Существует три основных метода испытания бетона на прочность в сооружениях:
1. Неразрушающие методы испытаний:
- а) с помощью молотка Шмидта;
- б) гаммаграфический;
- в) ультразвуковой.
2. Взятие кернов и их испытание. Этот метод является неразрушающим лишь частично, поскольку отверстия после взятия кернов необходимо хорошо заделывать. В сооружениях, содержащих жидкости, или в водоизолирующих сооружениях эту операцию выполнять затруднительно.
3. Испытание отдельных элементов или их групп пробной нагрузкой.
П.1.1. Неразрушающие методы испытаний
Молоток Шмидта
Этот инструмент весьма полезен и удобен для применения на строительной площадке. Однако результаты испытаний следует использовать с осторожностью. Этим инструментом измеряется поверхностная твердость бетона. Далее на основании полученных результатов можно эмпирически установить связь с прочностью бетона на сжатие. При этом необходимо выполнять следующие требования:1. Инструмент должен быть тарирован в зависимости от типа испытываемого бетона; для тарировки лучше применять кубики со стороной 150 мм, а не со стороной 100 мм.
2. Для каждого элемента конструкции необходимо иметь минимум 15 отсчетов.
3. В случае необходимости испытания бетона, приготовленного не на портландцементе (например, на глиноземистом), следует выполнять предварительную тарировку прибора.
4. Максимальный и минимальный результаты должны быть отброшены, а остальные усреднены.
По среднему показателю с помощью тарировочной кривой определяют прочность бетона на сжатие. Можно также определить прочность по каждому отсчету, исключая отброшенные, а затем усреднять показатели прочности.
Полезно сравнить результаты для бетона, который был признан удовлетворительным, с результатами, полученными на образцах аналогичных размеров из бетона, вызывающего сомнения. Как правило, основанием для беспокойства являются результаты испытаний кубиков, которые дают прочность ниже требуемого установленного минимума. Если для этих образцов с помощью молотка Шмидта будут также получены невысокие показатели, то они являются подтверждением недостаточной прочности бетона на сжатие. Однако эти данные служат лишь качественным показателем и при продолжении исследований для определения количественных показателей лучше воспользоваться испытанием кернов. При этом предполагается, что образцы-кубы были изготовлены и испытаны правильно.
Гаммаграфический метод
Этот метод контроля качества затвердевшего бетона применим при толщине элементов до 450 мм. Гаммаграфия выполняется в соответствии с законами о труде и требованиями по ионизирующему излучению 1961 г. Ее применяют для проверки качества инъектирования каналов в конструкциях с последующим напряжением, обнаружения пустот (раковин) в бетоне, а также точного определения положения и сечения арматуры.Этот метод достаточно дорогой и требует специальных операторов и опыта при расшифровке фотографии. Для выполнения работ необходим свободный доступ к обеим поверхностям исследуемого объекта.
Импульсный ультразвуковой метод
Основной принцип испытания бетона в сооружении импульсным ультразвуковым методом заключается в том, что бетон как упругий материал проводит продольные и поперечные волны. Скорость распространения этих волн в бетоне зависит от его характеристик, которые, в свою очередь, могут быть соотнесены с прочностью бетона. Используемый прибор генерирует импульс в бетоне при приложении механического импульса, фиксирует его в некоторой точке на заданном расстоянии от места возбуждения и содержит специальное устройство для точного измерения времени прохождения импульса до приемника сигналов.В течение последних нескольких лет специалисты Ассоциации цемента и бетона накопили большой опыт использования такого оборудования и, что особенно важно, расшифровки результатов измерений, а также оценки качества бетона. Применявшийся прибор разработай мистером Элвери в Лондонском университете и изготовлен компанией «С. N. S. Инструменте Лимитед». Он имеет фирменное название «пандит» (портативный цифровой указатель импульсного ультразвукового неразрушающего контроля). Инструмент имеет небольшие размеры, легко транспортабелен и весит всего около 3 кг.
Существует три основных метода передачи и регистрации ультразвуковых импульсов. Наилучшим является сквозное прозвучивание с установкой щупов на одной оси, при котором измеряется время прохождения продольных волн между излучателем и приемником. Излучатель и приемник в этом случае располагаются на противоположных сторонах конструкции. Второй метод, менее надежный, чем первый, это сквозное прозвучивание при насосной установке щупов. Его используют для таких элементов, как толстые плиты перекрытий, верхняя и боковые поверхности которых позволяют устанавливать приборы, а нижняя поверхность недоступна. Третий метод, еще менее надежный, это поверхностное прозвучивание, когда передача и регистрация сигналов выполняется с одной стороны, например при исследовании фундаментных плит или стен подвалов после выполнения обратной засыпки.
В настоящей книге не представляется возможным детально рассмотреть особенности испытаний импульсным ультразвуковым методом. Специалисты, которые хотят воспользоваться этим весьма эффективным методом испытания бетона в конструкциях, должны обращать внимание на ряд факторов, существенно влияющих на скорость прохождения звуковых импульсов через бетой. По данным Томсетта (см. библиографию в конце приложения), к ним относятся тип заполнителя и его гранулометрический состав. вид и расход цемента, водоцементное отношение, степень уплотнения бетона, температура выдерживания.
Арматура также оказывает влияние на скорость распространения импульсов. Поэтому целесообразно, насколько это возможно, обеспечивать передачу импульсов в бетоне вне мест расположения арматурных стержней.
В руках опытного инженера «пандит» дает возможность во многих случаях надежно определять глубину распространения трещин, а также местоположение и размеры участков некачественного бетона.
Автор считает, что импульсный ультразвуковой метод неразрушающего контроля особенно целесообразен при испытаниях сооружений, наполненных водой, поскольку взятие кернов из конструкций ниже уровня воды, как правило, нежелательно.
Испытания с помощью измерителя защитного слоя бетона (ИЗС)
ИЗС представляет собой сравнительно простой прибор. Стоимость подели 1976 г. — 150 фунт, стерлингов. Толщина защитного слоя бетона определяется по градуированной шкале. На строительной площадке точность работы с серийным прибором составляет около ±5 мм.Обычно прибор оттарирован для железобетона на портландцементе с арматурой из малоуглеродистой стали. Однако его можно с успехом применять и при других видах цемента и высокопрочных сталях, если предварительно выполнить тарировку. Некоторые нержавеющие стали не обладают магнитными свойствами, и приборы этого типа не обнаруживают арматуры. В таких случаях следует переходить на гаммаграфический метод.
Изменение диаметра арматурных стержней в диапазоне от 10 до 32 мм незначительно влияет на показание прибора при определении толщины защитного слоя. При малых диаметрах стержней (порядка 5 мм) различие между определенной с помощью прибора и действительной толщиной будет существенным. Как правило, определяемая с помощью прибора толщина защитного слоя будет больше действительной толщины.
П.1.2. Испытания кернов
Испытание кернов бетона приходится проводить, когда испытания кубиков дают результаты намного ниже требуемых техническими условиями и существует опасение, что прочность бетона ниже расчетной. Это достаточно дорогостоящий и трудоемкий метод, а точность получаемых результатов невысока. В 1975 г. стоимость взятия каждого керна диаметром 150 мм в плите толщиной 250 мм вместе с испытанием составляла 40—50 фунт, стерлингов.
Взятие кернов из сооружения, наполненного жидкостью, весьма затруднительно, поскольку при этом приходится высверливать отверстия диаметром 100 или 150 мм и трудно обеспечить герметичность мест отбора кернов.
Если высверливание кернов, испытания и осмотр выполнены квалифицированно, то можно получить обширную информацию о качестве бетона в сооружении. На основе этих испытаний принимается решение о том, является ли бетой качественным или часть конструкции необходимо разобрать. Когда результаты испытаний недостаточно четкие, следует провести дополнительные испытания нагрузкой.
В ряде исследований предпринимались попытки установить корреляцию между прочностью кернов и кубиковой прочностью. Хотя такую зависимость можно установить при испытаниях в четко контролируемые условиях, автор считает невозможным получение таких результатов на строительной площадке. Обычно образцы-кубы изготовляют из бетона, доставляемого бетоновозами или приготовленного в бетономешалке непосредственно на стройплощадке.
Бетон в образцах-кубах и бетон в конструкциях находятся в совершенно различных условиях. Образцы изготовляют весьма тщательно, в то время как бетонная смесь транспортируется в ковшах или насосами сбрасывается в опалубку с арматурой, уплотняется глубинными вибраторами в условиях сильного ветра и дождя.
С учётом изложенного различие между кубиковой прочностью и прочностью кернов определяется следующими причинами:
- присутствием в кернах арматуры;
- разницей в возрасте бетона; керны обычно отбираются из конструкции, возраст бетона которой обычно более 28 сут (см. также замечания ниже);
- в зависимости от расположения в конструкции одна сторона керна может иметь несколько меньшее влагосодержание, чем другая — защитная пленка влияет на процесс высыхания бетона;
- различной степенью уплотнения бетона по торцам керна, особенно в плитах перекрытий; прочность кернов, отобранных из нижней части бетона стен и колонн, может быть выше на 20% прочности бетона в кернах, высверленных из верхней части слоя.
Еще одна сложность заключается в различии скорости нарастания с возрастом прочности бетона в сооружении и в образцах-кубах. Строительные нормы, стандарты и технические условия обычно предполагают, что скорость роста прочности в этих случаях одинакова. Насколько известно автору, это существенное допущение только в последнее время стало подвергаться сомнению.
Исследования Мэрфи из Ассоциации цемента и бетона вызвали серьезные сомнения относительно правильности соотношения между возрастом и прочностью бетона в сооружениях. Полученные им результаты позволяют считать, что в действительности в обычных сооружениях происходит небольшое увеличение прочности после 28 сут. Однако испытания кубов показывают, что прочность бетона после первых 28 сут продолжает увеличиваться. Ориентировочно прочность бетона в сооружении можно принять равной 70% средней прочности бетона в кубах.
П.1.3. Испытание пробной нагрузкой
По-видимому, испытания пробной нагрузкой целесообразны при проверке плит перекрытий и балок совместно с поддерживающими опорами, когда все другие неразрушающие методы контроля не лают ответа на вопрос, является ли прочность элементов анализируемого сооружения достаточной.
Сомнения в прочности конструкции или отдельной ее части могут возникнуть по ряду причин, основные из которых следующие:
- неблагоприятные результаты испытания кубиков, а также последующих испытаний кернов или других неразрушающих методов контроля;
- обнаруженная в проекте ошибка;
- обнаруженная пли подозреваемая ошибка при производстве работ;
- образование трещин или интенсивные прогибы;
- увеличение эксплуатационных нагрузок, не предусмотренное в проекте или при производстве работ.
Сведения о применении установки для экспресс-анализа при определении содержания цемента в свежей бетонной смеси
До тех пор, пока Ассоциацией цемента и бетона не была разработана и запатентована установка для определения содержания цемента в свежей бетонной смеси, содержание его определялось на основании химического анализа затвердевшего бетона. Поэтому на строительной площадке нельзя было проконтролировать один из самых важных параметров бетонной смеси, доставляемой с завода или от бетономешалки, а именно содержание в ней цемента. В течение многих лет ощущалась острая потребность в разработке быстрого и надежного метода оценки содержания цемента в свежей бетонной смеси.
Принцип этой установки, известной как установка для экспресс-анализа, заключается в выделении из смеси материала с размерами частиц, подобным частицам цемента. Это значит, что если в смеси присутствует другой материал с частицами того же или близкого размера, например золы-уноса, то установка для экспресс-анализа не позволит разграничить цемент и золу-унос. Однако в технические условия принято включать требование, чтобы бетонная смесь не содержала добавок без специального разрешения специализированной фирмы, ответственной за проектирование объекта и надзор по его строительству. Разумно предположить, что известные фирмы — подрядчики и поставщики товарного бетона — не будут специально добавлять в смесь материал с размером частиц, близким к частицам цемента, без предварительного оповещения и согласования с заказчиком. В противном случае эти фирмы должны были бы принять на себя ответственность за разборку значительной части конструкции и ее переделку. В некоторых песках содержатся пылеватые фракции, наличие которых можно учесть при ситовом анализе образцов песка.
Серия пробных испытаний, проведенных в 1975 г., показала, что в производственных условиях установка дает несколько завышенное содержание цемента в смеси по сравнению с показателями, представляемыми поставщиками бетона. Можно считать, что установка позволяет определить содержание цемента в 1 мЗ бетона с точностью ±20 кг (с диапазоном разброса от ±15 до ±25 кг).