钻芯法检测混凝土强度不确定度评定研究

摘要:混凝土强度是混凝土结构可靠性的一个重要指标，在混凝土浇筑后，有必要对混凝土强度进行检测和鉴定。本文在介绍钻芯法检测混凝土强度特点的基础上，结合数学模型和工程实例，对混凝土强度测量的不确定度评定方法进行研究，旨在提供混凝土强度检测的准确性和可靠性。

关键词:混凝土芯样；强度；不确定度；数学模型

中图分类号： TU528 文献标识码： A 文章编号：

1引言

随着我国社会经济建设的快速发展，混凝土在城市建筑工程项目中的应用越来越广泛。混凝土强度是影响混凝土结构可靠性的一个重要因素，为确保混凝土结构的安全性和耐久性是否满足要求，往往需要混凝土强度进行严格的检测和鉴定。钻芯法作为一种微破损检测技术，它是采用钻机、薄壁钻头直接在构件或构筑物混凝土中钻取芯样，根据芯样的抗压强度推断混凝土的强度，具有检测直观、可靠、准确等优点。但在实际的应用中，钻芯法检测混凝土强度会遇到许多影响因素。因此，针对其检测结果的分散程度、可信性和不确定性给出一个定量的质量参数，即不确定度，显得非常重要。

2钻芯法检测混凝土强度主要特点

2.1混凝土芯样钻取

芯样钻取过程中，钻头摆动的同心度和钻取速度的均匀性是对混凝土芯样直径偏差影响的主要因素。

2.2混凝土芯样加工

把钻取的圆柱状混凝土芯样，利用切割和磨平机械加工制成高径比为1∶1的标准试件。加工后的芯样试件应符合下列要求:(1)芯样试件高径比为0.95～1.05；(2)沿芯样试件高度的任一直径与平均直径相差不大于2mm；(3)芯样试件端面与轴线的不垂直度不大于1°；(4)芯样试件端面的不平整度在100mm长度内不大于0.1mm。

2.3混凝土芯样试验

根据结构混凝土工作环境，选用自然干燥状态或浸泡潮湿状态进行混凝土芯样试件抗压强度试验。试验加载速度应符合普通混凝土力学性能试验方法的要求。混凝土芯样试验抗压强度按下式计算

fcu，r=(4F)/(πD2)(1)

式中，fcu，r为混凝土芯样抗压强度值(MPa)，精确至0.1MPa；F为芯样试件抗压试验测得的最大压力(kN)；D为芯样试件的直径(mm)，精确至0.1mm。

3混凝土强度测量不确定度的评定

测量不确定度评定的主要程序如下:(1)确定被测量的测量方法；(2)找出所有对测量结果输出的影响量；(3)建立影响被测量不确定度评价数学模型；(4)确定各影响量的测量不确定度分量；(5)确定被测量可能包含的影响因子；(6)进行标准不确定度的评定、合成、扩展；(7)给出不确定度评定报告。

3.1建立数学模型

混凝土强度测量不确定度评价数学模型为

y=f(x1，x2，…，xn)(2)

式中，y为被测量(输出量)；x为影响量(输入量)。钻芯法检测混凝土抗压强度，在芯样钻取、切割、磨平、试验整个过程中，对芯样试件抗压强度试验结果的影响，现就《钻芯法检测混凝土强度技术规程》(CECS21:90)中对试验提出明确要求的要素逐一分析如下:(1)芯样直径D，由钻取和测量引起直径偏差，影响因素用xD表示；(2)试验荷载F，由试验机示值、加载速度等引起，影响因素用xF表示；(3)芯样端面与轴线的不垂直度产生的影响，用xA表示；(4)芯样端面的不平整度产生的影响，用xα表示。

此时，式(2)可以表达为

y=f(xD，xF，xA，xα)(3)

xD、xF是通过量值输入对y产生影响，可以对式(1)进行微分分解，然后按B类不确定度的评定方法分别计算两个分量的不确定度。

xA、xα是相互独立的影响量，可以按B类不确定度的评定方法逐一计算各分量的不确定度。

3.2测量不确定度评定的数学表示

当全部输入量xi是相互独立或不相关时，合成标准不确定度u2(y)为

(4)

相对合成不确定度为

(5)

标准不确定度u0(xi)既可按A类评定，也可按B类评定。在xi彼此独立的条件下，如果函数表达式为

y=f(x1，x2，…，xn)=CxP11・xP22…xPnn (6)

相对合成标准不确定度为

(7)

3.3工程检测实例

某工程混凝土设计强度等级为C40，按批进行抽样检测，钻取混凝土芯样试件各项参数及试验值见表1。

表1 芯样试验值

根据《钻芯法检测混凝土强度技术规程》(CECS21:90)，结构混凝土抗压强度推定分为单个构件和检测批两种情况:(1)单个构件混凝土强度值的推定，每个构件钻取有效芯样的数量不应少于3个，较小构件不少于2个，取有效芯样试件混凝土抗压强度中的最小值为推定值。(2)检测批混凝土强度的推定，在同一检测批中钻取芯样有效标准试件的数量不宜少于15个最小样本容量，检测批混凝土强度计算推定区间(fcu，e1，fcu，e2)，在fcu，e1和fcu，e2之间的差值不宜大于5.0MPa和0.10fcu，cor，m中两者的较大值时，取fcu，e1为检测批的推定值fcu，e。

表1中，n=20，fcu，cor，m=41.9MPa，Scor=2.02MPa；mD=99.9mm，mF=328.8kN。当n=20时，k1=1.27，k2=2.40。批推定值上限:fcu，e1=fcu，cor，m－k1Scor=39.3MPa。批推定值下限:fcu，e2=fcu，cor，m－k2Scor=37.1MPa。经计算比较fcu，e1－fcu，e2=2.2MPa、0.1fcu，cor，m=4.19MPa均小于5.0MPa时，该批混凝土抗压强度代表值为:fcue=39.3MPa。

3.4芯样试件抗压强度不确定度评定

(1)直径测量引起的不确定度u(D)

芯样直径99.3～100.9mm，ΔD=100.9－99.3=1.6(mm)，分散区间的半宽为a=ΔD/2=0.8mm，服从矩形均匀分布u(D)=a/ =0.8/=0.462，相对不确定度为uc(D)=u(D)/mD=0.462/99.9×100%=0.46%。

(2)压力测量引起的不确定度分量u(F)

压力机测量标准不确定度(标准证书)UF=0.60%，kp=2，则相对标准不确定度uc(F1)=UF/2=0.30%

压力机示值误差引起的相对不确定度为uc(F2)，压力机示值误差≤±0.6%，分散区间半宽为0.6%。按矩形分布，相对不确定度uc(F2)=0.6%/=0.35%。

分位值引起的相对不确定度为uc(F3)，压力机分位值为1kN，可精确到0.5kN；分散区间半宽为0.5kN，服从矩形分布。u(F3)=0.5/=0.29kN，相对不确定度为uc(F3)=u(F3)/mF=(0.29/328.8)×100%=0.09%。

试验过程还有加荷速度等方面影响，在此不在赘述。

上述各项，合成相对不确定度为

(3)端面与轴线不垂直度引起的不确定度分量u(α)

端面与轴线夹角为0.0°～0.8°，规范要求≤1°。由于端面与轴线夹角α引起的端面受压力的变化，根据端面受力分解，有效压力F'=Fcosα，ΔF=F(1－cosα)，服从矩形分布，则

(4)端面不平整度引起的不确定度分量u(A)

规范要求，每100mm芯样端面不平整度≤0.1mm。该批试件实际不平整度0.1mm，服从矩形分布，误差±0.05mm，则

uc(A)=[0.05/(×100)]×100%=0.029%

上述分别计算各种影响量引起的相对不确定度分量。

芯样抗压强度计算按式(1)计算，对式(1)中F、D求偏导

dfcu，r=[4/(πD2)]dF－[8F/(πD2)]dD

上式两边分布除以fcu，r=4/(πD2F)，整理如下

dfcu，r/fcu=dF/F－2dD/D (8)

这样可以得到式(8)中灵敏系数为

(5)检测区混凝土不均匀性引起的不确定度

按A类评定，芯样样本标准差Scor=2.02MPa。考虑芯样试验过程中各影响量引起的不确定度分量，该批混凝土不均匀性引起的不确定度分量为uc(f2cu，r)=Scor/=2.02/=0.452MPa，相对标准不确定度u0(f2cu，r)=0.45241.9×100%=1.08%，总的相对标准不确定度为

取扩展不确定度系数k=2，所以扩展不确定度u(fcu，r)=2.98%。

4芯样混凝土抗压强度合格性评定

按钻芯法规程要求:该批混凝土设计强度等级为C40，该批混凝土强度代表值为fcue=39.3MPa。在不考虑混凝土成熟度，仅就现龄期混凝土强度表征值来分析，在引入芯样混凝土强度测量的不确定度后，fcue=39.3±(41.9×2.98%)=39.3±1.2(MPa)。可以认为该工程混凝土抗压强度属于C40混凝土强度等级范围。

5 结语

钻芯法能直观、准确地反映出混凝土强度，使用的范围比较广，是一种实用性较强的检测方法。但在实际应用中，钻芯法在钻取、加工、试验过程中容易受到各种因素的影响。因此，有必要对混凝土强度不确定度进行评定，提高混凝土强度检测的准确性和可靠性，为混凝土工程质量验收等方面的工作提供借鉴意义。

参考文献

[1] 孙美钗.钻芯法检测混凝土强度与不确定度研究[J].中国房地产业,2012年第8期

[2] 汪红捷.钻芯法在混凝土强度检测中的应用[J].低温建筑技术.2010年第01期