Основы метрологии и контроль качества в строительстве

Абсолютная погрешность Fс имеет две составляющие: Fс,s – погрешность измерения ординаты совместной диаграммы нагруже-

ния, и Fs – погрешность измерения ординаты диаграммы нагружения упругого элемента. Погрешность измерения ординаты совмест-

ной диаграммы нагружения Fс,s будет содержать неисключенную систематическую погрешность, обусловленную непостоянством распределения силы пресса Fc,s = Fc + Fs между образцом и упругим элементом. Распределение сил будет зависеть от ряда факторов, в частности от вариации размеров испытательного образца. Кроме погрешности измерения силы Fc, будет присутствовать дополнительная погрешность измерения деформации образца с,add, обусловленная вариабельностью механического контакта передаточных призм 3 (рис. 6.2, а) с плитами пресса. Указанные составляющие погрешности будут тем больше, чем большее усилие развивает пресс. Поэтому показатель упругости Fs/ дополнительного элемента 4 следует выбирать из условия его минимального превышения по модулю ве-

личины Fс/ нисходящей ветви испытуемого образца. Разумеется, указанные погрешности можно минимизировать, ес-

ли относительную деформацию определять непосредственно на испытуемом образце, что потребует дополнительного измерительного оборудования – тензорезисторов или иных прецизионных датчиков перемещения, а силы измерять раздельно – приложенную к образцу и приложенную к упругому элементу. Такое решение радикально повысит точность измерений, но потребует создания специализированного испытательного оборудования.

Процессы накопления дефектов, развития микротрещин, их преобразования в макротрещины и последующий распад бетона на отдельные фрагменты происходят не мгновенно, а имеют заметную временную протяженность, то есть носят кинетический характер42.

42 Рассматривая любой макропроцесс как последовательность большого числа микро- и нанопроцессов, можно предположить, что и процесс образования и развития дефектов в твердом теле, и бетоне в частности, является следствием длинной последовательности межмолекулярных взаимодействий – разрыва и образования связей между ними. Эта цепочка (или цепочки) молекул выполняют функцию счетчика времени, единицей измерения для которого служит время образования (разрыва) связи для пары или группы молекул.

121

Поэтому важным фактором, влияющим на результаты испытаний бетонных образцов на одноосное сжатие, является скорость приложения нагрузки: диаграммы деформирования образцов одного состава бетона, полученные для разных скоростей приложения нагрузки (диаграммы 2 и 3, рис. 6.1, а) могут заметно отличаться43. Описание этой особенности поведения бетона возможно с привлечением так называемых реологических моделей.

Таким образом, стремление к более точному описанию физикомеханических свойств бетона приводит к расширению перечня характеристических параметров, который, надо полагать, никогда не будет исчерпывающим. Какими бы параметрами мы ни ограничивались при описании прочностных свойств бетона, речь всегда может идти только о той или иной модели – идеализированном представлении его поведения в определенных условиях со всеми ограничениями и неточностями, присущими любой модели44. Подбор характеристических параметров определяется конкретным назначением формируемой модели бетона. Если производится расчет по действующим нормативам несущей способности какой-либо типовой железобетонной конструкции, то прочностная модель бетона для конструктора обычно ограничивается показателем класса бетона по прочности и модулем упругости бетона. Если оценивать склонность бетона к хрупкому разрушению, например, при расчете каркаса здания на прогрессирующее обрушение, то модель бетона придется уточнить введением в нее дополнительных макропараметров – коэффициентов интенсивности напряжения, динамической вязкости, параметров ветвей диаграммы диформирования и др. Выбор характеристических параметров бетона выходит далеко за рамки метрологии в ее классическом понимании и является прерогативой специализированных дисциплин: бетоноведения, механики разрушения и др.

43Согласно ГОСТ 10180 [10] скорость увеличения нагрузки на испытуемый образец нормируется значением ~3 МПа/с.

44Это касается любого объекта и научного подхода к его рассмотрению. Известно высказывание Н. Винера (крупного математика и популя-

ризатора кибернетики): «…полным описанием предмета является сам предмет».

122

6.1. Контроль прочности бетонажелезобетонныхконструкций испытанием образцов

Прочностные показатели бетона, полученные по результатам испытаний образцов, характеризуют лишь бетон образцов, даже если они изготовлены из бетона того же состава, что и конструкция. Распространить эти показатели на бетон конструкции можно только с изрядной долей вероятности, поскольку условия укладки, уплотнения и выдерживания бетона крупноразмерной конструкции и малоразмерного испытательного образца заметно отличаются. Поэтому в строительном производстве всегда были востребованными методы испытаний бетона непосредственно в изготовленной бетонной или железобетонной конструкции. Самым простым и эффективным, на первый взгляд, можно считать метод, основанный на испытании образцов бетона, выпиленных или высверленных из массива контролируемой конструкции. Такой метод существует и регламентируется ГОСТ 28570 [14]45. На рис. 6.3 показано типичное оборудование для отбора кернов из массива железобетонной конструкции, основным элементом которого является трубчатое сверло, на рабочей кромке которого имеется слой алмазного напыления.

Этот метод испытаний является базовым и наиболее точным, но используют его в практике строительства относительно редко. Дело

втом, что в соответствии с ГОСТ 28570 размеры (диаметр и высота) высверленного испытательного образца-керна должны в несколько раз превышать размер зерна крупного заполнителя. Для тяжелого конструкционного бетона диаметр керна рекомендуется брать порядка 100 мм. А чтобы получить полноценный образец-цилиндр высотой 100 мм, глубину высверливания приходится брать больше – около 150 мм. Изъятие фрагмента бетона таких размеров из конструкций малого сечения – колонн, балок и других приведет к существенной потере их несущей способности. Кроме того, отбор керна

втаких конструкциях зачастую представляет собой непростую задачу

45 Постановлением Госстандарта РБ № 79 от 13.12.2012 с 01.09.2013 введен в действие СТБ EN 12504-1–2012 «Методы контроля бетона в конструкциях. Часть 1. Цилиндрические образцы. Отбор, проверка и проведение испытаний на сжатие».

123

из-за густого армирования: затруднительно найти участок необходимых размеров, свободный от арматуры.

Рис. 6.3. Оборудования для отбора кернов: а – трубчатые сверла; б – станочный буркер

Другой проблемой при использовании этого метода испытаний является низкая репрезентативность (статистическая обеспеченность) выборки данных из-за невозможности отбора большого количества кернов из конструкции, что вынуждает в расчетах неопределенности результата испытаний использовать большие значения коэффициента доверия. Поэтому применение метода испытаний отобранных из бетонного массива образцов ограничивается, как правило, случаями, когда оценки прочности бетона конструкции другими методами имеют большие расхождения. Указанный метод незаменим для экспертных оценок прочности бетона, когда требуется высокая надежность оценки, а наносимые при испытаниях повреж-

124

дения не имеют значения, например, при обследовании разрушенных конструкций.

Частично указанные проблемы решаются использованием неразрушающих методов испытаний.

6.2. Неразрушающие механические методы испытаний прочности бетона

Метод отрыва со скалыванием46 можно назвать методом ло-

кального разрушения, поскольку повреждения конструкции при испытаниях имеют место, но они значительно меньше, чем при отборе кернов. Оценка прочности бетона на сжатие производится по усилию вырывания анкера (рис. 6.4, 6.5, Д.1), установленного в высверленное в бетоне глухое отверстие – шпур. Показатель прочности бетона fc,cube находят по формуле

где m1 – коэффициент, учитывающий максимальный размер крупного заполнителя в зоне вырыва, принимается равным 1 при крупности менее 50 мм и 1,1 – при крупности 50 мм и более;

m2 – коэффициент пропорциональности для перехода от усилия вырыва к прочности бетона;

Р – сила вырыва анкерного устройства, кН.

Типичная конструкция анкера содержит разжимной конус 1 (рис. 6.4) и радиально расположенные вокруг конуса сегментные щеки 2, выполненные из закаленной стали.

Щеки удерживаются обоймой 3 и могут свободно перемещаться относительно друг друга в пределах нескольких миллиметров. Наружная поверхность щек рифленая. Диаметр высверливаемого шпура делается несколько большим, чем диаметр собранного анкера,

46 Методы контроля бетона по классификации ГОСТ 18105–2010 [15] разделены на три группы: разрушающие, прямые неразрушающие, косвенные неразрушающие. К разрушающим относится метод контрольных образцов и образцов, отобранных из конструкции. Группа методов отрыва (отрыва, отрыва со скалыванием и скола ребра) относится к косвенным неразрушающим.

125

поэтому анкер в шпур устанавливается свободно. При вытягивании разжимного конуса щеки расходятся и, упираясь в стенки шпура рифленой поверхностью, входят в сцепление с бетоном. Возникшая сила трения между щеками анкера и бетоном такова, что при дальнейшем увеличении силы Р анкер не может выйти из бетона. При достижении силой Р значений порядка 10–50 кН (табл. 6.1) происходит отрыв анкера вместе с окружающим его фрагментом бетона, а на поверхности испытуемой конструкции остается коническая лунка (рис. 6.6, б). Сила отрыва создается либо гидравлическим, либо винтовым домкратом. Перечень приборов, реализующих данный метод, включает в себя: «ОНИКС-1.ОС» (НПП «Интерприбор» г. Челябинск) и приборы серии СКОЛ.

Рис. 6.4. Схема метода отрыва со скалыванием; конструкция анкера:

а– конструкция анкера и схема отрыва; б – схема анкера с кольцевым выступом; 1 – рабочий стержень с разжимным конусом; 2 – сегментные рифленые щеки;

3 – обойма; 4 – кольцевой выступ

Фактором, вносящим заметную неопределенность в оценку прочности бетона, является неустойчивое зацепление анкера с бетоном: сила трения распределяется неравномерно по длине шпура, из-за чего размеры конуса отрыва – его глубина и диаметр – могут заметно отличаться даже на соседних участках одной и той же конструкции.

126

В некоторых моделях приборов, в частности «ОНИКС-1.ОС», с целью стабилизации контакта анкера и бетона, в донной части шпура специальным приспособлением делают кольцевой паз, а щеки анкера имеют на концах выступы, заходящие в паз шпура (см. рис. 6.4, б). Такое решение стабилизирует положение поверхности отрыва и снижает разброс оценок прочности до уровня 10–15 %.

Рис. 6.5. Рабочая позиция установки измерителя прочности бетона ПОС-50МГ4У: 1 – рама домкрата с силоизмерителем; 2 – опоры домкрата; 3 – захват;

4 – переходник захвата; 5 – анкер; 6 – конус отрыва бетона

127

Рис. 6.6. Контроль прочности бетона монолитной колонны:

а– установленный в шпур анкер;

б– лунка на поверхности после отрыва анкера

Для метода скалывания ребра (рис. 6.7) прочность бетона определяется по формуле

где m – коэффициент, учитывающий максимальный размер крупного заполнителя, принимается равным 1 при крупности заполнителя менее 20 мм; 1,05 – при крупности заполнителя от 20 до 30 мм

и1,1 – при крупности от 30 до 40 мм;

Р– сила скалывания, кН.

Скол ребра создается анкером в виде крюка специальной формы 1 (рис. 6.7), имеющим твердосплавный «зуб». Форма и размеры крюка подобраны так, что угол действия силы и объем бетона скола остаются постоянными. Это обстоятельство позволяет без какихлибо дополнительных измерений перейти по формуле (6.3) от величины силы скола к прочности бетона.

128

от метода испытаний, предусмотрена возможность ввода следующих корректирующих параметров, учитывающих вид бетона, условия его твердения, крупность заполнителя, типоразмер анкера. В табл. 6.1 приведены основные характеристики прибора.

Все приборы этого метода применяются в ответственных случаях при обследовании железобетонных конструкций и сооружений, а также для корректировки калибровочных коэффициентов ударноимпульсных и ультразвуковых приборов. Высокая трудоемкость метода и сопутствующие его применению повреждения испытуемых конструкций не позволяют использовать методы отрыва на строительной площадке в качестве основного средства технологического контроля бетона возводимых железобетонных конструкций.

Склерометрические методы испытания бетона предполагают не-

значительное повреждение его поверхностного слоя при вдавливании сферического или иной формы индентора (англ. indent – вмятина,

130