Испытание и контроль бетона. Методы и средства измерений радиального и торцевого биений

Схемы разрушения кубов

 

При испытании  кубов различного размера, изготовленных  из одного замеса бетона, прочность  получается неодинаковой. Чем меньше размер образца, тем прочность выше. Это объясняется проявлением  неоднородности бетона, т.е. наличием в  нем пустот, микротрещин, участков с  пониженной прочностью. Чем меньше объем бетона в образце, тем меньше влияние неоднородности на прочность.

Прочность бетона на растяжение вычисляется по результатам испытаний на растяжение специальных образцов "восьмерок" или на изгиб балочек. Эту же характеристику можно определить путем раскалывания цилиндров или кубов.

Считается, что разрушающий метод контроля отличается наибольшей точностью и  поэтому он принят за эталон при  оценке других методов 

Однако  высокая точность метода может быть признана только при оценке прочности  бетона в самих испытуемых образцах, поскольку данная величина получена непосредственно путем приложения нагрузки до разрушения. Распространение  значения прочности бетона в образцах на бетон в конструкциях даже при  условии, что использован один замес, приводит к значительным погрешностям. Это, в первую очередь, связано с  тем, что условия укладки, уплотнения, термо-влажностной обработки и твердения бетона в образцах и конструкциях всегда различны. Сказывается влияние технологических факторов. Даже при максимально возможном подобии бетона в образцах и конструкциях процесс твердения будет зависеть от размеров конструкции, её открытой поверхности, степени прогрева. Различие между нарастанием прочности бетона в образцах и конструкциях ещё более значительны в случае применения предварительного напряжения или центрифугирования бетона, Из этого следует, что прочность бетона в испытуемых образцах и конструкциях всегда различна. Поэтому контроль прочности бетона по образцам является в некоторой степени условным и позволяет, в основном, оценить качество бетонной смеси. Для исключения отмеченных недостатков было предложено вырезать из конструкции алмазной фрезой кубики или цилиндрические керны и их испытывать. В этих случаях прочность бетона в образцах максимально будет соответствовать прочности бетона в конструкции.

Все механические методы очень трудоемкие, требуют  больших затрат ручного труда  и практически не поддаются автоматизации.

 

1.4.2 Методы с местным (локальным)  разрушением бетона

В эту  группу включены методы контроля прочности  бетона, основанные на местном (локальном) разрушении бетона в конструкции.

 

1.4.2.1 Метод отрыва со скалыванием

Метод основан  на использовании зависимости величины усилия, необходимого для выдергивания из бетона анкерного стержня, от прочности этого бетона.

При бетонировании  конструкции в местах, в которых  предполагается определять прочность, устанавливаются анкерные стержни, и после твердения бетона они  выдергиваются. Если определяется прочность  уже затвердевшего бетона, то в  нем сверлится отверстие и  вставляется анкерное устройство с  разжимным конусом.

Заделка анкерных устройств должна обеспечить надежное сцепление анкера с бетоном конструкции. Выдергивание их осуществляется переносным гидравлическим пресс-насосом ГПНВ-5, конструкция которого разработана в Донецком Промстрой НИИ под руководством И.Д.Вольфа (рис. 2).

ГПНВ-5 может  создавать усилие в 5500 кгс и состоит  из двух опорных ножек 9, корпуса, внутри которого имеется полость 8, соединяющая  между собой ручной винтовой гидравлический насос 7, манометр 5, рабочий цилиндр 4, поршень которого с помощью  штока 3 соединен с захватом 2 анкерного  устройства 1. Все внутренние полости  прибора заполняются моторным маслом.

 

Гидравлический  пресс-насос ГПНВ-5:

а-общий вид  прибора; б-работа с прибором; 1-анкерное устройство; 2-захват; 3-шток рабочего стержня; 4-рабочий цилиндр; 5-манометр; 6-ручка; 7-винтовой насос; 8-маслопровод; 9-ножки со сферическими опорами

 

При испытании  бетона прочностью менее 40 МПа для  вырывания анкерного устройства можно использовать гидравлический пресс-насос типа ГНВС-4, который создает максимальное усилие 40 кН. В процессе приложения усилия к анкерному стержню в бетоне на уровне конца анкера возникают растягивающие и касательные напряжения. После достижения ими предельных значений в бетоне возникает разрушение по образующей конуса от растяжения и скалывания (рис.3).

Характер разрушения бетона при  отрыве со скалыванием

 

Нарушенные  участки конструкции после испытания  заделываются бетоном с прочностью, не ниже чем в конструкции.

Рассмотренный метод сравнительно точный, поскольку  в его основе лежит прочностная  характеристика бетона. К достоинству  метода необходимо отнести и тот  фактор, что определяется прочность  бетона непосредственно в конструкции. Основными недостатками метода считаются высокая трудоемкость как при сверлении отверстий, так и при самих испытаниях, а также невозможность использования его при определении прочности бетона в сжатых элементах конструкции, поскольку происходит частичное разрушение бетона и ослабление поперечного сечения испытуемых элементов.

На практике рассмотренный метод нашел широкое  применение в комплексе с другими, например, неразрушающими методами, при  градуировке зависимостей косвенных  характеристик от прочности бетона.

 

1.4.2.2 Метод скалывания ребра  конструкции

 В основу метода положено использование зависимости величины усилия, необходимого для скалывания ребра конструкции на определенной длине от прочности бетона.

Для проведения испытания применяются прибор ГПНВ-5 и специальное устройство, обеспечивающее приложение усилия под углом 18% к  нагружаемой поверхности (рис.4). Длина скалываемого участка равна 30 мм, а глубина -20 мм.

 Устройство  для скалывания ребра

Результаты  испытания не учитываются, если при скалывании бетона обнажается арматура или фактическая глубина скалывания отличается от требуемой (20мм) более чем на 1 мм.

Прочность бетона определяют по усилию скалывания, используя градуировочную зависимость (усилие скалывания - прочность).

Преимущества  и недостатки метода аналогичны методу отрыва со скалыванием.

 

1.4.2.3 Огнестрельный метод

Используется  зависимость объема разрушенного бетона в конструкции от удара о него пули, выпущенной из пистолета, от прочности  этого бетона.

Последовательность  измерения прочности следующая. В исследуемой конструкции выбирается участок размером 300x300мм, на котором необходимо определить прочность бетона и в этот участок производятся три выстрела из пистолета. Во время удара пули часть бетона разрушается и получается воронка.

Прочность бетона определяется в зависимости  от объема разрушенного бетона по градуировочной кривой. Объем разрушенного бетона принимается равным объему пластилина (или другого пластичного материала), необходимого для заполнения воронки. Градуировочная кривая строится по результатам испытания контрольных кубов огнестрельным и механическим разрушающим методами.

В стесненных условиях, когда нет возможности  производить стрельбу с расстояния, можно использовать насадку на ствол  пистолета или взрыв электрического детонатора. Порядок определения  прочности бетона и построения градуировочной кривой аналогичен приведенному выше.

Огнестрельный метод сравнительно точный. Слабо  зависит от состава бетона, поскольку  основан на использовании прочностных  характеристик бетона.

К недостаткам  метода следует отнести повышенную опасность для жизни испытателя, связанную с рикошетом пули и  осколками разрушенного бетона Поэтому  данный метод нашел широкое применение только при строительстве объектов военного назначения, где имеется  опыт владения огнестрельным оружием.

 

 1.4.3 Неразрушающие методы определения прочности бетона

 

1.4.3.1 Склерометрический метод или метод пластических деформаций

Метод основан  на использовании зависимости между  прочностью бетона и размером отпечатка, полученного вследствие пластических деформаций от вдавливания сферического штампа.

Штамп может  вдавливаться статической или динамической нагрузкой. Наибольшее распространение  получили приборы, в которых штамп  вдавливается динамической нагрузкой  в виде удара, который наносится с помощью молотка или путем использования энергии сжатой пружины. При этом удар должен наноситься в растворную часть бетона.

Схема вдавливания сферического штампа:

1 - стальной шарик; 2 - исследуемый  бетон

 

В качестве штампа могут применяться диски, конусы, четырехгранная пирамида, на чаще всего используются ударники со сферическим наконечником.

Использование метода пластических деформаций было положено в основу создания большого числа приборов для измерения  прочности бетона.

Шариковый молоток Н.А. Физделя

Ручной  шариковый молоток изготавливается  из инструментальной стали, с одной  стороны его имеется сферическое  гнездо, в котором завальцован стальной шарик диаметром 17.463 мм. Масса молотка 250 г.

Прочность бетона определяется локтевым ударом молотка по поверхности бетона В  результате этого удара в бетоне проявляются пластические деформации и на поверхности остаётся отпечаток  сферической формы.

Шариковый молоток Н.А. Физделя является практически первым прибором, который получил массовое применение на стройке. Однако точность измерения сравнительно низкая, поскольку на диаметр отпечатка влияет не только прочность бетона, но и сила удара, т.е. субъективный фактор. В настоящее время этот молоток не рекомендуется для измерения прочности, а может быть использован только для ориентировочной её оценки.

Молоток К.П. Кашкарова

Наиболее точными являются методы, когда при ударе получается два отпечатка: на бетоне и на эталоне, в качестве которого чаще всего используют сталь с заранее установленным показателем твердости. Принцип действия подобных приборов показан на примере получившего широкое распространение эталонного молотка конструкции К. П. Кашкарова (рис. 6,а). В этом молотке стальной шарик диаметром 15 мм при ударе оставляет отпечатки одновременно на бетоне и эталоне, поэтому сила удара в малой мере влияет на результаты испытания, если размер отпечатка на бетоне лежит в указанных выше пределах. В стакане молотка между его корпусом и шариком имеется отверстие, в которое вставляют эталонный стержень из круглой прутковой стали Ст3 диаметром 10 мм. Размер отпечатка на эталоне имеет форму эллипса, поэтому его измеряют по длинной оси вдоль образующей стержня. После каждого удара эталонный стержень, прижимаемый к шарику между ударами с помощью, пружинного устройства, передвигают на 10 мм. Расстояние между отпечатками на бетоне должно превышать 30 мм. Диаметры лунок измеряют с точностью до 0,1 мм.

 Испытание  эталонным молотом Кашкарова:

а- общий  вид; 1-головка, 2- стакан, 3- корпус,

4- пружина, 5- шарик, 6- эталонный стержень;

б –  тарировочная зависимость

 

Прочность бетона определяют по тарировочной кривой в зависимости от отношения d₆  /d_эт (рис. 6, б). Тарировочная кривая составлена для бетона в возрасте. 28 суток с влажностью 2 ... 6 %. При других условиях испытания необходимо вводить поправочные коэффициенты или применять свои тарировочные зависимости.

Пружинный склерометр

В пружинных  сюпэрометрах применяется метод пластических деформаций, а для нанесения удара используется энергия сжатой пружины. Конструктивно пружинные склерометры значительно сложнее, чем молоток Кашкарова, но при их эксплуатации в несколько раз повышается производительность контроля.

Использование пружины вместо слесарного молотка  преследовало цель нормировать энергию  удара и отказаться от применения эталонного стержня. Но со временем происходит старение пружины, т.е. уменьшается  усилие при сжатии на определенную длину, в этом случае уменьшается  энергия удара.

  Пружинный склерометр ПМ-2

1-шарик, 2-ударник, 3-боек, 4-шток, 5,9-пружины, 6-защелка,

7-цилиндрический  корпус, 8-втулка, 10-крышка

 

Для исключения влияния старения пружины на результаты измерения в склерометрах должно быть предусмотрено регулировочное устройство.

На рис. 7 приведена конструкция пружинного склерометра ПМ-2. В приборе установлены  две пружины 5 и 9, одна из которых 5 соединяет  боек 3 с неподвижной втулкой 8. Боек перемещается внутри цилиндрического корпуса 7. Шток 4 бойка соединен с ударником 2, на конце которого находится стальной шарик 1 диаметром 17,463 мм. При касании ударником к испытуемой конструкции и плавном нажатии на заднюю крышку 10 шток с ударником и защелкой 6 перемещаются, сжимая при этом пружину 5. После их перемещения на заданную величину защелка 6 соскакивает с бойка, пружина освобождается и шток с ударником наносит удар по бетонной поверхности, оставляя на ней отпечаток.

Прочность бетона определяется по графику в зависимости от диаметра отпечатка. Недостатки пружинных склерометров такие же, которые присущи методу пластических деформаций.   

1.4.3.2 Метод упругого отскока

 Метод упругого отскока основан на использовании зависимости величины (высоты) отскока условно упругого тела при ударе его о поверхность бетона от прочности этого бетона.