Механические методы испытаний

Рассматриваемые методы привнесены в область строительства из металловедения. Как известно, при испытаниях металла широко применя­ются так называемые "пробы на твердость". К ним относятся испытания путем вдавливания в поверхность металла стального шарика или алмаза (по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу и т.д.), измерения по упругому отскоку па­дающего шарика (испытания по Шору) и др.

Благодаря своей простоте, удобству и возможности быстрой про­верки состояния материала в целом ряде точек на поверхности конструкций эти косвенные методы нашли применение и при освидетельствовании со­оружений. Полученные при этом данные переводятся в прочностные харак­теристики исследуемого материала по эмпирическим формулам или с при­менением соответствующих графиков и таблиц.

Следует при этом иметь в виду, что само понятие "твердость" не является столь же определенным физическим критерием сопротивления материала силовым воздействиям как прочность, деформативность и т.д. В зависимости от вида испытания на твердость выявляются различные фак­торы: в методе отскока (по Шору) - способность к упругой работе при на­личии поглощения части энергии деформирования; при вдавливании шари­ка по Бринеллю - пластические свойства на уровне предела текучести; при вдавливании алмаза - сопротивление значительному деформированию (на уровне предела прочности) и т. д.

3.3.1. Оценка прочности металла

Наибольшее применение в строительной практике для оценки прочности металла имеет прибор Польди (рис.3.1) ударного действия.

Нахождение НВ и определение прочности и марки металла произ­водятся с помощью соответствующих таблиц. Для термически обработан­ных легированных сталей вводится поправочный коэффициент.

С помощью прибора Польди можно получать, однако, лишь ориен­тировочные характеристики. Но и с учетом этого применение прибора практически полезно, в особенности в следующих случаях:

для ускоренной проверки однородности материала в различных элементах освидетельствуемых конструкций;

при отбраковке (проверке марок металла) поступающих заготовок.

3.3.2. Оценка прочности бетона

При косвенной оценке прочности бетона по твердостным характе­ристикам его поверхностного слоя приходится учитывать следующие факторы, усложняющие эту оценку:

1) большой разброс результатов испытаний на "твердость", обу­словленный неоднородностью структуры бетона. Для получения надежных данных необходимо увеличить число проверяемых на поверхности точек и статистически обработать результаты испытаний;

2) возможная карбонизация поверхностного слоя, повышающая показатели твердости, а также увлажнение поверхности, снижающее эти показатели;

3) возможность расхождения прочностных характеристик на по­верхности и в глубине массивных блоков. Это может быть проверено, на­пример, контрольным бурением с выемкой образцов с разной глубины, а также применением рассматриваемых далее неразрушающих способов.

Необходимость в простых, доступных для массового применения способов оценки качества бетона настолько настоятельна, что, несмотря на указанные затруднения, для суждения о прочности бетона по механическим характеристикам его поверхностного слоя предложен целый ряд приборов и приспособлений. Краткий обзор практически наиболее оправдавших себя и методически интересных приемов приводится ниже.

Оценка прочности бетона с помощью молотка К.П.Кашкарова. Эталонный молоток К.П. Кашкарова схематически пока­зан на рис. 3.3. Принцип его действия аналогичен рассмотренному выше прибору Польди с той разницей, что удар наносится взмахом самого эта­лонного молотка.

ленными штукатурными и окрасочными слоями, определяется усредненное отношение d_б/d_эт; прочность бетона оценивается по корреляционной зави­симости между d_б/d_эт и пределом прочности бетона на сжатие, устанавли­ваемой экспериментально. При этом должны учитываться конкретные ус­ловия изготовления конструкции и твердения бетона, сроки испытаний, ше­роховатость, влажность и другие особенности состояния поверхности кон­струкции. Для эксплуатируемых сооружений указанная зависимость долж­на быть уточнена на образцах, выбуренных из соответствующих элементов.

Эталонный молоток рекомендуется для разных операций: оценок отпускной прочности бетонных изделий на заводах железобетонных конст­рукций, прочности бетона при передаче напряжения от арматуры на бетон в предварительно напряженных железобетонных конструкциях, коэффициен­та изменчивости прочности бетона в изделиях и конструкциях (что особен­но существенно при освидетельствованиях сооружений) и т. д.

Одним из наиболее простых приспособлений для сравнительной оценки прочности бетона является молоток И. Л. Физделя. Ударная часть этого стального молотка весом 250 г заканчивается шариком из твердой стали, легко вращающимся в гнезде. По диаметру отпечатков, полученных при ударе, определяют прочность бетона по эмпирическому графику. Ре­зультаты, несмотря на их ориентировочность, все же полезны в производ­ственных условиях. Пользование молотком при некотором навыке не вы­зывает затруднений.

Из приборов более сложной конструкции, предназначенных для получения ударных отпечатков на поверхности бетона, следует отметить прибор СоюздорНИИ (Е. Е. Гибшмана и В. Г. Донченко), аналогичный по принципу действия рассмотренному выше ударнику Польди для металла, прибор A.M. Губбера, ударяющий по увлажненной поверхности бетона кромкой стального диска. Эти приборы широкого применения не получили. В Германии серийно выпускается и стандартизирован (ДИН-424а) прибор с пружиной, передающей при спуске удар заданной силы на шари­ковый наконечник, оставляющий отпечаток на бетоне.

Оценка прочности бетона склерометром. Приборы этого типа применяются главным образом за рубежом. Из их числа наиболее известен прибор Шмидта (Швейцария).

В этих приборах, так же как в ударнике Шора для металла, о харак­теристиках материала судят по величине отскока стального бойка. Отскок фиксируется указателем на шкале. Удар наносится не непосредственно по исследуемой поверхности бетона, а воспринимается наконечником прибо­ра, прижатого к конструкции. Этот промежуточный стальной элемент не­обходим, поскольку величина отскока при резкой разнице модулей упруго­сти соударяемых материалов становится трудносопоставимой. Удар осуществляется спуском пружины, а не свободным падением бойка, как у Шора, что позволяет испытывать любым образом ориентированные по­верхности. Прибор удобен в работе и дает довольно четкие результаты.

Ударники Шмидта применяются у нас почти исключительно в транспортном строительстве при освидетельствовании железобетонных мостов. Имеются несколько измененные конструкции прибора. Предложен также прибор, действующий по принципу отскока падающего стального маятника.

Способ стрельбы. Данный способ является своеобразным вариан­том динамических оценок прочности материала. В 1933 г. Б.Г. Скрамтаевым была предложена оценка качества бетона по объему лунки, выбивае­мой в нем револьверной пулей. Выстрел из "нагана" производится с рас­стояния 6-8 м от конструкции перпендикулярно ее поверхности с огражде­нием стреляющего от осколков и возможного рикошета. Объем образовав­шихся лунок определяется измерением или, что более точно, по объему замазки, расходуемой на заполнение выбоин. Разброс получаемых резуль­татов, однако, является значительным.

Дальнейшим развитием метода было предложенное несколько позднее Ф.Ф. Поляковым специально сконструированное ружье с подстав­кой, приставляемой к поверхности элемента. При выстреле в бетон входил стальной ударник, глубина погружения которого и служила показателем прочности материала. Способ стрельбы нашел практическое применение в испытаниях деревянных конструкций.

Оценка прочности бетона по отпечатку при статическом воз­действии. Из числа предложений, основанных на статическом принципе, отметим, как наиболее характерное, устройство для вдавливания штампов, разработанное Г. К. Хайдуковым, А.И. Годером и Д.М. Рачевским. В зави­симости от марки бетона берутся сферы радиусом 24, 14 и 10 см и гидрав­лическим домкратом создается усилие 2400, 2000 и 2200 кгс соответствен­но. Конец стального поршня домкрата, служащий штампом, обработан по сферической поверхности заданного диаметра. Для замера отпечатка на бетоне под поршнем укладывают по листу белой и копировальной бумаги. Для крепления всего устройства на исследуемом элементе и создания упора для домкрата имеются стальные захваты в виде массивных скоб.

Существенным преимуществом штампов большого диаметра явля­ется передача усилия более значительному объему материала, что позволя­ет судить о совместной работе всех компонентов бетона. Другие же из рас­смотренных ранее приборов (с наконечниками небольших размеров) дают в основном представление о характеристиках затвердевшего раствора между крупными включениями,

К недостаткам установки следует отнести сравнительно большой ее вес, а также возникающие в отдельных случаях трудности закрепления, ограничивающие ее применение.

Метод ударных отпечатков (А. Х.Шевцов). О прочности древе­сины судят по диаметру отпечатка (вмятины), появляющегося на гладко оструганной поверхности исследуемого элемента при падении стального шарика диаметром 25 мм с высоты 50 см со специальной подставки. Для проб на вертикальных и наклонных гранях применяется спуск горизонталь­но оттянутого шарика (рис.3.4), скрепленного с нитью длиной 50 см.

Диаметры отпечатка фиксируются с помощью белой и копи­ровальной бумаг, помещенных на исследуемую поверхность в месте удара. Для перехода от диаметра отпечатка к прочности материала пользуются экспериментальными кривыми, построенными для разных сортов древе­сины. Для учета влияния влажности вводится поправочный коэффициент.

Способ стрельбы предложен К.П. Кашкаровым. В испытуемый деревянный элемент стреляют из мелкокалиберной винтовки, закрепленной в легком переносном станке. Расстояние от конца винтовочного ствола до поверхности древесины принимается равным 10см. Направление простреливания - нормальное к годовым слоям. Глубина погружения пули опреде­ляется электрозондом. От среднеарифметического значения глубин погру­жений при нескольких выстрелах переходят к прочности на сжатие вдоль волокон материала по графикам, построенным экспериментально для соот­ветствующих сортов древесины.

Исследования показали, что глубина погружения пули практически не зависит от влажности простреливаемых слоев.