1903

Метод исследования напряжений в оптически прозрачных изделиях с помощью поляризованного света, основан на моделировании изображений полем случайных величин. Геометрические и фотометрические характеристики изображений анализируются с позиций теории случайных процессов. Получаемые при этом статистические характеристики имеют четкий физический смысл, отражающий пространственную упорядоченность и функциональные свойства исследуемых структур, которые, в свою очередь, влияют на прочностные, электрические и оптические характеристики объектов контроля [421].

Поляризационно-оптические исследования, проведенные на нагруженных изгибающей нагрузкой, вплоть до полного разрушения, моделях армированных балок с естественно развивающимися трещинами в растянутой зоне, в которых бетон моделировался пьезооптическими материалами – композициями на основе эпоксидных смол, а также оптически чувствительным оргстеклом марки Э-2, а арматура – нихромовой проволокой [6] подтвердили следующие положения диаграммно-энергетической модели сопротивления железобетона, предназначенной для расчета прочности, жесткости и трещиностойкости армированных стержней [389]:

•после образования трещин нейтральный слой имеет волнообразный характер с вершиной волны над трещиной;

•в окрестности нормальной трещины, кроме напряжений х , возни-

кают напряжения у , сопоставимые по величине х ;

• вблизи трещины сечения искривляются, эпюра х имеет криволи-

нейный вид. Возникают значительные по величине касательные напряжения, имеющие двузначные самоуравновешенные в сечениях эпюры;

• на балках без трещин, гипотеза плоских сечений выполняется. Результаты экспериментальных исследований процесса деформиро-

вания и разрушения образцов из мелкозернистых бетонов кубической формы с помощью метода фотоупругих покрытий, показывает, что они разрушаются по площадкам сдвига от действия касательных усилий, но не от напряжений сжатия [6]. Сделано заключение о целесообразности пересмотра критериев прочности и методик расчета конструкций из композитных материалов, имеющих разные пределы прочности при растяжении и сжатии.

Однако, несмотря на высокую точность измерения стандарт по волоконной оптике ГОСТ 25462-82 [167] не содержит положения, относящиеся к области исследования строительных конструкций.

171

2.2.9. Тепловые, капиллярные и вибрационные методы

Своевременное выявление причин снижения термического сопротивления и соответственно увеличение теплового потока через ограждающие конструкции. является одной из основных задач обследования зданий и сооружений при оценке их теплозащитных качеств. В строительстве и экологическом мониторинге применяются пассивный и активный тепловой неразрушающий контроль (ТНК). Пассивный ТНК используется для обнаружения утечек тепла в зданиях, тепловизионного контроля качества покрытия и ограждающих стеновых конструкций, дистанционного контроля утечек тепла, обнаружения загрязнений на водных поверхностях, выявления тепловых аномалий и обнаружения пустот, а активный ТНК – для контроля теплопроводности строительных материалов, защитных ограждений и обнаружение пустот [421].

Одной из основных причин повреждения ограждающих конструкций является образование внутри них влаги, в результате резких колебаний температуры, способствующих выпадению конденсата. Тепловизионный (термографический) метод измерения температур ограждающих конструкций с помощью инфракрасной системы выявляет места конструкций с повышенной влажностью и засоленностью со сниженными теплозащитными характеристиками, согласно как отечественных стандартов ГОСТ 26254-84 [170], ГОСТ 26629-85 [171] и ГОСТ 25380-82 [166], так и зарубежных ACI 228.2R-98 «Неразрушающие методы контроля при оценке бетона в конструкциях», ISO 6781 «Качественное выявление теплотехнических нарушений в ограждающих конструкциях. Инфракрасный метод». Тепловизионные методы дистанционно определяют места скопления влаги в объектах по термографическому изображению, на котором зоны с повышенной интенсивностью испарения выглядят как менее нагретые [375].

Вибротепловизионный метод особенно перспективен для анализа изделий, работающих в условиях вибрации. Для объектов, подвергаемых циклическому механическому нагружению с частотой f, возрастание температуры от первоначальной ∆T после n циклов колебаний, совершаемых за время t определяется выражением [421]:

ческого напряжения.

С помощью экспериментальных исследований получены результаты, подтвердившие статистически устойчивый характер градуировочной зависимости «прочность бетона–параметр термоаккустической эмиссии

(ТАЭ) [346].

172

Капиллярные методы неразрушающего контроля диагностируют объекты любых размеров и форм, изготовленных из различных металлов и сплавов, пластмасс, стекла, керамики, а также других твердых неферромагнитных материалов. Они применяются как при течеипускании, так и в совокупности с другими методами при мониторинге ответственных объектов в процессе эксплуатации. Капиллярные методы подразделяются на основные, использующие капиллярные явления, и комбинированные. Капиллярные методы неразрушающего контроля в строительстве в России не стандартизированы, литературных данных исследований в периодической научной печати по данной тематике практически не встречается.

Выбор метода вибродиагностики зависит от структурного, функционального и вибрационного состояния строительного элемента. Классификация объектовконтроляиметодоввибродиагностикиприведенавтабл. 2.9 [421].

Таблица 2 . 9 Классификация объектов контроля и методов вибродиагностики

Анализ данных экспериментальных исследований, имеющихся в научной печати, показывает, что интегральные методы: вибрационный и пробных нагруженией не являются методами определения несущей способности. В то же время эти методы эффективно применяются для определения жесткости или уточнения расчетных схем строительных конструкций [640].

Заметное снижение интереса к интегральной оценке качества железобетонных изделий и конструкций, определяемой вибрационным методом неразрушающего контроля, как в России, так и в ближнем зарубежье объясняется значительной методической погрешностью контроля основных показателей качества готовых изделий, достигающей величины 15...20 % [551]. Методическая погрешность не только превышает достаточно высокую инструментальную точность измерений, но и дискредитирует саму возможность применения вибрационного метода для целей интегральной оценки качества железобетонных изделий.

173

2.3. Анализ механических методов неразрушающего контроля механических характеристик бетона

железобетонных конструкций в инертной среде

Вступивший в действие с 01.01.2010 г. ГОСТ Р 53231-2008 [188] регламентирует возможность определения прочности бетона по контрольным образцам, образцам, отобранным из конструкции, а также ультразвуковым

имеханическим методами неразрушающего контроля.

Вотличие от разрушающего контроля неразрушающий контроль отпускной и передаточной прочности бетона оперативно влияет на технологический процесс производства железобетонных изделий, позволяет своевременно корректировать состав, режимы виброуплотнения и термообработки бетона [213]. Неразрушающие методы определения прочности бетона стандартизированы [159]. Основным требованием к применению неразрушающих методов, как в России, так и за рубежом является привязка градупровочных зависимостей к конкретным испытываемым бетонам. В зарубежных странах «привязка» производится испытанием отобранных образцов из бетонных и железобетонных конструкций, а в России наиболее часто используется метод отрыва со скалыванием [295]. Определение прочности бетона механическими методами неразрушающего контроля регламентируется стандартами ГОСТ Р 53231-2008 [188] и ГОСТ 22 690 – 88 [159].

Примером эффективного применения механического неразрушающего контроля (НК) является расследование аварийной ситуации на ЗЖБИ Главюжуралстроя при извлечении внутренних стеновых панелей из кассетных установок и их транспортировки [214]. По данным неразрушающего контроля причиной является пониженная прочность бетона в зоне анкеровки монтажных петель, тогда как по техническому заключению лаборатории качества, прочность бетона контрольных кубов на момент распалубки соответствовала нормируемой отпускной прочности.

Склерометрический метод упругого отскока определения прочности бетона по ГОСТ 22690-88 [159] с помощью молотков Шмидта в отличие от стандартных разрушающих методов испытаний на кубиковую прочность характеризуются следующими качественными показателями:

•более короткими сроками проведения испытаний;

•отсутствием различий в условиях изготовления и в процессе набора прочности бетона;

•отсутствием потребности в значительном числе образцов (кубиков) для испытания.

Количество проведённых испытаний прочности бетона склерометрическим способом определяется в зависимости от точности получаемых результатов с учетом табл. 2.10 [375].

174

Таблица 2 . 1 0 Значения параметра Тк в зависимости от количества

Аномальные результаты испытаний определяются по формуле:

где Sm – среднее квадратическое отклонение результатов измерений,

Результаты испытания признаются аномальными и не учитываются при расчёте, если T Tк (Tк определяется по табл. 2.10).

Проведение обследований транспортных конструкций отличается высокой ответственностью, из-за значительной протяженности, массивности, сложной геометрической конфигурации и насыщенности арматурой. Результаты комплексного контроля прочности бетона, возведенных монолитных железобетонных стоек транспортной эстакады, сооруженной в 2004 г. в Москве, с помощью методов упругого отскока (склерометр Шмидта) и ультразвукового сквозного прозвучивания показывают, что степень корреляционной взаимосвязи «прочность – косвенная характеристика прочности бетона» для метода упругого отскока выше, а ее остаточное среднеквадратическое отклонение меньше, чем для метода сквозного ультразвукового прозвучивания [117].

Методы пластических деформаций, ударного импульса и упругого отскока считаются единственно возможными при проведении обследования состояния бетонных конструкций [669]. Массовое использование при проведении обследования состояния бетонных конструкций неразрушающих методов пластических деформаций, ударного импульса и упругого отскока в тоже время объясняется хорошей обеспеченностью соответствующими приборами, представляемых как зарубежными, так и отечественными производителями [669]. В то же время недостатками этих методов является косвенное определение результатов испытаний для каждого конкретного бетона. Для их устранения должен соблюдаться основной закон неразрушающего контроля в материаловедении, определяющий необходимость использования как минимум двух способов контроля, бази-

175

рующихся на разных физических принципах. В качестве второго дополнительного метода рекомендуется применять метод ультразвукового контроля прочности бетона по ГОСТ 17624-87 [150] и способ поверхностного прозвучивания бетонных конструкций на основании научных рекомендаций НИИЖБ МДС 62-2.01 «Методические рекомендации по контролю прочности бетона монолитных конструкций ультразвуковым методом способом поверхностного прозвучивания» и МДС 62-1.2000 «Рекомендации по статистической оценке прочности бетона при испытании неразрушающими методами» [669].

При использования контрольных бетонных образцов для установления градуировочных зависимостей стандарт ГОСТ 22690-88 [159] назначает применение для исследований не менее 15 серий образцов – кубов по ГОСТ 10180-90 [191]. Число образцов в серии, кроме ячеистого бетона, принимается по табл.2.11 в зависимости от случайного внутрисерийного коэффициента вариации прочности бетона ( s )

Для ячеистого бетона число образцов в серии принимают равным 3. Средний внутрисерийный коэффициент вариации прочности бетона s (%)

определяется расчётным путём по результатам испытания любых последовательных 30 серий образцов одного класса или не менее 30 отдельных образцов-кубов.

Среди методов определения прочности на сжатие тяжёлого и лёгкого бетона в конструкциях по упругому отскоку, ударному импульсу, пластической деформации, отрыву, скалыванию ребра и отрыву со скалываем согласно стандарта ГОСТ 22690-88 [159] наиболее точными и доступными по критерию возможности использования являются прямые неразрушающие методы определения прочности бетона «по отрыву со скалыванием» и «скалыванию ребра» [669]. Не менее достоверные результаты, по сравнению с образцами, извлекаемыми из конструкций, получаются методом отрыва со скалыванием, а в конструкциях с ортогональными гранями – методом скалывания, используя установленные ГОСТ 22690–88 [159] градуировочные зависимости [545]. При большом объеме контроля предлагается их комбинировать с более оперативными, предпочтительно ультразвуковым методом по ГОСТ 17624-87 [150], а при использовании поверхностного прозвучивания применять сухой точечный контакт, который не только удобнее, но и не вызывает затруднений, связанных с

176

непостоянством скорости прохождения ультразвуковых колебаний на разных базах.

Метод скалывания ребра является наиболее универсальным, позволяющий проводить испытания на густоармированных бетонных участках с обеспечением максимальной производительности. Недостатком метода является невозможность применения на круглых колоннах, где отсутствуют угловые соединения. В этих случаях предлагается использовать метод отрыва со скалыванием, который позволяет контролировать прочность бетона на глубине до 48 мм. Для приборов с такой глубиной заделки анкера в ГОСТ 22690-88 [20] дана точная градуировочная зависимость, поэтому метод отрыва со скалыванием, является единственным неразрушающим методом контроля, который считается эталонным наравне с кубами или кернами [669]. В то же время при контроле прочности бетона в местах приложения нагрузки должны использоваться методы отрыва со скалыванием и скалывания ребра конструкции [214].

Методы местных разрушений: отрыва со скалыванием, скалывания ребра и отрыва стальных дисков стандартизированы согласно ГОСТ 22690-88 [159] и характеризуются большей точностью по сравнению с другими методами неразрушающего контроля. Испытания методом отрыва со скалыванием производятся в соответствии с рекомендациями [498]. Рекомендуется сочетать метод скалывания ребра с высокопроизводительными методами ударного импульса или упругого отскока [213, 293].

При контроле прочности неармированного бетона эффективно применение методов с частичным разрушением бетона – отрыв со скалыванием, скалывание ребра и отрыв дисков, механических методов – пластической деформации, упругого отскока и ударного импульса, физических методов – ультразвукового и метода ударной волны. Наиболее точными являются методы с частичным разрушением бетона. Метод отрыва со скалыванием контролирует прочность бетона на глубине до 48 мм, определяемую глубиной заделки анкера [213, 293]. Несмотря на некорректность проведения испытаний методами неразрушающего контроля изделия или конструкции с большой плотностью армирования, высокой влажностью и карбонизацией поверхностных слоев, метод скалывания ребра позволяет проводить испытания на густоармированных участках железобетонных конструкций [293].

Фактором, затрудняющим использование механических методов НК с частичным разрушением бетона является количественная ограниченность выпускаемых современных моделей приборов в России, – «Скол» и «Отрыв», представляющих модификацию прибора ПОС-МГ4 [213].

Долговечность элементов железобетонных конструкций с учётом коррозионной сохранности арматуры определяется прочностью и устойчивостью к агрессивным внешним воздействиям поверхностного слоя

177

толщиной до 50 мм. Наиболее сложным является контроль бетона, испытывающего воздействие следующих агрессивных процессов [213]:

•химических (соли, кислоты, масла );

•термических (высокие температуры, замораживание в раннем возрасте, переменное замораживание и оттаивание в водонасыщенном состоянии);

•атмосферных (карбонизация поверхностного слоя).

Эти химико-физические факторы, воздействуя на поверхностные слои бетона, предопределяют удаление поверхностного слоя бетона на участке контроля с зачисткой поверхности оставшегося непоражённого бетона наждачным камнем при испытании прочности бетона только приборами, основанными на методах местных разрушений, либо путем отбора образцов [213].

По данным экспериментальных исследований [298] методы пластической деформации, упругого отскока и ударного импульса дают не достаточную информацию о фактической прочности бетона. В тоже время на основании результатов обследования конструкции пилона из монолитного железобетона, являющейся основанием для радиотелескопа, определена возможность применения метода пластической деформации в комбинации с отрывом со скалыванием, с учётом статистической оценки результатов испытаний [650]. Установлены:

•более низкая прочность бетона поверхностного слоя способствует менее интенсивному увеличению прочности бетона по глубине конструкции;

•влияние на снижение прочности поверхностного слоя бетона внешних условий: подмораживание наружного слоя, ранняя распалубка с отсутствием последующего увлажнения поверхностного слоя, а не ошибки в подборе состава бетонной смеси;

•возможность использования неразрушающие методов определения прочности бетона поверхностного слоя толщиной до 50 мм монолитных конструкций, а именно: пластических или упругопластических деформаций по размерам отпечатков на поверхности бетона под действием динамической нагрузки (эталонный молоток НИИ Мосстроя, пружинный прибор типа ХПС, маятниковый прибор ДПГ-4) и под действием статической нагрузки (приборы НИИЖБ и ПШВ-5); упругого отскока бойка после нанесения им удара по поверхности бетона (склерометры КМ и Шмидта); отрыва и скалывания бетона при выдергивании заделанного в него стального стержня или конуса.

Недостатками приборов, использующих прямо пропорциональную зависимость между поверхностной твердостью материалов и их прочностью: (пружинный прибор ПМ-2, эталонный молоток Кашкарова, молоток Физделя) и склерометрами, действие которых основано на прямо пропор-

178

циональной зависимости между прочностью материала и его упругостью (молоток Шмидта и прибор КМ (Киев-метрострой)), являются зависимость результатов определения прочности материала от его влажности [568]. Этого недостатка лишен прибор статического действия, предложенный Г.К. Хайдуковым [310]. Прочность бетона определяется по диаметру отпечатка, оставляемого на поверхности испытуемой конструкции сферическим штампом большого радиуса (15–20 см). Однако этот прибор неприменим в полевых условиях, из-за тяжести и наличия гидравлической насосной станции.

Для неразрушающего контроля прочности бетона в монолитном домостроении и при обследовании конструкций зданий и сооружений используются сертифицированные ударно-импульсные и ультразвуковые приборы в сочетании с приборами отрыва со скалыванием ребра или отрыва стальных дисков [214]:

•отрыва со скалыванием, скалывание ребра, отрыв стальных дисков – приборы типов ПОС-50МГ4, ПОС-30МГ4 «Скол» и ПОС-50МГ4 «Скол».

Приборы типа ПОС позволяют производить испытания бетона прочностью до 100 МПа. Погрешность определения усилия – не более 2 %.

•отрыва стальных дисков – прибор ПОС-30(50)МГ4 или адгезиметр типа ПСО-10МГ4 с предельным усилием отрыва 10 кН;

•ударного импульса – прибор типов ИПС-МГ4.01, ИПС-МГ4. 03.

В тоже время, при использовании ударно-импульсных приборов типов ИПС-МГ4.01, ИПС-МГ4. 03 контролируемая поверхность должна иметь шероховатость не более Ra 25. Для контроля прочности ячеистых бетонов в диапазоне 0,5...8 МПа используется прибор ПОС-2МГ4-П, основанный на методе вырыва спирального анкера.

Прочность раствора в швах железобетонных конструкций и кирпичной кладки эффективно определяется прибором, измеряющим прочность бетона по его твердости с помощью вдавливания конического индентора в поверхность конструкции под действием статического нагружения [568].

Задача уменьшения степени неопределенности, получаемой при измерении результата с учётом того, что коэффициент вариации прочности бетона зависит не только от естественной неоднородности бетона, но и от метода его определения, каждый из которых сам по себе в той или иной мере обладает вариацией ошибок измерения, сводится к использованию следующих приемов [349]:

•увеличению количества измерений;

•минимизации дисперсии ошибки прибора, выражающейся в уточнении тарировочной кривой и выборе способа измерения;

•применению двух или более способов измерения одной и той же величины.

Необходимое количество измерений принимается в зависимости от статистики измеряемой величины (среднее, дисперсия), от предполагае-

179

мого коэффициента ее вариации, от необходимой точности получения результата и от допускаемой вероятности ошибки (табл. 2.12).

Таблица 2 . 1 2 Необходимое количество опытов для получения достоверных результатов

(с ошибкой не более ±10 %)

бетона, полученных в экспериментальных исследованиях МГСУ, СамГАСА, Киевского ИСИ, Санкт-Петербургского ГАСУ, в виде соответствующих рассчётных статистических характеристик отношения Rоп Rт , где Rт –

прочность бетона, определенная по уравнению регрессии, установленного с помощью ультразвукового метода, приведены в табл. 2.13 [349].

Наилучший результат получен для оценки прочности бетона методом скалывания. Коэффициент вариации отношений в среднем составляет 8,5 %, что удовлетворяет требованиям ГОСТ 17 624-87 [150], в соответствии с которым коэффициент вариации исследуемых отношений не должен превышать 12 %. Надежность полученного среднего значения W оценивается, как вероятность попадания Rоп Rт в интервал 0,9-1,1 (табл. 2.14)

[349].

Определение прочности бетона параллельными методами, приводящее к увеличению количества одновременно используемых способов измерений, уменьшает вероятность появления ошибок при измерении.

180