Основные методы определения прочности тяжелого бетона на сжатие в сборных и монолитных бетонных и железобетонных конструкциях и изделиях. Метод отрыва со скалыванием Метод отрыва со скалыванием

А. В. Улыбин, к. т. н.; С. Д. Федотов, Д. С. Тарасова (ПНИПКУ «Венчур», Санкт-Петербург)

В предлагаемой статье рассмотрены основные методы неразрушающего контроля прочности бетона, применяемые при обследовании конструкций зданий и сооружений. Приведены результаты экспериментов по сопоставлению данных, получаемых неразрушающими методами контроля и испытанием образцов. Показывается преимущество метода отрыва со скалыванием перед другими методами контроля прочности. Описываются мероприятия, без выполнения которых применение косвенных неразрушающих методов контроля недопустимо.

Прочность бетона на сжатие является одним из наиболее часто контролируемых параметров при строительстве и обследовании железобетонных конструкций. Имеется большое число методов контроля, применяемых на практике. Более достоверным, сточки зрения авторов, является определение прочности не по контрольным образцам (ГОСТ 10180-90), изготовляемым из бетонной смеси, а по испытанию бетона конструкции после набора им проектной прочности. Метод испытания контрольных образцов позволяет оценить качество бетонной смеси, но не прочность бетона конструкции. Это вызвано тем, что невозможно обеспечить идентичные условия набора прочности (вибрирование, прогрев и др.) для бетона в конструкции и бетонных кубиков образцов.

Методы контроля по классификации ГОСТ 18105-2010 ("Бетоны. Правила контроля и оценки прочности") разделены на три группы:

• Разрушающие;
• Прямые неразрушающие;
• Косвенные неразрушающие.

Таблица 1. Характеристики методов неразрушающего контроля прочности бетона.

*По требованиям ГОСТ 17624-87 и ГОСТ 22690-88;

**По данным источника без построения частной градуировочной зависимости

К методам первой группы относится упомянутый метод контрольных образцов, а также метод определения прочности путем испытания образцов, отобранных из конструкций. Последний является базовым и считается наиболее точным и достоверным. Однако при обследовании к нему при бегают довольно редко. Основными причинами этого являются существенное нарушение целостности конструкций и высокая стоимость исследований.

В основном применяются методы определения прочности бетона неразрушающим контролем. При этом большая часть работ выполняется косвенными методами. Среди них наиболее распространенными на сегодняшний день являются ультразвуковой метод по ГОСТ 17624-87, методы ударного импульса и упругого отскока по ГОСТ 22690-88. Однако при использовании указанных методов редко соблюдаются требования стандартов по построению частных градуировочных зависимостей. Некоторые исполнители не знают этих требований.

Другие знают, но не понимают, насколько велика ошибка результатов измерений при использовании зависимостей, заложенных или прилагаемых к прибору, вместо зависимости, построенной на конкретном исследуемом бетоне. Есть «специалисты», которые знают об указанных требованиях норм, но пренебрегают ими, ориентируясь на финансовую выгоду и неосведомленность заказчика в данном вопросе.

Про факторы, влияющие на ошибку измерения прочности без построения частных градуировочных зависимостей, написано много работ. В табл.1 представлены данные по максимальной погрешности измерений различными методами, приведенные в монографии по неразрушающему контролю бетона.

В дополнение к обозначенной проблеме использования несоответствующих ("ложных") зависимостей обозначим еще одну, возникающую при обследовании. Согласно требованиям СП 13-102-2003 обеспечение выборки измерений (параллельных испытаний бетона косвенным и прямым методом) на более чем 30 участках является необходимым, но не достаточным для построения и использования градуировочной зависимости. Необходимо, чтобы полученная парным корреляционно- регрессионным анализом зависимость имела высокий коэффициент корреляции (более 0,7) и низкое СКО (менее 15% от средней прочности). Чтобы данное условие выполнялось, точность измерений обоих контролируемых параметров (например, скорость ультразвуковых волн и прочность бетона) должна быть достаточно высокой, а прочность бетона, по которому строится зависимость, должна изменяться в широком диапазоне.

При обследовании конструкций указанные условия выполняются редко. Во-первых, даже базовый метод испытания образцов нередко сопровождается высокой погрешностью. Во-вторых, за счет неоднородности бетона и других факторов прочность в поверхностном слое (исследуемая косвенным методом) может не соответствовать прочности того же участка на некоторой глубине (при использовании прямых методов). И наконец, при нормальном качестве бетонирования и соответствии класса бетона проектному в пределах одного объекта редко можно встретить однотипные конструкции с прочностью, изменяющейся в широком диапазоне (например, от В20 до В60). Таким образом, зависимость приходится строить по выборке измерений с малым изменением исследуемого параметра.

В качестве наглядного примера вышеуказанной проблемы рассмотрим градуировочную зависимость, представленную на рис. 1. Линейная регрессионная зависимость построена по результатам ультразвуковых измерений и испытаний на прессе образцов бетона. Несмотря на большой разброс результатов измерений, зависимость имеет коэффициент корреляции 0,72, что до-пустимо по требованиям СП 13-102-2003 . При аппроксимации функциями, отличными от линейной (степенной, логарифмической и пр.) коэффициент корреляции был менее указанного. Если бы диапазон исследуемой прочности бетона был меньше, например от 30 до 40 МПа (область, выделенная красным цветом), то совокупность результатов измерений превратилась бы в «облако», представленное в правой части рис. 1. Данное облако точек характеризуется отсутствием связи между измеряемым и искомым параметрами, что подтверждается максимальным коэффициентом корреляции 0,36. Иными словами, градуировочную зависимость здесь не построить.

РИС. 1. Зависимость между прочностью бетона и скоростью ультразвуковых волн

Также необходимо отметить, что на рядовых объектах количество участков измерения прочности для построения градуировочной зависимости сопоставимо с общим количеством измеряемых участков. В данном случае прочность бетона может быть определена по результатам только прямых измерений, а в градуировочной зависимости и использовании косвенных методов контроля уже не будет смысла.

Таким образом, без нарушения требований действующих норм для определения прочности бетона при обследовании в любом случае необходимо в том или ином объеме использовать прямые неразрушающие либо разрушающие методы контроля. Учитывая это, а также обозначенные выше проблемы, далее более подробно рас- смотрим прямые методы контроля.

К данной группе по ГОСТ 22690-88 относится три метода:

Метод отрыва

Метод отрыва основан на измерении максимального усилия, необходимого для отрыва фрагмента бетонной конструкции. Отрывающая нагрузка прилагается к ровной поверхности испытываемой конструкции за счет приклеивания стального диска (рис. 2), имеющего тягу для соединения с прибором. Для приклеивания могут использоваться различные клеи на эпоксидной основе. В ГОСТ 22690-88 рекомендуются клеи ЭД20 и ЭД16 с цементным наполнителем.
На сегодняшний день могут применяться современные двухкомпонентные клеи, производство которых хорошо налажено (POXIPOL, «Контакт», «Момент» И др.). В отечественной литературе по испытанию бетона методика испытания предполагает приклеивание диска к участку испытания без дополнительных мероприятий по ограничению зоны отрыва. В таких условиях площадь отрыва является непостоянной и должна определяться после каждого испытания. В зарубежной практике перед испытанием участок отрыва ограничивается бороздой, создаваемой кольцевыми сверлами (коронками). В данном случае площадь отрыва постоянна и известна, что увеличивает точность измерений.

После отрыва фрагмента и определения усилия определяется прочность бетона на растяжение (R(bt)) , по которой с помощью пересчета по эмпирической зависимости может быть определена прочность на сжатие (R). Для перевода можно воспользоваться выражением, указанным в пособии:

Для метода отрыва могут применяться различные приборы, используемые и для метода отрыва со скалыванием, такие как , ОНИКС-ОС, ПИБ, DYNA (рис. 2), а также старые аналоги: ГПНВ-5 , ГПНС-5 . Для проведения испытания необходимо наличие захватного устройства, соответствующего тяге, расположенной на диске.

Рис. 2. Прибор для метода отрыва с диском для приклеивания к бетону

В России метод отрыва не нашел широкого распространения. Об этом свидетельствует и отсутствие серийно выпускаемых приборов, приспособленных для крепления к дискам, а также самих дисков. В нормативных документах отсутствует зависимость для перехода от усилия вырыва к прочности на сжатие. В новом ГОСТ 18105-2010 , а также предшествующем ГОСТ Р 53231-2008 метод отрыва не включен в перечень прямых методов неразрушающего контроля и вообще не упоминается. Причиной этому, по всей видимости, является ограниченный температурный диапазон применения метода, что связано с продолжительностью твердения и (или) невозможностью использования эпоксидных клеев при низкой температуре воздуха. Большая часть России расположена в более холодных климатических зонах, чем страны Европы, поэтому данный метод, широко при меняемый в европейских странах, в нашей стране не используется. Другим отрицательным фактором является необходимость сверления борозды, что дополнительно снижает производительность контроля.

Рис. 3. Испытание бетона методом отрыва со скалыванием

Данный метод имеет много общего с описанным выше методом отрыва. Основным отличием является способ крепления к бетону. Для приложения отрывающего усилия используются лепестковые анкеры различных размеров. При обследовании конструкций анкеры закладываются в шпур, пробуренный на участке измерения. Так же, как и при методе отрыва, измеряется разрушающее усилие (Р). Переход к прочности бетона на сжатие осуществляется по указанной в ГОСТ 22690 зависимости: R=m 1 .m 2 .P , где m 1 — коэффициент, учитывающий максимальный размер крупного заполнителя, m 2 — коэффициент перехода к прочности на сжатие, зависящий от вида бетона и условий твердения.

В нашей стране данный метод нашел, пожалуй, самое широкое распространение благодаря своей универсальности (табл.1), относительной простоте крепления к бетону, возможности испытания практически налюбом участке конструкции. Основными ограничениями для его применения являются густое армирование бетона и толщина испытываемой конструкции, которая должна быть больше, чем удвоенная длина анкера. Для выполнения испытаний могут использоваться приборы, указанные выше.

Таблица 2. Сравнительные характеристики прямых методов неразрушающего контроля

*Без сверления борозды, ограничивающей участок отрыва.

Помимо более простого и быстрого крепления к бетону конструкции по сравнению с методом отрыва, не требуется обязательное наличие ровной поверхности. Главным условием является необходимость того, чтобы кривизна поверхности была достаточной для установки прибора на тягу анкера. В качестве примера на рис. 3 представлен прибор ПОС-МГ4 , установленный на деструктированную поверхность устоя гидротехнического сооружения.

Метод скалывания ребра

Последним прямым методом неразрушающего контроля является модификация метода отрыва — метод скалывания ребра. Основное отличие заключается в том, что прочность бетона определяют по усилию (Р), необходимому для скалывания участка конструкции, расположенному на внешнем ребре. В нашей стране долгое время выпускались приборы типа ГПНС-4 и ПОС-МГ4 Скол, конструкция которых предполагала обязательное наличие двух рядом расположенных внешних углов конструкции.

Захваты прибора подобно струбцине крепились на испытываемый элемент, после чего через захватывающее устройство прилагалось усилие к одному из ребер конструкции. Таким образом, испытание можно было проводить только на линейных элементах (колонны, ригели) или в проемах на краях плоских элементов (стены, перекрытия). Несколько лет назад была разработана конструкция прибора, которая позволяет устанавливать его на испытываемый элемент с наличием только одного внешнего ребра. Закрепление осуществляется к одной из поверхностей испытываемого элемента при помощи анкера с дюбелем. Данное изобретение несколько расширило диапазон применения прибора, но одновременно с этим уничтожило основное преимущество метода скалывания, которое заключалось в отсутствии необходимости сверления и потребности в источнике электроэнергии.

Прочность бетона на сжатие при использовании метода скалывания ребра определяется по нормированной зависимости: R=0,058 .m .(30P+P 2) ,

где m — коэффициент, учитывающий крупность заполнителя.

Для наглядности сравнения характе-ристики прямых методов контроля представлены в табл. 2.

По данным, приведенным в таблице, видно, что наибольшим числом преимуществ характеризуется метод отрыва со скалыванием.

Однако, несмотря на возможность применения данного метода по указаниям норм без построения частной градуировочной зависимости, у многих специалистов возникает вопрос о точности получаемых результатов и соответствии их прочности бетона, определяемой методом испытания образцов. Для исследования этого вопроса, а также сопоставления результатов измерений, полученных прямым методом, с результатами измерений косвенными методами проведен эксперимент, опиcанный далее.

Результаты сравнения методов

В лаборатории «Обследование и испытание зданий и сооружений» ФГБОУ ВПО «СПБГПУ» были проведены исследования при использовании различных методов контроля. В качестве объекта исследования использован фрагмент бетонной стены, выпиленный алмазным инструментом. Габариты бетонного образца — 2,0×1,О х 0,3 м.

Армирование выполнено двумя сетками арматуры диаметром 16 мм, расположенной с шагом 100 мм с величиной защитного слоя 15-60 мм. В исследуемом образце применен тяжелый бетон на заполнителе из гранитного щебня фракции 20-40.

Для определения прочности бетона использован базовый разрушающий метод контроля. Из образца с помощью установки алмазного сверления выбурены 11 кернов различной длины диаметром 80 мм. Из кернов изготов- лены 29 образцов — цилиндров, удовлетворяющих по своим размерам требованиям ГОСТ 28570-90 ("Бетоны. Методы определения прочности по образцам, отобранным из конструкций"). По результатам испытания образцов на сжатие выявлено, что среднее значение прочности бетона составило 49,0 МПа. Распределение значений прочности подчиняется нормальному закону (рис. 4). При этом прочность исследуемого бетона имеет высокую неоднородность с коэффициентом вариации 15,6% и СКО равным 7,6 МПа.

Для неразрушающего контроля применены методы отрыва, отрыва со скалыванием, упругого отскока и ударного импульса. Метод скалывания ребра не применялся по причине близкого расположения арматуры к ребрам образца иневозможности выполнения испытаний. Ультразву- ковой метод не использован, так как прочность бетона выше допустимого диапазона для применения данного метода (табл.1). Выполнение измере- ний всеми методами производилось на грани образца, срезанной алмазным инструментом, что обеспечива- ло идеальные условия с точки зрения ровности поверхности. Для определе- ния прочности косвенными методами контроля использовались градуиро- вочные зависимости, имеющиеся в паспортах приборов, или заложен- ные в них.

На рис. 5. представлен процесс измерения методом отрыва. Результаты измерений всеми методами представлены в табл. 3.

Таблица 3. Результаты измерения прочности различными методами

*Семь участков по 15 измерений на каждом.

По данным, представленным в табли-це, можно сделать следующие выводы:
среднее значение прочности, по-лученной испытанием на сжатие и прямыми методами неразрушающего контроля, различается не более чем 5%;
по результатам шести испытаний методом отрыва со скалыванием разброс прочности характеризуется низким значением коэффициента вариации 4,8%;
результаты, полученные всеми кос-венными методами контроля, за-вышают прочность на 40-60%. Одним из факторов, приведших к дан-ному завышению, является карбонизация бетона, глубина которой на исследуемой поверхности образца составила 7 мм.

Выводы

1. Мнимая простота и высокая про-изводительность косвенных методов неразрушающего контроля теряются при выполнении требований построения градуировочной зависимости и учете (устранении) влияния факторов, искажающих результат. Без выполнения этих условий данные методы при обсле-довании конструкций можно при менять только для качественной оценки проч-ности по принципу «больше — меньше».
2. Результаты измерений прочности базовым методом разрушающего конт-роля путем сжатия отбираемых образ-цов также могут сопровождаться боль шим разбросом, вызванным как не-однородностью бетона, так и другими факторами.
3. Учитывая повышенную трудоем- кость разрушающего метода и под- твержденную достоверность результа- тов, получаемых прямыми методами неразрушающего контроля, при обсле- довании рекомендуется при менять по- следние.
4. Среди прямых методов неразру- шающего контроля оптимальным по большинству параметров является ме- тод отрыва со скалыванием.

Рис. 4. Распределение значений прочности по результатам испытаний на сжатие.

Рис. 5. Измерение прочности методом отрыва.

А. В. Улыбин, к. т. н.; С. Д. Федотов, Д. С. Тарасова (ПНИПКУ «Венчур», Санкт-Петербург), журнал "Мир строительства и недвижимости, №47, 2013 г.

Способность бетона противостоять механическому и температурному воздействию называется прочностью. Эта важнейшая характеристика, влияющая на эксплуатационные параметры конструкции.

Все правила, касающиеся проведения испытаний бетона на растяжение, сжатие и изгиб прописаны в ГОСТ18105-86. Важной характеристикой надежности материала выступает коэффициент вариации, характеризующий однородность смеси (Vm).

где S m - квадратичное отклонение прочности, R m – прочность бетона в партии.

Согласно ГОСТ10180-67 определяется кубиковая прочность материала при сжатии. Она вычисляется при сжатии контрольных образцов-кубов, имеющих ребра жесткости в возрасте 28 дней. Для класса В25 и выше призменный показатель должен равняться 0,75, для составов классом ниже В25 – 0,8.

Требования по расчетной прочности кроме ГОСТов прописаны еще и в СНиПах. Например, распалубный показатель незагруженных горизонтальных конструкций, имеющих пролет менее 6 метров, должен быть не менее 70% от проектной прочности, если длина пролета превышает 6 метров – 80%.

Испытание образцов дает возможность определить качество смеси, но не характеристики бетона в составе конструкции. Проводятся такие исследования согласно ГОСТ18105-2010 и используют следующие методы:

• разрушающие,
• косвенные разрушающие,
• прямые разрушающие.

Значительной популярностью пользуются прямые методы неразрушающего контроля. К основным методам данного типа относят ультразвуковые или механические.

Методы контроля прочности бетона по ГОСТ22690-88

• отрыв;
• отрыв со скалыванием;
• скалывание ребра.

Инструменты, необходимые для проведения исследований

• электронный блок;
• прибор для отрыва с устройством для приклеивания к бетону;
• датчики;
• дюбели и анкеры;
• эталонный металлический стержень.

График отражает набор прочности материала во времени, при этом линия A – это вакуумная обработка, B - естественное твердение, C – изменение показателя после прохождения вакуумной обработки.

Проверка прочности бетона методом отрыва

В основе данного типа исследования лежит измерение максимального усилия для отрыва части бетонной конструкции. Причем отрывающая нагрузка должна применяться к ровной поверхности путем приклеивания диска прибора. Для приклеивания используют клеевые составы на эпоксидной основе. В ГОСТ22690-88 указываются клеи ЭД16 и ЭД20 с цементным наполнителем. Также можно применять двухкомпонентные составы. Площадь отрыва определяется после проведения каждого испытания. После отрыва и вычисления усилия измеряют прочность бетона (Rbt) на растяжение. Используя эмпирическую зависимость и данный показатель, можно вычислить показатель R - прочность на сжатие. Для этого следует воспользоваться формулой:

Rbt = 0,5 ∛ (R^2)

Отрыв со скалыванием

После отвердения бетона в заранее высверленное отверстие ставят анкерное устройство, после чего вырывают его с частью бетона. Этот метод во многом схож с описанным ранее. Основное отличие - способ крепления инструмента к поверхности. Отрывающее усилие создается за счет лепестковых анкеров. Анкер укладывается в шпур и измеряется P - разрушающее усилие. В ГОСТ 22690 указан переход прочности бетонного состава на сжатие по формуле:

R = m1 * m2 *P,

где m2 – коэффициент перехода прочности на сжатие, зависящий от условий затвердевания и вида бетона, m1 – коэффициент, отражающие максимальные параметры большого заполнителя (сыпучие каменные материалы).

Ограничениями для использования данного способа исследования является густое армирование и незначительная толщина конструкции. Толщина поверхности должна превышать удвоенную длину анкера.

Метод скалывания ребра

Прочность бетона при данном методе определяется по усилию (P), требуемому для скалывания части конструкции, размещенной на ребре внешней стороны. Прибор крепится на поверхности с помощью анкерного болта с дюбелем. Для определения показателя используется следующая формула:

R = 0,058 * m * (30P + P2),

где под m понимают коэффициент, отражающий крупность заполнителя.

Ультразвуковой метод

Действие ультразвуковых приборов контроля основано на взаимосвязи между скоростью, с которой распространяются волны по конструкции и ее прочностью. На основе данного метода определено, что скорость, также как и время распространения волн отвечают прочности бетона.

Для сборных линейных конструкций применяется метод сквозного просвечивания. При этом ультразвуковые преобразователи располагаются с противоположных сторон конструкции. Плоские, многопустотные и ребристые плиты перекрытия, а также стеновые панели исследуют поверхностным просвечиванием, при котором волновой преобразователь (дефектоскоп) ставят с одной стороны конструкции.

Для обеспечения максимального акустического контакта с рабочей поверхностью выбирают вязкие контактные материалы (например, солидол). Возможен сухой вариант с применением протекторов и конусных насадок. Инсталляция ультразвуковых приборов производится на удалении не менее 3 см от края.

Испытания проводятся согласно ГОСТ22690.2-77. Определение прочности бетона производится в пределах 5-50 Мпа. По ровной испытываемой поверхности наносится удар, в результате чего образуются два отпечатка: на эталонном металлическом стержне и на поверхности основания. С каждым ударом стержень перемещают на 10 мм в отверстие корпуса молотка. Удары по основанию наносятся через белую копировальную бумагу. Для измерения отпечатков на бумаге используют угловой масштаб.

Для исследований на основе упругого отскока используют молоток Шмидта, пистолеты Борового, ЦНИИСКа, склерометр КМ со стержневым ударником. Взвод и пуск бойка происходят автоматически в момент прикосновения ударника к испытываемому основанию. Величина отскока бойка фиксируются специальным указателем на шкале аппарата.

Прочность бетона — важнейшая характеристика, которая применяется при проектировании и расчете конструкций для строительства различных сооружений. Она задается маркой М (в кг/см²) или классом В (в МПа) и выражает максимальное давление сжатия, которое выдерживает материал без разрушения.

При определении марочной прочности бетона строительные организации и изготовители конструкций должны руководствоваться требованиями нормативных документов — ГОСТ 22690-88, 28570, 18105-2010, 10180-2012. Они регламентируют методику проведения испытаний, обработку результатов.

Затвердевшая в условиях строительной площадки бетонная смесь может давать отличные от лабораторных результаты. Помимо качества цемента и заполнителей на характеристику влияют:

• условия транспортировки;
• способ укладки в опалубку;
• размеры и форма конструкции;
• вид напряженного состояния;
• влажность, температура воздуха на всем протяжении твердения смеси;
• уход за монолитом после заливки.

Качество смеси и ее прочностные характеристики ухудшаются, если при производстве работ совершались грубые нарушения технологии:

• доставка производилась не в миксере;
• время в пути превысило допустимое;
• при заливке смесь не уплотнялась вибраторами или трамбовками;
• при монтаже была слишком низкая или высокая температура, ветер;
• после укладки в опалубку не поддерживались оптимальные условия твердения.

Неправильная транспортировка приводит к схватыванию, расслоению и потере подвижности смеси. Без уплотнения в толще конструкции остаются пузырьки воздуха, которые ухудшают качество монолита.

При температуре 15°-25°С и высокой влажности в первые 7-15 суток бетон достигает прочности 70%. Если условия не выдерживаются, то сроки затягиваются. Опасно как охлаждение смеси, так и ее пересушивание. Зимой опалубку утепляют или прогревают, летом поверхность монолита увлажняют, накрывают пленкой.

На заводах ЖБИ осуществляют пропаривание или автоклавную обработку конструкций, чтобы уменьшить время набора прочности. Процесс занимает от 8 до 12 часов.

Чтобы определить, насколько характеристики конструкции соответствуют проектным, а также при обследованиях и мониторинге технического состояния зданий проводят проверку прочности бетона. Она включает лабораторные испытания образцов, неразрушающие прямые и косвенные методы исследования объектов.

Факторы, влияющие на погрешность измерений при контроле и оценке прочности бетона:

• неравномерность состава;
• дефекты поверхности;
• влажность материала;
• армирование;
• коррозия, промасливание, карбонизация внешнего слоя;
• неисправности прибора — износ пружины, слабую зарядка аккумуляторной батареи.

Самый информативный способ проверки бетонных конструкций — изъятие образцов из тела монолита с последующим их испытанием. Такой метод сводит к минимуму ошибки, но достаточно дорог и трудоемок. Поэтому чаще пользуются более доступными исследованиями с помощью приборов, измеряющих зависимые от прочности характеристики — твердость, усилие на отрыв или скол, длину волны. Зная их, можно с помощью переходных формул вычислить искомую величину.

Требования к проверке

С точки зрения заказчика наиболее предпочтительно проводить испытания неразрушающими методами контроля фактической прочности бетона. Сегодня созданы приборы, которые позволяют быстро получить результаты без бурения, высверливания или вырубки образца, портящих целостность конструкции.

Для осуществления контроля и оценки прочности бетона рассматривают три показателя:

• точность измерений;
• стоимость оборудования;
• трудоемкость.

Наиболее дорогими являются испытания кернов на лабораторном прессе и отрыв со скалыванием. Исследования по величине ударного импульса, упругого отскока, пластических деформаций или с помощью ультразвука имеют меньшую затратную часть. Но применять их рекомендуется после установления градуировочной зависимости между косвенной характеристикой и фактической прочностью.

Параметры смеси могут существенно отличаться от тех, при которых была построена градуировочная зависимость. Чтобы определить достоверную прочность бетона на сжатие, проводят обязательные испытания кубиков на прессе или определяют усилие на отрыв со скалыванием.

Если пренебречь этой операцией, неизбежны большие погрешности при контроле и оценке прочности бетона. Ошибки могут достигать 15-75 %.

Целесообразно пользоваться косвенными методами при оценке технического состояния конструкции, когда необходимо выявить зоны неоднородности материала. Тогда правила контроля допускают применение неточного относительного показателя.

Как определить прочность бетона?

В производстве материалов и строительстве применяются методы для испытания бетона на прочность:

• разрушающие;
• неразрушающие прямые;
• неразрушающие косвенные.

Они позволяют с той или иной точностью проводить контроль и оценку фактической прочности бетона в лабораториях, на площадках или в уже построенных сооружениях.

Разрушающие методы

Из готовой смонтированной конструкции выпиливают или выбуривают образцы, которые затем разрушают на прессе. После каждого испытания фиксируют значения максимальных сжимающих усилий, выполняют статистическую обработку.

Этот метод, хотя и дает объективные сведения, часто не приемлем из-за дороговизны, трудоемкости и причинения локальных дефектов.

На производстве исследования проводят на сериях образцов, заготовленных с соблюдением требований ГОСТ 10180-2012 из рабочей бетонной смеси. Кубики или цилиндры выдерживают в условиях, максимально приближенным к заводским, затем испытывают на прессе.

Неразрушающие прямые

Неразрушающие методы контроля прочности бетона предполагают испытания материала без повреждений конструкции. Механическое взаимодействие прибора с поверхностью производится:

• при отрыве;
• отрыве со скалыванием;
• скалывании ребра.

При испытаниях методом отрыва на поверхность монолита приклеивают эпоксидным составом стальной диск. Затем специальным устройством (ПОС-50МГ4, ГПНВ-5, ПИВ и другими) отрывают его вместе с фрагментом конструкции. Полученная величина усилия переводится с помощью формул в искомый показатель.

При отрыве со скалыванием прибор крепится не к диску, а в полость бетона. В пробуренные шпуры вкладывают лепестковые анкеры, затем извлекают часть материала, фиксируют разрушающее усилие. Для определения марочной характеристики применяют переводные коэффициенты.

Метод скалывания ребра применим к конструкциям, имеющим внешние углы — балки, перекрытия, колонны. Прибор (ГПНС-4) закрепляют к выступающему сегменту при помощи анкера с дюбелем, плавно нагружают. В момент разрушения фиксируют усилие и глубину скола. Прочность находят по формуле, где учитывается крупность заполнителя.

Внимание! Способ не применяют при толщине защитного слоя менее 20 мм.

Неразрушающие косвенные методы

Уточнение марки материала неразрушающими косвенными методами проводится без внедрения приборов в тело конструкции, установки анкеров или других трудоемких операций. Применяют:

• исследование ультразвуком;
• метод ударного импульса;
• метод упругого отскока;
• пластической деформации.

При ультразвуковом методе определения прочности бетона сравнивают скорость распространения продольных волн в готовой конструкции и эталонном образце. Прибор УГВ-1 устанавливают на ровную поверхность без повреждений. Прозванивают участки согласно программе испытаний.

Данные обрабатывают, исключая выпадающие значения. Современные приборы оснащены электронными базами, проводящими первичные расчеты. Погрешность при акустических исследованиях при соблюдении требований ГОСТ 17624-2012 не превышает 5%.

При определении прочности методом ударного импульса используют энергию удара металлического бойка сферической формы о поверхность бетона. Пьезоэлектрическое или магнитострикционное устройство преобразует ее в электрический импульс, амплитуда и время которого функционально связаны с прочностью бетона.

Прибор компактен, прост в применении, выдает результаты в удобном виде — единицах измерения нужной характеристики.

При определении марки бетона методом обратного отскока прибор — склерометр — фиксирует величину обратного движения бойка после удара о поверхность конструкции или прижатой к ней металлической пластины. Таким образом устанавливается твердость материала, связанная с прочностью функциональной зависимостью.

Метод пластических деформаций предполагает измерение на бетоне размеров следа после удара металлическим шариком и сравнение его с эталонным отпечатком. Способ разработан давно. Наиболее часто на практике используется молоток Кашкарова, в корпус которого вставляют сменный стальной стержень с известными характеристиками.

По поверхности конструкции наносят серию ударов. Прочность материала определяется из соотношения полученных диаметров отпечатков на стержне и бетоне.

Заключение

Для контроля и оценки прочности бетона целесообразно пользоваться неразрушающими методами испытаний. Они более доступны и недороги по сравнению с лабораторными исследованиями образцов. Главное условие получения точных значений — построение градуировочной зависимости приборов. Необходимо также устранить факторы, искажающие результаты измерений.

Который определяет его эксплуатационные свойства. Поэтому при возведении важных несущих конструкций, строители тщательно следят за этим показателем. Наиболее распространенным способом контроля является определение прочности бетона методом отрыва со скалыванием. Однако, существует и масса других способов.

Поэтому в данной статье мы подробно рассмотрим, как определить прочность бетона наиболее распространенными современными методами.

Виды способов проверки прочности

Наиболее достоверным способом контроля качества бетона является испытание бетонной конструкции, после того, как материал наберет свою проектную прочность.

Что касается испытания отдельно выполненных контрольных образцов, то оно позволяет определить лишь , но не прочности материала в конструкции. Связано это с невозможностью обеспечение одинаковых условий набора прочности опытного образца (вибрирование, нагрев и пр.) и бетонного изделия.

Все существующие методы контроля подразделяются на три группы:

• Прямые неразрушающие;
• Разрушающие;
• Косвенные неразрушающие.

Нередко используют неразрушающие способы контроля, однако, чаще всего работу выполняют косвенными методами. К последней группе относится испытание контрольных образцов, а также образцов отобранных из бетонной конструкции.

Обратите внимание! По показателю прочности при сжатии определяют класс бетона. Для этого бетонные кубики раздавливают при помощи гидравлического пресса, который выдает результат.

Надо сказать, что разрушающие способы также широко распространены в строительстве, однако применяют их реже, так как они нарушают целостность конструкции. Кроме того, цена таких испытаний очень высокая.

Поэтому на сегодняшний день наиболее распространенными являются следующие методы определения прочности:

• Способ упругого отскока;
• Ультразвуковой метод;
• Способ ударного импульса.

Надо сказать, что разные способы проверки имеют разную погрешность:

Основные требования к проверке прочности

Согласно требованиям, изложенным в СП 13-102-2003, выборку бетона для исследования косвенным и прямым методами необходимо выполнять более чем на 30 участках, однако, этого недостаточно для построения и использования градуировочной зависимости.

Еще необходимо, чтобы зависимость, полученная парным корреляционно-регрессивным исследованием, имела коэффициент корреляции не меньше 0,7, а также среднеквадратическое отклонение составляло менее 15 процентов средней прочности. Для выполнения этих условий, точность измерений должна быть очень высокой, при этом прочность бетона должна меняться в широком диапазоне.

Надо сказать, что при исследовании конструкций, эти условия соблюдаются довольно редко. Дело в том, что базовый метод испытаний сопровождается значительной погрешностью.

Кроме того, прочность бетона на поверхности может отличаться от прочности на некоторой глубине. Однако, если бетонирование выполнено качественно и бетон соответствует своему проектному классу, то параметры однотипных конструкций не меняются в широком диапазоне.

Чтобы определить прочность без нарушения действующих норм, следует воспользоваться прямыми неразрушающими или разрушающими способами.

По ГОСТ 22690-88 к прямым способам относятся:

• Метод отрыва;
• Отрыв бетона со скалыванием;
• Скалывание ребра.

Теперь подробней рассмотрим наиболее распространенные технологии определения качества бетона.

Технология определения прочности

Способ отрыва

Принцип данного метода базируется на измерении усилия, которое нужно приложить для отрыва участка бетонной конструкции. Отрывающую нагрузку применяют к ровной поверхности бетонной конструкции. Для этого к ней приклеивается стальной диск, который при помощи тяги соединяется с измерительным прибором.

Диск приклеивают при помощи клея на эпоксидной смоле. ГОСТ 22690-88 рекомендует использовать клей ЭД20 с цементным наполнителем. Правда, в наше время существуют надежные двухкомпонентные клеи.

Данная технология подразумевает приклеивание диска без дополнительных мер по ограничению участка отрыва. Что касается площади отрыва, то она непостоянная и определяется после каждого испытания.

Правда, в зарубежной практике участок отрыва предварительно ограничивается бороздой, выполняемой кольцевыми сверлами. В этом случае площадь отрыва постоянная и известная.

После определения необходимого для отрыва усилия, получают устойчивость материала к растяжению.

По нему, при помощи эмпирической зависимости вычисляют прочность на сжатие при помощи такой формулы – Rbt = 0,5∛(R^2), где:

• Rbt – прочность на растяжение.
• R – прочность на сжатие.

Для исследования бетона методом отрыва применяются те же приборы, что и для метода отрыва со скалыванием, это:

• ОНИКС-ОС;
• ПОС-50МГ4;
• ГПНС-5;
• ГПНВ-5.

Обратите внимание! Чтобы выполнить испытание, также понадобится захватное устройство, а именно – диск с закрепленной на нем тягой.

На фото — проверка качества бетона отрывом со скалыванием

Отрыв со скалыванием

Данный способ имеет много общего с вышеописанным методом. Основное его отличие заключается в способе монтажа устройства к бетонной конструкции. Чтобы приложить к ней отрывающее усилие применяют лепестковые анкеры, которые могут быть разных размеров.

Анкеры вставляются в отверстия, пробуренные в области измерения. Как и в предыдущем случае, прибор измеряет разрушающее усилие.

Вычисление прочности на сжатие осуществляется при помощи зависимости, выраженной формулой — R=m1*m2*P, где:

• m1 обозначает коэффициент максимального размера крупного наполнителя;
• m2 обозначает коэффициент перехода к прочности на сжатие. Он зависит от условий вида бетона, а также условий набора прочности.
• P – разрушающее усилие, полученное в результате исследований.

В нашей стране этот метод является одним из наиболее популярных, так как он достаточно универсальный. Он предоставляет возможность выполнить испытание на любом участке конструкции, так как не требует наличия ровной поверхности. Кроме того, закрепить лепестковый анкер своими руками в толще бетона не составляет труда.

Правда, имеются и некоторые ограничения, которые заключаются в следующих моментах:

• Густое армирование конструкции – в этом случае измерения будут недостоверными.
• Толщина конструкции – она должна быть в два раза больше длины анкера.

Скалывание ребра

Данная технология является последним прямым методом неразрушающей проверки контроля. Основной ее особенностью является определение усилия, которое прикладывается для скалывания участка бетона, расположенного на ребре конструкции.

Конструкция прибора, который можно установить на бетонное изделие с одним внешним углом, была разработана относительно недавно. Монтаж устройства к одной из сторон осуществляется при помощи анкера с дюбелем.

После получения данных с прибора, определяют прочность на сжатие по следующей нормированной зависимости, выраженной формулой — R=0,058*m*(30P+P2), где:

• m – коэффициент, учитывает крупность заполнителя.
• P — усилие, приложенное для скалывания бетона.

Ультразвуковое определение

Ультразвуковой метод определения прочности бетона основан на взаимосвязи между прочностью материала и скоростью распространения в нем ультразвуковых волн.

Причем существует две градуировочные зависимости:

• Времени распространения волн ультразвука и прочности материала.
• Скорости распространения волн ультразвука и прочности материала.

Каждый способ предназначен для определенного типа конструкций:

• Сквозное прозвучивание в поперечном направлении – применяют для линейных сборных конструкций. При таких исследованиях приборы устанавливают с двух сторон испытываемой конструкции.
• Поверхностное прозвучивание – применяют для исследования ребристых, плоских, многопустотных плиты перекрытия и стеновых панелей. В этом случае устройство устанавливается только с одной стороны конструкции.

Для обеспечения качественного акустического контакта между испытываемой конструкцией и ультразвуковым преобразователем, применяют вязкие материалы, к примеру, солидол. Также распространен «сухой контакт», но в этом случае используют конусные насадки и протекторы.

Приборы для ультразвукового исследования состоят из двух основных элементов:

• Датчиков;
• Электронного блока.

Датчики могут быть:

• Раздельными – для сквозного прозвучивания.
• Объединенными – предназначенные для поверхностного прозвучивания.

К достоинствам данного способа проверки относится простота и универсальность.

Исследование молотком Кашкарова

Процесс испытание бетона молотком Кашкарова регламентирован ГОСТом 22690.2-77. Данный способ используют для определения прочности материала в диапазоне 5-50 МПа.

Инструкция по исследованию бетона данным методом выглядит следующим образом:

• Вначале подыскивается ровный участок конструкции.
• Если на его поверхности имеется шероховатость или краска, то необходимо выполнить зачистку участка металлической щеткой.
• Затем на поверхность бетона следует положить копировальную бумагу и сверху лист обычной белой бумаги .

• Далее по бетонной поверхности наносится удар молотком Кашкарова средней силы перпендикулярно к плоскости бетона. В результате удара остается два отпечатка – на эталонном стержне и листе бумаги.
• После этого металлический стержень сдвигается не менее чем на 10 мм и наносится еще удар . Для большей точности исследования, процедуру нужно повторить несколько раз.
• Затем следует измерить отпечатки на эталонном стержне и бумаге с точностью до 0,1 мм.
• Измерив отпечатки, следует сложить отдельно диаметры, полученные на бумаге, и диаметры на эталонном стержне .

Косвенным параметром прочности бетона является средняя величина отношения отпечатков на эталонном стержне и на бетоне.

Метод отскока

Данный способ исследования является наиболее простым. Испытание выполняется при помощи специального электронного прибора. В нем имеется молоток, вдавливающий шарик в бетон. Электроника определяет прочность материала по отскоку шарика после вдавливания.

Для испытания бетона надо упереть устройство в бетонную поверхность и нажать соответствующую кнопку. Результаты высвечиваются на экране прибора. Надо сказать, что практически так же происходит процесс испытания материала при помощи устройства ударно-импульсного типа.

Вот и все основные способы определения качества бетона, которые чаще всего применяются в современном строительстве.

Вывод

Как мы выяснили, существует довольно много способов определения прочности бетона. Причем, назвать какой-то из них лучшим невозможно, так как разные способы, как правило, предназначены для разных типов бетонных конструкций, а также имеют разные погрешности.

Из видео в этой статье можно получить дополнительную информацию по данной теме.

Рассмотрим некоторые основные методы и приборы определения прочности бетона в конструкциях, которыми пользуются на практике. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля осуществляется согласно , определения прочности ультразвуковым методом неразрушающего контроля осуществляется по , определение прочности по бетонным образцам, выбуренным или выпиленным из конструкций, осуществляется по .

Неразрушающие методы определения прочности на сжатие бетонных конструкций основаны на косвенных характеристиках показаний приборов, основанных на методах упругого отскока, ударного импульса, пластической деформации,отрыва, скалывания ребра и отрыва со скалыванием, скорости прохождения ультразвука. Определение прочности на сжатия по образцам, отобранным из конструкций, подразумевает испытание их на прессе.

Для определения класса и марки бетона в зависимости от прочности сжатия или растяжения, можно использовать табл.6, приложения 1,

СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ КЛАССАМИ БЕТОНА ПО ПРОЧНОСТИ НА СЖАТИЕ И РАСТЯЖЕНИЕ И МАРКАМИ

Таблица 6

Класс бетона по прочности	Средняя прочность бетона ()*, кгс/см2	Ближайшая марка бетона по прочности М	Отклонение ближайшей марки бетона от средней прочности класса, %,

Средняя прочность бетона R рассчитана при коэффициенте вариации V, равном 13,5 %, и обеспеченности- 95 % для всех видов бетона, а для массивных гидротехнических конструкций- при коэффициенте вариации V, равном 17 %, и обеспеченности- 90%.

Методы и приборы неразрушающего контроля

Для определения прочности бетона на сжатие данные показаний необходимо преобразовывать с помощью предварительно установленных градуировочных зависимостей между прочностью бетона и косвенной характеристикой прочности (в виде графика, таблицы или формулы), по методикам, указанным в ГОСТ 22690-88 и по прилагаемым графикам градуировочных зависимостей к приборамб, установленным на заводе-изготовителей прибора.

Испытание прочности приборами неразрушающего контроля выполняют, непосредственно, в местах расположения конструкций, однако, также можно выполнять испытание бетона проб из конструкций. Испытание бетона в пробах рекомендуется для определения его прочности в труднодоступных зонах конструкций и в конструкциях, находящихся при отрицательной температуре. Пробу вмоноличивают в раствор, прочность которого на день испытания должна быть не менее половины прочности бетона пробы (для предотвращения разрушения пробы при испытании). Вмоноличивание проб в раствор удобно производить с использованием стандартных форм, для изготовления бетонных контрольных образцов по . Расположение проб после распалубки представлено на рис.1.

Рис.1. 1 - проба бетона; 2 - наиболее удобная для испытания сторона пробы 3 - раствор, в котором закреплена проба

Обычно приборы поставляются с графиками градуировочной зависимости или с базовыми настройками для тяжелого бетона средних марок. Для обследования конструкций допускается применять методы упругого отскока, ударного импульса или пластической деформации, используя градуировочную зависимость, установленную для бетона, отличающегося от испытываемого (по составу, возрасту, условиям твердения, влажности), с уточнением ее в соответствии с методикой, приведенной в (). Для ультразвуковых приборов требуется градуировка и корректировка согласно , и методических рекомендаций по контролю прочности бетона монолитных конструкций ультразвуковым методом поверхностного прозвучивания.

Градуировочную зависимость "скорость - прочность" устанавливают при испытании конструкций способом сквозного прозвучивания. Градуировочную зависимость "время - прочность" устанавливают при испытании конструкций способом поверхностного прозвучивания.

Допускается при испытании конструкций способом поверхностного прозвучивания использовать градуировочную зависимость "скорость - прочность" с учетом коэффициента перехода, определяемого в соответствии с приложением 3.

Измерение времени распространения ультразвука в бетоне конструкций следует проводить в направлении, перпендикулярном уплотнению бетона. Расстояние от края конструкции до места установки ультразвуковых преобразователей должно быть не менее 30 мм. Измерение времени распространения ультразвука в бетоне конструкций следует проводить в направлении, перпендикулярном направлению рабочей арматуры. Концентрация арматуры вдоль выбранной линии прозвучивания не должна превышать 5 %. Допускается прозвучивание вдоль линии, расположенной параллельно рабочей арматуре, если расстояние от этой линии до арматуры составляет не менее 0,6 длины базы.

Пульсар 1.2.

Рис. 2. Внешний вид прибора
Пульсар-1.2: 1 - вход приемника;
2 - выход излучателя

Прибор состоит из электронного блока (см. рис. 3.2) и ультразвуковых преобразователей - раздельных или объединенных в датчик поверхностного прозвучивания. На лицевой панели электронного блока расположены: 12-ти клавишная клавиатура и графический дисплей. В верхней торцевой части корпуса установлены разъёмы для подключения датчика поверхностного прозвучивания или отдельных УЗ преобразователей для сквозного прозвучивания. На правой торцевой части прибора расположен разъем USB интерфейса. Доступ к аккумуляторам осуществляется через крышку батарейного отсека на нижней стенке корпуса.

Работа прибора основана на измерении времени прохождения ультразвукового импульса в материале изделия от излучателя к приемнику. Скорость ультразвука вычисляется делением расстояния между излучателем и приемником на измеренное время. Для повышения достоверности в каждом измерительном цикле автоматически выполняется 6 измерений и результат формируется путем их статистической обработки с отбраковкой выбросов. Оператор выполняет серию измерений (от 1 до 10 измерений по его выбору), которая также подвергается математической обработке с определением среднего значения, коэффициента вариации, коэффициента неоднородности и с отбраковкой выбросов.

Скорость распространения ультразвуковой волны в материале зависит от его плотности и упругости, от наличия дефектов (трещин и пустот), определяющих прочность и качество. Следовательно, прозвучивая элементы изделий, конструкций и сооружений можно получать информацию о:

• прочности и однородности;
• модуле упругости и плотности;
• наличии дефектов и их локализации.
• форме А-сигнала

Возможны варианты прозвучивания со смазкой и сухим контактом (протекторы, конусные насадки), см. рис. 3.1.

Рис. 3. Варианты прозвучивания

Прибор осуществляет запись и визуализацию принимаемых УЗК, имеет встроенные цифровые и аналоговые фильтры, улучшающие соотношение «сигнал-помеха». Режим осциллографа позволяет просматривать сигналы на дисплее (в задаваемом масштабах времени и усиления), вручную устанавливать курсор в положение контрольной метки первого вступления. Пользователь имеет возможность вручную изменять усиление измерительного тракта и смещать ось времени для просмотра и анализа сигналов первого вступления и огибающей.

Оформление результатов для методов определения прочности неразрушающего контроля

Результаты испытаний прочности бетона заносят в журнал, в котором должно быть указано:

• наименование конструкции, номер партии;
• вид контролируемой прочности и ее требуемое значение;
• вид бетона;
• наименование неразрушающего метода, тип прибора и его заводской номер;
• среднее значение косвенной характеристики прочности и соответствующее значение прочности бетона;
• сведения об использовании поправочных коэффициентов;
• результаты оценки прочности бетона;
• фамилия и подпись лица, проводившего испытание, дата испытания.

Для ультразвукового метода определения прочности нужно воспользоваться формой журнала, установленной в приложениях №8-9,