Определение прочности бетона неразрушающим методом

Перед тем как ознакомиться с таким понятием, как определение прочности неразрушающим методом, необходимо до конца понять, что же из себя представляет бетон.

Наиболее жесткие требования к бетону, который используется при строительстве мостов и стратегически важных объектов.

Теоретическая информация

Бетоном является строительный каменный материал искусственного происхождения, который получается в процессе отвердения правильно подобранной уплотненной смеси связующих веществ (цемент, песок, щебень, вода и др. заполнители). Для увеличения способности к противостоянию агрессивным средам и усиления прочностных свойств используют специальные добавки. Смесь всех этих компонентов до того, как она затвердела, принято называть смесью.

Каменная основа образуется за счет песка и щебня. После добавления в смесь воды образуется цементное тесто, которое заполняет промежутки между песком и щебнем, обво­лакивая их, и выполняет изначально функцию смазки для заполнителей, при помощи которой смесь становится подвижной (текучей). В процессе отвердения зерна заполнители связываются, образуя искусственный монолитный камень, называемый бетоном. При сочетании с арматурой из стали получаемую конструкцию называют железобетонной.

Неразрушающий контроль

Компоненты должны быть чистыми, без примесей, а вода – пресной.

Это такой вид контроля параметров и свойств, который не должен приводить к нарушению пригодности бетона к последующей эксплуатации или использованию. Контроль неразрушающего типа приобретает особую важность при возведении и во время эксплуатации особо важных компонентов, конструкций или изделий.

Проводя определение прочностных показателей при помощи неразрушающих методов контроля, очень важно понимать, что результаты всех этих методов основаны на косвенных характеристиках. Отдать предпочтение тому или иному методу невозможно, они все имеют свои плюсы, минусы и ограничения применения. Для более точного определения передвижная дорожная лаборатория должна быть оснащена аппаратами неразрушающего контроля, включающими все методы контроля. Начальный этап существования здания характеризуется осуществляемым контролем на соответствие линейных размеров проекту и отсутствие значительных отклонений от норм и правил строительства.

Для этого используют:

• всевозможные линейки;
• нутромеры;
• рулетки;
• скобы;
• штангенциркули;
• микроскопы;
• щупы и др. специальное оборудование.

Схема защиты

Отклонения конструкций от допустимых горизонтальных и вертикальных показателей обычно измеряются:

• нивелиром;
• теодолитом;
• поверочной линейкой.

В уже построенных зданиях прочностные показатели отдельных элементов конструкции обычно определяются двумя методами.

1. В одном из них конструкцию нагружают вплоть до момента ее разрушения, определяя таким образом максимальную несущую способность. Но такой метод является очень дорогостоящим и нецелесообразным с экономической точки зрения.
2. Намного привлекательнее и более удобнее неразрушающие методы, в которых подразумевается использование специальных приборов для оценки состояния конструкций. Такие случаи подразумевают обработку получаемых результатов и значений с помощью специальных компьютерных программ, позволяющих с достаточной точностью получать значения конечных характеристик.

Допустимая погрешность при проведении испытаний – наиболее весомый фактор определения методов и средств контроля и измерений. При этом очень важны легкость в обработке результатов и удобство в проведении работ.

Неразрушающие методы опираются на косвенные показатели:

• отпечаток;
• напряжение, приводящее к частичным (локальным) разрушениям конструкции;
• энергия, затрачиваемая при ударе.

Подробнее о наиболее часто применяемых методах контроля неразрушающего типа для бетона и др. строительных материалов будет описываться далее.

Варианты локальных разрушений

Такие неразрушающие методы для контроля прочности являются самыми точными, так как в них разрешается использование универсальной градуировочной зависимости, которая подразумевает изменение всего двух параметров:

Таблица видов бетона

• степень крупности заполнителя, которая принимается равной 1,0, если крупность меньше чем 5,0 см и 1,1, если крупность больше 5,0 см;
• тип (легкий или тяжелый).

Способ отрыва со сколом и способ скола конструктивного ребра характеризуется регистрацией усилий, необходимых для скола части ребра конструкции или локального разрушения бетона по ходу выдергивания из него анкерной конструкции.

Способ отрыва со сколом – единственный метод неразрушающего контроля прочности, для которого стандартами предусмотрены градуировочные зависимости. Этот метод наиболее точен, однако обусловлен большими трудозатратами, которые необходимы для бурения шпуров и установки анкеров. Главным минусом этого метода является невозможность применения в конструкциях, имеющих густое армирование и тонкие стены.

В конструкциях с густым армированием, когда способ отрыва со сколом и способ скалывания ребра невозможно использовать, прочность бетона можно определить методом отрывания металлических дисков. Он довольно точный, но гораздо менее трудоемкий в сравнении со способом отрыва со сколом. К минусам метода относят требование в наклеивании дисков за несколько часов до начала испытаний. Время зависит от условий и используемого клея.

Способ скола конструктивного ребра обычно применяется для определения прочности линейных элементов (колонны, сваи, балки, ригели, перемычки). Для начала испытаний требуются предварительные подготовительные работы. Причем при нарушениях защитного слоя и защитном слое, имеющем толщину менее 2,0 см, способ недопустим.

Схема кладки из пенобетона.

Метод отрывания металлических дисков характеризуется регистрацией напряжений, необходимых для локальных бетонных разрушений во время отрыва от его поверхности стального диска, равных усилиям, затрачиваемым на отрыв, деленных на проекционную площадь отрываемой бетонной поверхности на плоскость диска. В современной жизни этот метод применяется очень редко.

К недостаткам способов определения прочности путем локальных разрушений относятся:

• большая трудоемкость;
• невозможность применения на участках с густым армированием;
• необходимость в определении осей арматуры и глубин их расположения;
• частичные повреждения целостной конструкции.

Ударные методы воздействия

Одним из самых распространенных методов неразрушающего контроля прочности бетона является способ ударного импульса.

В этом методе производят регистрацию энергии удара, которая возникает в тот момент, когда боек соударяется с бетонной поверхностью.

Оборудование, применяемое в данном методе, характеризуется относительно малым весом и объемом занимаемого пространства. Да и определить прочность бетона способом ударного импульса достаточно просто. Все результаты выражаются в тех же единицах измерения, что и прочность на сжатие. Согласно замерам также производят определение класса бетона, производят измерения прочности под разными углами к плоскости объекта, переносят полученные результаты на компьютер.

Молоток Кошкарова является одни из методов определения прочности бетона.

Ударными импульсами называют волны малой энергии, получаемые в результате удара, которые генерируются при помощи подшипников, качения из-за изменений давления и соударения в зоне качения в период работы подшипников и распространяются в элементах подшипника, узле подшипникового механизма и соприкасающихся с ним деталей.

Использование способа ударного импульса имеет следующие основные функции:

• заблаговременные предупреждения об изменениях в условиях смазки подшипников для выполнения работ по замене смазки согласно ее фактическому состоянию;
• заблаговременные предупреждения об изменениях в работе подшипников из-за воздействия различных внешних факторов для выполнения мероприятий по их устранению вовремя и в срок (к примеру, дисбаланс, перегрузки и т. п.);
• заблаговременные предупреждения о дефектах, возникающих в подшипниках, для проведения работ по своевременной их замене;
• доведение до минимума времени простоя оборудования;
• доведение до минимума рисков, связанных с отказами оборудования. Обеспечение надежной работы.

Способ упругого отскока представляет собой величину обратного отскока, получаемую в результате соударения ударника с бетонной поверхностью. Склерометр Шмидта и различные его аналоги являются наиболее распространенными приборами для проведения испытаний этим методом. Измерение поверхностной твердости бетонной конструкции является основой метода упругого отскока и метода пластической деформации.

Изначально способом упругого отскока определяли твердость металлов. Испытания проводят при помощи приборов, носящих название склерометры, которые представляют собой молотки пружинного типа со штампами в виде сферы. Пружинная система молотка не препятствует свободному отскоку ударника после соударения с бетонной поверхностью или со стальной пластинкой, прижимаемой к бетону. Шкала со стрелкой на приборе фиксирует путь ударника во время его обратного отскока. Сила удара молотком должна составлять не меньше, чем 0,75 Н-м, радиус сферического штампа на конце ударника должен быть не менее 5 мм. Через каждые 500 ударов производят тарировку (проверку) аппарата.

По ходу проведения испытания после каждого соударения делается замер согласно шкале прибора (точность должна составлять одно деление). Результат записывается в специальный журнал ведения работ. Требования, предъявляемые к работам по подготовке мест проведения испытаний (расположение, количество мест ударов и эксперименты для построения кривых тарировки), идентичны требованиям способа пластической деформации.

Схема разрушения бетонной балки.

Способ пластической деформации характеризуется измерениями отпечатка, оставшегося на бетоне после удара по нему шарика из стали. Этот способ измерения прочности уже устарел, но его используют и сегодня, так как для проведения испытаний не требуется дорогостоящего оборудования.

Наиболее широкое распространение для проведения таких испытаний получил молоток Кашкарова. Принцип работы относительно прост. Молоток оснащается специальным съемным металлическим стержнем, который имеет определенную уже известную прочность. Таким молотком ударяют по бетонной поверхности. Затем полученные в результате удара отпечатки на стержне и бетоне измеряются при помощи углового масштаба. Прочность бетона вычисляется соотношением размеров отпечатков.

Устройства для определения прочности бетона способом пластических деформаций основываются на эффекте вдавливания штампа в бетонную поверхность при ударе либо статическом давлении определенной силы. Их применение ограничено. Приборы ударного действия представляют собой ручные или пружинные молотки со штампом в виде сферы (шарик) и маятниковые приборы со штампом в виде шара или диска.

Штампы приборов должны быть:

• твердостью не меньше чем HRC60;
• шероховатостью Ra меньше 0,32 мкм. Максимальный износ штампа – до 5 мкм;
• с диаметром шарика не меньше чем 10 мм;
• сила удара должна составлять не менее 125 Н-см;
• толщиной диска не меньше чем 1 мм.

Ультразвуковой способ

Этот метод основан на измерении скорости ультразвуковых волн. Испытания проводят способом сквозного ультразвукового прозвучивания (датчики расположены на противоположных сторонах образца, подвергаемого тестированию) и методом поверхностного прозвучивания (датчики ставятся на одной стороне образца).

Способ сквозного прозвучивания ультразвуком позволяет определять прочность не только в слое бетона около поверхности, но и в теле всей конструкции, в отличие от других неразрушающих способов контроля прочности.

Приборы, основанные на ультразвуковых волнах, используются не только для определения прочностных показателей бетона, но и для контроля качества, дефектоскопии и измерения глубины. Ультразвук распространяется в бетоне со скоростью достигающей 4500 м/с – это довольно много.

Градуировочная зависимость скорости распространения ультразвуковых волн и прочности объекта на сжатие определяется индивидуально для каждого состава бетона. Это обуславливается тем, что при определении прочности использование нескольких градуировочных бетонных зависимостей неизвестных или других составов приведет к возможным погрешностям.

Ультразвуковой метод контроля сварных соединений.

Зависимость «скорость ультразвуковых волн – прочность бетона» обусловливается влиянием следующих факторов, изменения которых должны учитываться при использовании ультразвукового способа определения прочности:

• зернистость заполнителя и его состав;
• колебания расхода цемента, составляющие более 30 %;
• метод изготовления бетонной смеси;
• уплотненность бетона;
• состояние бетона (напряженное).

Ультразвуковой способ определения прочности доступен для массовых многократных испытаний конструкций, имеющих любую форму, и позволяет производить постоянный контроль увеличения или уменьшения показателей прочности. К недостаткам способа можно отнести погрешность, получаемую во время перехода акустических характеристик в прочностные. Контролировать ультразвуковыми приборами качество высокопрочного бетона невозможно, то есть спектр прочностей бетона ограничен марками от В7,5 до В35 или от 10 до 40 МПа (ГОСТ 17624-87).

Разрушающие методы

Любая строительная организация самостоятельно выбирает способы контроля, но согласно требованиям действующим сегодня СНиПов, разрушающий контроль должен производиться обязательно.

Выполнить эти требования можно несколькими способами:

• прочность бетона определяют на изготовляемых специально образцах. Этот метод применяют при возведении железобетонных конструкций сборного типа и для контроля выхода готовой бетонной смеси на строительной площадке;
• замеры прочности получают, выпиливая или вырубая образцы непосредственно из конструкции. Пробы берутся в определенных местах. При этом, в зависимости от напряженного состояния, учитывается снижение несущей способности. Места взятия проб должны быть указаны в проектной документации либо определяться проектировщиками по ходу ведения работ;
• образцы, так называемые “кубики”, изготовленные непосредственно на строительной площадке согласно конкретному технологическому регламенту, для испытаний отправляются в лабораторию. Однако получение бетонных кубиков (их отвердение, хранение) значительно отличается от реального ведения бетонных работ (степени уплотнения и времени твердения смесей). Данные различия значительно снижают правильность результатов, полученных таким методом.

Оформление документации

Все результаты, полученные во время испытаний, заносятся в специальный журнал, который должен содержать следующие данные:

• название конструкции и номер партии;
• тип измеряемой прочности и ее допустимое значение;
• тип бетона;
• способ проведения испытаний (метод), прибор, включая заводской номер;
• усредненный показатель характеристики косвенной прочности и соответствующий ему показатель прочности бетона;
• использованные поправочные коэффициенты;
• результаты испытаний по оценке прочности бетона;
• ФИО, дата и подпись человека, производившего испытания.

Самостоятельное измерение

Таблица методов установления прочности бетона.

Лабораторные методы неразрушающего контроля прочности бетона – довольно дорогое и не всегда доступное удовольствие. Возможно самостоятельно провести обследование на прочность бетонной конструкции.

Для успешного проведения испытаний необходимо иметь:

• молоток, имеющий вес 0,40-0,80 кг;
• зубило.

К поверхности бетона приставляется зубило, и по нему молотком наносится удар, имеющий среднюю силу. Затем производят замер повреждений, нанесенных слою бетона, определяя его класс:

• В25 – зубило оставило небольшую риску;
• В15 – В25 – зубило оставило более заметную зазубрину;
• В10 – зубило проникло в бетонную конструкцию на глубину меньшую чем 5 мм;
• В5 – зубило прорезало бетон более, чем на 10 мм.

Классификация или маркировка бетона по прочности является основным качественным показателем бетонной смеси. Согласно этим показателям можно определить среднюю прочность бетонной конструкции. К примеру, усредненная прочность бетона марки М400 (В30) равна 393 кгс/см?.

Приблизительную прочность бетона Rб, набранную на 28 сутки, можно вычислить, используя основной закон прочности бетона – формулу Боломея-Скрамтаева. Для этого требуется точно знать марку применяемого цемента (Rц) и соотношение воды и цемента (Ц/В). Усредненное значение коэффициента А принимается равным 0,6 (при условии, что заполнители имеют нормальное качество).

Rб = Rц * A * (Ц/В – 0,5)

При этом прочность, набираемая бетоном по времени, вычисляется по формуле:

n = Прочность согласно марке * (lg(n) / lg(28)),

где n не меньше чем 3 дня.

Приблизительно 30 % марочной прочности бетона достигается на 3 сутки, 60 – 80 % – на 7 сутки, предельную прочность (100 %) бетон обретает на 28 сутки. Конечно, с течением временем может возникать повышение прочности, но происходит это очень медленно.

Свежий бетон требует ухода до того момента, как он наберет 70 % прочности или до другого срока демонтажа опалубки (СНиП 3.03.01-87).

Самостоятельное определение прочности бетона по своей сути просто и малозатратно. Однако при строительстве важных и особо важных объектов необходимо обращаться за помощью к специализированным лабораториям.