钻芯法检测混凝土强度及其标准差研究

任雨龙 高向玲，* 郑士举

钻芯法检测混凝土强度及其标准差研究

任雨龙1高向玲1，*郑士举2

（1.同济大学土木工程学院建筑工程系，上海 200092； 2.上海市建筑科学研究院有限公司，上海 200032）

为探求钻芯法检测混凝土强度及其标准差的影响因素，对比分析了中国、美国、欧洲相关规程在取芯方式、龄期、规格、样本数量、是否含有钢筋、是否进行无损检测、试验环境、强度推算公式等方面的异同。通过收集整理22篇文献中钻芯法的试验数据，经过综合分析发现：芯样直径相近时，抗压强度随高径比的增加而减小。芯样高径比相近的情况下，高径比小于1时，芯样直径相对于最大骨料粒径越大，芯样强度越高；高径比大于1小于1.5时则相反。在板与宽梁中，平行于浇筑方向钻取的芯样抗压强度大于垂直于浇筑方向钻取的芯样抗压强度；在窄梁中则相反。芯样高径比与直径相近时，加载速率越快，芯样抗压强度越高。高径比对芯样抗压强度标准差没有影响。大部分情况下，对相同芯样计算出的推定强度，从大到小依次为中国规程、美国规程、欧洲规程。

钻芯法， 混凝土强度， 均值， 标准差

0 引 言

我国目前有大量老旧建筑物的加固改造工程，由于年代久远，多数建筑物存在设计资料以及竣工图纸缺失的情况，这无疑造成了建筑物的加固改造极其困难。掌握既有混凝土材料的力学性能检测方法及影响规律，可为加固改造提供基本的技术支持。老旧建筑物中混凝土强度的评定有多种检测手段，超声法、回弹法等无损检测法，这些方法虽然操作简便，其准确性及对混凝土内部条件的反应能力并不如钻芯法［1-4］。钻芯法虽然有准确性高［5］等优点，但有许多因素会影响芯样抗压强度及其标准差，如钻取芯样的尺寸、精度、骨料粒径的大小、钻芯方向、试验环境等［1，6-7］。各国的钻芯法检测规程也存在差异［8-10］，使用不同的规程进行检测亦会造成检测结果的不同。

因此，本文选取具有代表性的中国、美国、欧洲钻芯法检测规程进行对比，探究其中的异同点。收集多篇文献中钻芯法的试验数据，并建立数据库，综合分析芯样的高径比、直径、直径与最大骨料粒径的比值、钻芯方向、加载速率与芯样强度及其标准差之间的关系。通过研究，总结了一些规律性的结论，可为钻芯法检测混凝土强度提供技术支持。

1 中国、美国、欧洲规程对比

1.1　总体比较

为了全面掌握钻芯法检测混凝土强度以及其标准差的影响因素，首先对比了具有代表性的中国规程《钻芯法检测混凝土强度技术规程》（JGJ/T 384—2016）［8］（以下简称中国规程）、美国规程《Guide for Obtaining Cores and Interpreting Compressive Strength Results》（ACI 214.4R-10）［9］（以下简称美国规程）以及欧洲规程《Testing concrete in structures Part 1：Cored specimens-taking，examining and testing in compression》（BS EN 12504-1—2009）［10］（以下简称欧洲规程）在钻芯法取芯方式、龄期、规格、样本数量、是否含有钢筋、是否进行无损检测、试验环境、强度推算公式等方面的异同，具体情况见表1。

表1　 中国、美国、欧洲钻芯法检测混凝土强度规程比较

1.2　混凝土强度推定方法对比

中国规程采用式（1）计算推定区间上限，以推定区间上限cu，e1作为检测批混凝土强度的推定值。

式中：fu，cor，m为芯样抗压强度平均值；cu，e1为混凝土抗压强度推定上限值；1为推定区间上限值系数；cu为抗压强度标准差。

美国规程［9］采用式（2），考虑高径比、直径、湿度、钻芯过程损伤等对每个芯样抗压强度进行调整，以其平均值作为检测批混凝土强度的推定值。其计算结果与直径150 mm、高径比为2的圆柱体试件抗压强度相等价。在本文分析中进一步将其换算为与150 mm立方体试件相等，以便各规范推定值的比较。

式中：c为等效原位强度；F为高径比校正因子；dia为直径校正因子；mc为湿度校正因子；d为钻芯过程损伤校正因子；core为芯样抗压强度。

欧洲规程采用式（3）和式（4）分别计算等效测区原位强度ck，is，并以两者中的较低值作为检测批混凝土强度的推定值。

式中：ck，is为等效测区原位强度；f为个芯样强度的平均值；flowest为个芯样强度的最小值；2为修正系数，本文中取1.48；为芯样强度标准差和2.0 N/mm2的较高值。

2 试验数据分析

2.1　归一化处理方法

对于从文献［1］、［11］至［29］中收集到的钻芯法试验数据进行统一整理，并就芯样高径比、直径、直径与最大骨料粒径的比值、钻芯方向、加载速率等对芯样强度及其标准差的影响进行分析讨论。

在分析中，为了便于比较，需要将实测的混凝土强度进行归一化处理，对于文献中提供了混凝土实测强度的，则统一换算为立方体抗压强度。对于仅提供了混凝土设计强度等级的，则根据95%的保证率推算试件所用混凝土强度，推算时按照《普通混凝土强度配合比设计规范》（JGJ 55—2011）［30］第4.0.1条进行推算，混凝土强度标准差按照第4.0.2条取值，混凝土设计强度等级与混凝土强度之间的换算关系见表2。

表2　 混凝土设计强度等级与混凝土强度的换算关系

归一化处理中用到的符号及名词解释统一说明如下：立方体抗压强度为与芯样源构件同批次同条件浇筑养护的边长150 mm的立方体试块的抗压强度平均值；对比试块为圆柱体的按照文献［31］所述的联合国教科文组织《钢筋混凝土手册UNESCO》推荐的不同形状、尺寸；试件抗压强度转换系数转换为边长150 mm的立方体试块抗压强度。

1=芯样抗压测试强度/立方体试块抗压强度。

2=芯样抗压测试强度标准差/立方体试块抗压强度。（此处“立方体试块抗压强度”为提供同批次对比试块抗压强度的文献中对比试块强度的实测平均值）

1=芯样抗压测试强度/推算的立方体试块抗压强度。

2=芯样抗压测试强度标准差/推算的立方体试块抗压强度。（此处“推算的立方体试块抗压强度”为未提供同批次对比试块抗压强度，仅提供混凝土设计强度等级的文献中根据表2换算关系推算出的立方体试块抗压强度）。

本文数据来源于文献［1］、［11］至［29］，对于记录有单个芯样实测抗压强度的则按单个芯样抗压强度录入，采用1、2进行归一化分析，对于仅记录有一组芯样实测平均强度的数据按芯样平均抗压强度录入并参与单个芯样抗压强度分析；对于仅提供混凝土设计强度等级，则将设计强度等级按照95%保证率推算为混凝土强度，然后采用1、2进行归一化分析。

2.2　高径比的影响

图1给出了相近直径芯样归一化处理后芯样抗压测试强度与立方体试块抗压强度的比值1［图1（a）、图1（b）、图1（c）］以及芯样抗压测试强度与推算的立方体试块抗压强度1［图1（d）、图1（e）］的均值与高径比之间的关系。图1（a）为直径约100 mm的芯样（包含94 mm与100 mm），共计436个数据；图1（b）为直径约50 mm（包含49 mm与50 mm）的芯样，共计124个数据；图1（c）为直径约70 mm（包含69 mm与75 mm）芯样，共计96个数据；图1（d）为直径约100 mm的芯样（包含99～101 mm），共计282个数据；图1（e）为直径约70 mm的芯样（包含70 mm与75 mm），共计183个数据。

图1　直径相近时n1（a、b、c）、N1（d、e）与高径比的关系

从图1中可以看出，对于具有相近直径的芯样，随着高径比的增大，1与1逐渐减小，表明芯样抗压强度逐渐减小。因此在芯样直径相近的情况下，随着高径比的增大，芯样抗压强度降低。图2给出了相近直径芯样归一化处理后芯样抗压测试强度标准差与立方体试块抗压强度的比值2［图2（a）］以及芯样抗压测试强度标准差与推算的立方体试块抗压强度比值2［图2（b）、2（c）］的均值与高径比之间的关系。其中图2（a）为直径约100 mm的芯样（包含94 mm与100 mm），共计59个数据；图2（b）为直径约100 mm的芯样（包含99～101 mm），共计63个数据；图2（c）为直径约70 mm的芯样（包含70 mm与75 mm），共计55个数据。从图2中可以看出，对于相近直径的芯样，随着高径比的变化，采用实际测试强度归一化的标准差2基本上在0.05附件波动，而采用推算强度归一化的标准差2在0.1附近波动，表明芯样抗压强度标准差不受高径比变化的影响。因此对于直径相近的芯样，抗压强度标准差与高径比之间没有关联。

图2　直径相近时n2（a）、N2（b、c）与高径比的关系

2.3　直径的影响

图3给出了相近高径比芯样归一化处理后1［图3（a）、图3（b）］、1［图3（c）］的均值与直径之间的关系。其中图3（a）为高径比约为1（0.9～1.1）的芯样，共计268个数据；图3（b）为高径比约1.5（1.4～1.6）的芯样，共计64个数据；图3（c）为高径比约为1（0.9～1.1）的芯样，共计532个数据。从图3中可以看出，对于相近高径比的芯样，提供了混凝土实测强度的数据［图3（a）、图3（b）］，直径越大，1越大；仅提供了混凝土设计强度等级的数据［图3（c）］，直径越大，1越小。两种数据是矛盾的，故高径比相同时，直径对抗压强度的影响需进一步试验探究。

图4为高径比相近芯样归一化处理后2［图4（a）］、2［图4（b）］的均值与直径之间的关系。图4（a）为提供了混凝土实测强度的数据，共计87个；图4（b）为仅提供了混凝土设计强度等级的数据，共计57个。

能够分析直径与抗压强度标准差关系的数据量较少，但从图4中也能够看出一些基本规律，当试样的高径比相近时，随着直径的增大，2与2均逐渐减小，表明芯样抗压强度的标准差逐渐减小。故可以认为其他因素相同或相近的情况下直径越大，芯样抗压强度的标准差越低。

2.4　芯样直径与最大骨料粒径比值D/d的影响

图5给出了相近高径比芯样归一化处理后1的均值与/之间的关系。图5（a）为高径比小于1的芯样，共计46个数据；图5（b）为高径比在1和1.5之间的芯样，共计159个数据。从图5中可以看出，对于高径比相近的芯样，高径比小于1时，随着/的增大，1逐渐增大；高径比在1和1.5之间时，随着/的增大，1逐渐减小；且高径比与1的差值越大，其趋势线斜率越大。高径比大于1.5后数据较为杂乱，无法分析出明显规律。故高径比相近的情况下，高径比小于1时，芯样直径相对于最大骨料粒径越大，芯样强度越高；高径比大于1小于1.5时则相反。

2.5　加载速率和钻芯方向的影响

图6给出了归一化处理后高径比为1、直径为100 mm时1与加载速率的关系，共90个数据。从图6可以看出，对于高径比与直径相近的芯样，随着加载速率的提高，1呈现增大趋势，表明芯样抗压强度越高。钻芯方向对芯样强度的影响，由于相关的试验数据非常有限，为保证影响因素分析的相对完整性，在此采用Soren等［11］通过试验得出结论，在板与宽梁中，平行于浇筑方向钻取的芯样抗压强度大于垂直于浇筑方向钻取的芯样抗压强度，在窄梁中则相反。

图6　高径比为1，直径100 mm时n1与加载速率的关系

3 中国、美国、欧洲规程推算强度对比

3.1　推算强度

分别使用中、美、欧规程进行钻芯法试验数据的强度推定。为了便于比较，需要将三个规范的推算结果与150 mm立方体试块强度进行换算，欧洲规程仅能够对高径比为1、直径100 mm的芯样进行强度推算，中国规程仅能够对高径比为1、直径为70～100 mm的芯样进行强度推算。美国规程推算结果与直径150 mm、高径比2的圆柱体试块强度等价，此处按照文献［31］所述的联合国教科文组织《钢筋混凝土手册UNESCO》所推荐的不同形状、尺寸试件抗压强度换算系数换算为边长150 mm的立方体试块抗压强度。故在此选取Ergun与Kurklu［25］的试验数据中直径分别为100 mm、75 mm，且高径比为1的两组芯样进行强度推算对比，根据计算式（1）—式（4）得到的各规程的推算值见图7。

从图7中可以看出，大部分情况下，对相同试块计算出的推定强度，从大到小依次为中国规程、美国规程、欧洲规程的推定值。但对其他文献的数据分析过程中也发现有时会出现欧洲规程计算强度大于美国规程的结果。通过分析推算式（1）—式（4）可以发现，中国规程和欧洲规程都是使用标准差对检测批芯样强度平均值进行折减，其结果受检测批混凝土强度变异性的影响；而美国规程则是对每个芯样强度进行修正后取其平均值，结果不受芯样强度变异性的影响，故导致不同文献提供的实验数据的推算值排序有一定的差异。Ergun与Kurklu［25］的试验数据没有记录芯样抗压强度标准差，计算时以JGJ 55—2011《普通混凝土强度配合比设计规范》［30］规定的没有标准差资料时的条款进行取值，其结果更具普遍意义，故可以认为大部分情况下，对相同试块计算出的推定强度，从大到小依次为中国规程、美国规程、欧洲规程。

3.2　非标准芯样的换算系数比较

钻芯法测试混凝土强度钻取的芯样尺寸，各国规范给定的值是有差异的（见表1）。Ergun与Kurklu［25］的试验数据计算出的非标准芯样强度换算为标准芯样强度（直径100 mm、高径比1）的换算系数与美国规程的规定值对比见表3，其中直径75 mm的芯样，美国规范并未给出换算系数，此处采用直径50 mm与直径100 mm换算系数之间的线性插值确定；美国规程为与高径比2之间的换算系数，此处换算为与高径比1之间的换算关系。

表3　 换算系数计算值与美国规程规定值对比

从表3可知，计算值与美国规范给定值之间存在一定的差值，但其随着高径比（直径）改变的趋势还是相同的，即高径比越大换算系数越大，直径越大换算系数越小，亦说明高径比越大芯样强度相对减小，直径越大芯样强度相对增大，这与本文2.2节与2.3节有关高径比和直径对于芯样强度的影响的结论基本相符，也说明了使用换算系数处理非标准规格芯样强度的可行性。

4 结 论

（1） 钻芯法芯样直径相近的情况下，高径比越大，芯样抗压强度越低。芯样抗压强度的标准差大小与高径比之间没有关联。

（2） 芯样高径比相近的情况下，高径比小于1时，芯样直径相对于最大骨料粒径越大，芯样强度越高；高径比大于1小于1.5时则相反。当高径比大于1.5时数据杂乱，目前尚无定性结论，还需进一步研究。

（3） 板与宽梁中，平行于浇筑方向钻取的芯样抗压强度大于垂直于浇筑方向钻取的芯样抗压强度；在窄梁中则相反。

（4） 对于高径比与直径相近的芯样，加载速率越快，芯样抗压强度越高。

（5） 大多数情况下，对相同试块计算出的推定强度，从大到小依次为中国规程、美国规程、欧洲规程。

（6） 在高径比相同时，芯样直径对抗压强度的影响在数据分析中存在矛盾，对抗压强度标准差的影响数据量不足，还需进一步试验验证。

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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

上海市教育委员会科研创新计划项目（2017-01-07-00-07-E00006）

任雨龙，男，硕士研究生，主要从事混凝土结构研究。E-mail：2032323@tongji.edu.cn

联系作者：高向玲，女，博士，副教授，主要从事混凝土结构研究。E-mail：gaoxl@tongji.edu.cn