Неразрушающие методы контроля прочности бетона

Данные методы основаны на существующих зависимостях между прочностью бетона на сжатие и его твердостью, упругостью и прочностью на растяжение (отрыв). В соответствии с этими зависимостями можно выделить три группы методов косвенных измерений прочности бетона при сжатии:

• методы пластических деформаций;

• методы определения динамического модуля упругости;

• метод отрыва.

Методы пластических деформаций основаны на применении различных молотков (молоток конструкции И.А. Физделя, эталонный молоток конструкции К. П. Кашкарова, пружинный молоток ПМ и др.) или приборов маятникового типа (ДПГ-4, УМП), с помощью которых по бетону наносятся удары определенной силы, в результате которых на поверхности бетона остаются отпечатки (лунки): сферической формы (от удара шариком) или продолговатой (от удара диском). Прочность бетона оценивают по среднему размеру (диаметру или длине) лунки после многократных испытаний.

Простейший шариковый молоток конструкции И. А. Физделя с ударным наконечником в виде шарика диаметром 17,5 мм не позволяет измерить прочность бетона с достаточной точностью из-за значительных разбросов по силе производимых многократных ударов, несмотря на требование пользоваться локтевым ударом (локоть находится на поверхности бетона).

В эталонном молотке конструкции К. П. Кашкарова попытались исключить влияние силы удара на точность определения прочности бетона. Между шариком, соприкасающимся с бетоном, и бойком вставлен эталонный стержень. После удара измеряют диаметры лунок на бетоне и эталонном стержне. Показателем прочности является соотношение диаметров этих лунок. Однако указанное соотношение зависит не только от твердости бетона, но и от силы удара.

В пружинном молотке ПМ постоянство силы удара обеспечивается пружиной, сжимаемой перед каждым ударом на одну и ту же величину. Фиксирование пружины защелкой и ее освобождение от фиксации при ударе происходит автоматически при нажатии рукой на корпус молотка. Поэтому скорость выполнения измерений не ниже, чем при использовании молотка конструкции И. А. Физделя; при этом удары наносятся в точно намеченные места..

Маятниковые приборы наиболее надежно обеспечивают постоянство силы удара, поскольку удар осуществляется падающей головкой, положение которой перед падением устанавливают по специальной шкале.

Универсальный маятниковый прибор УМП имеет четыре градации по энергии удара (1,5; 3,0; 6,0; 12,0 Дж) и шарики различных диаметров (7; 10; 15; 25 мм), что позволяет использовать его в широком диапазоне измеряемых прочностей.

В маятниковом дисковом приборе ДПГ-4 (рис. 8.6) шарик заменен стальным диском диаметром 160 мм с кромкой толщиной 1 мм. Измеряют длину отпечатка, оставшегося на бетоне после удара.

Зависимость между прочностью бетона и размером лунки (градуировочная зависимость) устанавливается путем проведения специальных экспериментов. Изготавливают стандартные образцы — кубы из бетонов разной прочности — и после многократных ударных испытаний каждого из кубов с измерением размеров лунок определяют прочность указанных кубов путем разрушения их статической нагрузкой в соответствии с ГОСТ 10180 — 90. Полученную градировочную зависимость представляют в виде уравнения или графика.

Методика получения градуировочных зависимостей при использовании механических методов неразрушающего контроля прочности бетона подробно изложена в ГОСТ 22690 — 88. Содержащиеся в ГОСТе многочисленные требования к многократности измерений и последующей обработке результатов, выбору участков на поверхности бетона для нанесения ударов, соотношению диаметров шарика и лунки направлены на повышение точности измерений. Приемлемая точность определения прочности бетона при использовании указанных методов может быть достигнута только при действии одного влияющего на прочность фактора при сохранении постоянными всех остальных и использовании градуировочной зависимости, полученной при изменении одного этого фактора. Например, распалубочная прочность бетона при сохранении постоянными состава бетона, характеристик исходных материалов, параметров уплотнения, температуры и влажности зависит только от возраста бетона. Однако на практике, как правило, на изменение прочности влияет одновременно несколько изменяющихся факторов и учет этого влияния представляет трудную задачу. Наибольшие разбросы градуировочных зависимостей возникают при изменении состава бетона, когда изменяется не только водоцементное отношение, но и расход цемента и заполнителей.

Недостаточная точность определения прочности ударными методами ограничивает их применение промежуточными стадиями (распалубочная прочность, отпускная прочность) при использовании градуировочных зависимостей, полученных для постоянных составов бетона и материалов.

Метод упругого отскока основан на измерении величины отскока от поверхности бетона специального ударника. Приборы, основанные на данном методе, называются склерометрами. В них используют удар с малой энергией без пластических деформаций бетона. Величина отскока зависит от упругих свойств бетона, связанных с его прочностью. Этот метод может иметь высокую точность только при тщательной подготовке поверхности бетона (снятие верхнего слоя). В некоторых приборах при увеличенной энергии удара упругий отскок измеряется одновременно с размером лунки, что значительно повышает точность измерений. Градуировочные зависимости для данных приборов меньше подвержены действию посторонних влияющих факторов. Современные приборы этого типа, например ОНИКС-2.4, имеют цифровую индикацию показаний и автоматическую обработку информации, полученной при многократных измерениях.

Точность определения прочности методом упругого отскока несколько выше, чем при использовании метода пластических деформаций.

Методы определения динамического модуля упругости основаны на измерении скорости распространения упругих волн в бетоне (ультразвуковой метод) или собственной частоты колебаний бетонного образца (резонансный метод).

Модуль упругости материала является одной из важных характеристик, связанной с другими его свойствами, в том числе с прочностью. Скорость распространения волн (v), возникающих от действия ультразвукового (или ударного) импульса, связана с динамическим модулем упругости (Е) и плотностью материала (р):

Статический модуль упругости несколько ниже динамического модуля, определяемого акустическими измерениями с учетом приведенной зависимости или другими методами с помощью динамических воздействий. В общем случае модуль упругости бетона зависит от уровня механических напряжений и скорости деформирования. Для вычисления статического модуля упругости через динамический, определяемый акустическими измерениями, предложен ряд эмпирических зависимостей для различных марок бетона (формулы Г. К. Евграфова, Н. А. Крылова, Ю. С.Уржумцева и др.).

При определении прочности бетона ультразвуковым методом динамический модуль упругости является промежуточной характеристикой и не вычисляется. Экспериментальную градуировочную зависимость (скорость ультразвука — прочность) получают путем многократных измерений скорости ультразвукового импульса в стандартных образцах — кубах — с последующим определением прочности кубов механическим (разрушающим) методом в соответствии с ГОСТ 10180 — 90. Градуировочную зависимость представляют в графическом (рис. 8.7) или аналитическом виде. Наибольшую сходимость имеет экспоненциальное уравнение типа

R = becv,

где v — скорость ультразвукового импульса; е — основание натурального логарифма; b и с — коэффициенты.

Методика построения градуировочной зависимости подробно изложена в ГОСТ 17624-87.

R, МПа

R, МПа

2000 2500 3000 3500 4000 м/с

Рис. 6.7. Градуировочная зависимость скорость ультразвука—прочность бетона

Современные приборы, в том числе рекомендуемые ГОСТ 17624 — 87, имеют автономное питание, цифровую индикацию, автоматическую обработку информации и позволяют производить измерения с высокой скоростью на всех участках монолитных конструкций.

Ультразвуковой метод при сквозном прозвучивании, а также метод отрыва имеют наибольшую точность определения прочности при сжатии и рекомендованы ГОСТ 18105 — 86 для контроля прочности бетона в монолитных конструкциях.

Применение других методов допускается по согласованию с головными научно-исследовательскими организациями.

Наибольшая точность, так же как и при ударных методах, достигается при действии одного фактора, влияющего на изменение прочности, при использовании градуировочной зависимости, полученной при изменении этого фактора. Ультразвуковой метод при регулярном его использовании для контроля распалубочной и других нормируемых прочностей наряду с разрушающим методом по ГОСТ 10180—90 позволяет определять прочность бетона с точностью не ниже, чем получаемой при испытании контрольных образцов. Одновременно он позволяет оценить однородность бетона в конструкции, что крайне важно для оценки технологического процесса (приготовления, укладки и уплотнения бетонной смеси). Ультразвуковой метод успешно применяется при обследовании и оценке состояния эксплуатируемых бетонных и железобетонных конструкций. При этом для корректировки используемой градуировочной зависимости (если невозможно произвести выбуривание кернов) важно знать крупность и модуль упругости щебня, так как эти параметры оказывают наибольшее влияние на зависимость скорость ультразвука—прочность. При отсутствии контрольных образцов и использовании приближенных градуировочных зависимостей точность определения прочности снижается в 1,5...3 раза.

Резонансный метод основан на измерении собственной частоты продольных, крутильных или изгибных колебаний бетонного образца, установленного в специальные приспособления. Наиболее широко применяют измерение собственной частоты изгибных колебаний образца, установленного на двух опорах (рис. 8.8). При плавном изменении частоты на возбудителе колебаний 1 находят ее значение, при котором возникает явление резонанса, и приемник 3 начинает фиксировать наличие устойчивых колебаний в образце. Динамический модуль упругости вычисляют по формуле

где f — собственная частота колебаний образца; ρ — плотность бетона; l — длина образца; k — коэффициент, зависящий от схемы опирания образца; i — радиус инерции сечения образца.

Для возбуждения колебаний в образце применяют генераторы частоты, например ГЗ-4, обеспечивающие плавную регулировку вырабатываемой частоты в диапазоне 50...20000 Гц при выходной мощности до 5 Вт. В качестве преобразователей используют возбудители механических колебаний 1 пьезоэлектрического или электродинамического типа. Приемник колебаний 3 пьезоэлектрического или электромагнитного типа соединен через усилитель с индикатором колебаний. Усилитель и индикатор могут быть совмещены в одном приборе — осциллографе.

Резонансный метод определения динамического модуля упругости имеет более высокую чувствительность и точность по сравнению с ультразвуковым и широко применяется при проведении экспериментальных исследований, когда необходимо следить за изменением прочности бетонных образцов без их разрушения (например, при исследовании стойкости бетона при действии попеременного замораживания и оттаивания или других агрессивных воздействиях).

Метод отрыва основан на зависимости между прочностными свойствами бетона и усилием, которое необходимо для вырывания из тела бетона специального анкера вместе с частью бетона (рис. 8.9).

Анкеры закладывают в тело бетона при бетонировании или заделывают в специально высверленные отверстия в затвердевшем бетоне. При установке анкеров в высверленные отверстия их крепят путем зачеканки высокопрочным цементным тестом или применяют специальные расклинивающие устройства, позволяющие провести испытание сразу после установки анкера.

Рис. 6.9. Схема испытания методом отрыва: 1 — анкер; 2 — вырываемая часть бетона

Одним из устройств для вырывания анкера является пресс-насос ГПНВ-5 (см. рис. 8.9) с максимальным усилием вырыва 55 кН. Усилие вырыва Р фиксируют по манометру. Прочность бетона при сжатии определяют по градуировочной зависимости R_сж=kР, коэффициент k для которой определяют по данным специальных испытаний.

Пресс-насос ГПНВ-5 используют также для проведения испытаний методом пластических деформаций. В этом случае в одной из опор размещают стальной шарик, который оставляет лунку на поверхности бетона при фиксированном усилии 5 кН. После сброса давления и поворота прибора на определенный угол повторяют испытание. На заключительном этапе производят вырывание анкера. Точность определения прочности бетона при сжатии в этом случае увеличивается, так как используют одновременно две гра-дуировочные зависимости (R_сж –Р и R_сж —диаметр лунки).

Дата добавления: 2015-07-16