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混凝土芯样的误差分析与异常数据的处理方法研究

来源:九壹网
研究探索 esearch&Explore 2017年第3 5卷第4期 混凝土芯样的误差分析与异常数据的 处理方法研究 丁双双,李祖辉,徐可 (苏州方正工程技术开发检测有限公司,江苏苏州215123) 【摘要】钻芯法评定混凝土的强度,是国际上比较认可的方法,但是该方法存在着一定的局限性;同时鲜有检测单位对数 据异常值进行判断并采取措施进行处理,制约混凝土强度评定的准确性。本文对各种误差进行分析并以工程实例进行了异常数 据的判断和处理。 【关键词】误差;芯样;离群值 修正 【中图分类号】TU375 【文献标志码】A 【文章编号】1671--3702(2017)04一o060—05 Error Analysis of the Concrete Core Sample and Processing Methods of Abnormal Data DING Shuangshuang,LI Zuhui,XU Ke (Suzhou Fangzheng Engineering Technology Development Testing Co.,Ltd.,Suzhou Jiangsu 215123,China) Abstract:Core dri11ing method to assess the strength of concrete is relatively recognized in the world, but it has some iimitations.At the same time,the phenomenon of almost no test department to judge data outliers and take follow—Up measures restricted the accuracy of concrete strength evaluation.In thiS paper,the various errors were analyzed and some methods of judgment and processing of abnormal data wiii be introduced with engineering examples. Keywords:error;core sample;outlier;correction 0引 言 检验评定实体结构混凝土的强度时,我国规范规 定采用同条件养护试块的抗压强度为标准[1]。对于结 构实体强度的合格性评定,我国建立7*g关的标准, 同,因此采用不同的检测方法一般会取得不同的检测结 果。我国各检测规范并没有明确说明以哪种检测方法为 准,这就给检测者对于实体结构混凝土强度的合格性评 价带来困扰。国内外一般认为钻芯法最接近混凝土的实 如CECS 03:2007《钻芯法检测混凝土强度技术规 程》、JGJ/T 384--2016《钻芯法检测混凝土强度技术规 程》以及JGJ/T23—20l1《回弹法检测混凝土抗压强度 技术规程》。不同的检测方法的测试精度与适用条件不 基金项目:江苏省苏州市科研基金项目(苏住建科[2016]1号) 际强度,其检测结果可以作为其他无损检测的参照 ]。但 是钻芯法存在着一定的局限性。现有检测机构很少对 数据异常值进行判断并采取措施,而且异常数据判定标 准不统一或者检验标准存在局限性。例如文献[3】仅给 出了15个以内检测数据的判定标准,对于其他情况,并 未给出相关解释。这些都制约着对混凝土强度评定的 准确性。 作者简介:丁双双,男,助理工程师,研究方向为工程质量检测与SRC 结构应用研究。 .60. 第4期 丁双双等:混凝土芯样的误差分析与异常数据的处理方法研究 1误差分析 钻芯法造成误差一般是由系统误差、随机误差、取 芯工艺及芯样制作造成的误差组成的。 1.1系统误差 JGJ/T 384--2016《钻芯法检测混凝土强度技术规 程》规定,钻芯法确定的检验批混凝土抗压强度是按照 推定区间的确定方法。推定区间是对检测批混凝土相 应强度真值的估计区间。取芯法的置信区间为0.90,小 直径芯样的推定区间的置信度为0.85。这就造成了取芯 法存在系统误差。此外,该规范的评定方法的前提条件 是各芯样强度值符合正态分布M 】,对于小数量样本,往 往是不能完全满足的。 对于单个构件的强度评定,CECS 03:2007《钻芯 法检测混凝土强度技术规程》是以芯样强度最小值作 为推定值,而JGJ/T 384--2016《钻芯法检测混凝土强 度技术规程》是以平均值作为抗压强度代表值,规范的 变更并未给出任何解释,但是这对于混凝土强度的判断 存在很大的影响。 1.2随机误差 随机误差是造成芯样强度误差的最大影响因素。 钢筋混凝土本身的性质表现为明显的非均质性,并且施 工时混凝土的浇筑质量、拆模时间、混凝土内部微裂缝 等都造成了同一个构件不同位置芯样强度存在较大差 一 别。据笔者的大量试验发现,同一个构件所取两个芯样 强度,最大相差可以达到15 MPa。钻芯法对于构件本身 有一定的损伤,所以钻芯数量有限,取样截面小。取芯 E髫 法是以芯样强度代表整个构件的强度,当取得的芯样某 部位存在有缺陷时,就必然得出整个构件均存在此缺陷 的结论,而往往实际情况是该构件只有某一部位存在此 缺陷。现对可能出现的随机误差进行总结。 1.2.1 钻取芯样内存在钢筋 由于钢筋探测仪的测量精度、构件内钢筋间距、操 作者的熟练程度等原因,钻取芯样内很多情况下都有钢 筋的存在。根据JGJ/T 384--2016《钻芯法检测混凝土 强度技术规程》之5.0.3条,芯样内可以含有一根距芯 样端面>10 mm的直径<10 mm的横向钢筋,如图1所 示。当钢筋距端面很小时,会造成芯样的劈裂破坏。当 压力机施加均布荷载时,钢筋和混凝土同时受力。由于 钢筋的弹性模量约为混凝土弹性模量的6.67倍,随着 荷载的增大,钢筋与混凝土的变形不再协调,钢筋外围 的混凝土压缩量大,钢筋变形较小,所以钢筋承担较大 的荷载,此时钢筋充当,TJ ̄g,混凝土局部受压劈裂破 坏,继而整个芯样提前破坏。 I¨}I}}}}I}l i l l I I l}  F 图1 芯样中存在钢筋时传力路径示意图 1.2.2芯样外围存在直径较大的粗骨料 虽然JGJ/T 384--2016《钻芯法检测混凝土强度技 术规程》之6.1.2条对芯样直径与粗骨料的关系进行了 规定,但是当钻取的芯样外表面存在有较大的粗骨料 时,芯样强度会存在不同程度的降低,如图2所示。芯 样的外侧存在有部分被钻切的粗骨料,当施加荷载时, 粗骨料上下面承受竖向荷载 ,且当粗骨料直径越大, 则 越大,由于泊松效应,此时粗骨料还承担泊松力 (大小为 ,其中vN泊松比)。由于粗骨料与芯样间 的粘结力主要为表面间的化学粘结力,当 >表面之间 粘结力,粗骨料脱落,芯样实际受力面减小。随着荷载 的增大,芯样受力变为偏心受压,芯样强度降低。 F 田卫ⅡⅡ口 F1 I I f F 皿卫ⅡⅡ][] [I]卫ⅡⅡ口 F F 图2外围存在较大直径粗骨料的芯样受力破坏机理示意图 1.2.3芯样冲崤在气孔、裂缝等缺陷 混凝土是由固相、液相、气相3部分组成,材料组成 复杂,其均--'1 ̄远远不如型钢等材料,所以钻取芯样中, 微裂缝、气泡在所难免。当气泡较大,或者钻取部分存在 微裂缝,则芯样的实际受力面积小于计算面积,芯样强 度降低。同一个构件钻芯法取得的芯样数量少,位置随 机,用所取芯样代表整个构件的实际情况,当芯样中存 .6 1. 研究探索 工程质量 第35卷 esearch&Explore 在有大的气泡,则代表该构件整个部位均存在有大的气 泡,这种情况在批量评定的情况下表现得最为明显。 1.3钻芯工艺以及芯样制作误差 钻芯法对于钻取机械、钻取速率、试件加工要求等 均有相关的要求。但是实际工程中很难完全达到相关的 要求,且有些要求在现有条件下还不能完全解决。 1.3.1钻芯工艺 钻芯法规范对于钻芯机械、钻芯速率等都有相关 的技术要求和规定。但是还有一些问题在现有条件下是 难以解决的。JGJ/T 384--2016《钻芯法检测混凝土强度 技术规程》对于芯样外观质量有明确的要求,当沿芯样 试件高度的任一直径与平均直径相差超过1.5 mm,该 试件不宜进行试验。实际检测过程中,用膨胀螺丝将钻 芯机的底座固定,转筒在高速转动下,本身就会存在抖 动,当转筒转到硬度较大的骨料或者其他物体时,抖动 更大。同时当待检混凝土强度比较低,膨胀螺丝不足以 固定钻芯机,所取的芯样容易出现缩径、缺边、少角、倾 斜及喇叭口变形、端面与轴线的不垂直度较大等缺陷, 造成混凝土检测强度与实际强度偏差较大,影响对结 构作出真实评价。芯样在钻取完成后,将芯样取下一般 都是用楔形铁簪子伸入缝隙,锤击簪子,使芯样受弯断 裂,如图3所示。 { ●’ ● d . _● ● ● 々 - ●● ● 截断芯样方式 受力简化模型 弯矩图 图3芯样截断方式及简化受力模型示意图 芯样底部承担的弯矩最大,即芯样底部拉力最大, 当受拉应力大于混凝土的开裂应力时,芯样断裂。但是 混凝土材料表现为明显的非均一性,芯样沿高度抗弯性 能不可能完全一致,当芯样断裂时,混凝土芯样某一或 者更多的位置可能会产生新的微裂缝,这些微裂缝的存 在造成了芯样强度低于实际强度。 1_3.2 芯样直径的影响 随着建筑的安全等级以及抗震设防标准的提 高,构件的配筋越来越多,钢筋间距也越来越小。现在 的实体检测工程,钻取直径为75 mm的芯样已经很困 难,很少能够满足钻取直径为100 mm芯样的条件。规 一62一 范JGJ/T 384--2016《钻芯法检测混凝土强度技术规程》 之6.1.2的条文说明明确指出,直径为100mm的芯样的 标;隹差较小,使用小直径芯样时标准差偏大。试验结果 表明,直径70 75 mm芯样试件的抗压强度的平均值与 100mm的芯样试件抗压强度值的平均值基本相当。检验 批抗压强度推定值计算如式(1) (2)所示。 … ,… 一kls。 (1) = ……一 (2) 式中: …。为芯样试件抗压强度推定上限值; …:为芯 样试件抗压强度推定下限值; … 为芯样试件抗压 强度平均值; 为芯样试件抗压样本的标准差。 我国规范CECS 03:2007《钻芯法检测混凝土强 度技术规程》之3.2.2的条文说明以及JGJ/T 384--2016 《钻芯法检测混凝土强度技术规程》之6.3.2条文说明指 出钻芯法抗压强度值一般略低于构件的实际强度,但是 规范并未给出解决方法。同时根据式(1)~(2)可以得出 结论:小直径芯样的抗压强度值推定值<大直径芯样的 抗压强度值推定值。这与标样试块截然相反,主要是因 为试块振捣密实,侧面平整度高,由于尺寸效应,小直径 试块的缺陷较少。而钻芯法取得的芯样,钻取过程中钻 芯机的晃动,使芯样存在偏差,这些偏差降低了芯样的 实际受力面积或者使芯样不同程度地偏心受压,相同的 偏差对于受力面积小的小直径芯样影响更大。所以小直 径芯样的抗压强度更加低于构件的实际强度,因此有必 要对小直径芯样的抗压强度值进行修正。 取芯法的操作过程中的各种随机误差、芯样制作 过程中的各种误差,必然使芯样抗压强度值离散,标 准差较大。表1为工程实例取芯数值判定为离群值以 后,在取芯位置以上10 em处,重新取样进行抗压试 验。比较发现,第二次检测强度均大于第一次检测强 度,且最大相差达到37.9 MPa。在相同的构件非常接 近的位置得出偏差如此之大的结果,说明了异常值判 断的必要性。 表1 异常数据构件的两次检测结果表单位:MPa 检测区 40.5 78.4 40.6 76.4 A区 49.5 71.2 4 7 54.3 注: 为芯样第一次检测强度, 为芯样第二次检测强度。 第4期T1JX等:混凝土芯样的误差分析与异常数据的处理方法研究 表2各批次检测结果汇总表 检测 检验 芯样 钻芯 强度 强度 推定 同条件 区 批次 直径 数量 平均值 标准差 区间 试块强度 /mm } /MPa /MPa /MPa /MPa A 1 100 15 59.O 3.8 50.1~54.8 6O.5 2 75 28 6O.1 7.4 44.6~50.9 B 3 4 100 75 28 15 6O.9 584.7 5O.O~55.7 6O.8 .4 7.2 43.3~49.5 C 5 i00 15 62.2 3.7 53.6~58.1 62.4 6 75 28 57.9 5.5 46.4~51.1 7 100 15 62.O 4.4 51.8~57.1 D 8 75 28 62.0 5.1 51.3~55.7 61.3 2工程实例 2.1工程概况 某工程为框架剪力墙结构,建筑高度99.14 m, 地面23层,地下2层,为框架核心筒结构。取芯楼层 于2016年6月07日一19日浇筑完成。为了保证检测数据 的客观性、准确性,委托国家某权威机构对该工程钻 取172个芯样,芯样的制作、抗压均在该机构完成。此次取 芯分为4个检测区,8个检测批次。每个测区直径75ram芯 样28个,直径100 mm芯样15个。现场检测取芯工作为 2016年10月13日一14日,芯样抗压试验为10月21日,芯 样龄期超过90 d,检测结果如表2所示。 2.2试验数据分析 该权威机构并未对检测取得数据进行异常值 的判断与采取相应措施,即使推定区间的差值超 过5 MPa和0.1 一 , 。通过对比发现,各测区的芯 样抗压强度值,直径75 mm芯样的标准差均大于直 径100 mm芯样的标准差,这与本文1.3.2节的分析一 致。钻芯法推定值均小于同养试块的抗压强度值,主要 是由于同养试块养护更加容易,同时同养试块试件标 准,垂直度好,缺陷少。混凝土结构的混凝土强度等级 的设计值,是指标养试块的抗压强度。GB 50204--2015 《混凝土结构工程施工质量验收规范》指出,将同养试 块的强度值除以0.88作为标养试块的抗压强度对混凝 土强度等级进行评定,而我国现有的钻芯规范并未考虑 钻芯数据的修正。所以可以得出结论:钻芯检测数据小 于同条件强度数据,同条件强度数据小于标养强度数 据。我国混凝土强度设计等级以标养试块强度为;隹,现 有的钻芯法检测规范将使混凝土强度等级过于保守,有 必要对钻芯法检测数据进行修正。同时我国幅员辽阔, 各个地区材料各不相同,例如中西部省份粗骨料一般为 强度较低的石灰岩石,而东部地区普遍采用强度较高的 花岗岩石作为粗骨料。我国混凝土配合比仅根据粗骨料 的比例,并未考虑粗骨料的实际强度。对钻芯法的检测 数据进行修正,既符合钻芯法强度低于标样试块强度 的事实,也是更加符合地区实际的需要 ]。芯样的修正 需要大量的实验数据,符合各地区的修正系数有待更多 的试验数据拟合与验证。 钻芯法检测数据评定的前提条件是检测数据符合 正态分布『7]。此次8个检测批次的检测数据柱形图如 图4所示。通过柱形图各数据的分布,可以发现,各检 测数据均不能完全满足正态分布,第二检测批次、第三 检测批次、第七检测批次等均存在有明显的离群值,有 必要对该离群数据进行判断,继而采取相应的措施。 山东省地方标准DB 37/T 2368--2013《钻芯法 检测混凝土抗压强度技术规程》推荐采用格拉布斯 (Grubbs)准则进行异常值判断。但是一般情况下,芯 样的抗压强度检测数据异常值个数均大于1,故采用峰 值.偏度法进行异常值判断更为合理。现对峰值 偏度法 作简单介绍。 1)首先计算峰度统计量b 的值,如式(3)所示。 H J, 2 4 n∑(薯一;) "rEx ̄一4x∑ +6x∑ 一3nx] = ——一= (∑( 一 (3) j;I 2)通过确定检出水平“,查表得出临界值b (n), 当bk>6 (,2),判定离均值y-最远观测值为离群值, 否ElIl ̄-Jr未发现离群值。 3)对于检出的离群值,确定剔除水平a ,查表得 出临界值b 一 (月)。当6 >b l-a (n)时,判定离均 值 最远的观测值为统计离群值,否则该离群值为岐 离值。 以第二检测批次为例,确定检出水平为0.05,查 出临界值b 。 5(28)=0.68, =4.868>0.68,判定离均 值最远的40.5为离群值。确定剔除水平口 0.05,查表 得临界值b 0.95 (28)=4.122,bk=4.868>6 0.95*(28), 故判定40.5为统计离群值,应当剔除。同理,检 出40.6和44.6均为统计离群值,数值51为岐离值, 不应剔除。以剩下的25个数据,得到芯样平均值 为62.33 MPa,标准差为3.77 MPa,推定区间为53.7— 57.74 MPa,限差4.05 MPa。原数据标准差7.4 MPa,限 一63. l研究探索 esearch&Explorc \嘲搽壮插 工程质量 5 4 3 第35卷 \嘲搽 杓 3 l 0 样与小直径芯样抗压强度平均 值,基本一致,大直径芯样的 ,厂一 \ /■ \ /■ \● ./● ■ ■ ■■■■ 抗压强度值/MPa (a)第1检测批次 11 -\ .、 / I -_\ 抗压强度标;隹差明显小于小直 径芯样的强度标准差,这与规 范的结论相一致。所以,大直 径芯样强度更加接近实际强 _ 、 l/ l I¨I1 抗压强度值/MPa (b)第2检测批次 度,在可能条件下,尽量钻取直 径100mm的芯样。 2)钻芯法检测数据的异常 \卿赫棼榜 4\嘲籁婪搀 / 一~ \ 4一 值判断与剔除是非常必要的, 七\卿搽卖}搀 8 7 6 5 4 3 2 1 0 。 。 —— 藉: 1 7O  ]门r ] 抗压强度值/MPa (C)第3检测批次 藉; 0 —— \ 一 峰值.偏度法可以很好地排除异 常值。 —— 参考 抗压强度值/MPa (d)第4检测批次 6 3)有必要建立各地区的钻 芯法地方标准,通过大量实验 数据,拟合出芯样强度修正系 5 4 数。@ / 、 冀s 厂●、 / 藉z /■\ ■/■ ■■ 、1■ f | ■ ■ // := 一lF==== 一 _ \ .r\、 参考文献 [1]中国建筑科学研究院.GB 50204-- 2015混凝土结构工程施工质量验收 _I__I I _ \●l/● 规范[s].北京:中国建筑工业出版社, 2015. 抗压强度值/ (f)第6检测批次 [21李建兵.结构实体混凝土强度检验与 一’ 、评定的试验研究[D].哈尔滨:哈尔滨工 /- 抗压强度值 a (g)第7检测批次 \ 1 _● / /1l \ ●.|\ 业大学,2014. [3]中国建筑科学研究院.GB/T 5O784— 2013混凝土结构现场检测技术标准[s].  .北京:中国建筑工业出版社,2013. [4]中国建筑科学研究院.JGJ/T 384— 2016钻芯法检测混凝土强度技术规程 抗压强度值/MPa (h)第8检测批次 图4各检测批次检测数据柱形图 差6.3 MPa,已超出5 MPa与0.1 …。…,且推定值更加 [s].北京中国建筑工业出版社,2016. 接近于同养试块的强度。由此可以发现异常数据的判 断和剔除,使结果更加接近结构的实际强度。数据的 处理是有必要的,这既是对事实的尊重,也是对委托方 的负责 [5]中国建筑科学研究院.CECS 03:2007钻芯法检测混凝土强度技术 规程[s].北京:中国计划出版社,2007. [6]刘梦溪,郑重.,.-期此,j_戢心-44-/]f uJ句心4-4-仟仉a ̄压拙厦大,示试,验研究[J].混 凝土,2012,34(12)109一l12. 3结论 [7]中国标;隹化研究院.GB/T 48 83—2008数据的统计处理和解 释正态样本离群值的判断与处理[S】.北京:中国标准出版社, 1)钻芯法强度低于标样试块抗压强度,大直径芯 2008 .64. 

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