СТАТЬИ

МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПРОЧНОСТИ БЕТОНОВ И ДРУГИХ ИСКУССТВЕННЫХ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

В статье освещены современные методики и приборы, позволяющие неразрушающими методами контролировать прочность бетона. Проведен сравнительный анализ преимуществ современных приборов неразрушающего контроля прочности. Проанализирован ряд проблем, возникающих при разработке методик контроля.

Приборы неразрушающего контроля (ПНК) - условно принятый в технической литературе термин, включающий в себя приборы для толщинометрии и дефектоскопии покрытий и материалов, для определения твердости и прочности материалов, а также ряд других характеристик. Измерения вышеназванных параметров производятся различными методами: ультразвуковым (УЗ), рентгенографическим, вихретоковым, ударно-импульсным, упругого отскока, пластической деформации, магнитным, магнитопорошковым, термографическим, оптическим, импедансным, а также рядом других менее распространенных методов.

Само название метода, по-видимому, происходит от принятого в зарубежной литературе термина "non-destructive testing" (NDT), также периодически встречающегося в отечественной технической литературе.

Наибольшее распространение методы НК получили в области дефектоскопии металлов и изделий из твердых пластмасс. По этому вопросу выпущено огромное количество литературы, проводятся сотни исследований и экспериментов. Но в данной статье мы рассмотрим использование методов и средств НК применительно к изделиям и сооружениям из искусственного камня или, другими словами, бетонов.

Параметрами, подвергаемыми неразрушающему контролю в бетонах, являются прочность, величина защитного слоя, влажность, морозоустойчивость, влагонепроницаемость и ряд других. При производстве ЖБИ также контролируют натяжение арматуры и величину вибрации при уплотнении бетонной смеси. Но основным контролируемым параметром для бетонов является прочность на сжатие.

Прочность - свойство материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений, вызванных внешними силами или другими факторами (стесненная усадка, неравномерное нагревание и т. п.)

Существует несколько методов испытания бетонов на прочность:

• Метод стандартных образцов. Как правило, изготавливают образцы кубической формы, иногда - цилиндрической. Образцы для испытаний изготавливают из проб бетонной смеси, применяемой при изготовлении контролируемого изделия. Пробы берут из одного замеса или из одного кузова автомобиля, перевозящего бетонную смесь. Образцы, изготовленные из бетонной смеси, испытывают через 28 суток после изготовления. Образцы устанавливают в пресс и нагружают его непрерывно и равномерно до разрушения образца. Разрушающая нагрузка фиксируется и затем по ней рассчитывают прочность бетона.
• Использование выбуренных из конструкции кернов, которые затем испытывают подобно стандартным образцам под прессом. Бетон кернов полностью соответствует реальному материалу конструкции. Однако сложность отбора образцов-кернов, высокая трудоемкость и стоимость выбуривания кернов, опасность нарушения целостности конструкции, возможное нарушение структуры керна при выбуривании и обработке торцов, - все это во многих случаях ограничивает использование этого метода.
• Методы неразрушающего контроля. Основное отличие метода от двух предыдущих состоит в том, что при использовании этого метода непосредственно измеряемой величиной является не прочность, а какой-либо физический показатель, связанный с измеряемой величиной корреляционной зависимостью.

Корреляционной называется зависимость, в которой каждому значению измеряемой величины может соответствовать несколько значений искомой величины. Другими словами, на соотношение измеряемый показатель - показания прибора (прочность) оказывают влияние несколько свойств материала, не все из которых поддаются четкой и однозначной математической, а, следовательно, и приборной интерпретации.

Для установления этой корреляционной зависимости, а, значит, и для определения прочности бетона предварительно устанавливают градуировочную (тарировочную) зависимость между прочностью бетона и косвенной характеристикой. Градуировочную зависимость устанавливают для бетонов одного проектного возраста и приготовленных из одинаковых материалов по результатам испытаний на прочность образцов-кубов. Итак, все методы неразрушающего контроля прочности бетона требуют построения индивидуальных градуировочных зависимостей по результатам испытаний стандартных образцов-кубов, изготовленных из бетона такого же состава и возраста, что и испытываемый образец.

На точность измерения прочности при измерении неразрушающими методами могут оказывать влияние такие факторы как: тип цемента, состав цемента, тип заполнителя, условия твердения, возраст бетона, влажность и температура поверхности, тип поверхности, карбонизация поверхностного слоя бетона и еще ряд других менее значимых факторов.

Далеко не все из перечисленных факторов можно учесть при построении градуировочной зависимости. Поэтому такие факторы нужно учитывать при разработке методики измерений на конкретный объект тестирования.

Основных методов НК, основанных на построении индивидуальных градуировочных зависимостей, несколько:

1. Метод пластической деформации основан на измерении размеров отпечатка, который остался на поверхности бетона после соударения с ней стального шарика. Метод устаревший, но до сих пор его используют из-за дешевизны оборудования. Наиболее широко для таких испытаний используют молоток Кашкарова.
2. Метод упругого отскока заключается в измерении величины обратного отскока ударника при соударении с поверхностью бетона. Типичным представителем приборов для испытаний по этому методу является склерометр Шмидта и его многочисленные аналоги. Метод упругого отскока, как и метод пластической деформации, основан на измерении поверхностной твердости бетона.
3. Метод ударного импульса заключается в регистрации энергии удара, возникающей в момент соударения бойка с поверхностью бетона. В России этот метод, пожалуй, больше всего распространен. Типичные представители приборного ряда для испытаний этим методом - семейство приборов ИПС, выпускаемых "СКБ "Стройприбор"" г.Челябинск и приборы ОНИКС, выпускаемые "НПП "Интерприбор"" г. Челябинск.
4. Метод отрыва со скалыванием и скалывания ребра конструкции заключается в регистрации усилия, необходимого для скалывания участка бетона на ребре конструкции, либо местного разрушения бетона при вырыве из него анкерного устройства.

Это самые точные из методов НК прочности, поскольку для них допускается использовать универсальную градуировочную зависимость, в которой изменяются всего два параметра: 1) крупность заполнителя, которую принимают равной 1 при крупности менее 50 мм и 1,1 при крупности более 50 мм; 2) тип бетона - тяжелый либо легкий.

К недостаткам этого метода следует отнести его высокую трудоемкость и невозможность его использования в густоармированных участках, а также то, что он частично повреждает поверхность конструкции.

Наиболее широко в настоящее время используются приборы серии ПОС, выпускаемые "СКБ "Стройприбор"" г.Челябинск. Также до сих пор применяют приборы ГПНВ и ГПНС.

5. Метод отрыва стальных дисков заключается в регистрации напряжения, необходимого для местного разрушения бетона при отрыве от него металлического диска, равного усилию отрыва, деленному на площадь проекции поверхности отрыва бетона на плоскость диска. В настоящее время метод используется крайне редко.
6. Ультразвуковой метод заключается в регистрации скорости прохождения УЗ волн. По технике проведения испытаний можно выделить сквозное УЗ прозвучивание, когда датчики располагают с разных сторон тестируемого образца, и поверхностное прозвучивание, когда датчики расположены с одной стороны.

Метод сквозного УЗ прозвучивания позволяет, в отличие от всех остальных методов НК прочности, контролировать прочность не только в приповерхностных слоях бетона, но и прочность тела бетона конструкции.

Наиболее широко распространенные приборы, реализующие этот метод - УК1401 производства "Акустические Контрольные Системы" г. Москва, семейство приборов Пульсар - "НПП "Интерприбор" г.Челябинск, Бетон-32 - ЗАО "Интротест", УК-14П и ряд других.

Современная приборная база НК существенно отличается от рекомендуемой авторами ГОСТов и многочисленных исследований, проведенных в 80-х годах прошлого века. С начала 90-х годов прошлого столетия активно ведется разработка и производство приборов НК нового поколения с применением электроники и микропроцессорной техники, наращиваются их функциональные возможности. Методики же контроля, разработанные авторами ГОСТ 22690, не претерпели существенных изменений и остаются основой развития средств НК в отрасли.

До недавнего времени испытания бетонов на прочность проводили только заводы ЖБИ да несколько лабораторий при профильных институтах, таких как НИИЖБ. В последнее время в связи с бурным развитием строительства зданий и сооружений из монолитного железобетона и участившимися случаями разрушений зданий, вызванных недостаточным контролем над их состоянием, наблюдается большой интерес к средствам и методам для такого контроля. Причем, интерес этот проявляют не только потребители, но и производители такого оборудования, а также специализированные лаборатории, призванные разрабатывать новые и совершенствовать существующие методики.

Сложившаяся ситуация вполне экономически объяснима. Потребители хотят получить современный, простой и надежный в эксплуатации прибор; производители, почувствовав значительное увеличение спроса, стремятся реализовать как можно большее количество приборов; лаборатории по заказам как производителей, так и потребителей разрабатывают новые методики контроля, являющиеся дополнениями к существующей нормативной базе (ГОСТам).

В настоящем сложилась интересная ситуация: существующие ГОСТы содержат устаревшие требования как к самым методам контроля, так и приборным средствам, на которые ссылаются ГОСТы. Дело в том, что существующие ГОСТы разрабатывались в период, когда основой строительства являлся сборный железобетон. Поэтому они основывались на методиках, предназначенных, в основном, для НК при производстве сборных ЖБИ. Вопросы же контроля монолитного железобетона рассмотрены очень слабо.

Так, например, по ГОСТ 17624-86 применение способа поверхностного прозвучивания при ультразвуковом методе контроля прочности бетона не допускается. Разрешается только сквозное прозвучивание. Однако использование метода сквозного прозвучивания на реальных объектах крайне затруднено, очень сложно обеспечить приемлемую степень соосности приемного и передающего УЗ преобразователя, которые должны быть расположены с разных сторон конструкции. Зачастую негде провести длинный провод к преобразователю, да и потери энергии в длинных проводах будут крайне велики, чтобы результаты измерений можно было считать достоверными.

Еще пример: в соответствии с ГОСТ 18105-86 при изготовлении монолитных конструкций контроль прочности бетона должен вестись на заводах ЖБИ. В соответствии с этим ГОСТ прочность бетона регулируется в зависимости от значения коэффициента вариации: чем ниже значение коэффициента вариации, тем меньше может быть значение средней прочности. При этом надежность конструкции не уменьшается, так как расчетное значение прочности не изменяется.

Такой подход оправдывает себя для ЖБИ, изготовление которых территориально совмещено с изготовлением бетонной смеси. При возведении же монолитных конструкций процесс бетонирования отделен от процесса изготовления бетонной смеси пространством и временем. А, следовательно, свойства бетонной смеси на стройплощадке могут отличаться от свойств на заводе. И, кроме того, одна строительная площадка может иметь разных поставщиков бетонных смесей, которые могут отличаться друг от друга значениями коэффициента вариации.

Также не совсем правильной следует назвать практику изготовления и испытания стандартных бетонных образцов-кубов по целому ряду причин: объем изготовления стандартных образцов-кубов не соизмерим с объемами производства конструкций и сооружений, условия формования и твердения бетонных кубов не всегда соответствуют условиям изготовления конструкций. Поэтому прочностные характеристики стандартных образцов могут значительно отличаться от фактической прочности бетона в конструкциях.

Потребителей приборов НК прочности бетона можно разделить на три группы. И, хотя это деление весьма условно, все же накопленный опыт общения с потребителями, позволяет установить такую дифференциацию:

- Заводы стройиндустрии (ЖБИ, кирпичные, керамической плитки и т.д.). Имеют в своем составе лаборатории, оборудованные прессами, позволяющими проводить испытания стандартных образцов и специалистов, которые могут квалифицированно произвести такие испытания. Заводы, как правило, используют регламентированные составы смесей для изготовления изделий. Сырье поставляется несколькими поставщиками, качество продукции которых проверено. Поэтому могут устанавливать градуировочные зависимости под производимые у них составы изделий. Такой подход, с одной стороны, позволяет повысить точность измерений, т.к измерительное оборудование градуируется на предприятии под производимые на нем материалы. Во-вторых, позволяет снизить стоимость закупаемого оборудования, т.к. приборы могут поставляться "пустыми", - без установленных в них на предприятии-изготовителе градуировочных зависимостей. Чаще всего заводы приобретают приборы ИПС-МГ4.01 и УК1401 .

- Предприятия и фирмы, занимающиеся техническим обследованием существующих зданий и сооружений. Специалисты этих организаций, как правило, до начала обследований не имеют сведений ни о составе материалов несущих конструкций, ни о возрасте, т.к. зачастую необходимость обследования возникает в процессе реконструкции сооружений, которым ни один десяток лет. Также очень редки случаи, когда удается получить образцы-керны бетонов обследуемого сооружения в силу ряда причин, о которых говорилось выше.

Как же выходят из такой, прямо скажем, непростой ситуации? ГОСТ 22690-88 допускает использовать для уточнения градуировочной зависимости методы отрыва со скалыванием, скалывание ребра либо испытание кернов. Для этого результат, полученный одним из этих методов, делят на прочность, полученную в результате испытаний каким-либо из прочих методов НК. Полученный результат называют коэффициентом совпадения.

Для обследования остальных участков конструкции результаты, полученные одним из остальных методов, умножают на этот коэффициент. Так, например, в приборах серии ИПС ввод этого коэффициента осуществляется с клавиатуры, и результаты выдаются уже с его учетом.

Соответственно организации, проводящие обследования, должны иметь на своем вооружении не только полный спектр приборов для контроля прочности, но также дополнительные приборы, такие как дефектоскопы, георадары, влагомеры, термометры и ряд других приборов для повышения достоверности результатов.

Чаще всего такими организациями приобретаются приборы ИПС-МГ4.03 , ПОС-50-МГ4 "Скол", УК1401 .

- Ну и, наконец, третья группа - самая многочисленная. Сюда входят предприятия и фирмы, занимающиеся строительством сооружений из монолитного железобетона.

Перед ними стоят две задачи:

1. Контролировать распалубочную прочность бетона, т.е. следить за состоянием бетона, при котором в соответствии с регламентами можно снимать опалубку.
2. Контроль за техническим соответствием поставляемого бетона заявленным паспортным характеристикам.

При этом основными требованиями здесь являются максимальная простота использования, универсальность и достаточная точность. То есть с прибором должен уметь работать неквалифицированный специалист по прочтении паспорта прибора.

Таким характеристикам наиболее полно соответствует прибор ИПС-МГ4.03, в котором предварительно установлены 16 градуировочных зависимостей по различным составам бетонов, кирпичу керамическому, силикатному; по различным условиям твердения бетона и по всем проектным возрастам.

Ну и, наконец, можно провести небольшой сравнительный анализ приборов, выпускаемых различными производителями. Начнем с чаще всего используемого и самого простого метода.

Прибор ИПС-МГ4.01

• Прибор имеет одну усредненную градуировочную зависимость по тяжелым бетонам
• Возможность ввода девяти индивидуальных градуировочных зависимостей
• Усовершенствованный механизм склерометра, долговременно сохраняющий неизменность характеристик силовой пружины
• Надежная система крепления датчика отсчета к силовой пружине
• Возможность корректировки показаний прибора с учетом усталостного старения силовой пружины
• Возможность выбора направления удара бойка, в том числе и под 45 градусов
• Погрешность измерений - не более 10%
• Возможность маркировки измерения типом изделия (балка, колонна, ригель, плита, наружная стена, внутренняя стена, свая, ферма, стяжка, фунд.блок, полы, изделие)
• Выбор коэффициента вариации для расчета класса бетона
• Выбор коэффициента соответствия
• Возможность подключения к компьютеру RS -232
• Память на 500 участков/результатов
• Корректировка/просмотр промежуточных результатов в серии измерений

Прибор ИПС-МГ4.03 - самый популярный в настоящее время. Прибор имеет очень удобную организацию пользовательского интерфейса, выбор всех параметров измерений осуществляется сразу после включения в одном пункте меню с функцией круговой прокрутки.

• Прибор имеет 58 градуировочных зависимостей по различным материалам (тяж.бетон на граните, тяж.бетон на известняке, тяж.бетон на гравии, тяж.бетон на граншлаке, мелкозернистый бетон, керамзитобетон, шлакопемзобетон, кирпич керамический, кирпич силикатный), условиям твердения (нормальное или термообработка) и проектным возрастам (1, 7, 28 или 100 суток).
• Возможность ввода двадцати индивидуальных градуировочных зависимостей
• Интеллектуальный алгоритм обработки результатов измерений включает:
  • Усреднение промежуточных значений
  • Сравнение каждого промежуточного значения со средним с последующей отбраковкой значений, имеющих отклонение от среднего выше допустимого
  • Усреднение оставшихся промежуточных значений
  • Запись в память конечного значения прочности и класса бетона
• Усовершенствованный механизм склерометра, долговременно сохраняющий неизменность характеристик силовой пружины
• Надежная система крепления датчика отсчета к силовой пружине
• Возможность корректировки показаний прибора с учетом усталостного старения силовой пружины
• Возможность выбора направления удара бойка, в том числе и под 45 градусов.
• Улучшенная погрешность измерений - не более 8%
• Возможность маркировки измерения типом изделия (балка, колонна, ригель, плита, наруж.стена, внут.стена, свая, ферма, стяжка, фунд.блок, полы, изделие)
• Выбор коэффициента вариации для расчета класса бетона
• Выбор коэффициента соответствия
• Возможность подключения к компьютеру RS-232.
• Память на 999 участков/15000 результатов
• Корректировка/просмотр промежуточных результатов в серии измерений

Прибор ОНИКС-2.51/ОНИКС-2.52

• Две градуировочные зависимости (легкие/тяжелые бетоны) с возможностью выбора возраста бетона от 1 до 100 суток с шагом 1 сутки и от 100 до 1000 суток с шагом 10 суток
• Возможность установки одной пользовательской градуировочной зависимости
• Малые габариты
• Облегченная конструкция склерометра из особо прочного пластика
• Двухпараметрический метод контроля - по упругому отскоку и ударному импульсу, что повышает достоверность измерений
• Улучшенная погрешность измерений - не более 8%
• Выбор коэффициента вариации для расчета класса бетона и размаха измерений
• Подсветка дисплея
• Встроенный термометр, позволяющий вносить корректировки за температуру
• Возможность выбора языка (русский/английский)
• Просмотр промежуточных результатов в серии измерений
• Прибор ОНИКС-2.51 имеет ИК-порт для связи с компьютером

Прибор УК1401

• Удобный анатомический корпус облегченной конструкции со встроенными УЗ-датчиками, позволяющими проводить измерения одной рукой
• Высокоточные УЗ-датчики
• Определение прочности бетона в эксплуатируемых сооружениях в сочетании с методом "отрыв со сколом".
• Оценка несущей способности бетонных опор и столбов из центрифугированного бетона через отношение скоростей распространения ультразвука в направлениях вдоль и поперек оси опоры.
• Поиск приповерхностных дефектов в бетонных сооружениях по аномальному уменьшению скорости или увеличению времени распространения ультразвука в дефектном месте по сравнению с областями без дефектов.
• Оценка пористости и трещиноватости горных пород, степени анизотропии и текстуры композитных материалов.
• Оценка сходства или различия упругих свойств материалов или образцов одного материала друг от друга, а также возраста материала при условии изменения его свойств от времени.
• ИК-порт для связи с компьютером
• Имеется модификация с выносными УЗ-датчиками для сквозного прозвучивания

Приборы ПУЛЬСАР-1.0/1.1

• способы прозвучивания: сквозное, поверхностное;
• виды акустического контакта: сухой контакт с коническими насадками; сухой контакт с полиуретановыми протекторами; с контактной смазкой;
• измерительная база: произвольная с вводом в прибор её значения (для сквозного прозвучивания); фиксированная база с возможностью её изменения (для поверхностного прозвучивания);
• измеряемые параметры: прочность, плотность, модуль упругости, звуковой индекс абразивов;
• основные виды материалов: бетон (тяжелый, легкий), кирпич (керамический, силикатный), абразивы;
• прибор оснащен большим графическим дисплеем с подсветкой, формирующим текстовые и графические изображения;
• пользователь работает с прибором через систему меню ;
• ИК-порт для связи с компьютером
• Прибор ПУЛЬСАР-1.1 имеет дополнительные возможности (определение глубины трещин, оценка прочности бетонов неизвестного состава), большой графический дисплей (160*160 точек).

Семейство приборов ПОС состоит из нескольких модификаций приборов:

• ПОС-30-МГ4 и ПОС-50-МГ4 имеют две опоры и предназначены для контроля изделий круглого сечения. Отличаются друг от друга усилием вырыва анкера - 30 и 50 кН соответственно.
• ПОС-30-МГ4 "Скол" и ПОС-50-МГ4 "Скол" имеют три опоры и предназначены для контроля плоских бетонных поверхностей. Оба прибора имеют универсальную конструкцию, позволяющую проводить испытания как методом отрыва, так и методом скалывания ребра конструкции. Отличаются друг от друга усилием вырыва анкера - 30 и 50 кН соответственно.
• ПОС-2-МГ4 предназначен для контроля ячеистого бетона методом вырыва спирального анкера. Прибор может применяться для контроля прочности полистиролбетона и пеноситалла.
• Отличительной особенностью приборов являются: устройство для измерения величины проскальзывания анкера и электронный силоизмеритель, обеспечивающий индикацию текущего значения приложенной нагрузки с фиксацией максимального значения, а также индикацию скорости нагружения в процессе испытаний.
• В приборах предусмотрена возможность установки следующих параметров: вида бетона (тяжелый/легкий), вида твердения (нормальное/ТВО), предполагаемой прочности бетона ( < 50МПа/ > 50МПа), типоразмера анкера. Выбор параметров осуществляется с клавиатуры приборов, при этом обеспечивается выбор коэффициентов для автоматического вычисления прочности бетона по результатам нагружения (вырыва фрагмента бетона).
• Энергонезависимую память 99 результатов измерений
• Возможность установления индивидуальных градуировочных зависимостей
• Передача данных на ПК через COM-порт
• Занесенные в память приборов результаты измерения маркируются типом контролируемого изделия, датой и временем измерения.
• Индикация цифровая в кН и МПа.

Кроме перечисленных методов и аппаратных средств контроля существует и ряд других менее распространенных, таких как инфракрасный, электрического потенциала, вибрационно-акустический, акустико-эмиссионный применение которых находится в стадии опытной эксплуатации либо очень сложно.

Естественно, что в такой небольшой статье нельзя рассмотреть все разнообразие методов и аппаратных средств контроля. Заинтересованные читатели могут обратиться к списку литературы.

Литература

1. ГОСТ 22690-88. Бетоны. Определение прочности бетона методами неразрушающего контроля.
2. ГОСТ 17624-87. Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности.
3. К.Н.Попов, М.Б.Каддо, О.В.Кульков. Оценка качества строительных материалов. - М., Ассоциация строительных ВУЗов,1999.
4. А.В.Гулунов. Методы и средства НК бетона и железобетонных изделий. - В мире НК. 2002. № 2(16). С.24-25
5. В.А.Клевцов, М.Г.Коревицкая. Об организационно-технических проблемах НК прочности бетона. - В мире НК. 2002. № 2(16). С.16-17
6. В.Г.Штенгель. О методах и средствах НК для обследования эксплуатируемых железобетонных конструкций. - В мире НК. 2002. № 2(16). С.12-15.
7. Гулунов ВВ., Мотовилов А.В., Гершкович Г.Б. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НОВЫХ ПРИБОРОВ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ПРОЧНОСТИ БЕТОНА.
8. Губайдуллин Г.А. Приборный комплекс оперативного контроля прочности бетона. - В мире НК. 2002. № 2(16). С.21-22.