Метод определения класса арматуры при обследовании железобетонных конструкций
При обследовании железобетонных элементов наиболее трудной задачей является определение параметров стальной арматуры. Самым сложным в определении и важным для результатов расчета является определение прочности арматурной стали и класса арматуры.
В работе А. В. Улыбина «Методы контроля параметров армирования железобетонных конструкций» [1] изложены возможные методы определения класса арматуры, указаны их основные недостатки и преимущества. Перспективными представляются как использование методов неразрушающего контроля, так и оценка прочности арматуры по измерению твердости стали. Остановимся более подробно на особенностях данных подходов и ограничениях по их применению.
Применение метода основано на известной зависимости параметров прочности стали (временное сопротивление s В, предел текучести s Т) с твердостью по шкале Бринелля (кг/мм2), например:
(1)
Твердость по шкале Бринелля можно определить как испытанием на прессе Бринелля (по требованиям ГОСТ), так и измерением твердости по другим шкалам (Роквела, Виккерса, Шора) и пересчетом в твердость по Бринеллю. Имеется большой выбор портативных приборов, позволяющих определять твердость стали в полевых условиях. Приборы реализуют различные методы, например: динамический — серия приборов ТЭМП (аналог измерений по Шору), ультразвуковой — приборы серии МЕТ-У (по Виккерсу), статический — Equostat (по Роквеллу) и др.
При использовании стационарных твердомеров обеспечить точность измерений гораздо проще. Это связано как с меньшей погрешностью стационарных приборов по сравнению с портативными, так и с возможностью качественной подготовки поверхности отобранных образцов. Но последний плюс заключает в себе и основной недостаток — необходимость отбора образцов, что является самым трудоемким мероприятием и не всегда возможным. Поэтому, несмотря на увеличение погрешности, предпочтение отдается использованию портативных приборов, позволяющих избежать отбора образцов. И, несмотря на наличие теоретической и приборной базы, правильно выполнить измерения твердости на арматуре, заключенной в бетоне конструкций, а также произвести однозначный пересчет в прочность стали не просто. Имеется ряд трудностей, основными из которых являются:
— подготовка на боковой поверхности арматурного стержня (в зоне вскрытия защитного слоя бетона) участка заданной площади, ровности и шероховатости, необходимого для применения метода контроля;
— подготовка поверхности без привнесения изменений твердости поверхностного слоя обработанного участка;
— выбор зависимости для пересчета твердости в прочность из множества имеющихся или определение новой зависимости для арматурных сталей.
Для применения всех методов неразрушающего контроля твердости необходимо соблюсти определенные требования к участку измерения и его поверхности. К этим требованиям относятся:
— радиус кривизны поверхности, который для применения динамического метода должен быть более10 мм, а для ультразвукового — более5 мм(по паспортным данным прибора МЕТ-УД);
— минимальная площадка измерения для установки датчика должна быть диаметром более 7–10 мм (в зависимости от метода измерения);
— шероховатость измеряемой поверхности, которая при использовании большинства методов измерения твердости (как портативными, так и стационарными приборами) должна быть менее 2,5 мкм (Ra).
Обеспечить выполнение описанных условий можно с помощью обработки абразивными дисками, установленными на угловую шлифовальную машинку (УШМ). После среза части сечения арматуры и создания площадки необходимых размеров и ровности производится дообработка поверхности с помощью наждачной бумаги и соответствующих насадок на УШМ.
Как видно из указанных выше параметров кривизны и площади участка выполнять измерение без среза части арматурного профиля можно только на гладкой арматуре диаметром более10 мм. Также это возможно на арматуре с «улучшенным» периодическим профилем (по ГОСТ 10884 и более новым стандартам) большого диаметра, в которой ребра несечки имеют шаг больше, чем у арматуры, выпускаемой по ГОСТ 5781. Однако в любом случае измеряемую поверхность необходимо очищать от окалины, что наиболее удобно производить шлифовкой.
Как показывают экспериментальные данные, для создания поверхности с параметром шероховатости Ra менее 2,5 целесообразно применение наждачной бумаги с зернистостью в диапазоне Р60- Р180 при механической обработке.
При использовании обработки шлифовкой механические свойства и структура поверхностного слоя стали изменяются. В основном это происходит за счет влияния двух факторов: высокой температуры и наклепа вследствие пластических деформаций металла поверхностного слоя.
При шлифовке малогабаритными устройствами типа УШМ в режиме работы с перерывами температура нагрева стали достигает 100–200 оС, что подтверждается тепловизионными измерениями. При работе без перерывов и периодического охлаждения поверхности температура может достигать 300 оС и более, о чем свидетельствует появление оксидной пленки с цветами побежалости. При достижении указанных температур сталь может подвергаться низкотемпературному и среднетемпературному отпуску. При этом прочность, пластичность и твердость поверхностного слоя могут изменяться.
Помимо высоких температур, в зоне реза (шлифования) металл поверхностного слоя претерпевает существенные пластические деформации, которые после обработки являются остаточными. Эти деформации приводят как к образованию остаточных напряжений в поверхностном слое элемента, так и к изменению параметров прочности и твердости за счет наклепа. Глубина измененного слоя зависит от скорости реза, силы подачи инструмента, направления шлифовки, зернистости абразива и других факторов. Известно, что толщина слоя с этими изменениями может колебаться от десятков до сотен микрон.
Таким образом, применяя портативные приборы с малой глубиной проникновения индентора (статический, ультразвуковой), результат измерения можно получить с существенным отличием от истины. С другой стороны, указанные методы (например, ультразвуковой) характеризуются большей универсальностью для применения в полевых условиях, так как измерения можно производить на элементах меньших размеров по площади и толщине, меньшей массы и большей кривизны.
Для применения портативных твердомеров на боковой поверхности арматурных стержней необходимо исследовать влияние видов обработки на арматурную сталь и подобрать оптимальный вид и режим. После решения проблем с подготовкой поверхности измерения и выбора метода контроля возникает немаловажный вопрос: какую зависимость применять для определения прочности стали по твердости.
В технических источниках предлагаются различные зависимости между твердостью по шкале Бринелля и временным сопротивлением стали. Вот некоторые из них.
В учебном пособии [2] указана следующая зависимость (МПа):
, (2)
где: К = 0,34 при НВ<175 и К = 0,36 при НВ>175.
В СТО 22-04-02 [3] предлагается использовать такую зависимость (кг/мм2):
. (3)
В научных публикациях специализированных изданий [4] дана еще одна зависимость (кг/мм2):
. (4)
По результатам наших исследований, выполненных при измерениях твердости ультразвуковым твердомером (5) и на прессе Бринелля (6), были получены различные зависимости (МПа):
(5)
И
. (6)
Обе указанные зависимости характеризуются значениями коэффициента корреляции, близкими к единице.
Все указанные зависимости представлены на рисунке.
По графикам видно, что использование той или иной зависимости для пересчета приведет к значительному различию между полученными значениями прочности. Указанные зависимости (2,3,4) получены при исследовании сталей прокатных профилей (швеллер, двутавр и др.), применяемых для элементов стальных строительных конструкций. Эти стали характеризуются относительно узким диапазоном прочности, небольшим разнообразием марок и простыми способами термического улучшения. Всего этого нельзя сказать об арматурной стали различных классов. Не ясно, как будут влиять разнообразие марок стали и видов термомеханического упрочнения арматуры, а также напряженное состояние и другие факторы на используемую зависимость.
В ряде отечественных исследований экспериментально определялась взаимосвязь твердости и предела текучести сталей. При этом получены линейные регрессионные зависимости с коэффициентами регрессии, отличающимися для сталей разных марок в 2 и более раз [5]. Учитывая различное соотношение пределов прочности и текучести для арматур разных классов, а также то, что у высокопрочной арматуры последний зачастую физически отсутствует, исследование взаимосвязи «предел текучести — твердость» для арматуры вряд ли целесообразно.
Выводы
Несмотря на наличие большого спектра приборов для измерения твердости и предварительной обработки поверхности арматуры в полевых условиях, выбор конкретного вида оборудования и определение условий его применения требуют детального исследования.
Рекомендуемые зависимости, характеризующие связь прочность стали и ее твердость, имеют существенные отличия. Получаемые по ним результаты могут различаться по величине более чем на 20%.
Для корректного использования на практике метода контроля прочности арматуры по измерению твердости стали необходимо выполнить всестороннее исследование, в ходе которого надо рассмотреть факторы, влияющие на результат измерений, и их значимость, а также определить мероприятия по их устранению и снижению их влияния или учету в аналитических выражениях.
Н. И. Ватин, д. т. н., научный руководитель,
А. В. Улыбин, к. т. н, начальник отдела
«Обследование зданий и сооружений»,
С. Д. ФЕДОТОВ, главный инженер отдела
«Обследование зданий и сооружений».
ПНИПКУ «Венчур»
Литература
1. Улыбин А. В. «Методы контроля параметров армирования железобетонных конструкций». // «Инженерно-строительный журнал», №1(27),2011 г.
2. Ремнев В. В., Морозов А. С., Тонких Г. П. «Обследование технического состояния строительных конструкций зданий и сооружений». Учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта. — М.: «Маршрут»,2005 г.
3. СТО 22-04-02 «Руководство по отбору микропроб, проб и определению механических свойств сталей в металлических конструкциях неразрушающим методом».
4. Валь В. Н., Горохов Е. В., Уваров Б. Ю. «Усиление стальных каркасов одноэтажных производственных зданий при их реконструкции». — М.: «Стройиздат»,1987 г.
5. Хомич В. М., Логвинов Д. Н. «Экспериментальное исследование взаимосвязи предела текучести и некоторых чисел твердости строительных сталей». // Новосибирск: «Известия вузов. Строительство» №11, 1999 г.
| Автор: Н. И. Ватин, А. В. Улыбин Дата: 18.05.2012 Журнал Стройпрофиль 97 Рубрика: бетоны и жби: технологии, оборудование Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |