Неразрушающие методы контроля технического состояния конструктивных элементов

Определение прочности

Ориентировочную оценку прочности бетона можно проводить по величине следа при простукивании молотком или ударом по зубилу, установленному «жалом» на поверхности бетона.

В таблице 2.3 дано ориентировочное значение прочности бетона в зависимости от оставленного следа на его поверхности после удара молотком весом 0,4—0,8 кг.

Таблица 2.3

ОРИЕНТИРОВОЧНАЯ ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ БЕТОНА ПУТЕМ ПРОСТУКИВАНИЯ

ПОВЕРХНОСТИ МОЛОТКОМ

При определении прочности бетона механическими методами используются зависимости между изменением свойств материала конструкции при определенных воздействиях и его прочностных характеристик. В зависимости от применяемого метода и приборов косвенными характеристиками прочности являются:

• • значение отскока бойка от поверхности бетона (или прижатого к ней ударника) при нанесении удара по поверхности;
• • параметр ударного импульса (энергия удара);
• • размеры отпечатка на бетоне (диаметр, глубина) или соотношение диаметров отпечатков на бетоне и стандартном образце при ударе индентора (эталонного элемента) или вдавливании индентора в поверхность бетона;
• • значение напряжения, необходимого для местного разрушения бетона при отрыве приклеенного к нему металлического диска, равного усилию отрыва, деленному на площадь проекции поверхности отрыва бетона на плоскость диска;
• • значение усилия, необходимого для скалывания участка бетона на ребре конструкции;
• • значение усилия местного разрушения бетона при вырыве из него анкерного устройства.

Каждый из методов механического определения прочности бетона, как правило, разработан и дает наиболее точные результаты при исследовании определенного класса конструкций.

В табл. 2.4 приведены методы определения прочности бетона в зависимости от ожидаемой прочности испытуемых элементов.

Таблица 2.4

МЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА

Для того чтобы избежать ошибок при определении прочности бетона, вызванных неоднородностью поверхностного слоя, необходимо проводить обследование не в отдельной точке, а на участках поверхности. В зависимости от метода обследования число испытаний на одном участке, расстояние между местами испытаний на участке и от края конструкции, толщина конструкции на участке испытания должны быть не меньше значений, приведенных в табл. 2.5.

К приборам механического принципа действия относятся: молоток Физделя, эталонный молоток Кашкарова, молоток Шмидта, пистолет ЦНИИСКа, молоток Польди и др. Эти приборы дают возможность определить прочность материала по ве-

Таблица 2.5

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ИСПЫТАНИЮ КОНСТРУКЦИИ НА ПРОЧНОСТЬ

МЕХАНИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

личине внедрения бойка в поверхностный слой конструкций или по величине отскока бойка от поверхности конструкции при нанесении калиброванного удара (пистолет ЦНИИСКа).

Определение прочности материала конструкции молотком Физделя (рис. 2.18) основано на зависимости между прочностью бетона на сжатие и размерами отпечатков на бетонной поверхности, создаваемых в результате удара по ней. При ударе молотком по поверхности конструкции образуется лунка, по диаметру которой и оценивают прочность материала. Место конструкции, на которое наносят отпечатки, предварительно очищают от штукатурного слоя, затирки или окраски. Процесс работы с молотком Физделя заключается в следующем: правой рукой берут за конец деревянной рукоятки, локоть опирают о конструкцию. Локтевым ударом средней силы наносят 10—12 ударов на каждом участке конструкции. Расстояние между отпечатками ударного молотка должно быть не менее 30 мм. Диаметр образованной лунки измеряют штангенциркулем с точностью до 0,1 мм по двум перпендикулярным направлениям и принимают среднее значение. Из общего числа измерений, произведенных на данном участке, исключают наибольший и наименьший результаты, а по остальным вычисляют среднее значение. Прочность бетона определяют по среднему измеренному диаметру отпечатка и тари-ровочной кривой, предварительно построенной на основании сравнения диаметров отпечатков шарика молотка и результатов лабораторных испытаний на прочность образцов бетона, взятых из конструкции или специально изготовленных из тех же компонентов и по той же технологии, что материалы обследуемой конструкции. На рис.2.19 приведена тарировочная кривая для определения предела прочности при сжатии молотком Физделя.

К методике определения прочности бетона, основанной на зависимости прочности поверхностного слоя бетона и его упруго-пластических деформаций, относится также молоток Кашка-рова. Отличительная особенность молотка Кашкарова (рис. 2.20) от молотка Физделя заключается в том, что между металлическим молотком и ударным шариком имеется отверстие, в котором вводится контрольный металлический стержень. При ударе молотком по поверхности конструкции получаются два отпечатка: на поверхности материала с диаметром с1_д и на контрольном (эта-

а

угловой масштаб

аз

н се аз I т о 0 н с аз

Н УО

о

о. ь н о 0 о

• § о.
• ?18

о

с

Прочность материала, 10⁵ Па

Рис. 2.19. Тарировочный график для определения предела прочности бетона

при сжатии молотком Физделя

Рис. 2.20. Эталонный молоток Кашкарова:

• 1 — рукоятка; 2 — пружина; 3 — стакан; 4 — шарик; 5 — эталонный стержень;
• 6 — отпечаток на эталонном стержне

лонном) стержне с диаметром с!_э. Отношение диаметров получаемых отпечатков зависит от прочности обследуемого материала и эталонного стержня и практически не зависит от скорости и силы удара, наносимого молотком. По среднему значению величины с!_д/с1_э из тарировочного графика (рис. 2.21) определяют прочность материала.

На участке испытания должно быть выполнено не менее пяти определений при расстоянии между отпечатками на бетоне не менее 30 мм, а на металлическом стержне — не менее 10 мм.

К приборам, основанным на методе упругого отскока, относятся пистолет ЦНИИСКа (рис. 2.22), пистолет Борового (рис. 2.23), молоток Шмидта, склерометр КМ со стержневым ударником и др. Принцип действия этих приборов основан на измерении упругого отскока ударника при постоянной величине кинетической энергии металлической пружины. Взвод и спуск бойка осуществляются автоматически при соприкосновении ударника с испытываемой поверхностью. Величину отскока бойка фиксирует указатель на шкале прибора.

Отличительная особенность склерометра КМ заключается в том, что специальный боек определенной массы при помощи пружины с заданной жесткостью и предварительным напряжением ударяет по концу металлического стержня, называемого ударником, прижатого другим концом к поверхности испытываемого бетона. В результате удара боек отскакивает от ударни-

1—

0

I

X

Рис. 2.21. Тарировочная кривая для определения предела прочности бетона

молотком Кашкарова

О

1

X

о.

• 00
• 0 с
• 03 со

о

X

т с

о

Рис. 2.22. Пистолет ЦНИИСКа для определения прочности бетона:

• 1 — ударник; 2 — корпус; 3 — шкала; 4 — фиксатор показания прибора;
• 5 — рукоятка

Рис. 2.23. Пружинный пистолет Борового

ка. Степень отскока отмечается на шкале прибора при помощи специального указателя.

Зависимость величины отскока ударника от прочности бетона устанавливают по данным тарировочных испытаний бетонных кубиков размером 15 х 15 х 15 см, и на этой основе строится тарировочная кривая.

Недостатком методов, основанных на зависимости между прочностью и упругопластической деформацией, является то, что оценка выполняется только на поверхностном слое. При наличии дефектов поверхностная прочность бетона может отличаться от его общей прочности конструкции и результаты измерений будут неточны.

Методом испытания на отрыв со скалыванием определяют прочность бетона в теле конструкции. Сущность метода состоит в оценке прочностных свойств бетона по усилию, необходимому для его разрушения вокруг шпура определенного размера при вырывании закрепленного в нем разжимного конуса или специального стержня, заделанного в бетоне. Косвенным показателем прочности служит усилие, необходимое для вырыва заделанного в тело конструкций анкерного устройства вместе с окружающим его бетоном при глубине заделки /? (рис. 2.24).

А

Р

Рис. 2.24. Схема испытания бетона методом отрыва со скалыванием при

использовании анкерных устройств

При испытании методом отрыва со скалыванием участки должны располагаться в зоне наименьших напряжений, вызываемых эксплуатационной нагрузкой или усилием обжатия предварительно напряженной арматуры.

Прочность бетона на участке допускается определять по результатам одного испытания. Участки для испытания следует выбирать так, чтобы в зону вырыва не попала арматура. На участке испытания толщина конструкции должна превышать глубину заделки анкера не менее, чем в два раза. При пробивке отверстия шлямбуром или высверливанием толщина конструкции в этом месте должна быть не менее 150 мм. Расстояние от анкерного устройства до грани конструкции должно быть не менее 150 мм, а от соседнего анкерного устройства — не менее 250 мм.

При проведении испытаний используются анкерные устройства трех типов (рис. 2.25). Анкерные устройства I типа устанавливают на конструкции при бетонировании; анкерные устройства II и III типа устанавливают в предварительно подготовленные шпуры, пробитые в бетоне высверливанием. Рекомендуемая глубина отверстий: для анкера II типа — 30 мм; для анкера III типа — 35 мм. Диаметр шпура в бетоне не должен превышать максимальный диаметр заглубленной части анкерного устройства более, чем на 2 мм. Заделка анкерных устройств в конст-

Рис. 2.25. Типы анкерных устройств:

1 — рабочий стержень; 2 — рабочий стержень с разжимным конусом; 3 — рабочий стержень с полным разжимным конусом; 4 — опорный стержень; 5 —

сегментные рифленые щеки

рукциях должна обеспечить надежное сцепление анкера с бетоном. Нагрузка на анкерное устройство должна возрастать плавно со скоростью не более 1,5 — 3 кН/с вплоть до вырыва его вместе с окружающим бетоном.

Наименьший и наибольший размеры вырванной части бетона, равные расстояния от анкерного устройства до границ разрушения на поверхности конструкции, не должны отличаться один от другого более, чем в два раза.

Единичное значение Я_і прочности бетона на участке испытаний определяют в зависимости от напряжений сжатия в бетоне а_б и значения Я_г

Сжимающие напряжения в бетоне о_б, действующие в период испытаний, определяют расчетом конструкций с учетом действительных размеров сечений и величин нагрузок (воздействий).

Единичное значение Я ₀ прочности на участке в предположении о_б = 0 определяют по формуле

Я/о = щт_ьА/^Р‘,

где т_ъ — коэффициент, учитывающий крупность заполнителя, принимаемый равным: при максимальной крупности заполнителя менее 50 мм — 1, при крупности 50 мм и более — 1,1; т_и— коэффициент, вводимый при фактической глубине /г_ф, отличающейся от И более чем на 5%

^тн = ^л2/л²ф ?

При этом /?ф не должна отличаться от номинального значения, принятого при испытании, более, чем на ±15%; А — коэффициент пропорциональности, значение которого при использовании анкерных устройств принимается:

для анкеров II типа — 30 мм: А! = 0,24 см² (бетон естественного твердения); А₂ = 0,25 см² (бетон, прошедший тепловую обработку);

для анкеров III типа — 35 мм, соответственно А, =0,14 см²; А₂ = 0,17 см².

Прочность обжатого бетона определяют из уравнения

^— Я,О (-^/02 ^— 1 ’5 Уб Я,о ⁺ Уб2^-

При определении класса бетона методом скалывания ребра конструкции применяют прибор ГПНС-4 (рис. 2.26). Схема испытания приведена на рис. 2.27.

На участке испытания необходимо провести не менее двух сколов бетона. Толщина испытываемой конструкции должна быть не менее 50 мм. Расстояние между соседними сколами должно быть не менее 200 мм. Нагрузочный крюк должен быть установлен таким образом, чтобы величина «а» не отличалась от номинальной более чем на 1 мм. Нагрузка на испытываемую конструкцию должна нарастать плавно со скоростью не более (1 ± 0,3) кН/с вплоть до скалывания бетона. При этом не должно проис-

Рис. 2.26. Прибор для определения прочности бетона методом скалывания

ребра:

• 1 — испытуемая конструкция; 2 — скалываемый бетон; 3 — устройство УРС;
• 4 — прибор ГПНС-4

ходить проскальзывания нагрузочного крюка. Результаты испытаний, при которых в месте скола обнажалась арматура и фактическая глубина скалывания отличались от заданного более 2 мм, не учитываются.

Единичное значение Я прочности бетона на участке испытаний определяют в зависимости от напряжений сжатия бетона о_б и значения Я_/о.

Сжимающие напряжения в бетоне о_б, действующие в период испытаний, определяют расчетом конструкции с учетом действительных размеров сечений и величин нагрузок.

Единичное значение /?_/о прочности бетона на участке в предположении а_б = 0 определяют по формуле

Рис. 2.27. Схема испытания конструкции методом скалывания ребра

скалываемая

поверхность

где т_я — поправочный коэффициент, учитывающий крупность заполнителя, принимаемый равным: при максимальной крупности заполнителя 20 мм и менее — 1, при крупности более 20 до 40 мм — 1,1; Л- — условная прочность бетона, определяемая по графику (рис. 2.28) по среднему значению косвенного показателя Р.

Р = 1/ЬуЪР1,

/=1

где Р/ — усилие каждого из скалываний, выполненных на участке испытаний.

При испытании методом скалывания ребра на участке испытания не должно быть трещин, сколов бетона, наплывов или раковин высотой (глубиной) более 5 мм. Участки должны располагаться в зоне наименьших напряжений, вызываемых эксплуатационной нагрузкой или усилием обжатия предварительно напряженной арматуры.

Ультразвуковой метод определения прочности бетона основан на наличии функциональной связи между скоростью распространения ультразвуковых колебаний в теле конструкции и прочностью бетона.

Ультразвуковой метод применяют для определения прочности бетона классов В7,5 — В35.

Прочность бетона в конструкциях определяют экспериментально по установленным градуировочным зависимостям «скорости распространения ультразвука — прочность бетона У=/(/?)» или «время распространения ультразвука t — прочность бетона 1=_/{К)». Степень точности метода зависит от тщательности построения тарировочного графика.

600 со 400

с

ю

О

ОС' 300

100

• 0 5
• 10 15 20

Рис. 2.28. Зависимость условной прочности Я бетона от силы скола Р.

Р„ кН

Тарировочный график строится по данным прозвучивания и прочности испытаний контрольных кубиков, изготовленных из бетона того же состава, по той же технологии, при том же режиме твердения, что и изделия или конструкции, подлежащие испытанию. Для определения прочности бетона ультразвуковым методом применяются приборы: УКБ-1, УКБ-1М, УК-16П, «Бе-тон-22» и др. Ультразвуковые измерения в бетоне проводят способами сквозного или поверхностного прозвучивания. Схема испытаний бетона приведена на рис. 2.29.

При измерении времени распространения ультразвука способом сквозного прозвучивания ультразвуковые преобразователи устанавливают с противоположных сторон образца или конструкции.

Скорость ультразвука V, м/с, вычисляют по формуле

У=(1 //) 1000,

где ї — время распространения ультразвука, мкс; / — расстояние между центрами установки преобразователей (база прозвучивания), мм.

Рис. 2.29. Способы ультразвукового прозвучивания бетона: а — метод сквозного прозвучивания; б — метод поверхностного прозвучивания (продольного профилирования); УП — ультразвуковые преобразователи

При измерении времени распространения ультразвука способом поверхностного прозвучивания ультразвуковые преобразователи устанавливают на одной стороне образца или конструкции. Число измерений времени распространения ультразвука в каждом образце должно быть: при сквозном прозвучивании — 3, при поверхностном — 4. Отклонение отдельного результата измерения времени распространения ультразвука в каждом образце от среднего арифметического значения результатов измерений для данного образца не должно превышать 2%.

Измерение времени распространения ультразвука и определение прочности бетона производятся в соответствии с указаниями паспорта (технического условия применения) данного типа прибора.

На практике нередки случаи, когда возникает необходимость определения прочности бетона эксплуатируемых конструкций при отсутствии или невозможности построения градуировочной таблицы. В этом случае определение прочности бетона проводят в зонах конструкций, изготовленных из бетона на одном виде крупного заполнителя (конструкции одной партии). Скорость распространения ультразвука ^определяют не менее, чем в 10 участках обследуемой зоны конструкций, по которым определяют среднее значение V. Далее намечают участки, в которых скорость распространения ультразвука имеет максимальное V_max и минимальное V_min значения, а также участок, где скорость имеет величину V_n, наиболее приближенную к значению V, а затем выбуривают из каждого намеченного участка не менее чем по два керна, по которым определяют значения прочности в этих участках: /? _v, R-, /?„ соответственно. Прочность бетона /?„опре-

11 Ici А II1111 И Г!

деля ют по формуле

Я„ *0 ^1^5

Прийтах-^П = 2Л„(60-Л„)/Ю0.

Коэффициенты а_х и а_{) вычисляют по формулам

^1 (^тах ~~ 4пш)/( ^тах ~~

«о=^|/₂«я_тах-/г„)-_0|)(к_т]л+ к„)|.

При выполнении условия (К_тах - У_т[_п)/У_п х 100 < 10% допускается ориентировочно определять прочность: для бетонов классов прочности до В25 по формуле

Я = АУ⁴,

где Л — коэффициент, определяемый путем испытаний не менее трех кернов, вырезанных из конструкций.

Для бетонов классов прочности выше В25 прочность бетона в эксплуатируемых конструкциях может быть оценена также сравнительным методом, принимая в основу характеристики конструкции с наибольшей прочностью. В этом случае

= Я

шах

• 7(8,87 < >У_тгх
• 7,8 V).

Такие конструкции, как балки, ригели, колонны должны прозвучиваться в поперечном направлении, плита — по наименьшему размеру (ширине или толщине), а ребристая плита — по толщине ребра.

При тщательном проведении испытаний этот метод дает наиболее достоверные сведения о прочности бетона в существующих конструкциях. Недостатком его является большая трудоемкость работ по отбору и испытанию образцов.