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探究不同直径钻芯芯样抗压强度试验结果及分析

2020-05-25 451 上传者：管理员

摘要：现行标准中规定钻芯法确定检测批混凝土强度的推定值时可以剔除异常值,而异常值的剔除则按国家标准《数据的统计处理和解释正态样本离群值的判断和处理》(GB/T4883—2008)的规定执行,钻芯法钻取芯样的强度数据是否满足正态样本的分布特征需要开展进一步的研究工作。为了模拟钻芯法的实际应用情况,本文制作了5个强度等级的混凝土预制构件,在试验构件上钻取不同直径的芯样进行了抗压强度试验,对试验结果的统计特征进行了分析,为钻芯试验数据的处理和不同直径芯样钻芯法的应用提供参考。

关键词：
不同直径芯样
化工工业
检测
混凝土抗压强度
统计特征
钻芯法
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引言

钻芯法是利用专用钻机,从结构混凝土中钻取芯样以检测混凝土强度或观察混凝土内部质量的方法。由于这种方法会对结构混凝土造成局部损伤,因此是一种局部破损的现场检测手段。与回弹法、超声回弹综合法、后装拔出法等混凝土强度检测方法不同,采用钻芯法检测混凝土强度,无需进行某种物理量与混凝土强度之间的换算,普遍认为它是一种直观、可靠和准确的方法[1]。英国、美国、澳大利亚、比利时、德国等分别制定有钻取混凝土芯样进行强度试验的标准。国际标准化组织也提出了《硬化混凝土芯样的钻取检查及抗压试验》(ISO/DIS7034)。我国自1981年就在工程中开始应用钻芯法检测混凝土强度,在总结全国工程应用经验的基础上,1988年出台了中国工程建设协会标准《钻芯法检测混凝土强度技术规程》(CECS03:88)[2],统一了钻芯法的检测程序和强度换算原则。通过近20年的使用,于2007年对CECS03:88进行了修订,出台了协会标准《钻芯法检测混凝土强度技术规程》(CECS03:2007)[3]。由于在1988年发布的《标准化法》中将标准分为国家标准、行业标准、地方标准和企业标准4级,并未赋予协会标准明确的法律地位,因此2016年发布了行业标准《钻芯法检测混凝土强度技术规程》(JGJ/T384—2016)[4]。

在我国第一本钻芯标准CECS03:88中,只能对单个构件混凝土或构件局部区域的混凝土强度进行检测,在CECS03:2007和JGJ/T384—2016中则既可以对单个构件混凝土强度进行检测,又可以对检测批的混凝土强度进行检测推定。在CECS03:2007和JGJ/T384—2016中都规定检测批推定混凝土强度时,可以剔除抗压强度样本中的异常值。剔除应按现行国家标准《数据的统计处理和解释正态样本离群值的判断和处理》(GB/T4883—2008)[5]的规定执行。然而,钻芯样本的数据是否符合正态分布,在这两本标准的条文说明中并未加以说明和解释。李翀[6]进行了超小直径芯样检测混凝土抗压强度的实验研究,提出泵送混凝土和喷射混凝土50mm直径小芯样抗压强度均服从正态分布。张亮[7]进行的小芯样检测技术的可行性研究及其在装配式结构的应用,也提出50mm直径小芯样抗压强度满足正态分布。然而,在研究方法方面,以上研究均是在标准试块上钻取芯样进行研究,且只研究了50mm一种直径芯样的强度统计分布特征。杨兆民、李乃平[8]开展了小直径芯样在检验结构混凝土抗压强度中的应用研究,参照德国标准给出了小直径芯样与标准芯样抗压强度之间的换算关系,但其验证试验的芯样是在棱柱体试件上钻取,且每组芯样对于不同直径只钻取了一个对比芯样,未对芯样的强度统计分布特征进行分析。李清泽[9]对某实际工程钻取的直径87mm桩基芯样统计特征进行了分析,其芯样抗压强度实测值符合正态分布。为了探究钻芯法在混凝土预制构件强度检测中的适用性,四川省建筑科学研究院有限公司结合预制构件的生产工艺并考虑构件制作施工的影响,制作了不同强度等级的预制构件,开展了在构件上钻取不同直径芯样检测混凝土抗压强度的试验研究。通过对在试验研究中得到的不同直径芯样钻芯检测混凝土抗压强度数据的统计特征进行分析,为钻芯试验数据的处理和不同直径芯样钻芯检测混凝土抗压强度的应用提供依据。

1、试验方案与试件制作

1.1试验方案

本次试验构件在成都建工集团工业化公司的工厂制作。粗骨料采用碎石,粒径不大于25mm;按工厂现有的最小尺寸的模板,采用现有的生产工艺,加工装配式预制板,板配筋为双层双向ϕ6@200钢筋,板面尺寸为3.5m×1.5m,板厚度为140mm;混凝土设计强度等级为5个等级:C20、C30、C40、C50、C60;每个强度等级制作3块板,预留2组边长为100mm的立方体试块,预制板及混凝土试块编号见表1。

表1预制板及混凝土试块编号

采用工厂常用的养护方式养护28d,28d后在预制板上钻取不同直径的芯样。芯样直径为4类:40mm、50mm、75mm、100mm。每块预制板沿长度方向分为a、b、c3个区域,每个区域分别钻取各类直径的芯样3个,芯样间距不应小于300mm,每个芯样中不允许含有钢筋和裂缝。以预制板B11为例,抽样数量及芯样编号原则见表2,其余预制板的芯样编号以此类推,每块预制板上钻取12组(36个)芯样,共15块预制板,共钻取180组(540个)芯样。按高径比0.95～1.05加工试件,测试芯样的抗压强度。

1.2试件制作

按现行国家行业标准[4]的相关要求对芯样进行加工及端部找平,加工完成后的高径比为0.95～1.05。加工完成后的芯样如图1、2所示。

表2预制板B11抽样数量及芯样编号

2、混凝土设计强度等级为C20的40mm直径芯样的试验数据统计特征分析

2.1试验数据列表

混凝土设计强度等级为C20的预制板的40mm直径芯样试验结果见表3。本次试验的芯样切割机具采用实验室切割较大直径芯样的常用切割机具,由于40mm的芯样直径较小,加工精度较难控制,因此有个别芯样的高径比为1.06,略超过现有标准对高径比的允许值;加之芯样中骨料最大粒径按不大于25mm控制(芯样直径小于骨料最大粒径的2倍),当切割的芯样端面边缘有粗骨料时,极易造成芯样切割面角部缺失,需后期截面修补,这也是造成修补后的截面高度偏大的原因。从试验结果分析,高径比为1.06的芯样强度没有明显异常,因此没有剔除高径比为1.06的芯样强度数据。

图1加工完成后的芯样1

图2加工完成后的芯样2

表3设计强度等级为C20的预制板的40mm直径芯样试验结果

2.2频数统计

找到样本中的x1=min{xi},xn=max{xi},取a略小于x1,b略大于xn。将[a,b]分成m个小区间,统计落在小区间(aj-1,aj]中的样本个数,记为频数ni。混凝土设计强度等级为C20的预制板40mm直径芯样强度频数统计见表4。

根据混凝土设计强度等级为C20的预制板的40mm直径芯样强度频数统计结果,做出的统计直方图见图3。

2.3正态分布假设检验

假设C20预制板40mm直径芯样抗压强度统计量X服从正态分布,即X～N(μ,σ2)。下面对上述假设χ2检验(α=0.05,双边检验),即在显著水平α=0.05下检验假设H0:总体X服从正态分布。

表4混凝土设计强度等级为C20的预制板40mm直径芯样强度频数统计

图3设计强度等级为C20预制板40mm直径芯样强度频数分布直方图

具体验证步骤如下[6,10]:①采用极大似然法估算μ、σ2值;②将样本数据分为若干区间(表4);③计算样本实际频数fi(表4);④计算理论频数npi;⑤计算实际频数与理论频数的差值及其平方(fi-npi)2;⑥计算(fi-npi)2/(npi);⑦求χ2=∑[(fi-npi)2/(npi)];⑧比较实际统计量χ2与临界值χ2(m-θ-1)(θ为假设分布中未知参数的个数)。

由极大似然估计求得μ=32.56,σ2=7.272;本检验即成为检验H0:X～N(32.56,7.272)。χ2检验计算结果见表5。

本检验中选取的统计量为χ2=Σ[(fi-npi)2/(npi)]～χ2(m-θ-1),分组数m为17,θ=2,因此有χ2～χ2(14)。由α=0.05,双边检验查《数据的统计处理和解释正态分布均值和方差的估算与检验》(GB/T4889—2008)[11]附表得到临界值χ20.025(14)=5.6287,χ20.975(14)=26.1189,小概率事件为:χ2>26.1189或χ2<5.6287。由表5可知:5.6287<χ2=13.6965<26.1189,小概率事件没有发生,接受假设H0,即混凝土设计强度等级为C20预制板的40mm直径芯样抗压强度服从正态分布N(32.56,7.272)。

表5χ2检验计算

2.4芯样抗压强度值离群值检验

上述数据分析证明,混凝土设计强度等级为C20的预制板的40mm直径芯样抗压强度符合正态分布,因此可以通过正态样本离群值的判别和处理方法剔除或修正数据。本次检测采用狄克逊双侧检验和格拉布斯单侧检验组合的方法,以避免多次重复运用一种检验方法造成判多判少的错误。离群值的判断和处理方法按现行国家标准《数据的统计处理和解释正态样本离群值的判断和处理》(GB/T4883—2008)[5]执行。

狄克逊双侧检验结果表明,未发现离群值。

格拉布斯单侧检验结果如下:

1)上侧情形:未发现x(27)为离群值;

2)下侧情形:判定x(1)=12.5是统计离群值(即x(1)是歧离值),剔除该值。剔除12.5后再次检验,未再发现离群值。

2.5剔除离群值后的正态分布假设检验

剔除离群值后,按本文2.3条的原则再次进行正态分布检验,检验结果如下:小概率事件没有发生,接受假设H0,即混凝土设计强度等级为C20的预制板的40mm直径芯样抗压强度服从正态分布N(33.33,6.182)。

3、不同直径芯样钻芯检测混凝土抗压强度数据统计特征汇总与分析

按本文第2节的方法对本次所有试验数据进行统计特征分析,各组试验数据的离群值剔除统计见表6。由该表可知,同一块板上取出的芯样有些出现2个甚至3个异常值,可能构件混凝土振捣施工质量局部存在缺陷。

表6各组试验数据的离群值剔除统计

各组试验数据剔除离群值前、后的均值、标准差及是否符合正态分布的判断结果汇总见表7。由该表可知,本次试验数据剔除离群值前、后均符合正态分布。

表7各组试验数据的正态分布检验汇总

相同混凝土设计强度等级对应不同直径芯样的标准差试验结果如图4所示。由该图可知,芯样直径越大,芯样强度的标准差总体趋势越小,100mm直径芯样的标准差最小。

图4相同混凝土设计强度等级对应不同直径芯样的标准差曲线

40mm、50mm、75mm、100mm直径芯样强度标准差平均值分别为8.70、7.60、3.91、3.71。标准差越大,其检测的离散性越大,即40mm直径芯样的检测精度最低,50mm直径芯样的检测精度次之,100mm直径芯样的检测精度最好,75mm直径芯样的检测精度与100mm直径芯样的检测精度基本相当。因此,当采用50mm直径芯样检测混凝土抗压强度时,其检测数量应适当加大。

4、结语

本文结合预制构件的生产工艺并考虑构件制作施工的影响,直接在多个混凝土设计强度等级的预制构件上钻取多种直径芯样进行抗压强度试验研究,通过试验数据的统计特征分析,可以得到如下结论:

1)本次试验的40mm、50mm、75mm、100mm直径芯样抗压强度检测数据符合正态分布,可以按正态样本进行离群值的判断和处理;

2)钻取的芯样样本的标准差随芯样直径的减小而增大,采用小直径芯样钻芯法检测混凝土强度时,应考虑标准差的影响确定检测样本的容量;

3)小直径芯样的切割机具及找平工艺在现有的试验设备基础上应适当调整,以满足试件高径比达到0.95～1.05的限值要求。

参考文献：

[1]国家建筑工程质量监督检验中心.混凝土无损检测技术[M].北京:中国建材工业出版社,1996.

[2]钻芯法检测混凝土强度技术规程:CECS03:88[S].北京:中国建筑工业出版社,1989.

[3]钻芯法检测混凝土强度技术规程:CECS03:2007[S].北京:中国标准出版社,2007.

[4]钻芯法检测混凝土强度技术规程:JGJ/T384—2016[S].北京:中国建筑工业出版社,2016.

[5]数据的统计处理和解释正态样本离群值的判断和处理:GB/T4883—2008[S].北京:中国标准出版社,2008.

[6]李翀.超小直径芯样检测混凝土抗压强度的实验研究[D].北京:清华大学,2013.