1903

сти арматуры в конструкционно-теплоизоляционных бетонах является их влажностное состояние в зоне расположения арматуры [572].

Анализ результатов исследований показывает, что накопленный обширный экспериментальный материал по коррозии бетона, стали и железобетона в различных агрессивных средах не обобщен и не находит соответствующего применения в расчётах железобетонных конструкций. Существующие методики расчета конструкций, испытывающих воздействие агрессивных сред, немногочисленны и имеют частный характер. В них начало коррозии арматуры рассматривается как отказ конструкции. Экспериментальные исследования по влиянию агрессивных сред на несущую способность железобетонных элементов и на диаграммы деформирования коррозирующего бетона ограничены в объёме и очень немногочисленны. В настоящее время не существует достаточно обоснованной количественной оценки коррозии арматуры в бетоне, как процесса, влияющего на работоспособность конструкции в целом.

131

Глава 2. АНАЛИЗ МЕТОДОВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО И РАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ

КОНСТРУКЦИЙ В ИНЕРТНОЙ И АГРЕССИВНОЙ СРЕДАХ

2.1. Общие сведения

Инженерные сооружения относятся к сложным техническим системам, которые создаются из разных по прочности и долговечности материалов. Равнопрочность и ремонтопригодность конструкций являются важными свойствами для безопасной их эксплуатации, По признаку продолжительности значений периодов между капитальными ремонтами, после которого они должнызаменяться, конструктивныеэлементыделятсянатригруппы[442]:

•конструкции, не заменяемые в течение всего срока службы (фундаменты, стены, железобетонный каркас, железобетонные перекрытия);

•конструкции, заменяемые при капитальном ремонте через 30-50 лет (перегородки, полы, окна, двери, инженерноеоборудование, деревянные перекрытия, крыши);

•конструкции, заменяемые при выборочном и планово-предупреди- тельном ремонтах с интервалом 6-9 лет (кровля, стыки панелей).

Общее техническое состояние строительных конструкций характеризуют следующие основные параметры [442]:

•общефункциональные – несущая и пропускная способность;

•геометрические –толщина, ширина и длина элементов, диаметр арматуры, относительные угловые смещения и линейные смещения элементов относительно друг друга;

•физико-механические – прочность, твердость, деформативиоеть, ударная вязкость, морозостойкость материалов;

•акустические – скорость прохождения ультразвуковых волн, акустическая эмиссия;

•магнитоэлектрические – изменение электромагнитных полей дефектами в материале.

Основными контрольными параметрами, поддерживающими нормальное состояние зданий и сооружений являются [442]:

•общая и местная прочность конструкции;

•пространственная жесткость здания, общие и местные деформации;

•степень влагонасыщения элементов конструкций;

•коррозия металлических несущих конструкций, бетона и арматуры железобетонных конструкций;

•теплотехнические свойства ограждающих конструкций;

•воздухо- и влагопроницаемость стыков между элементами ограждающих конструкций.

132

Диагностика строительных конструкций зданий и сооружений включает [442]:

•методы контроля качества изготовления и монтажа элементов строительных конструкций зданий и. сооружений;

•анализ фактических эксплуатационных параметров;

•оценку причин появления и состояния дефектов и повреждений. Современные материалы, используемые в строительных конструкциях

иинженерных сооружениях, должны удовлетворять требованиям технических условий и современных стандартов. Выпускаемые строительные изделия должны соответствовать нормам и изготовляться по рабочим чертежам.

Любая конструкция считается работоспособной, если значения всех параметров, отражающих необходимые заданные функции, удовлетворяют требованиям нормативно-технической и проектной документации (НТПД), При невыполнении хотя бы одной из данных функций конструкция считается неработоспособной. Любое несоответствие в конструкции установленным требованиям рассматривается как дефект. Своевременный поиск

иоценка дефектов и повреждений в период эксплуатации является основой повышения надежности системы в целом.

Дефекты и повреждения являются основой анализа текущих и возможных нарушений нормальной работы строительных конструкцией. Объективная оценка технического состояния конструкций даётся не только по числу определённых дефектов (количественная оценка), но и по прогнозу роста, накопления и появления новых (качественный анализ). Количественная оценка, позволяет проводить сравнение с нормированными допусками. Качественная оценка позволяет прогнозировать влияние дефекта в элементе конструкции как на его работу, так и на фактическое состояние сооружения в целом.

Нарушение работоспособного состояния конструкции приводит к отказу. Различают следующие виды отказов [442]:

•постепенный, возникающий в результате последовательного ухудшения состояния конструкций;

•явный, определяемый простейшими средствами;

•скрытый, выявляемый специальными методами;

•конструктивный, связанный с несовершенством норм проектирования или нарушением конструирования;

•производственный, возникающий из-за нарушения процесса изготовления;

•эксплуатационный, вызываемый нарушениями правил или условиями эксплуатации;

133

•дегазационный, с учётом соблюдения нормативных правил проектирования и эксплуатации, обусловленный естественными процессами старения, коррозии и усталости;

•зависимый, вызванный другими отказами;

•независимый, возникающий и не обусловленный другими отказами. Базовым для евростандарта ЕN 206 «Бетон. Общие технические

требования, производство и контроль качества» является срок службы несущих конструкций из бетона в 50 лет, но с возможным альтернативным экономически целесообразным вариантом продления долговечности до 100 лет [599]. В тоже время, развитые страны ежегодно теряют 10 % своего национального дохода из-за низкого качества выпускаемой промышленной продукции, в том числе строительных конструкций. Потери только от их коррозии в США составляют более 200 млрд долл. в год [421].

По сравнению с железобетонными элементами заводского изготовления выявление эксплуатационных характеристик железобетонных элементов, находящихся в сооружениях, представляет более сложную задачу. Существующие теоретические и экспериментальные исследования долговечности железобетонных элементов немногочисленны, разрозненны

ив основном получены только для отдельных типов жидких сред и, к сожалению, для агрессивных газовоздушных сред они не могут быть использованы [238].

Согласно нормативным документам при проектировании и расчетах на прочность бетонных и железобетонных конструкций не принимаются во внимание физико-технические характеристики бетона, подверженных воздействию агрессивных сред [552, 555].

Вдействующих нормативных документах предусмотрены общие рекомендации оценки прочности железобетонных конструкций при различных видах повреждений. Одновременно, в расчетных методиках бетонных и железобетонных конструкций отсутствуют конкретные указания учета влияния коррозионных повреждений как бетона, так и арматуры [134].

ВРоссии имеется проблема создания бетонов долговечностью более 50 лет, применяемых в строительстве зданий и сооружений высокой ответственности – высотных домов, тоннелей, плотин и т.д. проектный срок эксплуатации которых составляет 100 лет и более. Нормативные требования типа СНиП 2.03.11–85* [552], полученные на основании ускоренных коррозионных испытаний и опыта эксплуатации конструкций в разных сооружениях и средах, для таких прогнозов не подходят, т.к. они дают оценку степени агрессивного воздействия окружающей среды из предположения, что конструкции будут эксплуатироваться в течение 50 лет.

Для оценки качества бетона и арматуры в процессе эксплуатации железобетонных конструкций применяются как прямые механические, так

икосвенные физико-химические методы испытания.

134

К преимуществам разрушающих методов испытаний железобетонных конструкций относится возможность измерения разрушающей нагрузки или других характеристик, определяющих эксплуатационную надежность изделия в процессе испытаний.

Однако, они являются сложными и дорогими. Самым главным их недостатком является то, что конструкция после испытания перестает существовать [545]. Поэтому такие экспериментальные испытания являются малочисленными и прогнозировать по их результатам характеристики других конструкций обычно невозможно, из-за трудностей определения изменчивости опытных результатов.

В монолитном железобетонном строительстве традиционным способом определения прочности бетона является испытание контрольных опытных бетонных образцов в лабораторных условиях, изготовленных на строительной площадке и находившихся в условиях, максимально приближенных к условиям твердения бетона конструкции. В то же время, различные условия формования и твердения бетона вызывают у контрольных образцов появление более высокой, по сравнению с фактическими значениями, прочности бетона [294, 609].

Прочность бетона, полученная стандартными методами, например по ГОСТ 10180-90 [191] с помощью испытания контрольных образцов, имеет недостаточную достоверность при контроле его прочности и однородности

вмонолитной бетонной конструкции, из-за ряда причин [214, 293]:

•объем испытания стандартных образцов не превышает 0,01 % уложенного в конструкцию бетона;

•условия виброформования и режимы твердения образцов и конструкций различны;

•невозможность определия стандартными методами однородности бетона в изделии и прочности отдельных его участков;

•отсутствие технической возможности применения при обследовании конструкций зданий и сооружений.

По характеру взаимодействия с объектом неразрушающие методы подразделяются на механические с частичным разрушением бетона (отрыв со скалыванием, скалывание ребра, отрыв дисков, пластическая деформация, упругого отскока и ударного импульса) и на немеханические.

В монолитном строительстве все более широкое применение находят неразрушающие методы контроля прочности бетона и, прежде всего, механические методы неразрушающего контроля, из-за простоты проведения испытаний и отсутствия ограничений в ГОСТ 22690-88 [159] по применению этих методов для контроля прочности монолитного бетона [65]. Однако и здесь погрешности вносятся в результаты испытаний, из-за различия в подготовке опорных поверхностей образцов, так как объективная величина измеряемой прочности бетона зависит от диаметра выбуриваемого образ-

135

ца, его возраста и прочности бетона в момент изъятия образца. Несмотря на это ГОСТ 28570-90 [174] допускает применение бетонных цилиндров с диаметром 44 мм для определения прочности.

Недостатками способа контроля прочности бетона по образцам, извлечённым из конструкций, являются факторы [609]:

•более значительные трудоемкость и финансовые затраты, меньшая производительность и меньшая автоматизируемость разрушающих методов испытания, по сравнению с неразрушающим методом;

•отличие условий испытаний от условий эксплуатации конструкции;

•ограниченное выборочное количество выпиливаемых образцов;

•трудность извлечения бетонных образцов из малодоступных зон монолитного объекта;

•невозможность изъятия образцов из густоармированных или нагруженных конструкций;

•наличие большой вероятности несоответствия места выпиливания керна наиболее нагруженной части конструкции, искажающей деструктивные процессы в объеме бетона по сравнению с расчётными;

•деструкция бетона на поверхность образца от механического воздействия при выпиливании керна;

•несовершенная геометрия граней;

•отсутствие строгой центровки по физической оси при испытании образцов на прессе, имеющее особое значение при использовании малоразмерных образцов;

•осуществление качественной заделки отверстий в теле бетона; Поэтому существующая традиционная диагностика железобетонных

конструкций путем выявления серьёзных скрытых дефектов с помощью отбора бетонных кернов, из-за трудоемкости и точечного характера используется в ограниченных объемах [346, 349, 523].

При использовании способа малых местных разрушений причинами погрешностей определения прочности на сжатие являются [346]:

•оценка данных прочностных свойств бетона при скалывании и отрыве из-за неопределенностей связи прочности на сжатие и растяжение, учитываемых введением повышенного значения коэффициента надёжности по бетону;

•ограниченность количества испытаний в реальных условиях, что при естественной большой вариации прочности на отрыв и скалывание также снижает надежность окончательной оценки прочности на сжатие.

Метод отбора бетонных образцов и способ малых местных разрушений всегда приводят к завышенной оценке прочности бетона в конструкциях

[346].

136

2.2. Анализ немеханических методов неразрушающего контроля механических характеристик элементов железобетонных конструкций в инертной среде

2.2.1 Общие сведения

Имеющиеся недостатки разрушающих методов испытания прочности бетона способствовали развитию неразрушающих немеханических методов контроля качества бетона на всех этапах изготовления и эксплуатации, благодаря надежности и малой стоимости. Эти методы испытаний используются для определения механических свойств элементов железобетона и задания размеров конструкций в процессе лабораторных, натурных и эксплуатационных испытаний (статических или динамических), с возможностью обеспечения проверки. Конечной их целью является проверка соответствия прочности, жесткости и трещиностойкости изготовленных изделий и конструкций требованиям государственных стандартов, техническим условиям и рабочим чертежам.

Для получения объективной информации о качестве железобетонных конструкций в испытаниях используется одновременное применение разрушающих и неразрушающих методов контроля. Разрушающими методами испытания образцов устанавливаются соответствие нормативных характеристик изделия полученным в результате измерений при неразрушающем контроле [349]. Выявленная связь позволяет не только значительно сократить объем и периодичность разрушающих испытаний, но и использовать их только для периодической проверки результатов неразрушающего контроля и диагностики (НК иД).

Методы определения прочности эксплуатируемых железобетонных конструкций условно разделены на две группы: интегральные и дискретные [295]. Первые непосредственно определяют несущую способность, а вторые контролируют технические характеристики прочности бетона и арматуры, а также их площади сечения, по которым затем рассчитывается несущая способность. При проведении обследований наибольшее применение находит дискретный метод: ультразвуковые методы определения прочности бетона и дефектоскопия, механические методы определения прочности бетона, радиометрический метод определения армирования и дефектоскопия, а также магнитный метод определения армирования.

Дефекты в железобетонных конструкциях вызывают изменение физических характеристик его материала: удельной электрической проводимости, магнитной проницаемости, коэффициента затухания упругих колебаний, плотности и коэффициента ослабления излучений. Для получения информации о дефектах, с помощью которых определяется остаточный ресурс или срок эксплуатации строительных железобетонных и металлических конструкций, в неразрушающем контроле и диагностике (НК и Д) используются более 40 физических методов исследования (табл. 2.1) [421].

137

Таблица 2 . 1 Классификация методов неразрушающего контроля качества материалов

строительных изделий

При любом методе неразрушающего контроля дефекты определяются по косвенным характеристикам, свойственным данному методу.

138

Стандартизованные немеханические методы НК исследуют процессы:

•нарушение сплошности ( радиографический, ультразвуковые, капиллярные, акустические, радиационные, феррозондовый, магнитопорошковый, оптические, радиоволновые, тепловые, магнитографический, люминесцентный, рентгенотелевизионный, электрографический, масс спектрометрический и на герметичность);

•определение толщины покрытий (радиационный, магнитный и ультразвуковой);

•определение состава и свойств материалов (рентгенофлюоресцентный, радиоизотопный, ультразвуковой, вихретоковый, магнитный и механические);

•определение шероховатости поверхности (оптический, интерференционный и профилографический).

Основными видами неразрушающего контроля строительных конструкций являются радиационный, тепловой, оптический и акустический

(табл. 2.2 и 2.3) [421].

Таблица 2 . 3 Контролируемые материалы строительных конструкций, возможные

дефекты и виды неразрушающего контроля

139

Количественная оценка в виде пятибалльной шкалы основных немеханических видов неразрушающего контроля нарушения сплошности, размеров и физико-механических свойств материалов строительных изде-

лий, приведены в табл. 2.4, 2.5, 2.6 [421].

Таблица 2 . 4 Оценка немеханических видов неразрушающего контроля

при нарушении сплошности

Втабл. 2.4. для бетона и железобетона наибольшую оценку в определении сплошности имеют радиационный и радиоволновый методы неразрушающего контроля.

Втабл. 2.5. для бетона и железобетона наибольшую оценку в определении размеров имеют оптический и акустический виды неразрушающего контроля

140