Неразрушающие методы определения характеристик материалов конструкций жилых зданий

Общие положения. Оценку прочностных характеристик конструктивных материалов можно производить двумя способами. Первый метод, заключается в том, что конструкцию нагружают и доводят её до разрушения с целью выявления предельной несущей способности. Однако, в практике строительства использование этого метода при обследовании конструктивных элементов здания экономически нецелесообразно. Неразрушающие методы (второй метод), предполагают использование малогабаритных приборов, с большим набором сервисных функции, имеющих канал инфракрасной связи с компьютером. Обработка измеряемых параметров производится с помощью компьютерных программ, что обеспечивает высокую достоверность измерений. Что касается приборов, для определения прочностных характеристик материала конструкций, используемых ведущими зарубежными фирмами, то в них заложен тот же принцип косвенных измерений и методологический подход, что и в наших приборах. Отличие только в наборе сервисных услуг и обработке результатов измерении. В России и за рубежом для определения прочности бетона, раствора, кирпичной кладки широко используются различные модификации молотка Шмидта (модель N, NR, L, LR, LB, МР, РТ, РМ), позволяющие вести измерения и обработку в автоматизированном режиме и использующие метод ударного отскока. Основным критерием при выборе методов и средств измерений, является допустимая предельная погрешность измерений, простота и удобство работы, регистрация и обработка результатов. Рассмотрим кратко используемые при обследовании методы определения прочности в конструкциях, рекомендуемые нормативными документами (ГОСТ).

Все неразрушающие методы основаны на измерении косвенной характеристики. Необходимым условием является достаточная точность её измерения и точность связи с определяемой прочностью в конструкциях. Прочность бетона определяют по предварительно установленным градуировочным зависимостям между прочностью бетонных образцов по ГОСТ 10180 и косвенными характеристиками прочности. Градуировочные зависимости могут быть представлены в виде графика, в табличной форме или формулой.

В практике обследования и испытания зданий и сооружений используются следующие методы контроля:

· механические методы испытания

· физические методы испытания материалов и конструкций

Механические методы испытания материалов и конструкций. Неразрушающие механические методы определения прочности материала в конструкциях классифицируют по виду испытаний. Прочность бетона на сжатие в конструкциях определяется, с использованием методов:

· пластической деформации;

· упругого отскока;

· отрыва;

· отрыва со скалыванием;

· скалыванием ребра;

· ударного импульса.

Метод пластической деформации. Метод пластической деформации основан на оценке местных деформаций вызванных приложением к конструкции сосредоточенных усилий. Определяется зависимость размера отпечатка на поверхности конструкции, полученного от вдавливания индентора статическим или динамическим воздействием от прочностных свойств материала. Испытание проводят в следующей последовательности: прибор располагают так, чтобы усилие прикладывалось перпендикулярно к испытываемой поверхности. При сферическом инденторе производят измерение диаметров отпечатков через листы копировальной и белой бумаги. Фиксируют значения косвенной характеристики в соответствии с инструкцией по эксплуатации прибора и вычисляют среднее значение косвенной характеристики на участке конструкции.

Простейшим из них является способ определения прочности молотком И.А. Физделя (рис. 2). При локтевых ударах (в момент нанесения удара локоть руки прижат к поверхности испытываемой конструкции) молотка по поверхности конструкции на последней остаются отпечатки — лунки, по среднему диаметру которых в соответствии с тарировочной кривой определяют прочность материала (бетона, раствора, естественных камней). Точность этого способа невелика, так как сила удара не регламентирована.

Рис. 2. Молоток И.А. Физделя

Большую точность дают ударные приборы, позволяющие сравнивать размеры лунок на поверхности конструкций и эталонном образце, образованных при одном ударе. При ударе эталонным молотком К.П. Кашкарова получается одновременно два отпечатка — на эталоне и конструкции (рис. 3). Отношение диаметров получаемых отпечатков зависит от твердости бетона и твердости металла эталонного стержня и практически не зависит от скорости, направления и силы удара, наносимого молотком.

Рис. 3. Молоток К.П. Кашкарова

При этом за косвенную характеристику прочности бетона или другого каменного материала принимают среднюю величину отношения ряда отпечатков, по значению которой с помощью тарировочной кривой находят среднее значение прочности материала.

К приборам этого же типа относится и склерометр СД-2. Рабочим элементом склерометра является диск диаметром 20 мм с толщиной рабочей части 1 мм. Ребро диска приводят в соприкосновение с поверхностями испытываемого образца и эталона и производят легкий удар по направляющей. При этом на поверхности образца и эталона образуются отпечатки ребра диска. По соотношению отпечатков с помощью тарировочной кривой определяют прочность бетона и раствора.

Метод упругого отскока. Метод упругого отскока основан на установлении зависимости между параметрами, характеризующими упругими свойствами материала, и параметрами, определяющими прочность на сжатие. Существует два принципиальных метода. Один основан на отскакивании бойка от ударника-наковальни, другой на отскакивании от поверхности испытуемого материала. В практике строительства наибольшее применение получил первый метод. Он реализован в молотке Шмидта, получивший широкое применение за рубежом и у нас. При испытании фиксируют значение косвенной характеристики в соответствии с инструкцией по эксплуатации прибора. Затем вычисляют среднее значение косвенной характеристики на участке конструкции. При испытании расстояние от мест проведения испытания до арматуры должно быть не менее 50 мм.

Широкое применение при испытании бетонных и железобетонных конструкций нашли приборы этого метода с постоянной энергией удара (пистолет ЦНИИСКа им. В.А. Кучеренко, прибор ПМ, склерометр ОМШ-1) (рис. 4). Однако при испытании кирпичной кладки приборы этого метода могут быть использованы частично, только применительно к растворам в швах кладки, так как кирпич при ударе разрушается (откалывается) и размер отпечатка не может быть зафиксирован. Поэтому прочность кирпичной кладки определяют дифференцированно: прочность кладки — импульсным акустическим способом, а прочность раствора — склерометрическим способом.

Рис. 3. Молоток К.П. Кашкарова принципиальное устройство прибора ПМ—2 Пружинный молоток (прибор в исходном состоянии)

1 - шарик (идентор); 2 - ударник; 3 - втулка; 4 - рабочая пружина; 5 - шток; 6 - корпус; 7 - боек; 8 - защелка; 9 - возвратная пружина; 10 - упорный винт; 11 - задняя крышка

Метод отрыва. Метод отрыва основан на определении значения условного напряжения в бетоне при отрыве. При испытании методом отрыва участки располагают в зоне наименьших напряжений арматуры.

Испытание проводят в следующей последовательности:

· очищают поверхность бетона;

· приклеивают диск к бетону;

· прибор соединяют с диском;

· прикладывают плавно нагрузку со скоростью (1±0,3) кН/с и фиксируют показание силоизмерителя прибора;

· измеряют площадь проекции поверхности отрыва на плоскости диска с погрешностью ±0,5 см²;

Результаты испытаний не учитывают, если при отрыве бетона была обнаружена арматура, или площадь проекции поверхности отрыва составила менее 80 % площади диска.

Метод отрыва (вырыва) со скалыванием. Метод отрыва со скалыванием основан на определении предела прочности бетона по усилию извлечения, установленного в бетон анкера, или отрыву из массива некоторой его части. При испытании участки должны располагаться в зоне наименьших напряжении, вызываемых эксплуатационной нагрузкой или усилием обжатия предварительно напряженной арматуры, Анкерные устройства бывают трёх типов. Первый устанавливают на конструкции при бетонировании. Второй и третий, в предварительно подготовленные шпуры в конструкции (рис. 4).

Испытания проводят в следующей последовательности:

· в бетоне сверлят или пробивают шпур (скважину);

· в шпуре закрепляют анкерное устройство;

· прибор соединяют с анкерным устройством;

· плавно увеличивают нагрузку и фиксируют показание силоизмерителя прибора и глубину вырыва с точностью не менее 1 мм.

Рис. 4. Метод отрыва со скалыванием

Для испытания бетона на отрыв и скалывание применяют прибор ГПНВ-5 (рис.4) или ПОС – 50МГ4 «Скол» (рис. 5), с помощью которых вырывают заделанные в бетон разъемные конусы или стержни. Величину вырывного усилия определяют по шкале манометра или на дисплее электронного блока. Переход от косвенных показателей прочности к значению действительной прочности бетона в конструкции производится по тарировочным кривым. Прибор ГПНВ-5 может использоваться также и для комплексных испытаний. С помощью этого прибора можно получить второй косвенный показатель прочности — диаметр отпечатка.

Следует отметить, что если методом пластических деформаций можно определить прочность материала только на поверхности конструкции, то при вырыве закладной детали из конструкции находят интегральное значение прочности материала на глубину разъемного конуса или стержня, что приближает условия испытаний к реальным.

Метод отрыва со скалыванием ребра. Метод отрыва со скалыванием ребра основан на использовании значение усилия местного разрыва, необходимого для скалывания участка бетона на ребре конструкции. При испытании методом скалывания ребра на участке испытания не должно быть трещин, околов бетона, наплывов или раковин высотой (глубиной) более 5 мм. Участки должны располагаться в зоне наименьших напряжений, вызываемых эксплуатационной нагрузкой или усилием обжатия предварительно напряженной арматуры. Для испытания бетона на отрыв и скалывание применяют прибор ПОС – 50МГ4 «Скол» (рис. 5).

Испытание проводят в следующей последовательности;

· закрепляют прибор на конструкции;

· прикладывают нагрузку со скоростью не более (1±0,3) кН/с и фиксируют показание силоизмерителя прибора;

· измеряют фактическую глубину скалывания;

Рис. 5. Определение прочности бетона методом скалывания ребра

Результаты испытания не учитываются, если при скалывании бетона была обнажена арматура.

Прочность бетона R, МПа можно вычислять по градуировочной зависимости по формуле

R = 0,058 m (30P + P²)

где m – коэффициент, учитывающий максимальный размер заполнителя, колеблется в пределах 1-1;

Р - усилие скалывания, кН.

Метод ударного импульса. Косвенной характеристикой при определении прочности материала конструкции этого метода является энергия удара. Для испытания бетона методом ударного импульса применяют приборы: электронный измеритель прочности бетона ИПС-МГ4, универсальный измеритель прочности строительных материалов ОНИКС-2,5 и др. (рис. 6).

Рис. 6. Электронные измерители прочности бетона методом ударного импульса ИПС-МГ4 и ОНИКС – 2,5

К механическим методам испытаний относится компенсационный способ определения напряженного состояния материала массивных конструкций, предложенный В.И. Кравцовым и С.Я. Эйдельманом. Этот способ заключается в следующем. Ниже сечения, по которому определяют напряжение, фиксируют по паре точек, расстояние между которыми замеряют с точностью до 0,01 мм. Затем над одной парой точек пробивают борозду на глубину 30—40 см, что приводит к разгрузке поверхностного слоя конструкций. В этом случае расстояние между точками данной пары увеличивается. После этого материал конструкции снова нагружают, вводя в борозду компенсатор, представляющий собой жесткое стальное кольцо, перекрытое с двух сторон гибкой или жесткой мембраной. С помощью компрессора в кольце создают давление, при котором расстояние между точками станет равным первоначальному. При этом давление, создаваемое компрессором, принимают равным напряжению конструкции в этом сечении.

Выбор механических неразрушающих методов. Решающим значением при выборе методов является простота измерений и их обработка. Все методы основаны на фиксации значения косвенной характеристики с построением градуировочной зависимости для определения параметра. Определяемые на объекте значения косвенной характеристики являются:

· диаметры отпечатков на бетоне и стандартном образце при ударе индентора или при его вдавливании в поверхность бетона;

· при использовании метода ударного импульса параметр энергия удара;

· при использовании метода отрыва значение напряжения, необходимого для местного разрушения бетона при отрыве приклеенного к нему металлического диска, равного усилию отрыва, деленному на площадь проекции поверхности отрыва бетона на плоскость диска;

· при вырыве анкерного устройства значение усилия местного разрушения бетона.

· при использовании метода отрыва со скалыванием ребра значение усилия местного разрыва, необходимого для скалывания участка бетона на ребре конструкции;

При использовании методов, базирующих на определении косвенной характеристики (методы упругого отскока, пластической деформации, ударного импульса и отрыва) градуированные зависимости устанавливают конкретно для каждого вида прочности.

Для испытания методами отрыва со скалыванием и скалывания ребра допускается устанавливать единую градуировочную зависимость независимо от вида прочности.

Требования к проведению испытаний неразрушающими методами, с учетом толщины испытуемой конструкции представлены в таблице 16.

Таблица 16. Требования к проведению испытаний неразрушающими методами

Выбор методов определения прочности бетона при обследовании необходимо осуществлять, с учётом предельных значений прочности конструкции. Методы определения прочности даны в таблице 17.

Таблица 17. Выбор методов определения прочности бетона при обследовании

Физические методы испытания материалов и конструкций. Из физических методов испытаний широкое распространение получили импульсный акустический, радиометрический и магнитометрический и др. методы. При испытаниях строительных материалов и конструкций физическими методами измерения проводят специальными электронными приборами.

Радиометрический (радиационный) метод определения плотности материала основан на взаимодействии гамма-излучения с исследуемой средой. Метод основан на просвечивании контролируемой конструкции ионизирующим излучением и получении при этом информации о ее внутреннем строении с помощью преобразователя излучения (рис. 7).

Рис. 7. Схема радиометрического метода контроля

Взаимодействие излучения с веществом определяется основным законом ослабления ионизирующего излучения.

Плотность строительных материалов можно найти методом сквозного просвечивания или методом рассеяния. Если к конструкции возможно подойти только с одной стороны, для определения плотности применяют метод рассеяния, при котором источник излучения и счетчик импульсов находятся у одной и той же поверхности конструкции. Датчиком для определения плотности является выносной элемент ИП-3. Счетно-запоминающим устройством служат радиометры типа Б-3 или Б-4.

Импульсный акустический (ультразвуковой) метод, получивший наиболее широкое распространение, основан на использовании закономерности распространения упругих волн в материале. Импульсный ультразвуковой метод основан на измерении скорости распространения ультразвука в обследуемых материалах (рис. 8). Наибольшее применение получили: метод сквозного просвечивания и метол продольного профилирования.

Рис. 8. Схема ультразвукового прибора УБК—1М

1 - испытываемая конструкция; 2 - щуп-излучатель; 3 - генератор импульсов; 4 - задающий генератор; 5 - ждущая развертка; 6 - генератор меток; 7 - электронно-лучевая трубка; 8 - усилитель; 9 - щуп-приемник

Импульсный акустический метод может применяться самостоятельно и в комплексе с другими методами. Как самостоятельное средство этот метод применяется для оценки однородности материала конструкций, определения коэффициента Пуассона, изучения процессов структурных изменений в несущих конструкциях под воздействием нагрузок или внешней среды, установления прочности материалов (тяжелого бетона, тяжелых естественных камней), определения наличия и зоны распространения дефектов в конструкциях (трещины, пустоты, инородные включения и пр.).

В комплексе с другими методами импульсный акустический метод применяется для определения модуля упругости материала и прочности легких каменных материалов в конструкциях (керамзитобетон, шлакобетон, кирпич, кирпичная кладка и пр.).

Указанным методом с помощью электронной аппаратуры могут быть получены следующие акустические характеристики материала:

· скорость переднего фронта продольных С₁ поперечных С₂ и поверхностных С₃ волн; основная частота f свободных колебаний системы частиц среды;

· характеристики затухания амплитуды колебаний.

Зная плотность среды ρ, которая может быть определена радиометрическим методом, и акустические характеристики, можно найти ряд физических параметров, описывающих упругие и вязкие свойства материала.

Использование зависимости физических и механических характеристик материала позволяет определить прочность материала и деформативность конструкции и исследовать изменения в структуре материала без разрушения конструкции.

Скорости распространения переднего фронта продольных, поперечных и поверхностных волн в образцах и конструкциях определяют акустическим микросекундомером УКВ-1, с помощью которого может быть осуществлено сквозное и поверхностное прозвучивание конструкций. При поверхностном прозвучивании на осциллограмме можно наблюдать время прихода переднего фронта продольных, поперечных и поверхностных волн. В этом случае при одной и той же фазе измерения могут быть определены значения скоростей всех типов волн. Наиболее точные результаты дает метод продольного профилирования (рис. 9). При измерении излучатель устанавливают на фиксированную точку постоянно, а приемник перемещают от излучателя с любым выбранным шагом (обычно 2—5 см). Первоначально приемник размещают на расстоянии от излучателя не менее 1,5λ (λ — длина волны). Для каждого положения приемника определяют время первого вступления или характерные фазы продольной, поперечной и поверхностной волн. На графике в координатах «база измерения - время» наносят точки, соответствующие последовательным положениям приемника. По точкам проводят линии годографа скорости. Тангенс угла, образованного наклоном линии годографа к оси ординат, соответствует скорости распространения данного вида волн.

С помощью импульсного акустического метода может быть выявлена дефектность каменных конструкций. Для определения глубины распространения трещины, выходящей на поверхность конструкции, используется способ построения годографа. По локальному увеличению времени (разрыв годографа) прохождения акустического импульса в зависимости от базы измерения при фиксированном положении датчика вычисляют глубину трещины. Невидимые дефекты конструкций (пустоты, инородные включения и т д.) и зону их распространения выявляют методом последовательного приближения при сквозном прозвучивании конструкций.

Рис. 9. Годографы продольной волны

I - V - образцы;

1 – положение излучателя;

2 - 11 - положения приемника

С помощью указанного метода может быть также установлена прочность материала по корреляции между прочностью и его физическими характеристиками — скоростью распространения упругих волн, акустическим сопротивлением или акустической жесткостью среды. Для бетона и его аналогов (газобетона, керамзитобетона и шлакобетона) указанные зависимости уже установлены. Возможность применения импульсного метода для определения прочности кирпичной кладки до настоящего времени исследована недостаточно полно.

Магнитометрический метод основан на взаимодействии магнитного поля с введенным в него ферромагнетиком (металлом). Этот метод применяют при обследовании железобетонных конструкций, когда необходимо установить расположение и сечение арматуры и величину ее защитного слоя, а также при обследовании каменных конструкций с закладными металлическими деталями или перекрытий по металлическим балкам, чтобы определить положение и рабочее сечение металлических элементов (рис. 10).

Рис. 10. Схема магнитометрического метода контроля

Для установления диаметра арматуры и толщины защитного слоя в железобетонных конструкциях используется приборы ИЗС-2, ИЗС 10, Поиск-2,5 работающие на полупроводниках. Щуп приборов представляет собой преобразователь трансформаторного типа, состоящий из двух частей, в каждую из которых вмонтированы две индукционные катушки. Индикатором служит микроамперметр М-24 (ИЗС). При перемещении щупа по поверхности конструкции наличие металла фиксируется по минимальному отклонению стрелки амперметра. При обнаружении металла щуп устанавливают на риску и по показаниям индикатора записывают толщину защитного слоя для арматуры всех диаметров, которые указаны на его шкале. Затем под щуп подкладывают прокладки толщиной 10 мм и снова определяют толщину защитного слоя для всех диаметров. Искомый диаметр устанавливают по той шкале, на которой положение стрелки индикатора соответствует толщине защитного слоя бетона с учетом толщины прокладки.

Выявить наличие металла в конструкции можно также с помощью приборов МИ-1 (металлоискатель) или ИСМ. Прибор ИСМ состоит из двух генераторов высокой частоты, усилителя-ограничителя, ограничительного каскада, дифференцирующего контура и индикатора. Индикатором служит амперметр М-24. С первым генератором соединен выносной щуп. Второй генератор является эталонным. Принцип работы прибора основан на изменении частот генератора под воздействием металла на колебательный контур. При поиске скрытого металла щуп перемещается в двух взаимно перпендикулярных направлениях на расстоянии 5—7 см от поверхности конструкции. Наличие металла обнаруживается по отклонению стрелки. Для определения точного места нахождения металла щупом совершают возвратно-поступательные движения до максимального отклонения стрелки. Положение металла отмечают риской на поверхности конструкции. Используя тарировочную таблицу, можно также определить номер проката балки.

Методами, основанными на СВЧ-излучении, могут быть определены напряженное состояние изотропных материалов и дефектность конструкций.

В основу метода определения напряженного состояния положен эффект Брюстера, заключающийся в том, что изотропный материал, находящийся в напряженном состоянии, обладает, подобно кристаллу, свойствами двойного лучепреломления, а именно: направления поляризации, соответствующие данной нормали волны, совпадают с направлениями основных напряжений, лежащих во фронте волны.

Приведенные закономерности справедливы для большого интервала напряжений.

Применение методов СВЧ перспективно также для определения дефектов конструкции. При перемещении установки вдоль поверхности исследуемой конструкции выявляют места и зону распространения скрытых дефектов, в том числе участки с нарушенным шагом стержней арматуры железобетонных конструкций.

Вихретоковый метод. Суть этого метода заключается в том, что в качестве косвенной характеристики используются измерение параметров вихретокового преобразователя, вызванные внесением в его электромагнитное поле стержня арматуры.

Этим методом определяются прочностные характеристики арматурной стали на временное сопротивление разрыву. Предел текучести определяют на основе экспериментально установленных градуировочных зависимостей.