книги из ГПНТБ / Аронов Р.И. Испытание сооружений учеб. пособие

сятся: испытания путем вдавливания в поверхность металла сталь­ ного шарика или алмаза (по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу и т. д.); измерения по упругому отскоку падающего шарика (испытания по Шору) и т. п.

Благодаря своей простоте, удобству и возможности быстрой про­ верки состояния материала в целом ряде точек на поверхности конструкций этот косвенный метод нашел применение и при осви­ детельствовании сооружений. Полученные при этом данные пере­ водятся в прочностные характеристики исследуемого материала по эмпирическим формулам или с применением соответствующих гра­ фиков и таблиц.

Следует при этом иметь в виду, что само понятие «твердость» не является столь же определенным физическим критерием сопротивления материала силовым воздействиям как прочность, деформативность и т. д. В зависимости от вида

4-1. Оценка прочности металла

Наибольшее применение в строительной практике имеет прибор Польди (рис. 9) ударного действия; при этом твердость материала определяется по Бринеллю.

Наконечником прибора является шарик 2 диаметром 10 мм, из твердой закаленной стали, дающий при ударе отпечаток одновре-

?

же, на эталонном бруске

30

менно на исследуемом металле 1 и на стальном эталонном бруске 3, твердость которого НВЭТ должна быть заранее определена. Для по­ лучения отпечатков ударяют молотком по верхнему торцу стержня 4.

Обозначим диаметр отпечатка (вмятины) на исследуемом ме­ талле через d и диаметр отпечатка на эталонном бруске через гіэт (рис. 10). Если D — диаметр шарика 2, а Р — сила, действовавшая на шарик, то твердость НВ исследуемого металла по Бринеллю определится из соотношения

ориентировочные характеристики. Но и с учетом этого ограничения применение прибора практически полезно, в особенности в следую­ щих случаях:

для ускоренной проверки однородности материала в различных элементах освидетельствуемых конструкций;

при отбраковке (проверке марок металла) поступающих заго­ товок.

4-2. Оценка прочности бетона

При суждении о прочности бетона по твердостным характери­ стикам его поверхностного слоя приходится учитывать следующие факторы, усложняющие эту, оценку:

большой разброс результатов испытаний на «твердость», обус­ ловленный неоднородностью структуры бетона. Для получения усредненных данных необходимо увеличить число проверяемых на поверхности точек и статистически обработать результаты испы­ таний;

возможная карбонизация поверхностного слоя, повышающая по­ казатели твердости; увлажнение поверхности, снижающее эти по­ казатели;

возможность расхождения прочностных характеристик на по­ верхности и в глубине массивных блоков (что может быть прове­ рено, например, контрольным бурением с выемкой образцов с раз­ ной глубины, а также рассмотренными далее неразрушающими способами).

Но необходимость в простых, доступных для массового приме­ нения способов оценки качества бетона настолько настоятельна, что, несмотря на указанные затруднения, для суждения о прочности бе­ тона по механическим характеристикам его поверхностного слоя предложен целый ряд приборов и приспособлений. Краткий обзор практически наиболее оправдавших себя и методически интересных приемов приводится ниже.

31

Оценка прочности бетона по ударному отпечатку на его поверх­ ности. Эталонный молоток К• П. Кашкарова схематически показан на рис. 11. Принцип его действия аналогичен рассмотренному выше прибору Польди, с той разницей, что удар наносится взмахом са­ мого эталонного молотка.

А-А

1

Рис. 11. Схема молотка К. П. Кашкарова:

При ударе боек (стальной шарик диаметром 15 мм) оставляет на повёрхности исследуемого бетона вмятину диаметром de, а на эталонном стержне (круглого сечения из Ст. 3 диаметром 10 мм) — отпечаток диаметром гіэт. Для десяти ударов, нанесенных по прове­ ряемому элементу с удаленными штукатурными и окрасочными слоями, определяется усредненное отношение de/dBT-, прочность бе­ тона оценивается по корреляционной зависимости между de/dBT и пределом прочности бетона на сжатие, устанавливаемой экспери­ ментально. При этом должны учитываться: конкретные условия из­ готовления конструкции и твердения бетона; сроки испытаний; ше­ роховатость, влажность и другие особенности состояния поверхности конструкции и т. п. Для эксплуатируемых сооружений указанная зависимость должна быть уточнена на образцах, высверленных из соответствующих элементов.

Эталонный молоток рекомендуется для разных операций: оцен­ ки отпускной прочности бетонных изделий на заводах железобетон­ ных конструкций, прочности бетона при передаче напряжения ар­ матуры на бетон в предварительно напряженных железобетонных конструкциях, коэффициента изменчивости прочности бетона в из­ делиях и конструкциях (что особенно существенно при освидетель­ ствованиях сооружений) и т. д.

Одним из наиболее простых приспособлений для сравнительной оценки проч­ ности бетона является молоток И. А. Физделя. Ударная часть этого стального молотка весом 250 г заканчивается ввальцованным шариком из твердой стали,

32

легко вращающимся в гнезде. По диаметру отпечатков, полученных при ударе, определяют прочность бетона по эмпирическому графику. Результаты, несмотря на их ориентировочность, все же полезны в производственных условиях. Поль­

ударных отпечатков на поверхности бетона, следует отметить прибор

ного диска и др. * Сколько-нибудь широкого применения эти приборы не полу­

чили.

В ГДР серийно выпускается и гостирован (ДИН-424а) прибор с пружиной, передающей при спуске удар заданной силы на шариковый наконечник, остав­ ляющий отпечаток на бетоне.

Оценка прочности бетона по упругому отскоку бойка при ударе. Приборы этого типа применяются, главным образом, за рубежом, в том числе, в странах народной демократии. Из их числа наиболее известен прибор Шмидта (Швей­

цария) .

В этих приборах, так же как в ударнике Шора для металла, о характеристи­ ках материала судят по величине отскока стального бойка (отскок фиксируется указателем на шкале), с той разницей, что удар наносится не непосредственно по исследуемой поверхности бетона, а воспринимается наконечником прибора, прижатого к конструкции. Этот промежуточный стальной элемент необходим, поскольку величина отскока при резкой разнице модулей упругости соударяемых материалов становится трудно сопоставимой. Удар осуществляется спуском пру­ жины (а не свободным падением бойка, как у Шора), что позволяет испытывать любым образом ориентированные поверхности. Прибор удобен в работе и дает довольно четкие результаты.

Ударники Шмидта применяются у нас почти исключительно в транспортном строительстве — при освидетельствовании железобетонных мостов. Несколько из­ мененные конструкции прибора разработаны экспериментальным заводом ЦНИИСКа, в Киевском ИСИ и Вильнюсском политехническом институте. Пред­ ложен также прибор, действующий по принципу отскока падающего стального маятника.

Способ стрельбы является своеобразным вариантом динамических оценок прочности материала.

В 1933 г. Б. Г. Скрамтаевым была предложена оценка качества бетона по объему лунки, выбиваемой в нем револьверной пулей. Выстрел из «Нагана» производится с расстояния 6—8 м от конструкции перпендикулярно ее поверх­ ности с ограждением стреляющего от осколков и возможного рикошета. Объем образовавшихся лунок определяется измерением или, что более точно, по объему замазки, расходуемой на заполнение выбоин. Разброс получаемых результатов был, однако, значительным.

Дальнейшим развитием метода было предложенное несколько позднее Ф. Ф. Поляковым специально законструированное ружье с подставкой, пристав­ ляемой к поверхности элемента. При выстреле в бетон вонзался стальной удар­ ник, глубина погружения которого и служила показателем прочности материала.

Ввиду успешного развития неразрушающих методов контроля дальнейшие работы в данном направлении были оставлены, а способ стрельбы нашел прак­ тическое применение в деревянных конструкциях.

Оценка прочности бетона по отпечатку при статическом воздействии. Из чис­ ла предложений, основанных на статическом принципе, отметим как наиболее характерное устройство для вдавливания штампов, разработанное Г. К. Хайдуковым, А. И. Годер и Д. М. Рачевским. В зависимости от марки бетона берутся штампы радиусом 24, 14 и 10 см и гидравлическим домкратом создается усилие 1600, 2000 и 2200 кГ соответственно. Конец стального поршня домкрата, служащий штампом, обработан по сферической поверхности заданного диаметра. Для

* Описание и схематические чертежи как этих, так и других, далее перечис­ ляемых приборов, имеются в рекомендуемых литературных источниках (см. снос­ ку «а стр. 28).

замера отпечатка на бетоне под поршнем укладывают по листу белой и копиро­ вальной бумаги. Для крепления всего устройства на исследуемом элементе и создания упора для домкрата служат стальные захваты в виде массивных скоб.

Существенным преимуществом штампов большого диаметра является пере­ дача усилия более значительному объему материала, что позволяет судить о совместной работе всех компонентов бетона. Другие же рассмотренные ранее приборы (с наконечниками небольших размеров) дают в основном представле­ ние о характеристиках раствора между крупными включениями.

К недостаткам установки следует отнести сравнительно большой ее вес, а также возникающие в отдельных случаях трудности закрепления, ограничи­ вающие ее применение.

4-3. Оценка прочности древесины

Метод ударных отпечатков (А. X. Певцова). О прочности древе­ сины судят по диаметру отпечатка (вмятины), появляющегося на гладко оструганной поверхности исследуемого элемента при паде­ нии стального шарика диаметром 25 мм с высоты 50 см со специаль­ ной подставки. Для проб'иа вертикальных и наклонных гранях при­ меняется спуск горизонтально оттянутого шарика (рис. 12), скрепленного нитью длиной 50 см.

на погружения пули определяется электрозондом. От среднеариф­ метического глубин погружений при нескольких выстрелах пере­ ходят к прочности на сжатие вдоль волокон материала по графи­ кам, построенным экспериментально для соответствующих сортов древесины.

Исследования, проведенные автором метода, показали, что глу­ бина погружения пули практически не зависит от влажности про­ стреливаемых слоев.

34

§ 5. Сравнительная оценка различных методов исследования материалов

При освидетельствованиях сооружений нередко возникает необ­ ходимость в повторном определении характеристик материала как для контроля II уточнения отдельных данных, так и для выяснения влияния времени и условий эксплуатации на эти характеристики.

При способе взятия образцов, связанном с нарушением сплош­ ности, возвращение к топ же точке (а иногда и к тому же один раз уже ослабленному элементу) является вообще исключенным. В ря­ де случаев вопрос о степени соответствия результатов испытаний образцов фактическому поведению того же материала непосредст­ венно в сооружении остается открытым.

При способе оценок по механическим характеристикам поверх­ ностного слоя новые замеры непосредственно вблизи тех же точек нежелательны, поскольку един раз приложенные силовые воздей­ ствия могут исказить результаты повторных испытаний. Точки для новых замеров приходится выбирать на достаточном удалении от ранее принятых, что затрудняет возможность сопоставления н про­ верок.

Все эти затруднения отпадают, если применять неразрушающие методы оценки, которые имеют следующие преимущества:

возможность быстрого выполнения измерений в любом количе­ стве точек конструкций;

отсутствие необходимости в нарушениях сплошности, а также повреждениях (даже незначительных) поверхности проверяемого элемента;

возможность получения самых разнообразных данных о каче­ стве и состоянии материала — его физико-механических характе­ ристик; данных о нарушении сплошности и других местных дефек­ тах; о его составе и структуре; определение толщин при доступе лишь с одной стороны и т. д.;

возможность неодцократного повторения всех измерений. Следует отметить некоторые особенности неразрушающих ме­

тодов, усложняющие их применение.

1 Неизбежность суждения об определяемых параметрах по «косвенным» физическим показателям, как например, скорости рас­ пространения ультразвуковых волн в проверяемом материале, ин­ тенсивности поглощения ионизирующих излучений и т. п.

Для перехода от непосредственных данных измерений к число­ вым значениям определяемого параметра требуется, естественно, знать существующую между ними зависимость, носящую обычно не функциональный, а корреляционный характер. Правильный выбор соответствующих условиям эксперимента корреляционных кривых является при этом одним из основных факторов, влияющих на до­ стоверность получаемых результатов.

Следует отметить, что по существу способ определения прочности бетона и древесины (имеющих неоднородную структуру) по механическим характеристи­ кам поверхностного слоя также носит корреляционный характер. Задача в дан-

ГЛАВА III

НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

Внастоящее время неразрушающие методы широко исполь­ зуются как для контроля, так и для обеспечения технологического процесса в целом ряде отраслей народного хозяйства: металлургии, машиностроении, химической промышленности и т. п. В соединении

сбыстродействующими вычислительными устройствами примене­ ние неразрушающих методов дает возможность перейти к полной автоматизации производства с обеспечением необходимого соблю­ дения качества продукции.

Встроительном деле неразрушающие методы применяются, главным образом, для контроля при сварке металлоконструкций, при изготовлении железобетонных деталей и элементов и т. д. Во все возрастающем масштабе неразрушающие методы контроля применяются и при освидетельствовании сооружений.

Неразрушающие методы являются весьма перспективными для контроля на поточных линиях на заводах строительных конструк­ ций (в первую очередь железобетонных) не только для выявления уже допущенных дефектов и отступлений от требований ТУ, но, прежде всего, для предупреждения самой возможности таких на­ рушений.

По физическим принципам неразрушающих исследований раз­ личают следующие основные методы:

акустические (ультразвуковые и более низких частот); при помощи ионизирующих излучений (рентгеновские, радио­

изотопные и др.); магнитные, электромагнитные и электрические;

при помощи проникающих сред (жидких и газообразных) и т. д.

§ 1. Акустические методы

Акустические методы основаны на возбуждении упругих ме­ ханических колебаний. По параметрам этих колебаний и условиям их распространения судят о физико-механических характеристи­ ках и состоянии исследуемого материала.

В зависимости от частоты колебаний акустические методы де­ лятся на ультразвуковые (при частотах от 20 тыс. гц и выше) и методы, основанные на использовании колебаний звуковой (от 20 до 20 тыс. гц) и инфразвуковой (до 20 гц) частот.

37

1-1. Ультразвуковые методы

Возбуждение и прием колебаний. Для возбуждения ультра­ звуковых волн на поверхность исследуемого материала устанавли­ вают преобразователи переменного электрического тока в механи­ ческие колебаяия. Чаще всего применяются преобразователи, дей­ ствующие по принципу пьезоэффекта. При этом для возбуждения колебаний используется так называемый «обратный», а в преобра­ зователях для приема колебаний — «прямой» льезоэффект *.

Поскольку воздушные прослойки препятствуют передаче и при­ ему ультразвуковых .колебаний, между преобразователями и исследуемым материалом .наносят контактирующую среду, для металла применяют обычно минеральное масло; для бетона и дру­ гих материалов с неровной поверхностью необходимы смазки более густой консистенции — солидол, технический вазелин, эпоксидные смолы и т. д.

Условия прохождения ультразвуковых волн. Ультразвуковые колебания могут быть введены в исследуемую среду узким на-' правленным пучком «лучом» с 'малым углом расхождения. Коле­ бания частиц происходят при этом лишь в локализованном объеме материала, ограниченного контурами пучка, исследуемый же элемент в целом'остается неподвижным. Эта возможность прозвучивания материала в заданных направлениях является весьма су­ щественной при проведении исследований.

Ультразвуковые волны, переходя из одной среды в другую, преломляются, а также отражаются от граней, разделяющих эти среды, что используется для определения их положения при данном методе контроля. В воздушных прослойка?: ультразвуковые коле­ бания затухают почти полностью, что позволяет выявлять и иссле­ довать скрытые внутренние дефекты: трещины, расслоения, пусто­ ты и т. д.

Различают продольные и поперечные волны. В первом случае частицы материала колеблются по направлению ультразвукового луча, а во'втором — перпендикулярно к нему. Используют также поверхностные волны (как продольные, так и поперечные), рас­ пространяющиеся лишь в поверхностном слое материала и позво­ ляющие, например в металле, обнаруживать самые мелкие поверх­ ностные .повреждения. Скорость распространения вдлн (своя для каждого из указанных видов) является одним из основных пока­ зателей цри оценке физико-механических характеристик и состоя­ ний бетона, древесины и других материалов е переменной плот­ ностью и влажностью.

* Электрическая поляризация поверхностей кристалла в результате его де­ формации называется «прямым» пьезоэффектом, а деформация кристалла, вы­ званная поляризацией, «обратным» пьезоэффектом. Ультразвуковые колебания могут также возбуждаться магнитостршщией (деформации при намагничивании) и другими способами.

38

Способы прозвучивания. По направлению ультразвуковых волн различают два основных приема проэвучив'ания:

сквозное, когда излучатель, возбуждающий колебания, и при­ емник, воспринимающий их, расположены с .противоположных сторон исследуемого объекта (рис. 13, а, б); направление ультра­ звукового луча по отношению к поверхности материала может при этом быть как нормальным, так и наклонным;

мер 25 или, 50 раз в 1 сек, по­ даются короткие серии («пакеты») колебаний высокой частоты.

Регистрация ультразвуковых колебаний производится с. помо­ щью специальной аппаратуры, подробно рассмотренной в учебных руководствах и других источниках, іперечнсленных в списке реко­

39