Особенности применения новых приборов неразрушающего контроля прочности бетона

В последние годы отмечается значительный рост производства и применения средств неразрушающего контроля строительной продукции. Динамика развития НК обусловлена расширением сферы его применения и постоянно растущими потребностями отрасли.

Преимущества неразрушающего контроля, обусловленные его высокой производительностью, становятся очевидными при обследовании зданий и сооружений, когда неизвестны характеристики бетона и арматуры, а объемы контроля значительны.

Для оценки состояния конструкций зданий и сооружений необходим всесторонний анализ факторов, влияющих на их эксплуатационные характеристики - прочность бетона, защитный слой и диаметр арматуры, теплопроводность и влажность бетона, адгезия защитных и облицовочных покрытий, морозостойкость и водонепроницаемость бетона и др.

Однако при всем многообразии контролируемых параметров контроль прочности бетона занимает особое место, поскольку при оценке состояния конструкции определяющим фактором является соответствие фактической прочности бетона проектным требованиям.

Для неразрушающего контроля прочности бетона используются приборы, основанные на методах местных разрушений (отрыв со скалыванием, скалывание ребра, отрыв стальных дисков), ударного воздействия на бетон (ударный импульс, упругий отскок, пластическая деформация) и ультразвукового прозвучивания.

При обследовании монолитных конструкций и больших массивов бетона применение ударно-импульсных и ультразвуковых приборов должно сочетаться с испытаниями бетона методами отбора образцов (кернов) [1], отрыва со скалыванием или скалывания ребра [2]с определением коэффициента совпадения Кс градуировочных зависимостей.

Достоверность НК прочности бетона зависит от ряда факторов:

• наличия программы и методики проведения испытаний, включающей выбор участков испытаний, их количества, учет состояния поверхности, возраста, условий твердения бетона;
• оптимального выбора метода (методов) контроля и приборов, обеспечивающих НК в соответствии с программой испытаний;
• правильного подхода к определению класса бетона с учетом изменчивости прочности бетона конструкции (группы конструкций) [3];
• уточнения градуировочных характеристик применяемых приборов и наличия метрологического обеспечения.

Правильность учета перечисленных факторов и дальнейшей оценки результатов НК зависят от квалификации персонала, осуществляющего НК. Можно иметь качественные результаты испытаний бетона отдельных участков или конструкций, но при недостаточном объеме контроля определение коэффициента вариации прочности и, соответственно, класса бетона окажется ошибочным.

Наиболее сложными для контроля бетона конструкций являются случаи воздействия на него агрессивных факторов: химических (соли, кислоты, масла и др.), термических (высокие температуры, замораживание в раннем возрасте, либо переменное замораживание и оттаивание в водонасыщенном состоянии), атмосферных (карбонизация поверхностного слоя).

Эти факторы воздействуют, в первую очередь, на поверхностные слои бетона, в связи с чем, при обследовании необходимо визуально, простукиванием, либо смачиванием раствором фенолфталеина (случаи карбонизации бетона), выявить поверхностный слой с нарушенной структурой.

Подготовка бетона таких конструкций для испытаний неразрушающими методами заключается в удалении поверхностного слоя на участке контроля, и зачистке поверхности наждачным камнем. Прочность бетона конструкций в этих случаях необходимо определять преимущественно приборами, основанными на методах местных разрушений, либо путем отбора образцов. При использовании же ударно-импульсных и ультразвуковых приборов контролируемая поверхность должна иметь шероховатость не более Ra 25, а градуировочные характеристики приборов уточнены в соответствии с Приложением 9 [2].

При выборе методов НК и приборов для проведения испытаний бетона пользователь должен знать их особенности и рекомендуемые области применения.

Достаточно полно методы НК классифицированы Б.Г. Скрамтаевым и М.Ю. Лещинским [4, 5], в их работах даны рекомендации по выбору методов и средств НК в зависимости от вида контролируемого изделия и условий его эксплуатации.

Однако современная приборная база НК существенно отличается от рекомендуемой авторами. С начала 90-х годов прошлого столетия активно ведется разработка и производство приборов НК нового поколения с применением электроники и микропроцессорной техники, наращиваются их функциональные возможности, методики же контроля, разработанные авторами ГОСТ 22690 не претерпели существенных изменений и остаются основой развития средств НК в отрасли.

Особого внимания заслуживают методы отрыва со скалыванием, скалывания ребра и отрыва стальных дисков, которые часто называют методами местных разрушений. Эти методы характеризуются большей точностью по сравнению с другими методами неразрушающего контроля.

Метод отрыва со скалыванием характеризуется наибольшей точностью, но и наибольшей трудоемкостью испытаний, обусловленной необходимостью подготовки шпуров для установки анкера. К недостаткам метода следует отнести также невозможность использования в густоармированных и тонкостенных конструкциях.

Метод отрыва стальных дисков может быть использован при испытании бетона в густо-армированных конструкциях, когда метод отрыва со скалыванием, а нередко и метод скалывания ребра конструкции (с учетом его ограничений) не могут быть использованы. Он точен и менее трудоемок по сравнению с методом отрыва со скалыванием. К недостаткам метода следует отнести необходимость наклеивания дисков за 3-24 часа до момента испытания ( в зависимости от применяемого клея).

Метод скалывания ребра конструкции используется главным образом для контроля линейных элементов (сваи, колонны, ригели, балки, перемычки и т.п.). В отличие от методов отрыва и отрыва со скалыванием, он не требует подготовительных работ. Однако при защитном слое менее 20мм и повреждениях защитного слоя метод неприменим.

Вид типовых градуировочных зависимостей RC5K от усилия Р для методов местных разрушений приведен на рис. 1.

СКБ Стройприбор производит сертифицированные приборы типов ПОС-50МГ4, ПОС-30МГ4 «Скол» и ПОС-50МГ4 «Скол», обеспечивающие испытание бетона методами отрыва со скалыванием, скалывания ребра и отрыва стальных дисков, а также приборы типов ИПС-МГ4.01, ИПС-МГ4.03, реализующие метод ударного импульса и прибор ПОС-2МГ4П, предназначенный для испытания ячеистых бетонов методом вырыва спирального анкера.

Приборы типа ПОС состоят из силовозбудителя и электронного блока и комплектуются анкерами типа II 024хЗОмм, 024х48мм и 016х35мм с предельным усилием вырыва ЗОкН (ПОС-30) и 50кН (ПОС-50), что позволяет производить испытание бетона прочностью до 100 МПа. Погрешность определения усилия - не более ± 2%.

Отличительной особенностью приборов является электронный силоизмеритель, обеспечивающий индикацию текущего значения приложенной нагрузки с фиксацией максимального значения, индикацию скорости нагружения и микрометрическое устройство для измерения величины проскальзывания анкера в процессе испытаний.

	1 - Метод отрыва (диаметр диска 60мм); 2 - Метод скалывания ребра (фр. до 20мм); 3 - Метод отрыва со скалыванием (анкер Ø16 35, тип II); 4 - То же для анкера Ø24х48мм тип II
Рис. 1. Зависимости Rсж от Р.

Ввод исходных данных (вид и условия твердения бетона, типоразмер анкера) осуществляется с клавиатуры приборов, при этом обеспечивается выбор коэффициентов для автоматического вычисления прочности бетона по результатам нагружения (вырыва фрагмента бетона).

Силовозбудители приборов типа ПОС имеют различное конструктивное исполнение, отличающиеся устройством механизма нагружения и количеством опор.

Прибор ПОС-50МГ4-Р (рис. 2) оснащен малогабаритным червячным редуктором, обеспечивающим равномерное нагружение анкера и малое усилие на рукояти. Комплектуется устройством для испытаний методом скалывания ребра конструкций с гранью до 450 мм.

Прибор ПОС-50МГ4-2 (рис. 3) имеет две опоры, минимальные массогабаритные характеристики и может применяться для испытания бетона изделий цилиндрической формы, когда применение трехопорных приборов ограничено.

Для получения качественных измерений методом отрыва со скалыванием отверстие для заложения анкера должно быть не ближе 70 мм от ближайшего арматурного стержня и не ближе 150 мм от края изделия, а величина проскальзывания анкера при вырыве должна контролироваться с погрешностью не более ±0,1 мм и составлять не более 10% глубины его заложения.

Полученное по результатам испытаний усилие вырыва фрагмента бетона должно корректироваться умножением на коэффициент , учитывающий величину проскальзывания анкера:

где: h_H - длина анкера; Δh - величина проскальзывания анкера.

Пренебрежение величиной проскальзывания анкера может приводить к дополнительной погрешности при определении прочности бетона до 20% в сторону ее занижения.

Испытания методом отрыва со скалыванием должны производиться в соответствии с рекомендациями [2, 6].

Испытания бетона методом отрыва стальных дисков могут производиться любым из приборов ПОС-50МГ4, либо адгезиметром типа ПСО-10МГ4 (рис. 4) с предельным усилием отрыва 10 кН (производятся СКБ Стройприбор).

Метрологические характеристики приборов типа ПОС и ПСО обеспечиваются образцовыми динамометрами типа ДОРМ на 10, 30 и 50 кН.

Определение глубины залегания арматуры и ее расположение в бетоне, при подготовке к испытаниям методом отрыва со скалыванием, должно производиться измерителем защитного слоя бетона, например ИПА-МГ4 (рис. 5), имеющим диапазон определения защитного слоя 3...100 мм в стержнях диаметром 3...40 мм с погрешностью до ± 7% (производится СКБ Стройприбор).

Для контроля прочности ячеистых бетонов в диапазоне 0,5...8 МПа разработан прибор ПОС-50МГ4-2ПБ (рис. 6), основанный на методе вырыва спирального анкера. Прибор обеспечивает испытания бетона с предельным усилием вырыва 2 кН (погрешность до ± 3%). Установка анкера осуществляется специальным устройством, обеспечивающим постоянный шаг ввинчивания в тело бетона.

Все приборы имеют автономное питание, связь с ПК и энергонезависимую память.

В отличие от методов местных разрушений, приборы, основанные на ударно-импульсном воздействии на бетон, имеют значительно большую производительность, однако, контроль прочности бетона ведется в поверхностном слое толщиной 25...30 мм, что ограничивает их применение. В упомянутых выше случаях необходима зачистка поверхности контролируемых участков бетона или удаление поврежденного поверхностного слоя.

Применение ударно-импульсных приборов для НК прочности и однородности бетона в возрасте до 100 суток не вызывает особых сложностей, если контролируемые поверхности образованы металлической опалубкой. НК прочности бетона на заводах ЖБИ и в строительных лабораториях, как правило, осуществляется после приведения градуировочных зависимостей приборов в соответствие с фактической прочностью бетона по результатам испытания контрольных партий кубов [7] в прессе.

Аналогичные испытания прибора ИПС-МГ4.03 проводились в НТЦ «Качество» г Николаев (Украина) на кубах из тяжелого бетона класса В25 (шесть серий по три куба). По результатам испытаний был установлен коэффициент совпадения Кс=0,84 используемой градуировочной зависимости (тяжелый бетон на граните, возраст 28 суток, ТВО). Фактическая прочность бетона в сериях составила 32,8...38,9 МПа и соответствовала заявленному классу бетона при коэффициенте вариации 13,5%.

Полученный коэффициент Кс был введен в программное устройство прибора нажатием соответствующих кнопок клавиатуры и испытания были продолжены на двух контрольных сериях образцов с целью проверки уточненной градуировочной зависимости. Прибор воспроизвел прочность бетона с погрешностью 1,2 и 3,1% соответственно. Осмотр разрушенных кубов всех серий показал наличие в растворной части бетона многочисленных глинистых включений размером до 10...12мм.

Описанный случай является достаточно редким (при правильно выбранной градуировочной зависимости Кс, в основном, варьируется в пределах 0,88...1,12) и объясняется применением при изготовлении бетона некачественного песка с большим содержанием глинистых включений.

Применение же ударно-импульсных и ультразвуковых приборов на объектах строительства и при обследовании эксплуатируемых конструкций, когда нет возможности уточнить градуировочную зависимость испытанием кубов в прессе, сопряжено с существенными ошибками при определении прочности бетона. Известны случаи, когда контроль бетона ведется молотком Кашкарова или ультразвуковым прибором, результаты такого контроля очевидны, поскольку косвенные характеристики, воспроизводимые приборами, не учитывают состав и свойства контролируемого бетона.

Опыт ведущих специалистов по НК прочности бетона показывает, что в базовый комплект специалистов, занятых обследованием, должны входить приборы, основанные на разных методах контроля: отрыв со скалыванием (скалывание ребра), ударный импульс (упругий отскок, пластическая деформация), ультразвук, а также измерители защитного слоя и влажности бетона, оборудование для отбора образцов из конструкции.

Экспериментальные исследования, проводившиеся с целью установления корреляции косвенной характеристики приборов типа ИПС, откалиброванных на бетонах с гранитным щебнем, с прочностью бетона, изготовленного на других видах крупного заполнителя (гравий, граншлак, известняк, керамзит, речной песок) показали, что погрешность определения прочности бетона может достигать 27% (керамзитобетон).

Влияние возраста (до 100 суток) и условий твердения бетона не столь существенны и могут составлять 4-6% измеряемого значения прочности.

Контроль влажных поверхностей может приводить к занижению показаний приборов до 10-15%.

Полученные результаты свидетельствуют, что НК прочности бетона приборами с универсальной градуировочной зависимостью может приводить к существенным ошибкам при определении прочности бетона, в связи с чем уточнение градуировочных зависимостей при изменении вида бетона (заполнителя), либо поставщика бетона (железобетонных изделий) является обязательным условием применения приборов, основанных на ударно-импульсном воздействии на бетон, равно как и ультразвуковых приборов.

Уточнение градуировочной зависимости необходимо производить путем параллельных испытаний бетонных кубов в прессе и калибруемым прибором, либо с применением метода отрыва со скалыванием в соответствии с Приложением 9 [2]. В СКБ Стройприбор разработаны новые измерители прочности бетона ИПС-МГ4.01 и ИПС-МГ4.03 (рис. 7 и 8), являющиеся дальнейшим развитием базовой модели ИПС-МГ4, выпускавшейся с 1994 года.

Приборы предназначены для оперативного контроля прочности бетона в диапазоне 3...100 МПа при изготовлении сборных железобетонных конструкций и при обследовании конструкций зданий и сооружений.

В отличие от предыдущих модификаций и известных аналогов приборы оснащены дополнительными функциями:

• ввода коэффициента совпадения Кс для оперативного уточнения базовых градуировоч ных характеристик;
• маркировки измерений типом контролируемого изделия (балка, плита, ферма и т.д.);
• вычисления класса бетона В с возможностью выбора коэффициента вариации прочности;
• исключения ошибочного промежуточного значения.

Перечисленные функции, а также выбор направления удара активируются пользователем с клавиатуры приборов в диалоговом режиме.

Прибор ИПС-МГ4.03 имеет 44 базовые градуировочные зависимости, учитывающие вид контролируемого бетона (крупного заполнителя), возраст и условия твердения бетона.

Перечисленные возможности приборов позволяют проводить НК прочности бетона с погрешностью 5...8%. Чем больше исходных данных, характеризующих бетон, известно* пользователю и, соответственно, введено перед началом испытаний, тем ниже погрешность измерений.

Измерение прочности бетона заключается в нанесении на контролируемом участке изделия серии до 15 ударов, после чего электронный блок по параметрам ударного импульса, поступающего от склерометра, оценивает твердость и упругопластические свойства испытываемого материала, преобразует параметр импульса в прочность и вычисляет соответствующий класс бетона. Полученные результаты измерений и исходные данные, вводимые пользователем, автоматически архивируются, маркируются датой и временем измерения. Объем архивируемой информации - 1000 результатов измерений и 15000 промежуточных значений прочности.

Предусмотрена возможность ввода в программное устройство приборов характеристик индивидуальных градуировочных зависимостей, установленных пользователем (в приборах ИПС-МГ4.03 и ИПС-МГ4.01 - 20 и 9 соответственно).

Ввод характеристик индивидуальных зависимостей производится с клавиатуры прибора и заключается в корректировке базовой зависимости по результатам параллельных испытаний бетонных образцов в прессе (либо методом отрыва со скалыванием) и прибором.

Корректировка базовой зависимости может производиться при количестве точек корректировки от 1 до 9.

Координата каждой из точек индивидуальной градуировочной зависимости определяется коэффициентом совпадения:

• R_Φi среднее значение прочности бетона, определяемое в i-той точке диапазона по ГОСТ 10180, либо методом отрыва со скалыванием , МПа;
• R_Hi среднее значение прочности бетона, определяемое прибором по базовой градуировочной зависимости в i-той точке диапазона, МПа.

Приборы имеют режим передачи данных на ПК, обеспечивающий математическую и статистическую обработку результатов измерении, экспорт в Excel, печать в табличном виде с указанием вводимых пользователем исходных данных, даты и времени измерений.

Метрологические характеристики приборов обеспечиваются эквивалентными мерами, аттестованными Госстандартом РФ, воспроизводящими прочность бетона в трех точках диапазона.

Журнал "В мире Неразрушающего контроля" №2 2005г.

Все публикации
Архив по годам: 2006; 2008; 2013; 2015; 2016; 2018; 2019; 2020; 2021; 2022; 2023;