Способы определения прочностных характеристик и напряженно-деформированного состояния бетона

Прочность бетонных и железобетонных сооружений определяют различными способами, которые подразделяются на две основные группы: разрушающие (несущественно и значительно) и неразрушаюшие. Разрушающие способы более трудоемки, сложны и не всегда приемлемы, так как могут привести к уменьшению прочности и ухудшению внешнего вида исследуемого элемента.

Рис.3 9. Внешний вид приборов неразрушающего контроля железобетонных конструкций:

а- ультразвуковой прибор УКБ-1М, б- ультразвуковой толщиномер «Кварц-6»; в — измеритель напряжений и трещин ИНТ-М2; г- измеритель толщины покрытия ИТП-1; д- измеритель параметров армирования; 1-регистрирующий прибор; 2-преобразователь.

Поэтому наибольшее распространение находят неразрушающие способы контроля прочности конструкций. К ним от­носит: ультразвуковые — ультразвуковой, резонансный и поверхностные волны, радиационные—нейтронные, гамма-излучения; электромагнитные — поглощение света высокой частоты (СВЧ), поля электромагнитной индукции и др.

Наибольшее применение при толщине конструкции до 15м нашел ультразвуковой способ. При этом используют приборы: УКБ-1, УКБ-1М (рис. 3.9, а), «Кварц-6» (рис. 3.9.б), ИНТ-М2 (рис. 3.9.в), ИТП-1 (рис. 3.9.г), УК-16П, УФ-90ПЦ, «Бетон-8-УРЦ», УК-10П и др. [3]. Ультразвуковой способ основан на прохождении сигнала через исследуемый объект, его отра­жении и затухании. При толщине конструкции до 30 м используют ударный способ контроля качества бетона.

Прибор УКБ-1М служит для определения внутренних дефектов в бетоне и оценки его качества, а «Кварц-6»— для оценки толщины бетонных сооружений и металлических конструкций. Прибор ИНТ-М2 позволяет обнаружить скрытые трещины и зна­чения напряжений в сварных металлических частях бетонных сооружений.

Среди способов с несущественным разрушением бетона нашли широкое применение способы, служащие для определения поверхностной прочности сооружений. К ним относят способы пластических деформаций, при которых используют дисковый прибор Губбера ДПГ-4, эталонный молоток Кашкарова, молоток Физделя, пистолет Скрамтаева, строительно-монтажные пистолеты СМП-1, КМ, ПМ, ДИГ-4, способ упругого отскока с приме­нением склерометра Шмидта и др.

Дисковым прибором ДПГ-4 (рис. 3.10,а), предложенным А. М. Губбером, пользуются следующим образом. Не менее чем за 1 ч до испытания увлажняют подготавливаемый участок. Устанавливают прибор, а затем отводят диск на заданную вели­чину. Под действием собственного веса диск падает и оставляет отпечаток на бетонной поверхности. По его длине и калибровочной кривой определяют прочность бетона. На испытываемой поверхности (площадью до 0,5 м²) делают не менее 12 отпечатков. Прочность бетона находят по зависимости:

R=АН/(l³* а). (3.1)

где А — эмпирический коэффициент, принимаемый для вертикальных поверхностей бетона равным 4850 кг/см, для горизонтальных -5600 кг/см; Н высота падения диска, определяемая по зависимости Н= lsinφ; φ-— угол поворота стержня прибора; l— длина отпечатка, см; а- расстояние от центра диска до втулки, равное 25 см.

Молоток Кашкарова (рис. 3.10,6) основан на использовании механических свойств стали эталонных стержней. После ударов молотком по исследуемой поверхности замеряют диаметр лунки на бетоне d_б, и на эталонном стержне d_э, которую оставляет стальной шарик молота диаметром 15 мм. Прочность бетона на сжатие определяют с помощью калибровочного графика (рис. 3.10,6) по диаметрам не менее 10 отпечатков, а предварительно напряженных элементов (плиты, балки и др.) — не менее 15...20. Экспериментальные испытания прочности молотком Кашкарова показали точность 4...6%.

Молоток Физделя (рис. 3.10, в) имеет на одном конце стальной шарик диаметром 17,463 мм, оставляющий при ударе сферическую лунку на бетоне.

Рис. 3.10. Приборы для определения поверхностной прочности сооружения с несущественным разрушением бетона:

а- ДПГ-4; 1- хвостовик; 2 — опорное устройство; 3 — муфта; 4 — шарнир; 5 –ось; 6-стержень; 7-диск; 8 — цементированная кромка; 9 - шкала угломерная; 10 —стрелка-отвес; б — молоток Кашкаиов и калибровочный график; 1— головка; 2- стакан; 3 - корпус; 4 — пружина; 5 - эталонный стержень; 6 - шарик из высокопрочного металла; 7 –ручка; в- молоток Физделя и калибровочный график; 1 — корпус, 2 — шарик; 3-ручка. Размеры в мм

По калибровочной кривой, зная диаметр лунки d_б, определяют прочность бетона на сжатие. Существуют также приборы со значительным разрушающим воздействием на элементы сооружения. К ним можно отнести приборы: ГПНВ-5 (рис. 3.11,а), отрывающий бетон с диском, ГПНВ-5 с приспособлением УРС (рис. 3.11, б), скалывающий ребро конструкции, ГПНС-4 (рис. 3.11,в), отрывающий и скалывающий.

Рис. 3.11. Схема действия приборов, основанных на разрушающем воздействии элементов сооружения: а- ГПНВ-5; б- ГПНВ-5 с приспособлением УРС; в-ГПНС-4; 1-элемент разрушения; 2-иследуемый образец.

Для проверки прочности бетона в глубине массива сооружений с целью оценки их дальнейшей пригодности к эксплуатации выбуривают образцы (диаметр 100 мм) и испытывают их на прочность на специальных стендах. При этом влажность образ­ца (керна) должна при испытании соответствовать влажности массива, так как прочность бетона значительно изменяется в зависимости от степени его водонасыщения. Опытный специа­лист предварительно может достаточно точно оценить состояние бетона в глубине массива на основе визуального анализа образ­ца (цвета, пористости, плотности, наличия заполнителя). Для предварительной оценки прочности бетона применяют также сборный фотобуроскоп конструкции Гидропроекта. Взятые образцы отправляют в лабораторию, где их испытывают согласно ГОСТу «Бетон гидротехнический. Методы испытания бетона». Чтобы восстановить монолитность бетонного сооружения, скважины мест взятия образца бетонируют или торкретируют с вибрированием и армированием с помощью стержней или сетки на анкерах Иногда пробуренные скважины одновременно используют для оценки бетона на водонепроницаемость. С этой целью через них в бетон нагнетают с заданным давлением воду. Водонепроницаемость бетонного массива определяют по удельному водопоглощению.

Напряженно-деформированное состояние сооружений характеризуется следующими параметрами [36]: напряжением и деформацией; давлением скалы на подошву (контактные нормальные напряжения); деформацией скалы в основании и в бортовых примыканиях; раскрытием межстолбчатых, межблочных, межсекционных швов, трещин, усилиями в арматуре; температурой бетона и основания; поровым давлением в бетоне; основными нагрузками и воздействиями на плотину (уровни, температура и т. д.).

В основном применяют два способа измерения напряжении тензометрический и с помощью закладных датчиков. Тензометрический способ заключается в определении с помощью тензометров относительных деформаций бетона и вычисления по ним напряжений по зависимостям, полученным для упругоползучего тела. Признано считать этот способ основным, так как с его помощью можно получить не только деформации, но и напряжения (нормальные и касательные). Он применим для измерений не только ,на поверхности тела, но и внутри его.

Рнс 3.12. Схемы тензометрических розеток:

а-прямоугольная; б — дельтовидная; в — веерообразная; г — веерообразная с пятым тензометром, расположенным по нормали к плоскости розетки; д - объемная из шести тензометров; е -объемная звезда с девятью тензометрами, образующими веер в каждой координатной плоскости; ж — плоская розетка в скале

В мировой практике известны дискообразные преобразова­тели сжимающих напряжений, однако в отечественной практике они пока не нашли широкого применения из-за технологиче­ских трудностей, возникающих при установке их в массиве, и малой изученности взаимодействия с бетоном в условиях объемного напряженного состояния.

Непосредственно определить касательные напряжения трудно, поэтому относительные деформации замеряют по трем на­правлениям (ортогональным осям и под углом 45° к ним), а затем вычисляют весь комплекс напряжений в плоскости. При расчете объемного напряженного состояния относительные де­формации измеряют в шести, а иногда двенадцати направлениях. При исследованиях линейных напряжений, температурного состояния блоков, а также в ряде других случаев устанавливают одиночные тензометры. Схемы тензометрических розеток представлены на рисунке 3.12. Более подробно методика их размещения, монтажа и исследований изложена в рекомендациях [36]. В состав приборов измерительной точки, как правило, включают так называемый ненапряженный тензометр (образец), который служит для исключения деформаций, обусловленных свободными изменениями температуры и влажности бетона, не связанных с действующими в точке напряжениями.

Для телеизмерения статических относительных деформаций бетона, скалы и металлоконструкций сооружений служит преобразователь линейных деформаций струнный (ПЛДС) (рис.3.13,а). Прибор состоит из упругого элемента, резонатора (струны), электромагнитной системы возбуждения (преобразовательного элемента) и корпуса. Возникающие в бетоне деформации приводят к большому натяжению струны, обусловливающему изменение частоты колебания струны при выводе ее из равновесия электрическим сигналом.

Рис. 3.13. Струнные измерительные преобразователи

а — ПЛДС, б — ПЛПС; в — ПСАС; г — ПДС; д- ПТС; е – ПСУС; 1 — упругий элемент; 2 — резонатор (струна); 3 — преобразовательный элемент (электромагнитная система возбуждения)

. На таком принципе Гидропроект, ВНИИГ разработали большое число КИА, выпускае­мой отечественными промышленными предприятиями. Такими приборами струнного типа также являются: преобразователь. линейных перемещений струнный (ПЛПС) для телеизмерения раскрытия швов, трещин, деформаций скального основании (рис. 3.13,6); преобразователь силы в арматуре струнный (ПСАС) (рис. 3 13,в); преобразователь давления струнный (ПДС) для измерения гидростатического давления в пьезометpax, порового давления, нормальных напряжений в грунт (рис. 3.13,г); преобразователь температуры струнный (ПТС) для измерения температуры сооружений и оснований от —30 до +60ºС (рис. 3.13,d); преобразователь силы унифицированный струнный (ПСУС) для оснащения прямых и обратных отвесов в системах автоматизированного контроля (рис 3 13, е) и др.

Выпускают также коммутирующую, дистанционную и другую аппаратуру, позволяющую автоматизировать натурные наблюдения. К ней относятся: коммутатор преобразователей типа КП-24, рассчитанный на одновременное подключение 24 преобразова­вшей, периодомер цифровой портативный типа ПЦП-1 и пульт автоматизированной системы контроля состояния сооружена (ПАСК).

Наблюдения ориентировочно рекомендуется выполнять со следующей периодичностью. Во время строительства в первые сутки после установки преобразователей и перекрытия их бетоном — через 4 ч; в течение последующих 2 сут—через 8 ч; в течение первого месяца — ежедневно; затем до конца третьего месяца — 2 раза в неделю; в дальнейшем— 1 раз в 7…10 сут. В начальный период эксплуатации наблюдения проводят 1 раз и 10...15 сут, а в дальнейшем после стабилизации явлений, про­исходящих в бетоне, —1 раз в месяц, иногда и реже. Подробнее этот вопрос изложен в рекомендациях [361.