Методика и техника для контроля прочности бетонов и других искусственных каменных материалов

Чихунов Д.А,
инженер ЗАО "Геостройизыскания"

Приборы неразрушающего контроля (ПНК) - условно принятый в технической литературе термин, включающий в себя приборы для толщинометрии и дефектоскопии покрытий и материалов, для определения твердости и прочности материалов, а также ряд других характеристик. Измерения вышеназванных параметров производятся различными методами: ультразвуковым (УЗ), рентгенографическим, вихретоковым, ударно-импульсным, упругого отскока, пластической деформации, магнитным, магнитопорошковым, термографическим, оптическим, импедансным, а также рядом других менее распространенных методов.

Само название метода, по-видимому, происходит от принятого в зарубежной литературе термина "non-destructive testing" (NDT), также периодически встречающегося в отечественной технической литературе.

Наибольшее распространение методы НК получили в области дефектоскопии металлов и изделий из твердых пластмасс. По этому вопросу выпущено огромное количество литературы, проводятся сотни исследований и экспериментов. Но в данной статье мы рассмотрим использование методов и средств НК применительно к изделиям и сооружениям из искусственного камня или, другими словами, бетонов.

Параметрами, подвергаемыми неразрушающему контролю в бетонах, являются прочность, величина защитного слоя, влажность, морозоустойчивость, влагонепроницаемость и ряд других. При производстве ЖБИ также контролируют натяжение арматуры и величину вибрации при уплотнении бетонной смеси. Но основным контролируемым параметром для бетонов является прочность на сжатие.

Прочность - свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами (стесненная усадка, неравномерное нагревание и т. п.)

Существует несколько методов испытания бетонов на прочность:

· Метод стандартных образцов. Как правило, изготавливают образцы кубической формы, иногда - цилиндрической. Образцы для испытаний изготавливают из проб бетонной смеси, применяемой при изготовлении контролируемого изделия. Пробы берут из одного замеса или из одного кузова автомобиля, перевозящего бетонную смесь. Образцы, изготовленные из бетонной смеси, испытывают через 28 суток после изготовления. Образцы устанавливают в пресс и нагружают его непрерывно и равномерно до разрушения образца. Разрушающая нагрузка фиксируется и затем по ней рассчитывают прочность бетона.

· Использование выбуренных из конструкции кернов, которые затем испытывают подобно стандартным образцам под прессом. Бетон кернов полностью соответствует реальному материалу конструкции. Однако сложность отбора образцов-кернов, высокая трудоемкость и стоимость выбуривания кернов, опасность нарушения целостности конструкции, возможное нарушение структуры керна при выбуривании и обработке торцов, - все это во многих случаях ограничивает использование этого метода.

· Методы неразрушающего контроля. Основное отличие метода от двух предыдущих состоит в том, что при использовании этого метода непосредственно измеряемой величиной является не прочность, а какой-либо физический показатель, связанный с измеряемой величиной корреляционной зависимостью.

Корреляционной называется зависимость, в которой каждому значению измеряемой величины может соответствовать несколько значений искомой величины. Другими словами, на соотношение измеряемый показатель - показания прибора (прочность) оказывают влияние несколько свойств материала, не все из которых поддаются четкой и однозначной математической, а, следовательно, и приборной интерпретации.

Для установления этой корреляционной зависимости, а, значит, и для определения прочности бетона предварительно устанавливают градуировочную (тарировочную) зависимость между прочностью бетона и косвенной характеристикой. Градуировочную зависимость устанавливают для бетонов одного проектного возраста и приготовленных из одинаковых материалов по результатам испытаний на прочность образцов-кубов. Итак, все методы неразрушающего контроля прочности бетона требуют построения индивидуальных градуировочных зависимостей по результатам испытаний стандартных образцов-кубов, изготовленных из бетона такого же состава и возраста, что и испытываемый образец.

На точность измерения прочности при измерении неразрушающими методами могут оказывать влияние такие факторы как: тип цемента, состав цемента, тип заполнителя, условия твердения, возраст бетона, влажность и температура поверхности, тип поверхности, карбонизация поверхностного слоя бетона и еще ряд других менее значимых факторов.

Далеко не все из перечисленных факторов можно учесть при построении градуировочной зависимости. Поэтому такие факторы нужно учитывать при разработке методики измерений на конкретный объект тестирования.

Основных методов НК, основанных на построении индивидуальных градуировочных зависимостей, несколько:

1. Метод пластической деформации основан на измерении размеров отпечатка, который остался на поверхности бетона после соударения с ней стального шарика. Метод устаревший, но до сих пор его используют из-за дешевизны оборудования. Наиболее широко для таких испытаний используют молоток Кашкарова.

2. Метод упругого отскока заключается в измерении величины обратного отскока ударника при соударении с поверхностью бетона. Типичным представителем приборов для испытаний по этому методу является склерометр Шмидта и его многочисленные аналоги. Метод упругого отскока, как и метод пластической деформации, основан на измерении поверхностной твердости бетона.

3. Метод ударного импульса заключается в регистрации энергии удара, возникающей в момент соударения бойка с поверхностью бетона. В России этот метод, пожалуй, больше всего распространен. Типичные представители приборного ряда для испытаний этим методом - семейство приборов ИПС, выпускаемых "СКБ "Стройприбор"" г.Челябинск и приборы ОНИКС, выпускаемые "НПП "Интерприбор"" г. Челябинск.

4. Метод отрыва со скалыванием и скалывания ребра конструкции заключается в регистрации усилия, необходимого для скалывания участка бетона на ребре конструкции, либо местного разрушения бетона при вырыве из него анкерного устройства.

Это самые точные из методов НК прочности, поскольку для них допускается использовать универсальную градуировочную зависимость, в которой изменяются всего два параметра: 1) крупность заполнителя, которую принимают равной 1 при крупности менее 50 мм и 1,1 при крупности более 50 мм; 2) тип бетона - тяжелый либо легкий.

К недостаткам этого метода следует отнести его высокую трудоемкость и невозможность его использования в густоармированных участках, а также то, что он частично повреждает поверхность конструкции.

Наиболее широко в настоящее время используются приборы серии ПОС, выпускаемые "СКБ "Стройприбор"" г.Челябинск. Также до сих пор применяют приборы ГПНВ и ГПНС.

5. Метод отрыва стальных дисков заключается в регистрации напряжения, необходимого для местного разрушения бетона при отрыве от него металлического диска, равного усилию отрыва, деленному на площадь проекции поверхности отрыва бетона на плоскость диска. В настоящее время метод используется крайне редко.

6. Ультразвуковой метод заключается в регистрации скорости прохождения УЗ волн. По технике проведения испытаний можно выделить сквозное УЗ прозвучивание, когда датчики располагают с разных сторон тестируемого образца, и поверхностное прозвучивание, когда датчики расположены с одной стороны.

Метод сквозного УЗ прозвучивания позволяет, в отличие от всех остальных методов НК прочности, контролировать прочность не только в приповерхностных слоях бетона, но и прочность тела бетона конструкции.

Упругость — самопроизвольное восстановление первоначальной формы и размера после прекращения действия внешней силы.

Пластичность — свойство изменять форму и размеры под действием внешних сил не разрушаясь, причём после прекращения действия внешних сил тело не может самопроизвольно восстанавливать форму и размер.

Хрупкость- свойство материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций. Является противоположным свойству пластичности. Материалы, обладающие этим свойством, называются хрупкими. Для таких материалов удлинение при разрыве не превышает 2…5 %, а в ряде случаев измеряется долями процента. К хрупким материалам относятся чугун, высокоуглеродистаяинструментальная сталь, стекло,кирпич, камни и др. Диаграмма растяжения хрупких материалов не имеет площадки текучести и зоны упрочнения.

Твёрдость — показатель, характеризующий свойство материалов сопротивляться проникновению в него другого, более плотного материала. Показатель твёрдости: НВ=Р/F (F — площадь отпечатка, P — это сила), [НВ]=МПа. Шкала Мооса: тальк, гипс, известь…алмаз.

Истирание — потеря первоначальной массы образца при прохождении этим образцом определённого пути абразивной поверхности. Истирание: И=(m1-m2)/F, где F — площадь истираемой поверхности.

Износ — свойство материала сопротивляться одновременно воздействию истирающих и ударных нагрузок. Износ определяют в барабане со стальными шарами или без них.

Остаточная деформация — пластичная деформация.

Относительная деформация — отношение абсолютной деформации к начальному линейному размеру(ε=Δl/l).

Модуль упругости — отношения напряжения к отн. деформации (Е=σ/ε).

10