钻芯强度与标准立方体试件强度的关系

朱跃武，石 永，吴天俊，刘定宗

（1.中国建筑科学研究院有限公司深圳分公司，广东 深圳 518057；2.建研科技股份有限公司，北京 100013）

0 引言

在对混凝土结构工程进行检测过程中，大家通常利用混凝土钻芯强度作为同条件立方体试件的抗压强度，但两者是否相同？是否存在差异？具体的关系是什么？对于同一个检测对象，不同的试验方法有不同的试验结果，但一般认为既然是从混凝土中取出而进行抗压试验，理所当然“钻芯强度”属于最能被接受的试验结果。

1 深圳桩基规程关于芯样试件强度处理原则

同时在解释 1.136 的来源时也介绍了“芯样试件抗压强度与标准强度是有区别的，现行质量评定标准和混凝土结构施工及验收规范，对混凝土强度质量的评定，都是以标准试件的抗压强度（标准强度）为依据，芯样试件抗压强度反映的是结构混凝土强度，一般比标准试件强度低。”

“经过对 1081 根桩进行验证和统计当芯样试件强度标准差＞ 5.5 MPa 时，取 1.136fcu，min作为桩身代表值。”

CECS 03∶88《钻芯法检测混凝土强度技术规程》［2］第 6.0.1 条条文说明：“据国外的一些试验结果，由于受到施工养护条件的影响，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 %～80 %。据中国建筑科学研究院结构所对试验用的墙板的取芯试验证明，龄期 28 d 的芯样试件强度换算值也仅为标准强度的 86 %，为同条件试块的 88 %。”

SJG 09－99《深圳地区基桩质量检测技术规程》为了防止发生“拒真”错误，对样本最小值乘以 0.88 的倒数“1.136”的系数作为强度代表值，即本规程提出芯样强度修正系数“1.136”的概念。

2 试验发现芯样强度与同条件标准立方体试件结果存在差异

周岳年等［3］一文中介绍“……依据试验周期一整年、样本组数n=156 组，Φ100 芯样共 888 个，经回归分析后给出，其相关系数r=0.966，平均相对误差σ（%）=6.50 MPa，平均相对误差er（%）=8.16MPa”的试验结果得到芯样换算强度曲线，“……根据实验获得的现场同条件养护立方体试件与从结构实体混凝土中钻取Φ100 标准芯样强度值的关系式如式（2）所示。

式中：fcu，e为混凝土抗压强度推定值，MPa；fcu，cor混凝土芯样抗压强度值，MPa。

本案例的曲线给出的系统偏差为 25.7 %，说明钻芯强度与同条件标准立方体试件强度差异显著，即钻芯强度换算为同条件立方体试件抗压强度时应乘以修正系数 1.257。

3 探索影响芯样强度主要因素

什么原因导致钻芯强度低于同条件立方体试件抗压强度？带着这个问题，我们采用同一配合比、同龄期预制 2 组直径 φ44 mm 的圆芯样和 2 组用于钻制相同直径圆芯样的标准立方体试件，将预制圆芯样及钻制圆芯样通过剪切试验对试件进行强度对比，将每个芯样剪切五段，预制试件和钻制试件的剪切试验过程如图 1 所示。

图1 预制试件和钻制试件的剪切试验

每剪切一次采集一个剪切数据，即每组 5 个剪切值，四组预制与钻制芯样剪切强度数据如表 1 所示。

通过单剪对两种不同成型工艺的芯样试件进行剪切，再通过剪切强度进行比较，发现预制芯样剪切强度与钻制芯样剪切强度的比值为：1.21～1.29，平均比值为1.24。初步分析表明，在混凝土配合比、强度、截面尺寸、试验方法相同的情况下，因混凝土成型膜的影响，可使钻芯后的强度降低约 24 % 左右，钻制过程破坏了原立方体试件的成型膜，即原来的约束没有了，强度降低，由此可见钻芯过程是造成芯样强度低于同条件立方体试件强度的主要因素。

4 不同强度等级、不同直径芯样强度与同条件立方体试件强度的关系

为了进一步了解钻芯强度与同条件立方体试件的强度关系，按照 C35 和 C60 的强度等级预制两面混凝土墙体构件，并预留同条件立方体试件各 10 组，在 28 d 龄期后，采用钻芯法分别在墙体上钻取直径φ100 mm 和φ75 mm 芯样各 10 个，立方体试件和钻芯抗压试验结果如表 2 所示。

试验进一步证明钻芯过程一定会导致混凝土抗压强度降低，同时也会使样本的试验强度值出现离散，发生标准差偏大等不利因素，也进一步证明钻芯导致原来的成型膜被破坏，强度明显下降。

表1 四组预制与钻制剪切数据

表2 立方体试件和钻芯抗压试验结果

5 芯样修正系数计算［4-6］

样本标准差是衡量检测方法检测精度的唯一标准，就目前常用检测技术来说，每种检测方法采集的相关参数与混凝土抗压强度之间都具有较好的相关性，按照目前掌握的规律，非破损检测方法的相关系数一般偏小，这是因为非破损检测技术是采用如“回弹”或“声速”等参量建立与混凝土抗压强度之间的相关关系，而这些参量与强度之间的相关性不明显，特别是由于被测混凝土中的占比最大的粗骨料材质不同，同一种强度等级中其不同骨料与其“回弹”或“声速”有关，但因混凝土中是由不同材质组成的混合体，每种材料的材性之间存在较大的差异，因此其曲线的相关性在所有检测技术中是相对较低的，另外由于他们的参量变化幅度有限，检测时其标准差要比微破损检测方法要小。

表3 芯样修正系数汇总表

而对于微破损检测是建立在混凝土的拉、压、剪等参量与混凝土抗压强度之间的拟合关系，是混凝土自有内在应力之间的关系，因此相关性一般较好，但由于每次操作都存在破损，加工、骨料分布等均会影响每次的数据采集值，容易出现标准差偏大的情况，较大的标准差必然影响混凝土代表值的确定，如果采用按批推定，最容易发生“拒真”错误，造成本应该合格的产品，由于标准差偏大的缘故被拒收。

实践中我们不但要防止“拒真”错误的发生，还要防止“取伪”错误的发生，当标准差偏大，无法满足规范中按批推定关于标准差的要求时，可通过样本中的最小值乘以一个修正系数，作为样本代表值，减少概率统计中“拒真”错误的发生，即把“好”说成坏，而对样本最小值进行修正可以避免“取伪”错误的发生，即把“坏”的说成好的。

综合多方面的试验结果，最终得到 6 组修正系数，究竟选择哪组系数可作为芯样的系统误差的修正值？带着这个问题，为了科学选取，我们对选取的芯样修正系数进行方差分析，芯样修正系数汇总如表 3 所示。

通过方差分析，求出修正系数的统计参数如表4 所示。

表4 修正系数统计参数描述

图2 各组试块强度/芯样强度分布图

引入此概念可以有效解决钻芯工艺导致批推定强度的标准差偏大而影响批推定强度的偏低的不足，可有效改善检测结果。

6 结合实例介绍芯样修正系数的应用方法

为了比对方便，首先计算（见表 2）中 C60 墙体中同条件立方体试件的推定强度，本案例按照式（4）计算。

针对钻芯强度中因标准差偏大，数据分散的工况，通过对最小值乘以修正系数提高“拒真”概率，可有效减少“取伪”概率的发生，改善检测结果的准确性。

7 结论

1）经综合分析，钻芯强度与同条件立方体试件抗压强度之间存在差异，钻芯强度约为同条件立方体试件的 87 % 左右，这与（GB 50204－92）规程中的 0.88 系数基本相同。

2）造成钻芯强度低于同条件立方体试件强度的主要原因为试件成型后的外膜经钻芯而被破坏，导致原约束条件发生变化，最终使芯样试件强度偏低。

3）为了有效避免“拒真”和“取伪”错误的发生，当采用钻芯工艺的检测方法时，如遇强度标准差大于相关规程规定时，可采用样本最小值乘以 1.143 8 系数作为批代表值，也可以对批推定代表值乘以该系数作为验收值。

4）初步研究也表明采用钻芯工艺的检测技术，会因钻芯工艺导致钻芯试件抗压强度降低，即存在因钻芯工艺而产生的系统误差。Q