, e1=fcu, m-k1Sfcu, e2=fcu, m-k2S (1)

式中, f cu, e1, f cu, e2分别为强度推定上限值和下限值;k1, k2分别为推定区间上限值系数和下限值系数, 由CECS03:2007附录B确定;f cu, m为芯样抗压强度平均值;S为样本标准差。

1) 根据式(1) 确定检测批推定区间, 且以上限值作为检测批混凝土强度的推定

值时, 可剔除芯样试件抗压强度样本中的异常值, 当确有试验依据时, 可对芯样

试件抗压强度样本的标准差S进行符合实际情况的修正或调整。

2) 按单个构件评定时, 不进行数据舍弃, 按有效芯样试件混凝土抗压强度值中

的最小值确定。

1.2 《港口工程混凝土非破损检测技术规程》 (JTJ 272—99)

混凝土芯样试件强度值按JTJ 272—99第5.4.8折算, f cure=f cur/K0。f cure为相当于边长150 mm立方体试件的抗压强度推定值, f cur为芯样试件抗压强度代表值, K0为

换算系数, 见表1。

表1K0取值

强度等级

≤C20C25～C30C35～C45C50～C60

0.820.850.880.90

按验收批判定, 当测区(芯样) 数n≥5时, 能同时满足式(2) 可判定为合格, 反之, 则初步判定为不合格。按单个构件判定, 当构件内的测区数n=3～4个时, 同时满足式(3) 可判定为合格, 反之判定为不合格。

mf-sf≥fcu, k fcue, min≥fcu, k-ηc[σ0](2) mf≥fcu, k+ηD fcue, min≥fcu, k-0.5ηD (3)

式中, f cu, k为混凝土立方体抗压强度标准值;f cue, min为同一验收批测区混凝土强度

最小值;[σ0]为混凝土立方体强度的标准差平均水平;ηD, ηc为系数, 分别见表2和

表3;m f为芯样抗压强度平均值;s f为样本标准差。

表2 [σ0]或ηD值

强度等级

≤C20C25～C40≥C45

[σ

0]或η

3.5

4.5

5.5

表3ηc值

芯样数/个

5～910～19≥20

0.70.9 1.0

1.3 铁路、公路行业规程

1) 铁路工程执行《铁路工程结构混凝土强度检测规程》(TB 10426—2004) , 该规程无检验批评定的相关规定, 对单个构件或单个构件局部区域的混凝土强度推定值的规定与CECS03:2007相同, 取为芯样试件混凝土强度换算值中的最小值。

2) 公路工程执行《钻芯法检测混凝土强度技术规程》(CECS03:2007) 。

1.4 铁路与其它行业规程比较

1.4.1 按单个构件评定

1) 除JTJ272—99外, 其余规程混凝土强度推定值取芯样试件混凝土强度换算值中的最小值, 未做合格性评价, 当混凝土强度推定值小于设计混凝土立方体抗压强度标准值时, 则判定为不合格。

2) 采用JTJ272—99时, 强度推定值为芯样换算值除以0.82～0.90, 以C25～C40混凝土为例, 芯样混凝土需满足强度平均值m f≥f cu, k+4.5, 且混凝土强度最小值

f cue, min≥f cu, k-2.25, 否则判定为不合格。可见, JTJ 272—99对芯样强度测试值除以

0.82～0.90进行放大修正, 且考虑了样本偏差对评定的影响, 当一个构件取3个芯样强度离散性(偏差) 大时, 易出现不合格。与其它规程相比, JTJ 272—99评定标准低10%～18%。

1.4.2 按检测批评定

铁路标准未给出按检测批评定的措施与规定, 而其它规程有具体方法和评定标准, 铁路标准有待补充完善。

1.4.3 其它方面

铁路工程部分构件钢筋比较密集, 以车站站房工程、桥梁墩台、梁等结构构件为例, 钢筋间距一般为100 mm左右, 当结构强度存在疑问或无损检测结果存在疑问时, 需要采用钻芯法确定强度, 但受钢筋间距和钢筋直径的限制, 很难钻取标准芯样, 故有必要钻取小芯样进行强度检测。因此, 有必要增加小芯样检测的有关内容。

2 混凝土强度检验与评定

2.1 国家标准强度试验、强度评定标准要点

1) 《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081—2002) 第2.0.2条规定, 普通混凝土力学性能试验应以3个试件为一组, 每组试件所用的拌合物应从同一盘混凝土或同一车混凝土中取样。第6.0.5条规定, 取3个试件测值的算术平均值作为每组试件的强度代表值;当一组试件中的强度的最大值或最小值与中间值的差值超过15%时, 则把最大及最小值一并舍除, 取中间值作为每组试件的强度代表值;当一组试件中强度最大值和最小值与中间值的差值均超过15%时, 则该组试件的试验结果无效。

交通行业标准JTG E30—2005与GB/T 50081—2002写法相同。

2) 《混凝土强度检验与评定标准》(GB/T50107—2010) 中强度代表值计算与GB/T 50081第6.0.5条相同。根据强度代表值, 采用统计方法及非统计方法进行混凝土强度评定。

①一个检验批的样本容量为连续的3组试件, 采用统计方法评定, 其强度应同时符合以下规定

mf≥fcu, k+0.7σ0fcue, min≥fcu, k-0.7σ0 (4)

②当样本容量不少于10组时, 采用统计方法评定, 其强度应同时符合以下规定mf≥fcu, k+λ1S fcue, min≥λ2fcu, k (5)

③当样本容量少于10组时, 采用非统计方法评定, 其强度应同时符合以下规定mf≥λ3fcu, k fcue, min≥λ4fcu, k (6)

式中, f cu, k为混凝土立方体抗压强度标准值;S, f cue, min分别为同一验收批测区混凝土强度标准差和最小值;σ0为检验批混凝土立方体强度的标准差, m f为同一检验批混凝土立方体抗压强度平均值。λ1, λ2, λ3, λ4为合格性评定系数, 见表4和表5。当检验结果满足式(4) ～式(6) 的规定时, 则该批混凝土强度应评定为合格;当不能满足上述规定时, 则评定为不合格。

表4λ1, λ2取值系数试件组数

10～1415～19≥20

1.15 1.050.95

0.950.850.85

表5λ3, λ4取值系数强度等级

≥C60

1.15 1.10

0.950.95

2.2 铁路混凝土工程施工质量验收标准 (TB 10424—2010)

2) 对喷射混凝土规定如下

①控制内容:早期强度应符合设计要求、喷射混凝土强度必须符合设计要求;

②试验方法与执行标准:TB 10424附录K喷大板切割法制作立方体试块, 当对强度有怀疑时, 也可钻孔取芯制作?100 mm试件;执行《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002) 、《铁路混凝土强度检验评定标准》(TB 10425—94) 、《铁路工程结构混凝土强度检测规程》(TB 10426—2004) 。钻芯法执行TB 10426。

2.3 公路混凝土强度验收执行《公路工程质量检验评定标准》 (JTG F80/1—2004)

1) 水泥混凝土抗压强度的合格标准

①试件≥10组时, 应以数理统计方法按下述条件评定

Rn-Κ1Sn≥0.9R Rmin≥Κ2R (7)

式中, R n, S n, R min分别为同批n组试件强度平均值、标准差、强度最低一组的值;R 为混凝土设计强度等级;K1, K2为合格性判定系数, 见表6。

表6K1, K2取值系数试件组数n

10～1415～19≥20

1.70 1.65 1.60

0.950.850.85

②试件<10组时, 非统计方法按下述条件评定

Rn≥1.15R Rmin≥0.95R (8)

2) 喷射混凝土抗压强度评定 (采用喷大板切割法制作立方体试块)

①试件组数≥10组时, 试件抗压强度平均值不低于设计值, 且任一组试件抗压强度不低于0.85倍的设计值;

②试件组数<10组时, 试件抗压强度平均值不低于1.05倍的设计值, 且任一组试件抗压强度不低于0.9倍的设计值。

2.4 不同行业验收规程对比分析

1) 各行业混凝土立方体试件制作与试验方法均执行国标《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002) 。

2) 铁路工程混凝土强度评定与旧国标《混凝土强度检验与评定标准》(GB/T 50107—88) 相同。

3) 铁路标准(或国家标准) 与公路标准的差异:对于工程常用普通混凝土, 强度等级一般小于C60, 铁路行业与公路行业混凝土强度评定对比见表7。

注:普通混凝土, 铁路标准与国家标准一致;国家标准无喷射混凝土强度的有关内容。

表7 铁标、公路标准混凝土强度评定对比行业标准普通混凝土喷射混凝土

统计方法 (以试件组数

n=10～14为例)

非统计方法 (试件

组数n<10)

统计方法 (试

件组数n>10)

非统计方法 (试

件组数n<10)

铁

路标准m

≥f

cu, k

+1.15Sf

cue,

min

≥0.95f

cu, k

≥1.15f

cu, k

cue,

min

≥0.95f

cu, k

≥f

cu,

+1.15Sf

cue,

min

≥0.95f

cu, k

≥1.15f

cu, k

cue,

min

≥0.95f

cu, k

公R

n ≥0.9R+1.7S

min

≥0.R

≥1.15RR

min

≥0.9R

≥RR

min

≥0.8R

≥1.05RR

min

≥0.

路

标

准

95R5R5R9R

表7表明:对于普通结构混凝土, 国家标准、铁路标准、公路标准虽有局部差异, 但是差别不大;对于喷射混凝土, 铁路标准比公路标准严格, 公路标准比铁路强度评定标准低约10%。

对于结构实体混凝土检验, 铁标TB 10424—2010与国标GB 50204—2002, 方法基本相同, 且均提出同条件养护试件检验时, 可将同组试件的强度代表值乘以折算系数1.1后取用。

3 分析与探讨

3.1 钻芯法单个构件评定

1) TB 10426—2004与CECS03:2007是按芯样试件混凝土强度的最小值进行混凝土强度推定的, 而JTJ 272—99进行了芯样强度放大修正, 给出了芯样试件的平均值及最小值限制, 且JTJ 272—99考虑了样本偏差对评定的影响。采用《港口工程混凝土非破损检测技术规程》(JTJ 272—99) 评定宽松一些。

2) 确定检测批混凝土强度推定值时, 可剔除芯样试件抗压强度样本中的异常值, 当确有试验依据时, 可对芯样试件抗压强度样本的标准差S进行符合实际情况的修正或调整, 但按单个构件评定时, 不进行数据舍弃。因此, 铁路行业按单个构件评定混凝土强度时偏于严格, 如果数据离散, 容易出现不合格, 不能准确反映实体强度真值, 以此评定为不合格是否合理, 值得商榷。

以某隧道衬砌混凝土强度检测数据为例, 设计强度C35, 采用不同标准时的评定差异见表8。

表8 某隧道衬砌混凝土强度检测典型数据分析

芯样编号混凝土强度值/MPa

评定依据

评定

结果芯样

芯样

平均

值

推定

值

S134.547.847.143.134.5TB

10426—2004

不合

格

S257.657.129.448.029.4或

CECS03:2007

不合

格

当采用JTJ 272—99时, 编号S1推定值平均值43.1/0.88=49.0 MPa, 最小值

34.5/0.88=39.2 MPa, 强度合格;编号S2推定值平均值48.0/0.88=54.5 MPa、最小值29.4/0.88=33.4 MPa > (35-2.25) MPa, 强度合格。显然, 表8中的强度平均值分

别为43.1 MPa和48.0 MPa, 远大于C35混凝土强度标准值, 但最低值又小于标准值, 单纯以最低值评定为不合格或合格是否合理, 有待商榷。

3) 旧版规程CECS03:88条文说明第6.0.1指出, 根据国外的一些试验结果, 由于受到施工、养护等条件的影响, 结构混凝土强度一般仅为标准强度的75%～80%左右, 国际标准草案为75%～85%。据中国建筑科学研究院对试验用墙板的取芯试验证明, 龄期28 d的芯样试件强度换算值仅为标准强度的86%, 为同条件养护试块的88%。可见, JTJ 272—99的评定办法, 考虑了此因素, 将芯样强度除以0.82～0.90修正为标养立方体试块后进行强度评定。

新版规程《钻芯法检测混凝土强度技术规程》CECS03:2007条文说明第7.0.5指出, 同品种混凝土的标准养护立方体试块抗压强度与自然养护构件中钻取的标准芯样试件的抗压强度之间没有固定的换算关系, 有时前者略高, 有时后者略高。

3.2 钻芯法与预留同条件养护试件强度评定的差异1) 以单个构件进行钻芯法评定时, 采用单个芯样强度值作为样本, 不进行误差

处理(剔出异常值或按组评定) , 因此强度推定值偏低, 其评定方法有必要进一步研究。

2) 预留同条件养护试件强度评定, 执行《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002) , 根据《混凝土强度检验与评定标准》(GB/T 50107) 进行评定, 且同条件养护试件检验时, 可将同组试件的强度代表值乘以折算系数1.1后取用。

假定结构构件中钻取的标准芯样试件的抗压强度与预留自然养护标准立方体试件强度相当, 由于同条件养护试件检验时其强度代表值乘以折算系数1.1进行放大修正, 且芯样取最低值, 则采用钻芯法评定比预留立方体试件强度评定要严格得多。

3.3 钻芯检测的影响因素分析

钻芯法检测结果主要受芯样的钻取、加工、试验等因素的影响。在钻芯取样过程中, 由于设备精度、钻机固定、钻头缺损等因素, 或操作不当导致钻取过程中钻机颤抖及卡钻, 造成芯样圆柱面出现波纹状或混凝土微损伤, 使芯样强度有所降低。另外芯样试件的湿度条件、强度试验控制不合理, 均会导致结果偏差。

一般情况下, 结构实体混凝土芯样强度的离散性比实验室成型标养或同条件养护成型的要大, GB/T 50081—2002实验室成型立方体试件允许最大值或最小值与中间值的偏差不大于15%, 结构实体混凝土芯样试件的允许偏差就更大。

4 结论与建议

钻芯法是结构实体混凝土强度评定或无损检测争议处理最直接、最可靠的检测方法, 如何准确测得混凝土真实强度, 做出合理评价, 是钻芯法检测的工作重点。本文通过对不同行业规范的分析比较, 并结合近年来大量钻芯检测的工作经验, 主要分析了国标、公路、交通、港口规程在混凝土强度评定时的差异及优缺点。

目前我国大规模建设高速铁路及重载铁路, 工程结构混凝土设计强度等级有所

提高且大量采用高性能混凝土, 基于工程检测与验收需要, 有必要开展以下研究, 为相关检测规程的修订提供参考数据。

1) 开展混凝土立方体试件与芯样试件强度的关系研究, 准确评价结构混凝土实体强度。

2) 开展小芯样试验研究, 研究其强度规律, 以进行特殊混凝土构件(受力大、构件小、钢筋密集) 钻芯法检测, 为标准制定提供科研数据。

3) 开展评定方法的相关研究, 使钻芯评定与预留试件评定具有一致性或相同的评定理论, 减少检测争议, 科学评价混凝土质量。