Определение прочности материалов конструкций неразрушающими методами

Неразрушающие методы являются наиболее прием­лемыми для определения прочностных, деформативных и других физико-механических характеристик строитель­ных материалов в условиях, когда эти свойства устанав­ливаются для конструкций возведенных и эксплуатиру­ющихся зданий и сооружений. Места отбора образцов (проб) для лабораторных испытаний и места для про­ведения испытаний неразрушающими методами следует устанавливать на характерных участках конструкций с учетом действующих нагрузок и воздействий, напря­женно-деформированного состояния обследуемых эле­ментов, конструктивных решений. Эти места могут быть определены также по группам однотипных конструктив­ных элементов с целью получения совокупности данных для статистической обработки.

Следует обратить внимание на обеспечение несущей способности и пригодности к эксплуатации конструк­ций, ослабленных отбором образцов (проб).

Неразрушающие методы применяют для установле­ния прочности бетона на сжатие (имеется в виду куби­ковая прочность бетона R), которая определяется как функция R—f(x_i) какой-нибудь механической или фи­зической характеристики бетона, полученной опытным путем. Различают механические методы, когда по результатам измерения приборами механических ха­рактеристик бетона x_i по таблицам и графикам опреде­ляют значение R, и физические методы, пользу­ясь которыми кубиковая прочность находится как функ­ция физических характеристик, полученных также опыт­ным путем.

Градуировочные таблицы и графики для конкретных конструкций уточняются по результатам испытаний бе­тонных образцов (кубов со стороной 7,07 см), вырезан­ных из тела конструкций (не менее трех образцов), или испытаний методом отрыва со скалыванием по ГОСТ 21293—75, описанным ниже.

В процессе обследований при установлении данных о прочности бетона в одной конструкции или среди раз­ных конструкций рекомендуется выделить участки с об­щими прочностными характеристиками бетона исходя из того, что коэффициент вариации прочности бетона для каждой совокупности должен быть V_R>0,135, а проч­ность бетона находиться в пределах R= (0,7... 1,3) R, где R — среднее значение прочности. Отдельные места кон­струкций или отдельные конструкции, имеющие значи­тельные дефекты, в указанную выборку не включаются.

Основные методы испытания, используемые для оп­ределения прочности бетона непосредственно в конст­рукциях эксплуатирующихся зданий и сооружений, при­ведены в табл. 3.1.

Из механических методов одним из наиболее распро­страненных является метод пластической деформации, основанный на взаимосвязи между R и размерами от­печатков на бетонной поверхности, которые получают путем вдавливания штампа при статической или динамической нагрузке. Отпечаток на бетонной поверхности (его геометрические размеры) характеризует пластичес­кую (или упругопластическую) деформацию бетона при статической нагрузке под действием прессов, при дина­мической — под действием удара.

Метод испытания на отрыв со скалыванием основан на определении R по усилию Р , требуемому для отрыва и скалывания куска бетона из тела конструкции, для чего в бетоне в высверленные отверстия устанавливают с зачеканкой цементным раствором анкерные устройст­ва, которые затем вырывают специальными приборами. Возможно установить R по прочности бетона на отрыв, когда с помощью аналогичных приборов производят от­рыв стального диска, приклеенного к поверхности бетон­ного элемента эпоксидным клеем. Прочность бетона мож­но определить и на основании измерения усилия скалы­вания части бетона в ребре конструкции. Кроме того, для испытания прочности ячеистых бетонов используют метод, заключающийся в выдергивании винтовых стерж­ней, предварительно вкрученных в тело бетона.

Методом, основанным на измерении отскока подпру­жиненных молотков (склерометров) от бетонной поверх­ности, характеризуют прочность бетона по величине от­скока при ударе о бетон.

Из физических методов определения прочности бето­на в конструкции получили распространение импульсные и радиоизотопные.

Из импульсных методов широко применяют ультра­звуковые, основанные на измерении времени распространения ультразвука в бетоне и базы прозвучивания, по которым рассчитывают скорость ультразвуковой вол­ны и как ее функцию определяют прочность бетона R.

Метод волны удара основан на измерении скорости распространения в бетоне продольных волн υ_уд, вызван­ных механическим ударом ручным или электрическим молотком. Далее по зависимости R— υ_уд устанавливают прочность бетона.

Радиоизотопный метод позволяет определить плот­ность бетона ρ_υ и по заранее установленным зависимо­стям R—ρ_υ выявить прочность ячеистых бетонов. Он ос­нован на использовании γ-лучей, источником которых являются радиоактивные изотопы.

Часто при обследовании бетонных и железобетонных конструкций определение прочности бетона неразрушающими методами приходится производить при отсутст­вии зависимости «косвенная характеристика — проч­ность» для обследуемого бетона конкретной конструк­ции. Для уменьшения ошибки при определении R реко­мендуется проводить комплексные испытания бетона, включающие определение прочности бетона разрушаю­щими методами в образцах, полученных из тела обсле­дуемой конструкции путем выпиливания образцов пра­вильной формы (кубов цилиндров) по ГОСТ 10180—78 и кернов или образцов неправильной формы, методами штампа или раскалывания и параллельно установление прочности бетона несколькими неразрушающими мето­дами. -

По полученным результатам находят наиболее до­стоверное значение величины R. При этом желательно сочетать как механические, так и физические методы определения прочности бетона.

Для установления деформативных характеристик бе­тона в эксплуатируемой конструкции может быть ис­пользован метод испытания бетона путем скалывания. Специальное устройство, принцип работы которого бли­зок к работе прибора ГПНС-4, позволяет получить зна­чение абсолютной деформации бетона при ступенчатой нагрузке, приложенной к вырываемому из бетона анке­ру. По этим данным строят зависимости «деформация — напряжение» или «деформация — относительное напря­жение» и вычисляют модуль деформации бетона.

Общие рекомендации по выбору методов испытании в зависимости от области применения приведены в табл. 4.4, а по выбору типа прибора в зависимости от прочно­сти бетона в табл. 4.5.

Следует отметить, что из всех рассмотренных физи­ко-механических способов определения прочности бето­на в конструкциях наиболее достоверные данные полу­чают при испытаниях на отрыв и скалывание. Поэтому этот метод желательно применять параллельно с други­ми для контроля и уточнения результатов испытаний.

Прочностные характеристики кирпича всех видов, бе­тонных и природных камней, а также кладки из них уста­навливают с помощью испытания образцов, отобранных непосредственно из кладки на стандартном лаборатор­ном оборудовании в соответствии с ГОСТ 8462—85 и СН 290—74 и ультразвуковым методом по ГОСТ 24332— 80.

Физико-механические характеристики металлических конструкций и арматуры железобетонных конструкций устанавливают стандартными испытаниями проб (образ­цов), вырезанных из эксплуатируемых элементов.

Марка металла и его качество проверяются путем статического растяжения образцов (определяется вре­менное сопротивление, предел текучести, относительное удлинение); испытания образцов на ударную вязкость при температурах +20 и — 20 °С; химического анализа стали (устанавливается содержание углерода, кремния, марганца, серы и фосфора и др.); выявления распрост­ранения сернистых включений способом отпечатков по Бауману.

Из металлических конструкций образцы для механи­ческих испытаний вырезают в соответствии с ГОСТ 7564—73*: из листовой стали — поперек направления прокатывания, из фасонной стали — вдоль. Темплеты для выявления распространения сернистых включений способом отпечатков по Бауману вырезают из листовой и широкополосной стали — вдоль направления прокат­ки, а из сортового или фасонного проката — поперек по ГОСТ 5639—82*. Пробы для определения химического состава отбирают в соответствии с ГОСТ 7565—81 в ви­де металлической стружки в количестве не менее 50 г с одного элемента. Стружку допускается отбирать пу­тем высверливания ручной дрелью. Ударная вязкость стали при нормальной и пониженной температуре уста­навливается на плоских образцах с V-образным надре­зом.

Для испытаний отбирают пробы от партии элементов, т. е. однотипных видов проката, одинаковых по номерам, толщинам, маркам стали и входящим в состав однотип­ных конструкций одной поставки или одного периода изготовления.

При выборе количества образцов для испытаний мож­но воспользоваться данными, приведенными в табл. 4.6.

Таблица 4.6. Рекомендации по выбору количества образцов для определения физико-механических характеристик стали

В железобетонных конструкциях образцы арматуры для механических испытаний отбирают (вырезают) из стержней эксплуатируемых элементов минимум по два образца из одноименных стержней.

В целом отбор должен производиться на участках наименьших силовых воздействий с обязательным обес­печением прочности и устойчивости ослабленных эле­ментов.

Прочность древесины деревянных конструкций неразрушающими методами можно установить огнестрель­ным способом, основанным на существовании зависи­мости между глубиной проникновения пули, плотностью и пределом прочности на сжатие, и используя ультра­звуковые приборы, описанные выше, при известной связи между скоростью распространения ультразвука в древе­сине и ее упругой характеристикой (динамическим мо­дулем упругости), по которой определяют предел проч­ности, а также прибором Певцова по отпечатку при па­дении шарика диаметром 25 мм с высоты 50 см и градуировочной зависимости.