Публикации »

Современные приборы и методы неразрушающего контроля прочности бетона

В современном строительстве все шире применяют приборы неразрушающего контроля (ПНК). Они предназначены для толщинометрии и дефектоскопии покрытий и материалов, для определения твердости и прочности материалов, а также ряда других характеристик. Измерения этих характеристик производятся различными методами: ультразвуковым (УЗ), рентгенографическим, вихретоковым, ударно-импульсным, упругого отскока, пластической деформации, магнитным, магнитопорошковым, термографическим, оптическим, импедансным, а также рядом других, менее распространенных. В данной статье проведен сравнительный анализ преимуществ современных приборов неразрушающего контроля прочности. Про-анализирован ряд проблем, возникающих при разработке методик контроля.

Методы неразрушающего (НК) получили наибольшее распространение в области дефектоскопии металлов и изделий из твердых пластмасс. По этому вопросу выпущено огромное количество литературы, проводятся сотни исследований и экспериментов. В данной статье рассматриваются применения методов и средств НК применительно к изделиям и сооружениям из искусственного камня, или, другими словами, бетонов. В бетонах неразрушающему контролю подвергаются прочность, величина защитного слоя, влажность, морозоустойчивость, влагонепроницаемость и ряд других. При производстве ЖБИ также контролируют натяжение арматуры и величину вибрации при уплотнении бетонной смеси.

Бетон является хрупким материалом. А, как известно, хрупкие материалы хорошо сопротивляются разрушению при сжатии. При других же нагрузках, таких, как изгиб, растяжение, кручение и т. д., они легко разрушаются. Чтобы этого не происходило, бетон армируют, так как арматура хорошо переносит те нагрузки, при которых бетон разрушается. Поэтому 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 — из проб бетонной смеси, применяемой при изготовлении контролируемого изделия. Пробы берут из одного замеса или из одного кузова автомобиля, перевозящего бетонную смесь. Образцы, подготовленные из бетонной смеси, испытывают через 28 суток после изготовления. Их устанавливают в пресс и нагружают его непрерывно и равномерно до разрушения образца. Разрушающая нагрузка фиксируется, затем по ней расчитывают 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.

Метод неразрушающего контроля. Основное отличие метода от двух предыду-щих состоит в том, что при его использовании непосредственно измеряемой величиной является не прочность, а какой-либо физический показатель, связанный с измеряемой величиной корреляционной или, по другой терминологии, градуировочной 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.

С целью 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 (НК) 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.

При измерении неразрушающими методами на точность измерения прочности могут оказывать влияние следующие факторы: 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. Существует несколько основных методов НК, основанных на построении индивидуальных градуировочных.

1. Метод пластической деформации основан на измерении размеров отпечатка, который остался на поверхности бетона после соударения с ней стального шарика. Несмотря на то что этот метод имеет самую высокую погрешность среди прочих методов НК и давно устарел, его используют вследствие невысокой стоимости оборудования. Наиболее широко для таких испытаний применяют 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 аналоги — BetonCondtol, ОМШ и др. Метод упругого отскока, как и метод пластической деформации, имеет невысокую точность. Он 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 — ряд приборов Condtrol фирмы НПП «Кондтроль» (г. Челябинск), семейство приборов «ИПС», выпускаемых СКБ «Стройприбор» (г. Челябинск) и приборы «ОНИКС», производства 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 вырывании из него анкерного устройства. Это самые точные из методов НК прочности, поскольку по ГОСТ 22690 для них допускается использование универсальной градуировочной зависимости, в которой изменяются всего два параметра. К недостаткам данного метода следует отнести 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», прибор «ОНИКС-ОС» производства НПП «Интерприбор». 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 прикрепленного к нему металлического 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 располагаются с разных сторон тестируемого образца, и поверхностное прозвучивание, когда датчики расположены с одной стороны. Метод УЗ обес-печивает самую высокую стабильность результатов по сравнению с испытаниями прочими методами, но требует высокой квалификации исполнителя для правильной интерпретации результатов.

Метод сквозного УЗ прозвучивания позволят, 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 данный метод, — «УК1401» производства «Акустические контрольные системы» (Москва), семейство приборов «Пульсар» — НПП «Интерприбор», «Бетон-32» — ЗАО «Интротест», «УК-14П» и ряд других.

Нужно отметить, что современная приборная база НК существенно отличается от рекомендуемой авторами ГОСТов и многочисленных исследований, проведенных в 80-х гг. прошлого века. С начала 90-х гг. 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.

Испытания бетонов на прочность до недавнего времени проводили только заводы ЖБИ да несколько лабораторий при таких профильных институтах, 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 за 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 понятна: потребители хотят получить современный, простой и надежный в эксплуатации прибор, производители, почувствовав значительное увеличение спроса, стремятся реализовать как можно большее количество приборов, а лаборатории по заказам как производителей, так и потребителей разрабатывают новые методики контроля, являющиеся дополнениями к существующей нормативной базе (ГОСТам).

Сейчас сложилась странная ситуация: существующие ГОСТы содержат устаревшие требования как к самым методам контроля, так и к 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.

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, т. к. 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.

Не совсем правильной следует считать и практику изготовления и испытания стандартных бетонных образцов-кубов по целому ряду причин: объем изготовления стандартных образцов-кубов несоизмерим с объемами производства конструкций и со-оружений, 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.

Мы считаем, что 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 следующую дифференциацию.

Заводы стройиндустрии (ЖБИ, кирпичные, керамической плитки и т. д.) располагают лабораториями, оборудованными прессами, позволяющими проводить испытания стандартных образцов, и специалистами, которые могут квалифицированно произвести такие испытания. Заводы как правило используют регламентированные составы смесей для изготовления изделий. Сырье поступает от нескольких поставщиков, качество продукции которых проверено. Поэтому могут устанавливать градуировочные зависимости под производимые у них составы изделий. Такой подход, во-первых, позволяет повысить точность измерений, т. к. измерительное оборудование градуируется на предприятии под производимые на нем материалы; во-вторых, снижает стоимость закупаемого оборудования, т. к. приборы могут поставляться «пустыми» — без установленных в них на предприятии-изготовителе тарировочных зависимостей.

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

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 после прочтения паспорта прибора.
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 данной 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 матеиалов». — М., Ассоциация строительных вузов, 1999.
4. Гулунов В. В., Мотовилов А. В., Гершко-вич Г. Б. «Особенности применения новых приборов неразрушающего контроля прочности бетона». Монография. — М., 2004.
5. В. Г. Штенгель. «О методах и средствах НК для обследования эксплуатируемых железобетонных конструкций». // «В мире НК», № 2(16), 2002, с.12–15.
6. В. А. Клевцов, М. Г. Коревицкая. «Об организационно-технических проблемах НК прочности бетона». // «В мире НК», № 2(16), 2002, с.16–17.
7. Губайдуллин Г. А. «Приборный комплекс оперативного контроля прочности бетона». // «В мире НК», № 2(16), 2002. с. 21–22.
8. А. В. Гулунов. «Методы и средства НК бетона и железобетонных изделий». // «В мире НК», № 2(16), 2002, с. 24–25.

Автор: Д. А. Чихунов
Дата: 02.10.2006
Журнал Стройпрофиль 6-06
Рубрика: мониторинг зданий




«« назад