Методы исследования строительных материалов

6) скалывания ребер, заключающийся в скалывании бетона по ребру конструкции с определением усилия и глубины скалывания.

Методика проведения испытаний и подготовка к ним изложены в ГОСТ 22690-88 "Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля".

Теоретические основы методов пластический деформации и метода отскока. Если на материал передавать усилие через шарик (рис. 3.23, а), оно будет восприниматься контактной площадкой. Величина ее зависит от усилия (F), радиуса шарика (R) и поверхностной твердости материала. В зоне контактной площадки возникают напряжения и деформации, величина которых неодинакова на различной глубине поверхности площадки контакта

где R - радиус шарика;

Е \ и Е 2 ~ модуль упругости материала и шарика.

Полная работа, затраченная при статическом воздействии на шарик, будет

A=AI+A2+A з , (3.38)

где А\ - работа, затраченная на пластическую деформацию; А2 - Т О же, на упругую деформацию; Аз - работа, затраченная на преодоление сил трения.

На величину отпечатка при механическом воздействии оказывают влияние такие факторы, как время выдержки под нагрузкой, сила трения между бетоном и прибором, диаметр шарика и величина усилия.

190

Рис. 3.23. Схема воздействия на материал при определении прочности методом пластической деформации (а) и методом упругого отскока (б)

Рассмотрим упругий отскок. Если с высоты hj (рис. 3,23, б) на поверхность образца падает шарик, то после падения и удара он возвращается на высоту h2. Отношение h2! h,< 1 характеризует коэффициент восстановления, который будет:

(3.39)

На величину коэффициента восстановления влияет масса шарика и высота падения. Для получения достоверных результатов необходимо, чтобы величина коэффициента К находилась в пределах 0,4-0,7. Работа, затраченная при динамическом воздействии, определяется:

где А], А2 и А3- ТО же, что в формуле (3.38); А4 - работа, затраченная на увеличение свободной поверхности

бетона; А$ — работа на преодоление сопротивления воздуха;

А6 - работа, поглощаемая в результате вибрации образца.

3.4.1.Метод пластической деформации

Воснову работы приборов положен принцип получения отпечатка (лунки) от шарика или бойка на поверхности материала под действием определенной силы и измерении диаметра или глубины полученной лунки. По конструкционному исполнению приборы разделяют на две группы:

191

динамические нагрузка на шарик передается сосредоточение ударом молотка или ударом рабочей пружины;

статические - нагрузка на шарик передается равномерно с возрастающим усилием.

Наиболее простым в испытаниях прибором динамического действия является молоток системы И.А. Фиаздёля. Масса его ударной части 250 г, которая заканчивается стальным шариком диаметром 17,48 мм. Методика испытаний:

-выбирают наиболее гладкую и чистую поверхность бетонного изделия;

-намечают точки удара и наносят 6-10 локтевых ударов;

-замеряют дг метр лунок и по тарировочной кривой определяют прочность бетона, которая будет приближенной, так как трудно обеспечить удары с одинаковой силой.

В отличие от указанного прибора в молотке К.П. Кашкарова имеется эталонный стержень диаметром 12 мм из стали марки СтЗсп2

содним заостренным концом (рис. 3.24). Длина стержня 150 мм. После ударов о поверхность бетона замеряют диаметр отпечатка на

бетоне с/б и стержне dc. Косвенной характеристикой для определения прочности бетона является отношение диаметров отпечатка на бетоне и эталонном стержне. Погрешность в определении прочности этим молотком составляет 10-15%, так как его устройство позволяет исключить влияние силы удара на результаты измерений.

Следующим видом широко распространенных приборов динамического действия являются пружинные молотки. Состоят они из цилиндрического корпуса, внутри которого находится подвижный стержень, заканчивающийся полукруглой оправой. В корпусе имеется пружина, с помощью которой производится удар бойком о поверхность бетона. Замеряется диаметр лунки и по тарировочной кривой определяется прочность. Приборы позволяют определять прочность бетона в пределах 5-60 МПа.

К приборам статического действия относятся прибор Г.К. Хайдукова и соавторов, а также прибор М.А. Новгородского. В приборе Г.К. Хайдукова штамп вдавливается в бетон гидравлическим цилиндром. В зависимости от проектной марки бетона выбирается радиус штампа и усилие вдавливания. По диаметру отпечатка штампа по градуировочной кривой определяют прочность бетона на сжатие.

192

Рис. 3.24. Схема молотка К.П. Кашкарова (а) и примерный тарировочный график определения прочности эталонным молотком (б): 1 - корпус; 2 - металлическая рукоятка с насаженной резиновой ручкой; 3 - эталонный стержень; 4 - шарик

В приборе системы М.А. Новгородского (рис. 3.25) усилие в 100 Н передается на бетон через стержень с наконечником путем нажатия на стакан, который сжимает пружину. Углубление наконечника фиксируется индикатором с точностью до 0,01 мм. Величина углубления устанавливается как среднее арифметическое нескольких определений. Прочность бетона определяется по тарировочной зависимости "углубление-пределпрочности на сжатие". Преимущество такого прибора состоит в большой точности отсчета углубления наконечника в бетон. Не требуется дополнительных измерительных приборов (микроскопов, штангенциркулей и др.).

E S p f ^

X 7 I

Рис. 3.25. Схема прибора системы М.А. Новгородского: 1 - трубчатый корпус; 2 - нажимной стакан; 3 - пружина;

4 - индикатор часового типа; 5 - наконечник с углом заточки 60°

193

3.4.2. Метод упругого отскока

Определение прочности бетона методом упругого отскока (УО) основано на эмпирический зависимости между упругостью бетона и его прочностью. При измерении отскока используют ту часть энергии удара, которая временно накапливается как упругая деформация на бетонной поверхности. От поверхностной твердости зависит и величина обратной реакции при ударе. С увеличением твердости бетонной поверхности будет и больше величина отскока, потому что возрастает та часть энергии удара, которая определяет отскок.

Для определения прочности методом отскока применяют молоток (склерометр) Шмидта. Прибор состоит из металлического круглого корпуса, внутри которого имеется сердечник-боек и пружина. Наконечнику бойка пружиной сообщается при каждом измерении одинаковая энергия. Прибор располагают так, чтобы усилие прикладывалось перпендикулярно к испытываемой поверхности. Нажимают на корпус прибора до тех пор, пока боек не скроется в нем и не освободит его от защелки.

Под действием пружины боек наносит удар по ударнику и отскакивает от действия ударных сил в обратном направлении по определенной линии, на которой нанесена шкала. Шкала разделена на 100 одинаковых делений. Отсчет ведется в целых делениях. Тарировку прибора производят при его горизонтальном расположении. При измерении на наклонных поверхностях необходимо делать поправку, которая зависит от угла наклона оси прибора относительно горизонтали.

Для тарировки прибора изготавливают образцы-кубы параллельно с бетонированием конструкции. Изменяя незначительно водоцементное отношение, достигают диапазона изменения прочности в пределах 8-10 МПа. Перед испытанием образцы-кубы закрепляют в прессе, проводят 10 испытаний стеклометром, а затем определяют прочность на сжатие, разрушая их нагрузкой на прессе. По результатам испытаний строят калибровочную кривую "прочность на сжатие - величина отскока".

Кроме молотка Шмидта, для определения прочности методом отскока широко используют аналогичный прибор КМ, разработанный Киевметростроем.

Третьим типом прибора для определения прочности бетона методом УО является маятниковый прибор системы В.В. Царицына,

Ю.Е. Корниловича, Я.Э. Осодчука (рис, 3.26).

194

Рис. 3.26. Схема маятникового прибора (а):

1 - бетон; 2 - маятник; 3 - боек; 4 - шкала; 5 - ручка прибора и график для определения прочности бетона в зависимости от глубины проникания бойка (б):

1 - экспериментальная зависимость для бойка 1, 2 - то же для бойка 2

Принцип определения прочности бетона основан на измерении угла отскока шарнирно закрепленного маятника, падающего с определенной высоты и ударяющегося о боек с определенной силой. Маятник отскакивает от бойка на некоторый угол, который и фиксируется на шкале. По тарировочной зависимости "прочность бетона - угол отскока" оценивают прочность бетона на сжатие.

3.4.3.Метод ударного импульса

Вметоде ударного импульса (УИ) при определении прочности бетона косвенной характеристикой является энергия удара. Применяют приборы типа ВСМ с энергией удара 0,1 Дж, типа Ц-22 Киеворгстроя (энергия удара 0,8-8 Дж) и приборы типа А-1 с энергией удара 2-4 Дж. Приборы при испытании располагают так, чтобы усилие прикладывалось перпендикулярно испытываемой поверхности.

Расстояние до арматуры от места испытания должно быть не менее 50 мм. По величине среднего значения косвенной характеристики на участке конструкции оценивают прочность бетона по тарировочной зависимости. Метод УИ позволяет определять прочность бетона на сжатие в пределах 10-70 МПа.

3.4.4. Метод отрыва

При испытании методом отрыва (МО) на очищенную бетонную поверхность с помощью синтетического клея крепят стальной диск диаметром 50-60 мм. В месте его приклейки снимают поверхностный

195

слой на глубину 0,5-1 мм. Поверхность очищают от пыли. Диск приклеивают к бетону и после отвердевания клея прибор для отрыва соединяют с диском. Плавно увеличивают нагрузку и в момент отрыва фиксируют показание силоизмерителя прибора.

Измеряют площадь проекции поверхности отрыва на плоскости диска и вычисляют значение условного напряжения в бетоне при отрыве, по которому и оценивают прочность бетона. Если при отрыве бетона была обнажена арматура или площадь проекции поверхности отрыва составляла менее 80% площади диска, результаты испытаний не учитывают. В методе отрыва используют приборы марок ГПНВ-5, ГПНС-4, ГПНС-5, ПИБ.

3.4.5. Метод отрыва со скалыванием

Прочность бетона методом отрыва со скалыванием (ОС) определяют путем местного разрушения бетона при вырывании из него специального анкерного устройства (анкера). Анкеры закладывают в бетон при бетонировании конструкции или сверлят в нем шпуры (отверстия). Размеры отверстий выбирают в зависимости от типа прибора для испытания и типа анкера.

Прибор соединяют с анкером и увеличивают нагрузку до момента выкалывания бетона в зоне анкера. По величине усилия в момент отрыва со скалыванием судят о прочности бетона на сжатие, если для соответствующего состава бетона на образцахкубах определены прочность на сжатие и усилие отрыва со скалыванием.

Метод ОС позволяет оценивать прочность на сжатие в пределах от 5 до 100 МПа. Участки для испытаний должны располагаться в зоне наименьших напряжений при эксплуатационных нагрузках. Следует отметить, что метод ОС не позволяет определять прочность

втонкостенных и предварительно напряженных конструкциях.

3.4.6.Метод скалывания ребер

При использовании метода скалывания ребер (CP) для определения прочности бетона определяют усилие скалывания ребра конструкции. Для проведения испытаний выбирают участки без трещин, отколов, наплывов или раковин высотой (глубиной) более 5 мм. Закрепляют

196

на конструкции прибор типа ГПНС-4 со скалывающим устройством. Прикладывают нагрузку и фиксируют показание силоизмерителя прибора. Измеряют фактическую глубину скалывания. Если при скалывании бетона была обнажена арматура и фактическая глубина скалывания отличается от заданной более чем на 2 мм, результаты испытания не учитываются. Метод CP позволяет оценивать прочность бетона на сжатие в пределах 5-70 МПа.

3.4.7. Комплексный метод

Сущность комплексного метода состоит в определении прочности на сжатие по двум характеристикам: прочности на совместный отрыв со скалыванием и статической поверхностной твердости. На рис. 3.27 приведена схема гидравлического пресснасоса. Прочность бетона определяют по величине усилия, необходимого для вырывания анкерного устройства (разжимного конуса или стержня), а также по диаметру отпечатка на поверхности бетона при вдавливании в нее стальных шариков усилием 10 кН.

Рис. 3.27. Принципиальная схема определения прочности бетона гидравлическим пресс-насосом:

1 - бетон; 2 - анкер; 3 - гидравлический домкрат; 4 - манометр; 5 - ручка гидродомкрата; 6 - опорные шарики

Последовательность проведения испытаний следующая: прикладывают нагрузку, равную 10 кН; прикладывают усилие до вырывания анкера; определяют прочность бетона по зависимостям: "прочность - усилие отрыва" и "прочность-диаметр отпечатка".

197

3.4.8. Ускоренные методы определения прочности бетона

Для ориентировочной оценки качества бетона в бетонных и железобетонных конструкциях применяют ускоренные методы - метод простукивания и метод треста "Магнитостроя". Метод заключается в простукивании обычным молотком или же царапании металлическим зубилом по поверхности бетонного изделия. Метод простой, но довольно грубый и дает приближенную оценку прочности бетонов низких марок. Если при ударе молотком звук глуховатый, остается вмятина глубиной 5 мм, бетон крошится или при царапании зубилом оно погружается на глубину 1-1,5 мм, прочность бетона соответствует маркам 50-100. Для бетона марки 200 звук звонкий, металлический, а при царапании зубилом остаются малозаметные штрихи.

Метод треста "Магнитострой" заключается в забивании в бетон с помощью пистолета СМП-1 стального дюбеля диаметром 5,5 мм, длиной 60 мм. После выстрела из пистолета замеряется выступающая часть дюбеля и определяется глубина его проникания. По ней и оценивают прочность бетона. Этот метод нельзя применять для тонкостенных конструкций.

3.4.9. Факторы, влияющие на определение поверхностной твердости

На определение прочности по поверхностной твердости бетона в значительной степени влияет вид и крупность заполнителей бетона, технология изготовления и материал опалубки, возраст и влажность бетона, состояние его поверхности после длительных воздействий окружающей среды (мороза, газов, солей, щелочей). Так, при испытании увлажненного бетона значение его предела прочности на сжатие в изделиях и конструкциях определяют по формуле

где Kw - поправочный коэффициент, учитывающий повышенную влажность бетона;

RT.k - значение предела прочности при сжатии по тарировочной кривой.

198

Значение KW принимают для бетона естественной влажности, равным 1,1; увлажненного 1,2; полностью насыщенного 1,4.

Влияние возраста бетона на его прочность учитывается по формуле

где К, - поправочный коэффициент, учитывающий возраст бетона. Значение его для бетона термовлажностной обработки в возрасте 3-360 сут изменяется от 1,05 до 0,75. Для бетона естественного твердения соответственно от 1,3 до 0,90;

R28t.k - предел прочности бетона в возрасте 28 сут по тарировочной кривой.

3.5. Радиационные методы

Физические основы радиационных методов, их классификация. Радиационные методы неразрушающего контроля основаны на регистрации и анализе проникающих излучений через контролируемый материал. Используют законы атомной физики, а точнее законы взаимодействия ядерных излучений. Источниками радиоактивного излучения являются радиоактивные элементы, рентгеновские аппараты и электрофизические ускорители (бетатроны).

Различают три вида радиоактивных излучений: альфа-, бета- и гамма-излучения. Лучи, отклоняющиеся в магнитном поле в сторону отрицательного полюса, называют альфа-лучами, а отклоняющиеся в сторону положительного полюса - бета-лучами. На гамма-лучи магнитное поле не действует. Радиоактивный источник характеризуют числом ядер, распадающихся в единицу времени, что и определяет активность радиоактивного источника. За единицу активности принимается беккерель (Бк). Один Бк соответствует 1 распаду в 1 с. Ранее применялась единица активности кюри (Ки), которая соответствует 3,7-1010 распадов в 1 с. Следовательно, 1 Бк = 2,61-1011 Ки.

Радиационное излучение при взаимодействии с окружающей средой вызывает определенные физические эффекты, одним из которых является ионизация. Взаимодействие со средой оценивают дозой излучения. Доза это суммарное число образовавшихся пар ионов в единице сухого воздуха. Единицей дозы излучения для рентгеновского и гамма-излучения является 1 грэй (Гй). Ранее за единицу дозы излучения принимали "рентген" (Р). Рентген - это

199