钻芯法,是指在实体混凝土中钻取芯样后试压,以测定结构混凝土抗压强度的方法。 由于芯样取自工程实体,经由芯样试压直接确定抗压强度而不是通过某种物理量间接换算,因此钻芯法被普遍认为是一种直观、可靠、准确的方法,可以在对回弹法等其他检测方法的结果有异议时或者司法鉴定中采用。 但是,该方法是一种半破损的方法,会对结构混凝土造成局部损伤,试验费用也较高,故一般不宜将钻芯法作为经常性的检测手段。 比较适宜的方法是将钻芯法与其他非破损检测方法结合使用,利用非破损法减少取芯的数量,同时通过钻芯法对非破损法进行修正,提高非破损法的精度。
在结构实体上钻芯过多会给建筑结构造成过多的损伤,操作不当甚至会影响结构安全。因此,现场钻芯应注意如下问题:
①注意选择钻取芯样的部位,减小对实体结构的影响。
②芯样钻取前,需要对构件中的受力钢筋进行探测定位,尽可能避开钢筋再钻取芯样。否则,在钻取芯样时容易截断构件的受力钢筋,对构件造成损伤。
③从实体结构所钻取芯样的长度应比最终试压的芯样长度更长一些。 否则,在芯样加工过程中截除芯样浮浆层和端部的不平部分后,用于试压的芯样高径比不足,会导致抗压强度出现偏差。
④钻芯后留下的孔洞应及时进行修补。
1)相关技术标准
现行有效的钻芯法相关技术标准包括:《钻芯法检测混凝土强度技术规程》(CECS 03:2007)、《钻芯法检测混凝土强度技术规程》(JGJ/T 384—2016)等。 各标准之间略有不同,本节主要介绍《钻芯法检测混凝土强度技术规程》的相关规定。
2)适用范围
钻芯法适用于检测普通混凝土的抗压强度。
3)钻芯法的主要仪器设备
图3.1 钻芯机及钻头
钻芯法需要从结构实体中钻取芯样,经过锯切、端面补平(或磨平)以及必要时的修补后,制成合格芯样,然后在压力试验机(或万能试验机)上试压,从而得到实体混凝土的强度指标。 所用的仪器设备主要有钻芯机(图3.1)、锯切机(图3.2)、磨平机(图3.3)、压力试验机(图3.4)或万能试验机,以及钢筋探测仪、电锤、钢卷尺等辅助设备。
使用各主要仪器设备时应注意,钻芯机以及芯样加工、测量、试压的主要设备与仪器均应有产品合格证,计量器具应经检定或校准,并在有效使用期内使用。 其中:
①钻芯机应具有足够的刚度,操作灵活,固定和移动方便,并应有水冷却系统。 钻取芯样时宜采用人造金刚石薄壁钻头,钻头胎体不得有肉眼可见的裂缝、缺边、少角、倾斜及喇叭口变形。
②锯切芯样时使用的锯切机和磨平芯样的磨平机,应具有冷却系统和牢固夹紧芯样的装置；配套使用的人造金刚石圆锯片应有足够的刚度；锯切芯样宜使用双刀锯切机。 用于芯样断面加工的补平装置,应保证端面平整,并应保证芯样端面与芯样轴线垂直。
图3.2 锯切机
图3.3 磨平机
图3.4 压力试验机
③压力试验机应具备芯样抗压强度试验所需要的量程和加荷速度,保证试验精度。
④钢筋探测仪(图3.5)是钢筋配置情况检测的主要设备,在钻芯法中主要用于探测钢筋位置、避免钻芯时损伤钢筋。 钻芯法所用的钢筋探测仪应适用于现场操作,其最大探测深度不应小于60 mm,探测位置偏差不宜大于3 mm。
⑤电锤(图3.6)、钢卷尺主要是在固定钻芯机的过程中使用。
图3.5 钢筋探测仪
图3.6 电锤及膨胀螺栓
4)钻芯法检测前应收集的资料
采用钻芯法检测结构或构件混凝土强度前,宜具备下列资料信息:
①工程名称及设计、施工、监理和建设单位名称。
②结构或构件种类、外形尺寸及数量。
③设计混凝土强度等级。
④浇筑日期、配合比通知单和强度试验报告。
⑤结构或构件质量状况和施工记录。
⑥有关的结构设计施工图等。
5)芯样钻取部位
为了减小对实体结构的损伤以及方便操作,芯样应在结构或构件的下列部位钻取:
①结构或构件受力较小的部位。
②混凝土强度质量具有代表性的部位。
③便于钻芯机安放与操作的部位。
④宜采用钢筋探测仪测试或局部剔凿的方法避开主筋、预埋件和管线。
6)抽样、取样方法
钻芯法可用于确定检测批或单个构件的混凝土抗压强度推定值,也可用于修正间接强度检测方法得到的混凝土抗压强度换算值。
①钻芯法确定单个构件混凝土抗压强度推定值时,芯样试件的数量不应少于3 个；对构件工作性能影响较大的小尺寸构件,钻芯法芯样试件的数量不得少于2 个。
②当混凝土强度等级、生产工艺、原材料、配合比、成型工艺和养护条件基本相同时,可以将一定数量的构件作为一个检测批进行检测。 按检验批对混凝土强度进行检测时,芯样试件的数量应根据检验批的容量确定,直径100 mm 的芯样试件的最小样本量不宜少于15 个,小直径芯样试件的最小样本量不宜小于20 个。 其抽样、取样应符合《建筑结构检测技术标准》的相关要求,随机进行抽样,其最小样本容量宜符合表2.1 的要求。
③抗压芯样试件宜使用直径为100 mm 的芯样,且其直径不宜小于骨料最大粒径的3 倍；也可采用小直径芯样,但其直径不应小于70 mm 且不得小于骨料最大粒径的2 倍。
7)钻芯
①在构件上钻取多个芯样时,芯样宜取自不同部位。
②钻芯机就位并安放平稳后,应将钻芯机固定。 固定的方法应根据钻芯机的构造和施工现场的具体情况确定。
③钻芯机在未安装钻头之前,应先通电检查主轴旋转方向为顺时针。
④钻芯时用于冷却钻头和排除混凝土碎屑的冷却水的流量宜为3 ～5 L/min。
⑤钻取芯样时宜保持匀速钻进。
⑥芯样应进行标记,钻取部位应予以记录。 芯样高度及质量不能满足要求时,则应重新钻取芯样。
⑦芯样应采取保护措施,避免在运输和贮存中损坏。
⑧钻芯后留下的孔洞应及时进行修补。
⑨钻芯操作应遵守国家有关安全生产和劳动保护的规定,并应遵守钻芯现场安全生产的有关规定。
8)芯样加工及试件的技术要求
从结构或构件中钻取的混凝土芯样应加工成符合规范要求的芯样试件:
①抗压芯样试件的高径比(H/d)宜为1；劈裂抗拉芯样试件的高径比(H/d)宜为2,且任何情况下不应小于1；抗折芯样试件的高径比(H/d)宜为3.5。
②抗压芯样试件内不宜含有钢筋,也可有一根直径不大于10 mm 的钢筋,且钢筋应与芯样试件的轴线垂直并离开端面10 mm 以上；劈裂抗拉芯样试件在劈裂破坏面内不应含有钢筋；抗折芯样试件内不应有纵向钢筋。
③锯切后的芯样应按下列规定进行端面处理:
a.抗压芯样试件的端面处理,可采取在磨平机上磨平端面的处理方法,也可采用硫黄胶泥或环氧胶泥补平,补平层厚度不宜大于2 mm。 抗压强度低于30 MPa 的芯样试件,不宜采用磨平端面的处理方法；抗压强度高于60 MPa 的芯样试件,不宜采用硫黄胶泥或环氧胶泥补平的处理方法。
b.劈裂抗拉芯样试件和抗折芯样试件的端面处理,宜采取在磨平机上磨平端面的处理方法。
④在试验前应按下列规定测量芯样试件的尺寸:
a.平均直径应用游标卡尺在芯样试件上部、中部和下部相互垂直的两个位置上共测量6次,取测量的算术平均值作为芯样试件的直径,精确至0.5 mm。
b.芯样试件高度可用钢卷尺或钢板尺进行测量,精确至1.0 mm。(www.xing528.com)
c.垂直度应用游标量角器测量芯样试件两个端面与母线的夹角,取最大值作为芯样试件的垂直度,精确至0.1°。
d.平整度可用钢板尺或角尺紧靠在芯样试件承压面(线)上,一面转动钢板尺,一面用塞尺测量钢板尺与芯样试件承压面(线)之间的缝隙,取最大缝隙为芯样试件的平整度；也可采用其他专用设备测量。
⑤芯样试件尺寸偏差及外观质量出现下列情况时,相应的芯样试件不宜进行试验。 反之则为合格芯样试件,可用于试压实验。
a.抗压芯样试件的实际高径比(H/d)小于要求高径比的0.95 或大于1.05。
b.抗压芯样试件端面与轴线的不垂直度超过1°。
c.抗压芯样试件端面的不平整度在每100 mm 长度内超过0.1 mm,劈裂抗拉和抗折芯样试件承压线的不平整度在每100 mm 长度内超过0.25 mm。
d.沿芯样试件高度的任一直径与平均直径相差超过1.5 mm。
e.芯样有较大缺陷。
9)芯样试压
芯样试件应在自然干燥状态下进行抗压试验。 当结构工作条件比较潮湿,需要确定潮湿状态下混凝土的抗压强度时,芯样试件宜在20 ℃±5 ℃的清水中浸泡40 ～48 h,从水中取出后应去除表面水渍,并立即进行试验。
芯样试件抗压试验的操作应符合现行国家标准《混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081)中对抗压试验的规定。 试验过程中应连续均匀地加荷,加荷速度应控制为:混凝土强度等级<C30 时取0.3 ～0.5 MPa/s,C60 >混凝土强度等级≥C30 时取0.5 ～0.8 MPa/s,混凝土强度等级≥C60 时取0.8 ～1.0 MPa/s。
当试件接近破坏而开始迅速变形时,停止调整试验机油门,直至试件破坏。
10)混凝土强度计算
(1)芯样试件抗压强度值
芯样试件抗压强度值可按下式计算:
式中:fcu,cor——芯样试件混凝土抗压强度值,MPa,精确至0.1 MPa；
Fc——芯样试件抗压试验的破坏荷载,N；
A——芯样试件抗压截面面积,mm2；
βc——芯样试件强度换算系数,取1.0。
当有可靠试验依据时,芯样试件强度换算系数βc 也可根据混凝土原材料和施工工艺情况通过试验确定。
(2)单个构件的混凝土强度推定值
按钻芯法确定单个构件混凝土抗压强度推定值时,单个构件的混凝土抗压强度推定值不进行数据的舍弃,按芯样试件混凝土抗压强度值中的最小值确定。
(3)检测批的混凝土强度推定值
按检验批对混凝土强度进行检测时,芯样试件的数量一般为15 个及以上。 检测批的混凝土强度推定值应按下列方法确定。
①检测批的混凝土强度推定值应计算推定区间,推定区间的上限值和下限值按下列公式计算:
式中:fcu,cor,m——芯样试件抗压强度平均值,MPa,精确至0.1 MPa；
Scu——芯样试件抗压强度样本的标准差,MPa,精确至0.01 MPa；
fcu,cor,i——单个芯样试件抗压强度值,MPa,精确至0.1 MPa；
fcu,e1——混凝土抗压强度推定上限值,MPa,精确至0.1 MPa；
fcu,e2——混凝土抗压强度推定下限值,MPa,精确至0.1 MPa；
k1、k2——推定区间上限值系数和下限值系数,按表3.1 查得。
fcu,e1与fcu,e2所构成推定区间的置信度宜为0.90；当采用小直径芯样时,推定区间的置信度可为0.85。 因此,在查表3.1 确定k1、k2 时,k1 宜为置信度为0.90、错判概率为0.05 条件下的限值系数；k2 宜为置信度为0.90、漏判概率为0.05 条件下的限值系数。 当采用小直径芯样试件时,k1 可为置信度为0.85、错判概率为0.05 条件下的限值系数；k2 可为置信度为0.85、漏判概率为0.10 条件下的限值系数。
表3.1 上、下限值系数k1、k2
续表
②fcu,e1与fcu,e2之间的差值不宜大于5.0 MPa 和0.10fcu,cor,m两者的较大值。
③fcu,e1与fcu,e2之间的差值大于5.0 MPa 和0.10fcu,cor,m两者的较大值时,可适当增加样本容量,或重新划分检测批,直至满足上述要求,否则不宜进行批量推定。
④宜以fcu,e1作为检验批混凝土强度的推定值。
在采用钻芯法确定检测批混凝土强度推定值时,可以剔除芯样试件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异常值的判断和处理》(GB/T 4883)的规定执行,也可以按照《混凝土结构现场检测技术标准》附录B 中的相关规定执行。
当确有试验依据时,可对芯样试件抗压强度样本的标准差Scu进行符合实际情况的修正或调整。
(4)构件混凝土强度代表值
钻芯法确定构件混凝土抗压强度代表值时,芯样试件的数量宜为3 个,应取芯样试件抗压强度值的算术平均值作为构件混凝土抗压强度代表值。
11)影响芯样混凝土强度的因素
(1)芯样中含有钢筋
在实际工程中,常出现钻到钢筋的情况。 目前国内外对含有钢筋的芯样强度说法不一,当实在无法避开时,允许有垂直于芯样轴线的钢筋,由于此时的钢筋直径小且数量少,钢筋的影响被混凝土强度本身的变异性所掩盖。 但是,由于钢筋对混凝土的影响是一个复杂问题,故在检测时应尽量避开钢筋。
(2)芯样直径、高径比
抗压试验的芯样试验宜使用标准芯样试件,其公称直径不宜小于骨料最大粒径的3 倍；也可采用小直径芯样试件,但其公称直径不应小于70 mm 且不得小于骨料最大粒径的2 倍。
有关试验研究成果表明,当高径比为1∶1时,公称直径为70 ～75 mm 的小直径芯样试件的抗压强度与标准芯样试件的抗压强度基本相当。
(3)芯样的加工质量
检测经验表明,芯样的加工质量对所测得芯样混凝土强度也可能产生较大影响,尤其是其中的芯样试件端面与轴线的不垂直度、抗压芯样试件端面的不平整度等两项。 在实际检测中,应严格控制芯样加工环节,确保进行强度检测所用的芯样为合格芯样。
12)钻芯法与间接检测方法的综合运用
检测结果的不确定性源于系统、随机和检测操作三个方面。 钻芯法检测混凝土强度的系统偏差较小,而强度样本的标准差相对较大,这主要与随机性偏差和样本容量少有关。 间接测强方法可以获得较多检测数据,样本的标准差可能与检测批混凝土强度的实际情况比较接近。 因此,钻芯法与混凝土强度的间接检测方法结合使用,可以扬长避短,减小检测工作中的不确定性。
钻芯法与其他间接检测方法综合运用时,需要注意以下几个方面:
(1)芯样数量
直径100 mm 芯样试件的数量不应少于6 个,小直径芯样试件的数量不应少于9 个。
(2)钻芯位置
当采用的间接检测方法为无损检测方法时,钻芯位置应与间接检测方法的测区重合；当采用的间接检测方法对结构构件有损伤时,钻芯位置应布置在相应测区的附近。
(3)强度修正
《钻芯法检测混凝土强度技术规程》(JGJ/T 384—2016)建议,利用钻芯法的检测结果对间接测强方法进行钻芯修正时,宜采用修正量的方法。 修正量Δf 可按下列公式计算:
式中:Δf——修正量,MPa,精确至0.1 MPa；
,i0——修正后的换算强度,MPa,精确至0.1 MPa；
,i——修正前的换算强度,MPa,精确至0.1 MPa；
,cor,m——芯样试件抗压强度平均值,MPa,精确至0.1 MPa；
,mj——所用间接检测方法对应芯样测区的换算强度的算术平均值,MPa,精确至0.1 MPa。
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