工程結構實體混凝土強度評定能力驗證的技術分析

　　摘要：為確保工程結構實體混凝土強度評定結果的可靠性，國家建筑工程質量監督檢驗中心通過組織開展多輪次的“工程結構實體混凝土強度評定”能力驗證項目，了解行業水平、識別技術風險.本文根據項目實踐經驗，從檢測批的劃定、芯樣強度異常值的判別和處理、檢測批推定區間的確定，以及抽樣方法、計量抽樣檢驗法、總體修正量法的理解和使用等方面淺析工程結構實體混凝土強度評定的若干技術問題，并給出有關改進建議.

　　關鍵詞：工程結構實體； 混凝土強度評定； 能力驗證；

　　作者簡介： 孟揚，男，高級工程師，研究方向為檢驗檢測與能力驗證.；

　　基金： 中國建筑科學研究院有限公司科研基金項目（201801123 30730042）；

Analysis of Some Technical Problems in the Assessment of Compressive Strength of Concrete

　　Abstract:In order to ensure the reliability of the assessment of compressive strength of concrete,National Center for Quality Supervision and Test of Building Engineering had organized and carried out many rounds of “Assessment of compressive strength of concrete” proficiency testing project to understand the industry level and identify technical risks. According to the practical experience of that project,this paper analyzes some technical problems in the assessment of compressive strength of concrete from the aspects of the determination of inspection batches,the identification and treatment of abnormal values of core sample strength,the determination of presumed interval of inspection batches,the understanding and use of sampling method,measurement sampling inspection method and the total revised quantity method,and gives some suggestions for improvement.

　　Keyword:engineering structure entity; evaluation of concrete strength; ability to verify;

　　0 引言

　　工程結構實體混凝土強度評定是在工程現場采用諸如回彈法、鉆芯法、超聲回彈綜合法等技術手段推定結構實體中混凝土在受檢齡期下相當于立方體試塊且具有95%保證率的抗壓強度值.就混凝土結構而言，施工過程中的質量控制、竣工后的質量驗收、服役期間的性能鑒定等，都離不開工程結構實體混凝土強度評定，通過其獲得的檢測數據和檢驗結論是工程質量驗收和結構性能鑒定的關鍵依據之一.

　　目前，國內從事工程結構實體混凝土強度評定的機構數量較多，其中僅獲得CNAS認可的檢驗機構數量就過百家.而各機構間的規模和性質不盡相同，不同機構的管理水平與檢驗人員的技術能力參差不齊，同時對于如何評價檢驗機構在工程結構實體混凝土強度評定的能力和水平方面也缺乏有效的方法[1].

　　能力驗證是國際通行的利用實驗室間比對評價參加者能力的一種技術活動.通過此種方式對“工程結構實體混凝土強度評定”從業機構的技術能力進行評價，不僅有利于了解行業整體水平、識別不同機構間的技術差異，而且有助于確保工程結構實體混凝土強度評定結果的科學性和有效性.

　　作為現階段國內僅有的一家可開展建工領域檢驗機構能力驗證活動的單位，國家建筑工程質量監督檢驗中心（以下簡稱“國檢中心”）自2015年起至今，已連續多年依據GB/T 50344-2004《建筑結構檢測技術標準》[2]或GB/T 50784-2013《混凝土結構現場檢測技術標準》[3]在全國范圍內組織實施“工程結構實體混凝土強度評定”能力驗證計劃（以下簡稱“能力驗證計劃”），累計參加機構數量近300家次.下面，通過這幾年積累的實踐經驗，經梳理、歸納后淺析工程結構實體混凝土強度評定的若干技術問題.

　　1 工程結構實體混凝土強度評定能力驗證計劃簡介

　　1.1 術語定義

　　能力驗證計劃是在檢測、測量、校準或檢驗的某個特定領域，設計和運作的一輪或多輪次能力驗證，其涉及能力驗證物品、參加者、提供者、能力評定等要素.能力驗證物品是用于能力驗證的樣品、產品、人工制品、標準物質/標準樣品、設備部件、測量標準、數據組或其他信息；參加者是接受能力驗證物品并提交結果以供能力驗證提供者評價的實驗室、組織或個人；提供者是對能力驗證計劃建立和運作中的所有任務承擔責任的組織；能力評定是提供者通過參加者返回的結果評定其技術能力.具體到工程結構實體混凝土強度評定能力驗證計劃，能力驗證物品是載有關于工程背景信息和現場檢測結果數據的文件樣品；參加者是建工領域的相關檢驗機構，提供者是國檢中心.

　　1.2 方案設計

　　工程結構實體混凝土強度評定能力驗證計劃采用非實物樣品檢驗的方式，即提供者分發給參加者文件樣品，并要求其針對該文件樣品，根據相關標準規范和能力驗證作業指導書的要求，在規定的時間內以報告的形式返回檢驗結果.此外，多輪次的工程結構實體混凝土強度評定能力驗證計劃在設計難度方面大致相同.

　　上述文件樣品涉及的題材來源于真實的工程案例，但工程名稱、地點等具體信息經過必要的處理.其中，所選取的工程案例是工程結構實體混凝土強度評定常見情況，檢驗對象包括框架梁構件、框架柱構件等，具有一定的代表性.

　　1.3 能力評價

　　針對參加者返回的檢驗報告，提供者采用專家公議的技術，組織行業權威專家以“背對背”的方式進行評價打分，最后取各專家所給分數的平均值作為該參加者的評價分數，并給出其主要技術問題，從而確定其技術能力.

　　2 技術分析

　　目前，GB/T 50344-2004《建筑結構檢測技術標準》和GB/T 50784-2013《混凝土結構現場檢測技術標準》為行業內實施工程結構實體混凝土強度評定最主要的、應用最廣泛的標準依據.同時，二者在工程結構實體混凝土強度評定方面的專業技術內容基本互通.因此，上述兩本標準相繼作為多輪次工程結構實體混凝土強度評定能力驗證計劃所依據的技術文件.表1依次羅列出近4年工程結構實體混凝土強度評定能力驗證計劃的關鍵技術內容，包括：工程背景、考核點以及所依據的技術文件.

表1 工程結構實體混凝土強度評定能力驗證計劃關鍵技術內容匯總

　　從各參加者返回的檢驗報告可以看出，絕大部分檢驗機構所使用的評定方法正確、評定過程清晰、評定結果科學、有效，但是部分檢驗機構在檢測批的劃定、芯樣強度異常值的判別和處理、檢測批推定區間的確定，以及抽樣方法、計量抽樣檢驗法、總體修正量法的理解和使用等方面還存在一定不足.對此，本文主要分析檢驗機構基于計量抽樣檢測批在對工程結構實體混凝土強度評定中所存在的若干技術問題，并給出相關建議.

　　2.1 檢測批劃定

　　工程結構實體混凝土強度評定經常采用的是批量檢測，即通過樣本數據評估檢測批總體質量狀況.而實現批量檢測的前提是正確劃分檢驗批，才能使同一檢驗批中受檢參數的實際值是相近的.如不能正確劃分檢驗批，則將導致推定結果沒有代表性.對于同一檢測批的混凝土構件，除檢測項目相同、質量要求和生產工藝等基本相同、環境條件或損傷程度相近外，還需關注構件屬性是否相同，比如：根據受力特點所決定的是否同屬水平類構件或豎向類構件.

　　以2017年能力驗證計劃為例，文件樣品給出：某工程為一棟地下1層、地上4層的鋼筋混凝土框架-剪力墻結構建筑物，結構構件采用泵送混凝土現場澆筑成型.同時，提供者要求參加者需對該工程存在混凝土立方體試塊標準養護28天后抗壓強度不合格現象的2層1~7軸范圍內的28個框架柱和28個框架梁進行檢測批混凝土強度評定.對此，由于構件受力特點不同，所以應對框架柱和框架梁分別進行檢測批混凝土強度評定，而不是合二為一.

　　2.2 抽樣方法

　　工程結構實體混凝土強度評定是服務于工程質量驗收和結構性能鑒定，因此為了保證檢測結果的有效性和檢驗結論的可靠性，應運用概率統計理論進行抽樣檢測.抽樣的方法主要有三種：隨機抽樣、約定抽樣以及分層抽樣.其中，隨機抽樣為使檢測批中每個個體具有相同被抽檢概率的抽樣方法，其用于通過樣本數據評估檢驗批總體質量狀況，不受任何人的意志干擾；約定抽樣為由委托方指定且不滿足隨機抽樣原則的樣本抽取方法，比如：建設單位對某工程2層8-B-C軸、7-A-B軸、6-B-C軸混凝土梁構件的施工質量有懷疑，需要通過委托檢測進行分析結構的可靠性；分層抽樣為首先在檢測批中抽取區域或構件，然后在抽取的區域和構件上按規定的要求布置測區的抽樣方法，其實現了分級兩次抽樣的過程，即先抽一級樣本構件，再抽次級樣本測區.

　　再以2017年能力驗證計劃為例，文件樣品除給出上述工程背景及數據信息外，還提供了該工程二層結構平面布置圖（見圖1）.同時，提供者另一個要求為參加者需采用隨機抽樣方法劃定14個待測框架柱.對此，可利用隨機數生成器軟件、隨機數表等按均勻分布的規則從該檢測批中確定14個樣本，而不是人為隨意指定14個框架柱，或誤用分層抽樣方法--先將1~7軸作為一級樣本，再從7個軸線中分別隨機抽取2個樣本作為二級樣本，有如：1-A、1-C、2-B、2-C、3-B、3-D、4-A、4-C、5-C、5-D、6-A、6-D、7-B、7-C軸14個框架柱.

圖1 某工程二層結構平面布置圖（單位：mm）

　　2.3 計量抽樣檢驗法

　　抽樣檢驗是按照規定的抽樣方法，隨機地從檢測批中抽取樣本進行檢驗，并根據樣本檢測結果判定該檢測批是否可以接收[5].抽樣檢驗方法分為計數抽樣檢驗方法和計量抽樣檢驗方法.工程結構實體混凝土強度評定通常采用的是計量抽樣檢驗方法.

　　計量抽樣檢驗是檢測批中選取一定數量的樣品并組成樣本，然后基于對樣本中每個樣品的檢測結果，計算出樣本統計量，最后將樣本統計量與規定的限值進行比較，從而評判該檢測批是否合格.

　　以2019年能力驗證計劃為例，文件樣品給出：某辦公樓為地上五層現澆鋼筋混凝土框架結構建筑，建筑面積5 400 m2,建筑總高度16.5 m,層高3.2 m.該工程2層局部因混凝土外加劑超量，導致混凝土強度增長緩慢.同時，文件樣品提供2層13個相關梁構件測區混凝土強度換算值，提供者要求參加者需采用計量抽樣檢驗法進行檢測批混凝土強度的評定.對此，應根據13個梁構件測區混凝土強度換算值，計算出樣本統計量--檢測批具有95%保證率標準值的推定區間上限值和下限值，將其與設計混凝土強度等級進行比較后，判定該檢測批工程結構實體混凝土強度的符合性.而不是在依次計算出樣品的統計量--13個梁構件的樣品推定值后，分別與設計混凝土強度等級進行比較.

　　2.4“鉆芯修正”方法

　　針對批量檢測，為提高檢測結果的可靠性，同時考慮到“回彈法”欠客觀、“鉆芯法”破壞大且難操作等實際問題，工程結構實體混凝土強度評定通常采用的是“鉆芯修正法”,即將“鉆芯法”與“回彈法”結合使用.

　　2.4.1 總體修正量法

　　“鉆芯修正”方法大體可以分為兩類，一類為修正量法，另一類為修正系數法.同時，根據代入計算的數據，可再細分為總體修正量法、對應樣本修正量法、一一對應系數和對應樣本修正系數4種方法.基于對標準差的影響考慮，GB/T 50344-2004《建筑結構檢測技術標準》和GB/T 50784-2013《混凝土結構現場檢測技術標準》一致推薦使用總體修正量法.

　　總體修正量法的計算公式是芯樣試件換算抗壓強度樣本的均值減去被修正方法檢測得到的換算抗壓強度樣本的均值.換言之，該計算公式為芯樣抗壓強度的平均值減去測區混凝土換算強度的平均值.其中，測區混凝土換算強度的平均值應覆蓋全部測區.以2018年能力驗證計劃為例，文件樣品給出：某地上4層鋼筋混凝土框架-剪力墻結構建筑物，建筑面積5 000 m2,結構構件采用泵送混凝土現場澆筑成型，設計強度等級為C 30.由于涉及混凝土立方體抗壓強度試塊檢驗數量不足，故需參加者采用總體修正量法對2層10個相關框架梁的結構實體混凝土強度進行檢測批評定.同時，文件樣品提供了經回彈的2層10個相關框架梁構件的各測區混凝土強度換算值.對此，應首先計算出芯樣強度平均值30.7 MPa;其次，計算出2層10個相關框架梁構件全部測區混凝土強度換算值的平均值29.3 MPa;最后，兩數相減，得到總體修正量值1.4 MPa.

　　對于總體修正量法，在使用時需注意切勿與對應樣本修正量法混淆.兩個方法的計算原理相近、計算公式相似，但計算過程中代入的數據不同：總體修正量法代入的計算數據是所有測區混凝土換算強度的平均值；對應樣本修正量法代入的計算數據是芯樣對應測區混凝土換算強度的平均值.如將兩種方法混淆，不僅使得結構實體混凝土強度評定結果出現較大偏差，甚至還會影響其最終符合性與否的評定結論.

　　2.4.2 芯樣強度的異常值

　　由于“鉆芯修正”方法不能大量鉆取芯樣，為避免異常數據對檢測結果產生不利的影響，宜對芯樣強度異常值進行判別和處理，其主要方法包括GB/T 4883-20 08《數據的統計處理和解釋正態樣本離群值的判斷和處理》給出的格拉布斯檢驗法和GB/T 50784-2013《混凝土結構現場檢測技術標準》給出的t檢驗法.

　　1）格拉布斯檢驗法.對于格拉布斯檢驗法，在使用時需注意應根據雙側情形進行判別和處理.以2016年能力驗證計劃為例，文件樣品給出：某工程為三層鋼筋混凝土框架結構，建筑面積4 000 m2,構件均采用泵送混凝土現場澆筑成型，設計強度等級為C 30.由于涉及混凝土立方體抗壓強度試塊檢驗數量不足，故需對2層相關框架梁的結構實體混凝土強度采用“鉆芯修正法”進行檢測批評定.同時，文件樣品提供了相關8個芯樣的規格和破壞荷載，提供者要求參加者在修正之前，先根據GB/T 4883-2008《數據的統計處理和解釋正態樣本離群值的判斷和處理》的有關要求，對芯樣數據進行判別和處理.對此，應首先通過8個芯樣的規格和破壞荷載，計算出相應芯樣強度值：30.5、30.7、30.0、31.9、32.4、31.6、45.0、30.4 MPa;然后，根據GB/T 4883-2008《數據的統計處理和解釋正態樣本離群值的判斷和處理》第7.2.3條要求計算得出統計量G8=2.441、G8'=0.567;最后，由于G8>G8',G8>G0.975（8）=2.126,G8'<G0.995（8）=2.274,G8>G0.995（8），因此判定該批芯樣強度的最大值為離群值，予以剔除.而如僅對單側離群值進行判別，雖檢出水平α與雙側情形相同且均為0.05,但二者的比判邏輯順序、臨界值選擇原則等完全不同，由此會出現顛覆性的判別結果.

　　2）t檢驗法.對于t檢驗法，在使用時需注意：臨界值ta是根據未剔除前芯樣的數量進行選擇；在剔除高端異常值后應對余下數據進行跟蹤驗證.再以2018年能力驗證計劃為例，文件樣品給出的工程背景及數據信息同上，提供者另一個要求為參加者在修正之前，先根據GB/T 50784-2013《混凝土結構現場檢測技術標準》的有關要求，對芯樣數據進行判別和處理.對此，應首先通過10個芯樣的規格和破壞荷載計算出相應芯樣強度值：30.5、30.7、29.1、31.9、31.7、31.6、45.0、29.7、31.7、29.4 MPa;其次，根據GB/T 50784-2013《混凝土結構現場檢測技術標準》中公式B.2.1計算出統計量t=12.46（通過樣本中芯樣強度最大值計算得出）和t=0.66（通過樣本中芯樣強度最小值計算得出），同時查表獲得臨界值t10=1.86.由于通過樣本中芯樣強度最大值計算得出的統計量t大于臨界值t10,而通過樣本中芯樣強度最小值計算得出的統計量t小于臨界值t10,因此該批芯樣強度存在高端異常值，并做直接剔除處理；最后，剔除高端異常值后，針對其余芯樣強度，計算得出統計量t=1.17（通過樣本中芯樣強度最大值計算得出）和t=1.73（通過樣本中芯樣強度最小值計算得出），同時查表獲得臨界值t9=1.89.由于t<t9,因此剔除高端異常值后的其余芯樣強度無異常值.而如臨界值ta是根據剔除后芯樣的數量查表選擇，則會影響統計量t與臨界值ta的比判結果，導致異常值的識別錯誤；如在剔除高端異常值后未對余下數據進行跟蹤驗證，則可能會出現漏判情況.

　　2.5 檢測批的推定區間

　　由于工程結構實體混凝土強度評定是基于檢測批的計量抽樣檢驗，因此根據GB/T 50344-2004《建筑結構檢測技術標準》第3.3.15條建議：“宜提供推定區間”.在確定該推定區間時，需重點關注計算公式和推定系數的選擇是否正確.

　　2.5.1 計算公式的選擇

　　GB 50068-2018《建筑結構可靠性設計統一標準》[6]對材料性能提出：材料強度的標準值可按其概率分布的0.05分位值確定；材料彈性模量、泊松比等物理性能的標準值可按其概率分布的0.5分位值確定.就混凝土結構檢測而言，無論力學性能參數，還是物理性能參數，大多服從正態分布，因此0.05分位值對應的數值在概念上與具有95%保證率的特征值相同，而0.5分位值對應的數值在概念上與均值相同.

　　當檢測批的標準差σ未知時，計量抽樣檢測批具有95%保證率的標準值（0.05分位值）xk的推定區間上限值、下限值的計算公式和計量抽樣檢測批均值μ（0.5分位值）的推定區間上限值、下限值的計算公式，在GB/T 50344-2004《建筑結構檢測技術標準》和GB/T 50784-2013《混凝土結構現場檢測技術標準》中都有明確、相同的規定.前者，用于計算材料強度特征值的推定區間；后者，用于計算材料物理性能標準值的推定區間.

　　再以2019年能力驗證計劃為例，文件樣品給出的工程背景及數據信息同上，提供者另一個要求為參加者需針對修正后的混凝土強度換算值，計算混凝土強度推定區間，確認上下限值之差值，判定該檢測批工程結構實體混凝土強度的符合性.對此，應首先計算2層13個梁構件所有測區的修正后混凝土換算強度平均值和標準差；然后，按0.05分位值查表選擇推定系數；最后，將平均值、標準差以及推定系數代入GB/T 50344-2004《建筑結構檢測技術標準》中公式3.3.20或GB/T 50784-2013《混凝土結構現場檢測技術標準》中公式4.2.11-1和4.2.11-2,得出該批梁構件混凝土強度推定區間的上限值為48.5 MPa、下限值為47.2 MPa.而如按材料物理性能標準值的推定區間計算公式，則得出該批梁構件混凝土強度推定區間的上限值為53.2 MPa、下限值為52.2 MPa,其結果與材料強度特征值相比，相差較大.

　　2.5.2 推定系數的選擇

　　當計算檢測批的標準差σ未知，計量抽樣檢測批具有95%保證率的標準值（0.05分位值）xk的推定區間上限值、下限值時，需合理確定k1和k2推定系數.該推定系數即可通過非中心t分布的分位數，利用MATLAB函數計算求值，也可通過查表取值，如GB/T 50344-2004《建筑結構檢測技術標準》表3.3.19.通常，采用查表取值的方法.

　　在查表前，應確定檢測批的樣本容量.樣本容量是指樣本中所包含的個體的數目，比如檢測批中所抽構件的數量或所抽測區的數量.再以2018年能力驗證計劃為例，文件樣品給出的工程背景及數據信息同上，提供者還有一個要求是參加者在對2層10個相關框架梁構件（每個構件10個測區）進行檢測批混凝土強度的評定時，將測區數量作為樣品容量.對此，樣本容量為100（所有測區數量），通過查表可得推定系數k1為1.414 33,推定系數k2為1.926 54.而如不清楚樣本容量的定義，誤以所有構件數量10作為樣本容量，則推定系數k1為1.017 30,推定系數k2為2.910 96,結果導致推定區間的上限值和下限值出現較大偏差.

　　此外，由于GB/T 50344-2004《建筑結構檢測技術標準》第3.3.15條建議：“推定區間的置信度宜為0.90,并使錯判概率和漏判概率均為0.05”,因此在查表中應選擇推定系數k1和推定系數k2的概率均為0.05的相關數值.而如錯選0.1概率，則也會導致推定區間的上限值和下限值出現較大偏差.

　　3 結語

　　綜上，基于歷時5年、多輪次能力驗證計劃的技術積累，建議建工領域檢驗機構在實施工程結構實體混凝土強度評定時需注意以下事項.

　　1）對于同一檢測批的混凝土構件，除檢測項目相同、質量要求和生產工藝等基本相同、環境條件或損傷程度相近外，還需關注構件屬性是否相同；

　　2）不同于隨意抽樣，隨機抽樣是一種為使檢測批中每個個體具有相同被抽檢概率的抽樣方法，其可通過隨機數生成器軟件、隨機數表等方式方法實現；

　　3）樣本是由檢測批中一定數量的樣品組成，計量抽樣檢驗是計算出樣本統計量，將樣本統計量與規定的限值進行比較；而不是計算出每個樣品的統計量，將每個樣品的統計量逐一與規定的限值進行比較；

　　4）在使用“鉆芯修正”的總體修正量法時，需注意切勿與對應樣本修正量法混淆.前者代入的計算數據是所有測區混凝土換算強度的平均值；后者代入的計算數據是芯樣對應測區混凝土換算強度的平均值；

　　5）對于芯樣強度異常值的判別和處理，如使用格拉布斯檢驗法，需注意數據的雙側情形；如使用t檢驗法，需注意臨界值ta是根據未剔除前芯樣的數量進行選擇，并且在剔除高端異常值后應對余下數據進行跟蹤驗證；

　　6）在確定計量抽樣檢測批具有95%保證率標準值的推定區間時，一方面，應選擇計算材料強度特征值的公式；另一方面，正確理解樣本容量的含義、有效識別錯判和漏判概率是推定系數合理取值的關鍵.

　　此外，還建議相關檢驗機構應進一步加強對標準的學習，尤其充分理解相近標準間的技術差異；主動開展同行機構間的技術交流；積極參加能力驗證或實驗室間比對等外部質量控制活動，充分利用所參加能力驗證項目的結果（比如利用能力驗證項目最終提供的結果報告組織人員比對等），以問題為導向促進自身能力的提升.由此，推動行業整體水平的提升，助力檢驗工作高質量的發展.

　　參考文獻

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　　[4]中國標準化研究院.數據的統計處理和解釋正態樣本離群值的判斷和處理：GB/T 4883-2008[S].北京：中國建筑工業出版社，2013.
　　[5]彭立新.混凝土結構現場檢測技術標準理解與應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2012:8.
　　[6] 中國建筑科學研究院有限公司.建筑結構可靠性設計統一標準：GB 50068-2018[S].北京：中國建筑工業出版社，2019.

　　作者單位：國家建筑工程質量監督檢驗中心