Випробування будівельних конструкцій неруйнівними методами.

1.1. Механічні методи випробування:

1.1.1. визначення міцності матеріалів висмикуванням анкерів, методами сколювання і відриву;

1.1.2. метод пластичних деформацій;

1.1.3. методи пружного відскоку і ударного імпульсу.

Література:

1, стор. 128-145;2, стор. 70-86,

ГОСТ 22690-88. Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля.

1. Контролювати якість будівельних матеріалів, виробів та конструкцій можна двома способами. Перший із них повязаний з виявленням межі несучої здатності обєкта, після якої досліджувані конструкції остаточно руйнуються. Цей спосіб ефективний і необхідний під час стандартних випробувань зразків, дослідженні моделей конструкцій та їх фрагментів. Що стосується реальних обектів, то руйнування їх з метою виявлення межі несучих властивостей економічно невиправдано. Тут велику увагу приділяють неруйнівним методам випробувань, які мають певні переваги, а саме: 1) збереження цілісності контрольованої конструкції або виробу, тобто під час випробувань не пошкоджують конструкцію чи виріб, а отже, не знижують їх несучу здатність; 2) можливість багаторазового випробування зразка чи конструкції в часі як в процесі виготовлення, так і в період експлуатації. Це дає можливість отримати точніші значення характеристик і встановити залежність зміни шуканого показника у часі; 3) порівняно мала трата часу на проведення досліджень; 4) можливість визначення необхідної характеристики в будь-якій доступній точці.

Поряд з вказаними перевагами неруйнівний метод має недолік  результати випробувань отримують не безпосередньо у вигляді шуканого фактора, яким може бути межа міцності, густина, модуль пружності матеріалу, а у вигляді побічних показників, якими є швидкість проходження ультразвуку, діаметр відбитка та ін. Ця обставина потребує додаткового встановлення взаємозвязку між показником, отриманим експериментально, та шуканою характеристикою (наприклад, швидкість проходження ультразвуку  межа міцності бетону).

Для класифікації неруйнівних методів необхідно врахувати ту фізичну основу, на базі якої розроблений метод випробування. Слід виділити механічні (фізико-механічні властивості матеріалів визначаються в результаті механічної дії на матеріал), акустичні (використовується звук різної частоти), радіаційні (проникаюче випромінювання дає можливість знайти дефекти та визначити показники міцності матеріалів), магнітні й електричні методи, методи інфрачервоної дефектоскопії.

1.1. Метод висмикування попередньо (під час бетонування конструкції) замонолічених або встановлених пізніше анкерів відноситься до методів місцевого руйнування і базується на залежності сили висмикування від міцності бетону.

Під час випробувань за допомогою гідравлічного прес-насосу ГПНВ-5 із тіла бетону 2 (рис. 5,а) висмикується анкер 1 та фіксується величина сили F, при якій анкер був висмикнутий. Межа міцності бетону на стиск визначається як

, (1)

де k  коефіцієнт, що визначається за ГОСТ 22690-88 і залежить від виду та умов твердіння бетону, типу та глибини занурення анкерного пристрою, передбачуваної міцності бетону; m  коефіцієнт, що дорівнює 1,0 при розмірах крупного заповнювача до 50 мм і 1.1  при більших його розмірах; F  руйнуюча сила в кН.

а) б)

Рис. 5. Визначення міцності бетону: а  висмикуванням анкера (1  анкер, 2  бетон); б відривом від поверхні бетону дисків (1  сталевий диск, 2  шар клею, 3  бетон)

Принцип дії приладу ГПНВ-5 (рис. 6, б) полягає в наступному. Обертаючи ручку приладу, опускають поршень 1 насосу 2. При цьому масло подається по маслопроводу 3, 4 в робочий циліндр 5. Під тиском масла робочий поршень 6 піднімається, стискуючи зворотну пружину 7. Зміщуючись уверх, поршень 6, зєднаний за допомогою спеціального штоку і підвісної муфти з анкером, вириває останній із бетону. Манометр 8 фіксує тиск на робочий поршень. Зворотна пружина після висмикування стрижня забезпечує зворотній хід поршня. Анкер має на одному кінці потовщення, завдяки якому відбувається сколювання бетону, а на іншому  нарізку, за допомогою якої зєднується з приладом.

а)

б) в)

Рис. 6. Прилад ГПНВ-5: а  загальний вигляд; б  схема приладу в початковому (зліва) і в робочому (справа) положеннях (1 поршень; 2  насос; 3 , 4  маслопроводи; 5  робочий циліндр; 6 робочий поршень; 7  зворотна пружина; 8 манометр); в  типи анкерних пристроїв (1  анкерний стрижень, що бетонується разом з конструкцією, 2  анкерний стрижень з конусом, що розтискається; 3  те саме з порожнистим конусом, що розтискається; 4  сегментні рифлені щічки, 5  опорний стрижень)

У разі, якщо анкерний пристрій не був встановлений під час бетонування, його слід розміщувати в зоні найменших напружень від експлуатаційного навантаження або зусилля попереднього обтиснення. В бетоні висвердлюється шпур, розміри якого визначаються типом анкерного пристрою, встановлюється анкер, отвір заповнюється цементним тістом на високомарочному цементі.

Існує конструкція анкера, яка складається із стрижня і трьох сегментних щік з рифленими зовнішніми поверхнями. Один кінець стрижня має конічну форму, інший закінчується нарізкою, за допомогою якої зєднується з приладом.

Стрижень повинен бути розташований від краю конструкції не ближче ніж 150 мм, відстань між стрижнями в місці проведення випробувань  не менш ніж 5 глибин висмикування, діаметр отвору 25 мм, глибина визначається типом анкера, товщина конструкції повинна перевищувати подвійну глибину анкера.

До приладів нового покоління відносяться ПОС-30МГ4 і ПОС-50МГ4.

Рис. 7. Вимірювач міцності бетону ПОС-30МГ4

Відмінністю цих приладів є електронний силовимірювач, який забезпечує індикацію поточного значення навантаження з фіксацією максимального значення, а також індикацію швидкості навантаження в процесі випробувань. З метою підвищення точності та зручності експлуатації передбачена можливість встановлення таких параметрів: виду бетону, виду твердіння, типорозміру анкерів. Вибір параметрів здійснюється з клавіатури приладів, при цьому забезпечується вибір коефіцієнтів для автоматичного підрахування міцності бетону за результатами випробування. Діапазон вимірювання міцності  5-100 МПа, відносна похибка 2% (порівняно з 5% для ГПНВ-5), застосовується ІІ тип анкера за ГОСТ.

До переваг методу слід віднести можливість дослідження бетону глибинних шарів, але поряд з тим метод повязаний з певними складностями: визначенням місць дослідження конструкції в процесі її бетонування або пробиванням отворів, застосуванням одноразових анкерів, неможливістю визначати міцність тонкостінних конструкцій.

Менш трудомістким і більш доступним є метод відриву від поверхні бетону дисків (рис. 5, б). При цьому на поверхню дослідного бетонного зразка за допомогою клею (наприклад епоксидного) прикріплюють металевий диск. Поверхня бетону повинна бути старанно оброблена, а міцність клейового шва  не меншою за міцність бетону на відрив. Недопустимі напливи клею за межами диску, для виключення цього явища навколо дику вкладається паперове кільце. Для забезпечення кріплення диска з конструкцією у процесі твердіння епоксидної смоли контур диска обмазується гіпсовим розчином, який ліквідується під час випробування.

Навантаження здійснюють за допомогою гідравлічного приладу ГПНВ-5 зі швидкістю не більше ніж 1 кН/с.

Клас бетону визначають за градуйованою залежністю умовного напруження при відриві

, (2)

де F  сила відриву, d  діаметр диска.

Зазначай на відрив випробовують дві протилежні грані зразків.

В процесі випробування бетону способом відриву міцність ставиться в залежність від фізико-механічних властивостей поверхневого шару бетону, а вони мають дещо гірші фізико-механічні характеристики, ніж основна маса бетону. Це вносить похибки у процес визначення міцності (хоча і в запас її).

При визначенні міцності бетону сколюванням (рис. 8) також використовують прилад ГПНВ-5 (ГПНВ-4).

Глибина ділянки відколу дорівнює 20 мм, ширина сколювання 30 мм, а ребро пошкоджується на довжині 80...100 мм. Для отримання вірогідного результату необхідно взяти не менше двох (на сусідніх гранях конструкцій) даних випробувань та знайти середнє арифметичне, а за ним міцність бетону при стискові в залежності від сили сколювання ребра конструкції. При цьому слід користуватися градуйованою залежністю.

, (3)

де m  коефіцієнт, що враховує розмір крупного заповнювача і приймається рівним 1 при крупнисті заповнювача менше ніж 20 мм; 1,05  при крупнисті заповнювача від 20 до 30 мм і 1.1  при крупнисті заповнювача від 30 до 40 мм; P  зусилля сколювання, кН.

1-1

Рис. 8. Схема визначення міцності бетону за зусиллям сколювання ребра конструкції: 1  зразок; 2  бетон, що сколюється; 3  ; 4 

Рис. 9. Приклад градуйованої кривої для визначення міцності бетону за зусиллям сколювання

1.2. Метод пластичних деформацій сьогодні набув найбільшого поширення. Він побудований на оцінюванні місцевих деформацій матеріалів, викликаних прикладанням зовнішнього зосередженого навантаження. Суть методу полягає у визначенні міцності матеріалу за його твердістю. Переваги такого методу визначення фізико-механічних властивостей полягають у його простоті, технологічності та достатньо високій достовірності результатів, недолік  у тому, що досліджуються тільки поверхневі шари матеріалу.

Твердість за Брінелем (НВ) визначають шляхом вдавлювання сталевої кульки в тіло металу, що досліджується, й оцінюється виразом

, (4)

де F  навантаження на кульку; D  діаметр кульки, мм; d  діаметр відбитку, мм.

Між тимчасовим опором вуглецевої сталі та твердістю НВ існує кореляційна залежність:

,МПа. (5)

Рис. 10. Визначення твердості за Брінелем: 1  сталева кулька; 2  матеріал, що випробовується; D  діаметр кульки; d  діаметр відбитка на матеріалі

У ролі органа, що вдавлюється в метал, можна використовувати також алмазний конус із кутом біля вершин 120 (метод Роквела) або алмазну піраміду з двогранним кутом біля вершини, рівним 136 (метод Вікерса). Між цими трьома значеннями твердості встановлена функціональна залежність. І за допомогою спеціальних таблиць можна перейти від одного значення до іншого.

Під час визначення твердості приладом Польді немає необхідності вимірювати силу, прикладену до частини приладу, що вдавлюється в матеріал. Цей принцип полягає у зіставленні величини відбитка на металі та еталонному бруску. Під час удару по стрижню 1 (рис. 11) на поверхні металу 4 та еталонному бруску 3, твердість якого НВ₀ відома, залишаються відбитки. Діаметр кульки (D) відомий, замірюючи діаметри відбитків на поверхні металу (d) та еталонного бруска (d₀) можна визначити твердість першого

. (5)

Якщо твердості НВ₀ і НВ відмінні суттєво, то треба ввести поправкові коефіцієнти.

Рис. 11. Визначення твердості приладом Польді: 1  стрижень; 2  сталева кулька; 3  еталонний брусок; 4  метал, що випробовується; d₀  діаметр відбитка на еталонному бруску; d  те ж на металі, що випробовується

Міцність бетону в конструкції визначають ударним випробуванням (метод відбитка). При застосуванні цього методу дотримуються таких правил:

- випробування необхідно проводити в найбільш напружених місцях, а також на ділянках із дефектами або зниженою міцністю бетону;

- бетонна поверхня має бути сухою, чистою, без затверділого цементного молока. У протилежному випадку верхній шар бетону товщиною 5...10 мм знімають шліфуванням або бурінням;

- кожна випробувальна ділянка повинна мати площу не менше ніж 400 см² повітряно-сухої поверхні і включати не менше ніж 10...12 точок вимірювання. Для достовірного судження про міцність бетону конструкції або споруди в цілому необхідно мати не менше ніж 15 ділянок (для окремих елементів конструкції, наприклад нижнього поясу ферми достатньо трьох ділянок);

- сусідні точки вимірювань повинні знаходитися одна від одної на відстані не менше 20 мм, а від грані елемента  не менше ніж 40 мм;

- у місцях, де залягає крупний заповнювач, а також там, де є пори, проведення випробувань не допускається.

Найпоширенішим методом польового оцінювання міцності бетону є кульковий молоток Фізделя. Молоток виготовляють із вуглецевої сталі. Ударний кінець його закінчується кулькою діаметром 17,463 мм, зробленою зі сталі твердістю 62...66 Rс. Кулька вільно закільцьована і легко крутиться у сферичному гнізді. Протилежний загострений кінець молотка піддається загартуванню.

Рис. 12. Конструкцій молотка Фізделя

Під час контролю якості бетону під дією ліктьового удару молотком кулька занурюється у бетон. За розміром одержаної лунки в бетоні можна судити про пластичні властивості матеріалу та його міцність. Діаметр лунок вимірюють за допомогою штангенциркуля з ціною поділки 0,1 мм або лупи з 10-ти кратним збільшенням.

Для зменшення похибки вимірювання в подальшому обробітку використовують середнє арифметичне двох взаємно перпендикулярних діаметрів. Використовуючи певну залежність можна визначити міцність бетону на стиск.

Недоліком цього методу є залежність величини діаметра лунки від сили удару.

Згаданий недолік ліквідовується використанням методу К.П.Кашкарова.. У середині головки молотка є порожній стакан та пружина. Еталонний стрижень має діаметр 10...12 мм та довжину 100...150 мм. Виготовлений він із круглої сталі марки Ст3сп2 або Ст3пс2 з тимчасовим опором розриву 420...460 МПа. Під час удару по поверхні бетону кулькою остання залишає відбиток на поверхні бетону та еталонного стрижня. Удар може виконуватися безпосередньо молотком, або за допомогою додаткового молотка. Після кожного удару еталонний стрижень повинен бути зсунутий не менш ніж на 10 мм. Для зручності вимірювання діаметра лунок на бетоні їх відбиток одержують на папері. Для цього необхідно на поверхню бетону покласти копіювальний папір (активним шаром догори), а на нього аркуш тонкого білого паперу. Удар наносять по цьому аркушеві.

Рис. 13. Схема молотка К.П.Кашкарова: а  загальний вигляд; б  схема нанесення удару; 1  бетон, що випробовується; 2  індентор (кулька); 3  еталонний стрижень; 4  стакан; 5  пружина; 6 корпус; 7  головка; 8  ручка

Вимірювання діаметрів видбитків виконують із точністю до 0,1 мм за допомогою штангенциркуля, мікроскопа, лупи, спеціального кутового шаблона тощо. За відношенням діаметрів відбитків на бетоні d_b і еталонному стрижні d_s за графіком можна визначити міцність бетону на стиск. Для одержання статистично достовірної міцності бетону необхідну кількість видбитків n слід одержувати за формулою

, (6)

де R_max , R_min, R  відповідно найбільше, найменше та середнє значення міцності бетону; k поправковий коефіцієнт, що визначається за графіком залежно від n.

Похибка визначення міцності цим методом незначна і становить 10...15%.

Вогнепальний метод оцінювання міцності деревини, запропонований Кашкаровим, полягає у визначенні глибини проникнення кулі в масив деревини. За величиною цього проникнення, використовуючи емпіричні залежності, можна визначити міцність матеріалу.